Les chercheurs de l'ORNL ont modélisé l'impact de la couverture nuageuse des ouragans sur la production d'énergie solaire, alors qu'une tempête suivait 10 trajectoires possibles au-dessus des Caraïbes et du sud des États-Unis. Crédit : Andy Sproles/ORNL, Département américain de l'énergie
Des chercheurs ont développé un modèle de « super-réseaux » pour assurer l’approvisionnement en électricité dans les Caraïbes pendant les ouragans, en explorant les systèmes de réseaux interconnectés pour compenser l’impact de la baisse de l’énergie solaire. Cette initiative vise à améliorer la fiabilité et la résilience énergétiques face aux tempêtes fréquentes.
Lorsque les ouragans menacent les côtes tropicales, les « super-réseaux » pourraient venir à la rescousse.
Les îles des Caraïbes commencent à abandonner l'importation de combustibles fossiles coûteux pour utiliser leur propre soleil et leur vent pour produire de l'électricité. Cependant, les ouragans fréquents peuvent freiner la production d'énergie solaire. Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont mis au point une méthode de modélisation complète pour mieux prévoir la baisse de la production d'électricité lorsque ces nuages d'orage éclipsent les panneaux solaires. L'équipe a étudié des moyens de compenser ces pertes d'énergie grâce à des super-réseaux, un ensemble de réseaux connectés de manière à ce que l'électricité puisse circuler à travers des chaînes d'îles ou entre des continents.
Selon Rodney Itiki, chercheur principal, ce type de planification des infrastructures est essentiel pour maintenir un accès équitable à l'électricité dans les 12 pays insulaires des Caraïbes et dans les territoires américains de Porto Rico et des îles Vierges américaines. Les habitants des îles, historiquement mal desservis, ne peuvent pas facilement évacuer la trajectoire des nombreux ouragans qui frappent les Caraïbes chaque année. La perte d'énergie solaire pendant les ouragans risque de devenir de plus en plus importante sur des îles comme Porto Rico, qui s'est fixé comme objectif de se convertir à l'énergie entièrement renouvelable d'ici 2050.
Modélisation de l'approvisionnement énergétique lors des ouragans
Le modèle d'Itiki peut être utilisé pour comprendre l'impact des nuages d'ouragan sur n'importe quel système électrique. Dans cette étude, lui et son équipe d'experts en intégration de réseau, en énergies renouvelables et en méthodes informatiques avancées ont utilisé son algorithme pour explorer différentes approches de connexion au réseau, en modélisant comment chacune affecterait la disponibilité de l'électricité. Le modèle a analysé comment un gros ouragan réduirait la puissance des installations solaires connues en parcourant 10 trajectoires possibles sur 10 à 14 jours.
« C'est l'une des contributions majeures de la recherche, car lorsque nous concevons le système électrique, nous devons le faire en tenant compte de tous les cas possibles, et surtout du pire des scénarios », a déclaré Itiki, chercheur postdoctoral associé au groupe de résilience des systèmes électriques de l'ORNL.
Les chercheurs ont utilisé des simulations pour comprendre la disponibilité de l'énergie pendant les ouragans si les réseaux électriques étaient connectés via des câbles à haute tension au fond de l'océan. Pour savoir si ces super-réseaux équilibreraient le flux d'énergie entre les régions, l'équipe a modélisé quatre combinaisons différentes : un réseau américain autonome ; un super-réseau caribéen autonome reliant toutes les îles entre elles ; un super-réseau États-Unis-Caraïbes ; et un super-réseau reliant les États-Unis, les îles des Caraïbes et l'Amérique du Sud.
La configuration du super-réseau la plus importante comprenait 90 centrales photovoltaïques dans le couloir des ouragans, ainsi que des fermes solaires dans des endroits comme la Californie et le Brésil, qui ne sont pas touchés par ces ouragans. Le modèle a montré que certaines centrales solaires perdaient jusqu'à 88 % de leur capacité de production pendant deux jours alors qu'elles étaient à l'ombre des nuages d'ouragan.
