Décarboner l’électricité en Suisse – sans nucléaire sans gaz la meilleure stratégie ?

Décarboner l’électricité en Suisse – sans nucléaire sans gaz la meilleure stratégie ?

Des données pour discuter en classe des choix énergétiques

Alors que la pression pour diminuer les émissions de gaz a effet de serre (GES) atteint les milieux politiques et que la dépendance aux énergies fossiles montre ses fragilités, vient de paraitre une étude qui explore les scénarios possibles pour produire l’électricité et leur impact sur la production des GES. Les données qu’ils fournissent pourront permettre des activités avec les élèves : leur permettre de constater eux-mêmes quelle combinaison a quel effet.

Et sans doute susciter des réflexions sur la conservation de l’énergie, et ce qu’on appelle production d’énergie électrique.

Sur les impacts de la production de l’électricité pour les voitures dites « propres » ou « zéro-carbone » …

Sur les modes de calcul des chercheurs aussi… Certains élèves diront  » sur la base de quoi vous dites ça » ?  Ils ont raison !

La discussion des méthodes est une démarche cruciale pour qu’une connaissance puisse être qualifiée de scientifique. Et pour mesurer la portée de ses conclusions.

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Le solaire et l’éolien pour décarboner la Suisse

Une équipe de l’UNIGE et du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (EMPA) démontre qu’un mix photovoltaïque-éolien est optimal pour réduire l’empreinte carbone de la consommation électrique suisse.

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Comment réduire l’empreinte carbone liée à la consommation d’électricité en Suisse?

L’augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère est le principal moteur du réchauffement climatique. Une part importante de ces gaz est causée par les centrales électriques à combustible fossile utilisées pour la production d’électricité. On estime que ces centrales génèrent un quart des émissions totales de GES en Europe. En Suisse, où l’électricité est principalement produite par des centrales nucléaires et hydroélectriques, cette production représente 2 % des émissions de gaz à effet de serre.

Pour répondre à ses besoins, notre pays s’appuie en effet sur des importations provenant de centrales à énergies fossiles, grosses émettrices de gaz à effet de serre. Une équipe de chercheurs/euses de l’Université de Genève et du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (EMPA) a étudié différents scénarios visant à réduire l’empreinte carbone du pays. Pour y parvenir tout en répondant aux besoins futurs d’électrification, elle recommande la mise en œuvre d’une production indigène mêlant éolien et photovoltaïque, complétée par de l’importation. Le tout sans faire appel à l’énergie nucléaire. Ce scénario permettrait de diminuer de 45% la participation de la Suisse à l’émission globale des gaz à effet de serre. Ces résultats sont à découvrir dans Energy Policy. (Rüdisüli & al., 2022) ici

Cependant, il est souvent économiquement intéressant de vendre et d’exporter une partie de l’énergie produite vers les pays voisins. La Suisse compte donc aussi sur les importations pour subvenir à ses besoins. Cela représente 11% de l’électricité consommée. L’électricité provient donc de centrales à forte «intensité carbonique ». Une équipe scientifique de l’UNIGE et de l’EMPA a élaboré différents scénarios énergétiques et défini la meilleure voie à suivre pour décarboner la Suisse. Cela signifie réduire la consommation du pays des sources d’énergie primaires qui émettent des gaz à effet de serre.

«Nous avons développé sept scénarios différents incluant à des degrés divers le solaire, l’éolien et l’hydraulique. Le tout avec et sans l’utilisation du nucléaire puisque la Confédération envisage une sortie progressive de ce mode de production d’ici 2050», explique Elliot Romano, adjoint scientifique au Département F.-A. Forel des Sciences de l’environnement et de l’eau de la Faculté des sciences de l’UNIGE. Les chercheurs/euses ont également pris en compte les possibilités d’approvisionnement depuis l’étranger, essentielles pour répondre à la demande, tout comme les besoins d’électrification (mobilité et chauffage) de la population.

