Exploiter le vent : L'avenir énergétique de la mer du Nord

La mer du Nord a un gros potentiel pour les énergies renouvelables, surtout grâce à l'éolien offshore. Cette zone peut jouer un rôle clé pour aider l'Europe à atteindre ses objectifs énergétiques. Mais, il y a des questions sur combien d'énergie éolienne on peut vraiment utiliser, si on a besoin de réseaux électriques interconnectés, et sur combien de Production d'hydrogène on devrait se concentrer.

Pour répondre à ces questions, un modèle détaillé appelé PyPSA-Eur a été utilisé. Ce modèle examine l'ensemble du système énergétique de l'Europe, combinant des données sur l'électricité et l'hydrogène, et aide à décider de la meilleure façon d'utiliser l'énergie éolienne offshore. Les résultats ont montré que si on reste sur des connexions traditionnelles un à un, on peut accueillir 310 gigawatts (GW) d'énergie éolienne offshore dans la mer du Nord. Mais, si on opte pour un réseau plus connecté et inclut l'hydrogène, on peut augmenter cette capacité à 420 GW, économisant jusqu'à 15 milliards d'euros par an.

De plus, les Éoliennes flottantes ne deviennent vraiment significatives que quand on se concentre sur l'hydrogène. Sans cette focalisation, le modèle suggère qu'on ne déploierait que 75 GW d'énergie éolienne flottante. En gros, un mélange de réseaux d'électricité et d'hydrogène intégrera mieux l'énergie éolienne offshore, avec l'hydrogène comme principal moyen de transport.

#Objectifs énergétiques européens

L'Union européenne vise à devenir climatiquement neutre d'ici 2050, ce qui veut dire réduire les émissions à zéro. Pour y arriver, il faut augmenter considérablement les sources d'énergie renouvelable. En même temps, la demande d'énergie pour l'électricité et l'hydrogène devrait monter. Cette hausse de la demande vient principalement des secteurs qui abandonnent les combustibles fossiles pour l'électrification.

L'hydrogène est particulièrement important pour les industries qui sont difficiles à électrifier, comme le transport maritime, l'aviation et certains processus de fabrication. L'énergie éolienne offshore peut être une super source pour produire de l'hydrogène vert. Il y a des plans pour au moins 300 GW de capacité éolienne offshore dans la mer du Nord d'ici 2050, ce qui est essentiel pour répondre aux besoins énergétiques de l'Europe.

La mer du Nord est idéale pour l'énergie éolienne grâce à sa proximité avec des zones très peuplées et ses ressources éoliennes abondantes. Cependant, l'énergie éolienne terrestre a été lente à se développer à cause de problèmes comme l'acceptation publique. En revanche, l'éolien offshore a moins de barrières à l'acceptation, ce qui en fait une option plus viable.

#Éoliennes flottantes

Pour tirer parti du potentiel de l'énergie éolienne dans la mer du Nord, les éoliennes flottantes sont essentielles. Ces turbines peuvent fonctionner dans des eaux plus profondes, débloquant plus de ressources éoliennes. Bien que les installations commerciales d'éoliennes flottantes soient encore rares, plusieurs projets pilotes ont montré leur faisabilité. Le Royaume-Uni, par exemple, explore des options d'éoliennes flottantes en raison des contraintes d'espace avec les turbines fixes.

Intégrer cette énergie éolienne dans le système énergétique plus large nécessite de nouvelles infrastructures, en particulier des lignes de transmission à longue distance. Les méthodes traditionnelles consistaient à connecter directement les parcs éoliens au rivage, mais des connexions hybrides reliant plusieurs pays sont en cours d'examen.

#Production d'hydrogène offshore

La production d'hydrogène offshore gagne en importance. Des projets explorent différentes méthodes de production d'hydrogène, comme la génération d'hydrogène en mer et son retour à terre via des pipelines. Certains concepts envisagent même de produire de l'hydrogène à terre en fonction de l'électricité apportée depuis des sources offshore.