Constats et orientations futures
Les chercheurs ont constaté que le super-réseau des États-Unis et des Caraïbes est celui qui accroît le plus la fiabilité de l’alimentation électrique. Le super-réseau autonome des Caraïbes s’est avéré le moins utile, en partie parce que les trajectoires des ouragans s’alignent généralement sur la chaîne d’îles. L’ajout sud-américain n’a pas réduit de manière significative les variations de puissance, car le continent compte peu d’installations solaires. Cependant, il pourrait assurer la sécurité énergétique en tant qu’alimentation électrique alternative si les îles venaient à se déconnecter les unes des autres ou du système américain.
En tant qu'étudiant diplômé, Itiki a été intrigué par le lien sous-marin réussi entre les réseaux électriques du Royaume-Uni et de l'Allemagne. Il a étudié les avantages potentiels de connexions similaires jusqu'à ce qu'une catastrophe naturelle en 2017 réduise son champ d'action géographique.
« Peu de temps après que l’ouragan Maria a frappé Porto Rico, j’ai commencé à réfléchir à une interconnexion entre Porto Rico et la Floride », a déclaré Itiki. Maria a privé certains Portoricains d’électricité pendant près d’un an, la plus longue panne d’électricité de l’histoire des États-Unis.
Itiki s'est d'abord intéressé à l'énergie éolienne pendant les ouragans. Il a étudié comment un super réseau électrique entre les États-Unis et les Caraïbes pourrait réduire les baisses de puissance provoquées par les ouragans qui endommagent les éoliennes portoricaines. Après que les améliorations apportées à la technologie des éoliennes les ont rendues plus puissantes, il a étudié comment une vague d'énergie éolienne due aux ouragans pourrait être partagée entre les Caraïbes, les États-Unis et l'Amérique du Sud.
Ensuite, Itiki a l’intention de fusionner ses algorithmes solaires et éoliens pour déterminer comment les super-réseaux pourraient améliorer considérablement la fiabilité énergétique dans les Caraïbes et sur le continent. Par exemple, lors d’un événement météorologique majeur aux États-Unis, le réseau des Caraïbes pourrait-il fournir une énergie supplémentaire aux États-Unis ?
Cette étude a de vastes implications pour l’indépendance énergétique des États-Unis vis-à-vis des combustibles fossiles et pour l’intégration fiable des projets d’énergies renouvelables. « Je ne pense pas que les gens planifient des centrales photovoltaïques (solaires) en tenant compte de l’ombrage en cas d’ouragan », a déclaré Itiki. « Les services publics choisissent des emplacements avec une exposition maximale au soleil, mais ils doivent également tenir compte de la trajectoire normale des ouragans. Si toutes les centrales sont concentrées en Floride et qu’un ouragan frappe cette région, cela créera une vallée de puissance maximale. »
Itiki a reconnu que des études supplémentaires étaient nécessaires pour évaluer la viabilité environnementale et économique de la pose de câbles sous-marins. Mais même sans ces interconnexions, le modèle d'Itiki fournit un nouvel outil essentiel pour estimer l'énergie solaire lors de conditions météorologiques extrêmes et planifier les systèmes de transmission pour compenser. Les services publics pourraient utiliser l'algorithme pour se préparer au manque d'énergie solaire pendant les tempêtes, en utilisant des solutions telles que des batteries ou de l'hydroélectricité à accumulation par pompage.
Parmi les autres chercheurs de l'ORNL ayant contribué au projet figurent Nils Stenvig et Teja Kuruganti, ainsi que Silvio Giuseppe Di Santo de l'Université de Sao Paulo, au Brésil, et Madhav Manjrekar de l'Université de Caroline du Nord à Charlotte. Cette recherche alimente le modèle nord-américain de résilience énergétique (NAERM) financé par le Bureau de l'électricité du DOE.