Un peu d'arithmétique : la Californie 100% renouvelable

Le soleil est gratuit, mais en capturer l'énergie demande quelques efforts. Le petit exercice de style arithmétique qui suit est destiné à estimer un ordre de grandeur de ce petit quelque chose. Le résultat vaut la peine d'être considéré.
https://www.manhattancontrarian.com/blog/2021-7-29-a-little-arithmetic-the-costs-of-non-fossil-fuel-back-up-for-solar-power
(traduction automatique d'un extrait)
"Compte tenu du cycle de production quotidien prévisible de l'énergie solaire dans des endroits ensoleillés comme la Californie et de la demande quotidienne prévisible qui atteint son maximum le soir, peut-être faudrait-il exiger des générateurs solaires qu'ils disposent d'un stockage d'électricité équivalent à la production quotidienne de leur système PV."
J'ai pensé qu'il serait instructif de mettre en pratique l'idée de Sean pour voir quelle capacité de production solaire et de stockage il faudrait pour créer un système composé uniquement de ces deux éléments qui serait suffisant pour répondre aux besoins actuels en électricité de la Californie.  Remarque : il s'agit d'un exercice d'arithmétique.  Il ne s'agit pas d'une arithmétique compliquée.  Il n'y a rien ici qui dépasse ce que vous avez appris à l'école primaire.  Par contre, peu de gens semblent vouloir faire l'effort de faire ces calculs, ou d'en reconnaître les conséquences.
Nous commençons par évaluer la demande actuelle.  Actuellement, la puissance appelée varie entre un minimum d'environ 30 GW et un maximum d'environ 40 GW au cours d'une journée.  Pour les besoins de cet exercice, supposons une utilisation moyenne de 35 GW.  Multiplions par 24, et nous trouvons comme estimation approximative que le système doit fournir 840 GWH d'électricité par jour.
De quelle capacité de panneaux solaires aurons-nous besoin pour fournir ces 840 GWH ?  Nous allons commencer par le jour le plus ensoleillé de l'année, le 21 juin.  La Californie dispose actuellement d'une capacité solaire d'environ 14 GW.   Si l'on consulte les graphiques du CAISO, on constate que le 21 juin 2021, qui était apparemment une journée très ensoleillée, ces 14 GW de panneaux solaires ont produit au rythme d'environ 12 GW maximum de 8 h à 18 h, environ la moitié de ce rythme de 7 h à 8 h et de 18 h à 19 h, et pratiquement rien le reste du temps. De manière optimiste, ils ont produit environ 140 GWH pour la journée (10 heures x 12 GW plus 2 heures x 6 GW plus un peu plus pour les heures de l'aube et du crépuscule).  Cela signifie que pour produire vos 840 GWH d'électricité par un 21 juin ensoleillé, vous aurez besoin de 6 fois la capacité des panneaux solaires que vous avez actuellement, soit 84 GW.  À 19 heures, vous aurez besoin de suffisamment d'énergie stockée pour vous permettre de tenir jusqu'au lendemain matin, vers 8 heures, lorsque la production sera à nouveau supérieure à la consommation.  Cela représente environ 13-14 heures à une moyenne de 35 GW, soit environ 475 GWH de stockage.
Ça, c'est le 21 juin, votre meilleur jour de l'année.  Voyons maintenant un mauvais jour.  Pour l'année écoulée, un bon exemple serait le 24 décembre 2020, qui, en plus d'être l'un des jours les plus courts de l'année, a dû être plutôt nuageux.  La production des 14 GW de capacité solaire existants n'a été en moyenne que d'environ 3 GW, et seulement de 9 heures à 15 heures.  Cela représente 18 GWH dans cette plage horaire (3 GW x 6 heures).  Ensuite, il y a eu une autre production d'environ 1 GWH entre 8 et 9 heures du matin, et une autre de 1 GWH entre 15 et 16 heures.  Environ 20 GWH pour toute la journée.   Vous avez besoin de 840 GWH.  Si 14 GW de panneaux solaires n'ont produit que 20 GWH pour la journée, vous auriez eu besoin de 588 GW de panneaux pour produire vos 840 GWH.  (14/20 x 840) Ces 588 GW de panneaux solaires représentent environ 42 fois les 14 GW de panneaux solaires existants.  Et lorsque ces 588 GW de capacité cesseront de produire quoi que ce soit vers 16 heures, vous aurez également besoin d'au moins 16 heures d'utilisation moyenne en stockage pour arriver à 8 heures le lendemain matin.  Cela représente environ 560 GWH de stockage.
Vous pouvez donc facilement constater que l'idée de Sean de fournir un stockage "équivalent à la production quotidienne du système PV" ne va pas vraiment au cœur du problème.  Votre principal problème est que vous aurez besoin d'une capacité de près de 15 fois la consommation de pointe (près de 600 GW de capacité pour alimenter une consommation de pointe d'environ 40 GW) afin de faire face à vos jours de plus faible production de l'année.
Le coût ?  Si vous supposez (charitablement) que le "coût actualisé" de l'énergie provenant des panneaux solaires est le même que le "coût actualisé" de l'énergie provenant d'une centrale au gaz naturel, alors ce système avec une capacité 15 fois supérieure va coûter 15 fois plus cher.  Plus le coût du stockage.  Dans ce scénario, ce coût est relativement modeste.  Aux prix actuels d'environ 200 $/KWH, les 560 GWH de stockage coûteront environ 112 milliards de dollars, soit environ la moitié du budget annuel du gouvernement de l'État de Californie.
Mais, me direz-vous, personne ne construirait le système de cette manière, avec une surcapacité gigantesque en place juste pour couvrir la poignée de jours de l'année où la production solaire est la plus faible.   Au lieu de cela, pourquoi ne pas construire une capacité solaire bien moindre et économiser l'énergie de l'été pour couvrir l'hiver.  Puisque la production moyenne des installations solaires en Californie est d'environ 20 % de la capacité moyenne sur l'année, vous devriez être en mesure de produire suffisamment d'énergie pour l'année avec une capacité d'environ 5 fois la consommation de pointe, plutôt que 15 fois dans le scénario ci-dessus.  Vous devrez simplement économiser de l'énergie entre l'été et l'hiver.  Oh, et vous aurez besoin d'un stockage beaucoup plus important que pour le scénario "un jour à la fois".  Si 180 jours par an, la production est inférieure à l'utilisation, et que le déficit moyen de production pour chacun de ces jours est de 300 GWH, alors vous aurez besoin de 54 000 GWH de batteries (180 x 300).  À 200 $ par KWH, cela vous coûtera environ 10+ trillions de dollars.  Cela représenterait environ le triple du PIB annuel de l'État de Californie.