La recherche indique que combiner la production d'hydrogène avec l'énergie éolienne offshore est bénéfique. Cela réduit la quantité d'énergie éolienne qui serait autrement perdue et diminue les coûts globaux du système. Cependant, différentes études montrent des conclusions variées sur les avantages de coûts exacts de la production d'hydrogène offshore.

#Besoin de modélisation détaillée

La plupart des modèles existants se concentrent uniquement sur des pays spécifiques dans la région de la mer du Nord et ignorent souvent d'autres secteurs importants comme le transport et l'agriculture. Pour avoir une image plus précise, un modèle à plus haute résolution qui examine diverses ressources énergétiques et demandes est essentiel.

La nouveauté de l'approche réside dans l'évaluation de plusieurs conceptions de réseaux offshore tout en tenant compte de tous les secteurs pertinents. Cette intégration aide à analyser les demandes énergétiques et à évaluer les dynamiques complexes qui entrent en jeu. En incorporant différentes options offshore et des hypothèses de coûts réalistes, le modèle peut suggérer la meilleure infrastructure pour cette transition énergétique.

#Vue d'ensemble du Modèle de système énergétique

Le modèle utilisé dans cette étude intègre divers secteurs liés à l'énergie, y compris l'électricité, le transport, l'industrie et l'agriculture. L'objectif est d'optimiser différentes technologies comme l'éolien, le solaire et d'autres infrastructures pour l'année 2030.

En utilisant des données réelles du réseau européen et des demandes énergétiques de différents secteurs, le modèle représente l'ensemble du système énergétique comme un réseau. Les nœuds dans le réseau représentent des points de génération ou de consommation d'énergie, tandis que les arêtes représentent le flux d'énergie à travers les lignes de transmission.

Le processus d'optimisation vise à minimiser à la fois les coûts d'investissement et d'exploitation tout en respectant plusieurs contraintes. Par exemple, il prend en compte les lois physiques gouvernant le flux d'énergie dans le réseau et tient compte des conditions locales affectant la demande.

#Ressources et technologies offshore

Pour modéliser précisément le potentiel éolien offshore, plusieurs domaines clés de l'étude ont été améliorés. Cela inclut l'augmentation de la résolution des zones offshore pour mieux capturer les variations des ressources éoliennes, l'amélioration des modèles de coûts pour les turbines, et la prise en compte des effets de traînée causés par les capacités installées.

1. Résolution offshore accrue : Améliorer la résolution spatiale des zones offshore permet une modélisation plus précise des ressources éoliennes, évitant les erreurs qui viennent de l'agrégation de données sur de grandes régions.

2. Modélisation des coûts des turbines : Incorporer des modèles de coûts détaillés aide à capturer les aspects financiers des installations éoliennes offshore, en tenant compte de divers paramètres techniques qui influencent les dépenses.

3. Modélisation des effets de traînée : Cela ajuste les pertes de capacité causées par des turbines éoliennes qui se bloquent mutuellement, garantissant que le modèle reflète de manière plus précise les capacités de production.

4. Réseaux électriques offshore : Le modèle inclut des options pour établir des plateformes offshore qui convertissent l'énergie des parcs éoliens et les connectent au réseau à terre. Cela aide à faciliter le transfert d'énergie à travers les régions.

5. Réseaux d'hydrogène offshore : Semblable aux réseaux électriques, des réseaux d'hydrogène sont modélisés pour explorer les capacités de production et de transport. Cela inclut la construction de plateformes pour l'électrolyse et des pipelines pour le transfert d'hydrogène.

#Cas d'étude et paramètres

Dans cette étude, le système énergétique est modélisé en utilisant des données de 33 pays pour simuler un scénario neutre en carbone pour 2030. Le modèle représente 130 régions, avec un mélange de zones terrestres et offshore. En capturant des conditions météorologiques variées grâce à une résolution temporelle détaillée, le modèle peut tenir compte des fluctuations de la production d'énergie.