Importations réduites

Après avoir examiné les différentes options, l’équipe de recherche a déterminé que le scénario optimal serait un mélange de production photovoltaïque et éolienne. «Ce mix est le moyen le plus efficace de réduire l’empreinte du pays, mais c’est aussi la meilleure alternative à l’énergie nucléaire», déclare Martin Rüdisüli, chercheur au Laboratoire des systèmes énergétiques urbains de l’Empa et premier auteur de l’étude. Le modèle est basé sur une grande production éolienne de 12 TWh et une production solaire de 25 TWh. A titre de comparaison, en Suisse, le solaire produira 2,72 TWh et l’éolien 0,13 TWh en 2021. Par rapport à une solution nucléaire, le mix de production proposé réduit le besoin d’importation de 16 TWh à 13,7 TWh.  (scénario 7 dans la figure 1 ci-dessous)

Fig. 13

Fig. 1 Émissions absolues de GES dans le système énergétique étudié dans cette étude : les émissions de GES dans le secteur de l’électricité sont indiquées pour les sources domestiques (vert) et importées (gris), tandis que les barres noires représentent les émissions de GES dans le secteur de la chaleur et des transports sans électrification. L’électricité importée est en outre divisée en sa part avec des intensités de GES supérieures (gris foncé) et inférieures (gris clair) à celles des turbines à gaz à cycle combiné (CCGT) (443 g CO2-eq/kWh). Les étiquettes rouges indiquent l’atténuation des GES par rapport au scénario de référence 1.img high-res (776KB) full-size image source Rüdisüli & al. (2022) ici

Légende

BEV=   Battery electric vehicles, CCGT=   Combined cycle gas turbine, CCS=Carbon Capture and Storage, CHP=   Combined heat and power, COP=Coefficient of performance, DAM=   Dam storage, DHW=   Domestic hot water, DSM=   Demand-side management, GHG=   Greenhouse gases
HP=   Heat pump, LCA=   Life cycle assessment, MWIP=   Municipal waste incineration plants, NPP=   Nuclear power plant, PHS=   Pumped-hydro storage, PV=   Photovoltaic, REF=   Reference, RET=   Renewable Energy Technology, RoR=   Run-of-river, SH=   Space heating, SNG=   Synthetic natural gas

En revanche, ce scénario – qui prend également en compte les futurs besoins en électricité liés à la mobilité électrique et les besoins thermiques des bâtiments – ferait passer l’empreinte carbone des consommations de 89g de CO2 par kWh (en 2018) à 131g de CO2 par kWh en l’avenir. Or, l’électrification de l’ensemble de ces besoins réduirait à terme de 45% la contribution de la Suisse aux émissions mondiales de gaz à effet de serre. Les chercheurs ont également montré que les installations de stockage actuelles ne pourraient gérer que partiellement les excédents électriques estivaux, qui résulteraient de la grande capacité des centrales photovoltaïques en fonctionnement à l’époque.

Des données d’une précision sans précédent

« Jusqu’à présent, les recherches sur l’empreinte de la production d’électricité reposaient sur des valeurs moyennes de consommation, notamment annuelles. La force de notre étude réside dans l’utilisation de valeurs horaires et donc beaucoup plus précises », explique Elliot Romano. L’empreinte directe mais aussi indirecte de cette production a également été intégrée. « Nous avons pris en compte l’empreinte générée, par exemple, par la production du béton utilisé dans la construction d’une centrale électrique. Cette méthode nous a donc permis de réaliser une analyse complète du cycle de vie de la production d’électricité ».

Cette méthode et les données d’une précision sans précédent fournissent des lignes directrices concrètes pour la stratégie énergétique 2050 de la Suisse. Elle ouvre également la voie à de nouvelles études scientifiques. communiqué de presse unige

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  • Rüdisüli, M., Romano, E., Eggimann, S., & Patel, M. K. (2022). Decarbonization strategies for Switzerland considering embedded greenhouse gas emissions in electricity imports. Energy Policy, 162, 112794. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2022.112794

Quelques extraits traduits et figures de  l’article d’origineJump-To-Science : donner envie d'accéder aux
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Decarbonization strategies for Switzerland considering embedded greenhouse gas emissions in electricity imports

Points forts
• L’évaluation intégrale de la décarbonation nécessite des émissions marginales horaires de GES (gaz à effet de serre).
• La variabilité diurne et saisonnière des émissions de GES dans l’électricité est importante.
• Des portefeuilles diversifiés d’énergies renouvelables avec le PV et l’éolien atténuent davantage les émissions de GES.
• L’électrification de la chaleur et des transports entraîne généralement une atténuation globale des GES.
• Le stockage d’électricité à court terme ne permet de gérer que partiellement les surplus d’électricité.