Plusieurs paramètres clés ont été examinés :

• Types de réseaux électriques : L'étude différencie entre des connexions traditionnelles point-à-point et un réseau maillé plus intégré qui connecte plusieurs régions.

• Intégration des réseaux d'hydrogène : Diverses configurations pour la production d'hydrogène offshore sont explorées, comparant des systèmes qui permettent la production d'hydrogène offshore à ceux limités à la production à terre.

• Potentiel éolien terrestre : Le potentiel de capacité éolienne terrestre varie à travers différents modèles pour évaluer son impact sur l'infrastructure offshore.

À travers ces variations, quatre scénarios principaux ont été créés :

1. Réseau électrique P2P sans hydrogène
2. Réseau électrique maillé sans hydrogène
3. Réseau électrique et d'hydrogène P2P
4. Réseau électrique et d'hydrogène maillé

#Scénarios résultants et comparaison des coûts

Dans le scénario de référence avec seulement un réseau électrique P2P, le coût total du système était d'environ 800 milliards d'euros par an. Cependant, l'introduction d'un réseau électrique offshore maillé a réduit les coûts de 4 milliards d'euros tout en permettant une plus grande capacité éolienne offshore.

La combinaison de réseaux électriques et d'hydrogène offshore a permis d'économiser encore plus, totalisant 15 milliards d'euros. Cela était principalement dû à l'intégration efficace de l'énergie éolienne offshore et à la demande croissante d'hydrogène.

En termes de capacité, le réseau P2P a permis 310 GW d'énergie éolienne. En revanche, les scénarios plus intégrés ont porté cette capacité à environ 420 GW, illustrant les avantages d'un réseau maillé et de l'intégration de l'hydrogène.

Les capacités éoliennes flottantes n'ont été réalisées que dans les scénarios qui prenaient en compte la production d'hydrogène, renforçant l'importance d'intégrer ces deux sources d'énergie.

#Production et stockage d'hydrogène

L'étude a examiné comment la production d'hydrogène s'intègre dans le paysage énergétique. La production d'hydrogène à terre était limitée, car des pays comme l'Allemagne et les Pays-Bas ne pouvaient pas répondre à des demandes croissantes sans importer des sources d'hydrogène offshore.

La mer du Nord a été notée pour sa production significative d'hydrogène, ce qui serait essentiel pour satisfaire les besoins énergétiques de divers secteurs. Le modèle a montré que les pays avec une faible production d'hydrogène terrestre dépendraient fortement de l'hydrogène offshore pour satisfaire la demande industrielle.

#Impact de l'éolien terrestre et de l'expansion des transmissions

Explorer comment le potentiel éolien terrestre et l'expansion des transmissions affectent les réseaux offshore a révélé des perspectives intéressantes. À mesure que le potentiel éolien terrestre augmentait, les avantages de coûts des réseaux offshore ont également augmenté, en particulier dans les scénarios permettant la production d'hydrogène.

L'expansion des transmissions a également montré des effets positifs, surtout lorsqu'on passait d'une capacité de base à des niveaux optimaux. Cela suggère que, bien que l'éolien terrestre et la transmission soient importants, certains seuils génèrent des bénéfices plus significatifs.

#Conclusion

L'étude démontre les bénéfices significatifs de la création d'un réseau électrique et d'hydrogène offshore maillé dans la mer du Nord. Cela améliore non seulement l'intégration énergétique mais aussi réduit les coûts tout en répondant à la demande croissante d'énergie renouvelable.

En fin de compte, la recherche souligne le rôle crucial de la production d'hydrogène offshore et des technologies éoliennes flottantes comme composants clés pour une transition réussie vers un avenir énergétique plus vert en Europe. En investissant dans ces infrastructures, la mer du Nord peut émerger comme un hub énergétique vital pour le continent.