Résumé

La décarbonation du système énergétique par l’électrification de la chaleur et des transports n’est efficace qu’en utilisant des sources d’électricité à faible émission de carbone. Étant donné que de nombreux pays comme la Suisse dépendent de l’électricité importée pour répondre à leur demande, la teneur en gaz à effet de serre (GES) des importations d’électricité doit être correctement prise en compte. En supposant une teneur moyenne en GES pour chaque quantité importée, les impacts de l’électricité requise en période de pointe sont sous-estimés car la demande supplémentaire (marginale) est principalement satisfaite par des centrales électriques à combustible fossile. Cette étude utilise un modèle pour capturer les teneurs marginales en GES de l’électricité importée d’un point de vue direct et indirect (cycle de vie) à une résolution horaire. Les implications sur les GES sont explorées pour divers scénarios de demande et d’approvisionnement en électricité, y compris l’électrification de la chaleur et des transports, l’expansion à grande échelle des énergies renouvelables et la sortie du nucléaire. Nous constatons que selon le scénario, l’intensité moyenne en GES de l’électricité consommée peut doubler, tandis que les variations diurnes et saisonnières sont encore plus importantes. Néanmoins, les résultats montrent une réduction substantielle des GES allant jusqu’à 45 % avec l’électrification en cas de déploiement d’un portefeuille de production d’électricité diversifié comprenant le photovoltaïque et l’éolien. Pour une atténuation optimale des GES, la flexibilité à court terme fournie par l’hydroélectricité est nécessaire pour gérer les excédents d’électricité. Le principal défi, cependant, concerne le stockage d’énergie saisonnier, y compris le couplage sectoriel.

Points forts •

L’évaluation intégrale de la décarbonation nécessite des émissions marginales horaires de GES. • La variabilité diurne et saisonnière des émissions de GES dans l’électricité est importante. • Des portefeuilles diversifiés d’énergies renouvelables avec le PV et l’éolien atténuent davantage les émissions de GES. • L’électrification de la chaleur et des transports entraîne généralement une atténuation globale des GES. • Le stockage d’électricité à court terme ne permet de gérer que partiellement les surplus d’électricité. Résumé La décarbonation du système énergétique par l’électrification de la chaleur et des transports n’est efficace qu’en utilisant des sources d’électricité à faible émission de carbone. Étant donné que de nombreux pays comme la Suisse dépendent de l’électricité importée pour répondre à leur demande, la teneur en gaz à effet de serre (GES) des importations d’électricité doit être correctement prise en compte. En supposant une teneur moyenne en GES pour chaque quantité importée, les impacts de l’électricité requise en période de pointe sont sous-estimés car la demande supplémentaire (marginale) est principalement satisfaite par des centrales électriques à combustible fossile. Cette étude utilise un modèle pour capturer les teneurs marginales en GES de l’électricité importée d’un point de vue direct et indirect (cycle de vie) à une résolution horaire. Les implications sur les GES sont explorées pour divers scénarios de demande et d’approvisionnement en électricité, y compris l’électrification de la chaleur et des transports, l’expansion à grande échelle des énergies renouvelables et la sortie du nucléaire. Nous constatons que selon le scénario, l’intensité moyenne en GES de l’électricité consommée peut doubler, tandis que les variations diurnes et saisonnières sont encore plus importantes. Néanmoins, les résultats montrent une réduction substantielle des GES allant jusqu’à 45 % avec l’électrification en cas de déploiement d’un portefeuille de production d’électricité diversifié comprenant le photovoltaïque et l’éolien. Pour une atténuation optimale des GES, la flexibilité à court terme fournie par l’hydroélectricité est nécessaire pour gérer les excédents d’électricité. Le principal défi, cependant, concerne le stockage d’énergie saisonnier, y compris le couplage sectoriel. »>

Une sélection de figures

Fig. Monthly aggregated supply mix (bars) and Swiss electricity demand (red line). Labels show the annual imports PV Photovoltaic BEV Battery electric Vehicle . IMG

Fig. 4

Fig. Median hourly electricity demand (lines) and supply (areas) in summer (top) and winter (bottom).

Références:

  • Rüdisüli, M., Romano, E., Eggimann, S., & Patel, M. K. (2022). Decarbonization strategies for Switzerland considering embedded greenhouse gas emissions in electricity imports. Energy Policy, 162, 112794. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2022.112794
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