Depuis plusieurs décennies, la fusion est considérée comme la source ultime d’électricité propre et abondante. Aujourd’hui, face à l’urgence de réduire les émissions de carbone pour éviter un changement climatique catastrophique, rendre l’énergie de fusion commercialement viable est devenu crucial. Dans un système électrique dominé par des sources d’énergie renouvelables variables (ERV) à faible émission de carbone, telles que le solaire et l’éolien, des sources d’électricité stables sont nécessaires pour combler le déficit entre l’offre et la demande, notamment lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas, et que les systèmes de stockage d’énergie ne suffisent pas. Quel pourrait être le rôle et la valeur des centrales à fusion (FPP) dans un tel système énergétique futur, capable de répondre à une demande mondiale d’électricité en forte croissance tout en étant exempt d’émissions de carbone ?
Depuis un an et demi, les chercheurs de la MIT Energy Initiative (MITEI) et du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) travaillent ensemble pour répondre à cette question. Ils ont découvert que, selon ses coûts et performances futurs, la fusion pourrait jouer un rôle essentiel dans la décarbonation. Dans certaines conditions, la disponibilité des FPP pourrait réduire le coût mondial de la décarbonisation de plusieurs milliards de dollars. Plus de 25 experts ont étudié les facteurs influençant le déploiement des FPP, tels que les coûts, la politique climatique, les caractéristiques opérationnelles, et d’autres éléments. Leurs conclusions sont présentées dans un nouveau rapport financé par le MITEI, intitulé « Le rôle de l’énergie de fusion dans un système électrique décarboné. »
« Actuellement, l’énergie de fusion suscite un grand intérêt dans de nombreux milieux, du secteur privé au gouvernement en passant par le grand public », déclare Robert C. Armstrong, chercheur principal de l’étude, ancien directeur du MITEI et professeur émérite de génie chimique. « En entreprenant cette étude, notre objectif était de fournir un guide équilibré, fondé sur des faits et axé sur l’analyse, pour nous aider tous à comprendre les perspectives de la fusion à l’avenir. » L’étude adopte une approche multidisciplinaire combinant modélisation économique, modélisation du réseau électrique, analyse technico-économique, etc., pour examiner les facteurs importants susceptibles de façonner le déploiement et l’utilisation futurs de l’énergie de fusion. Les chercheurs du MITEI ont apporté leur expertise en modélisation des systèmes énergétiques, tandis que les participants du PSFC ont fourni leur savoir-faire en matière de fusion.
Les technologies de fusion pourraient être à une décennie de leur déploiement commercial, ce qui signifie que la technologie détaillée et les coûts des futurs FPP commerciaux ne sont pas encore connus. Par conséquent, l’équipe de recherche du MIT s’est concentrée sur la détermination des niveaux de coûts que les centrales de fusion doivent atteindre d’ici 2050 pour pénétrer fortement le marché et contribuer significativement à la décarbonisation de l’approvisionnement mondial en électricité dans la seconde moitié du siècle.
L’intérêt d’avoir des FPP disponibles sur un réseau électrique dépendra des autres options disponibles. Pour effectuer leurs analyses, les chercheurs ont donc eu besoin d’estimations du coût et des performances futurs de ces options, y compris les générateurs à combustibles fossiles conventionnels, les centrales nucléaires à fission, les générateurs d’ERV et les technologies de stockage d’énergie, ainsi que la demande d’électricité pour des régions spécifiques du monde. Pour trouver les données les plus fiables, ils ont effectué des recherches dans la littérature publiée ainsi que dans les résultats des analyses précédentes du MITEI et du PSFC.
Dans l’ensemble, les analyses ont montré que, même si les exigences technologiques liées à l’exploitation de l’énergie de fusion sont importantes, les retombées économiques et environnementales potentielles de l’ajout de cette technologie solide à faible émission de carbone au portefeuille mondial d’options énergétiques le sont tout autant.
La découverte la plus notable est peut-être la « valeur sociétale » de la disponibilité de FPP commerciaux. « Limiter le réchauffement à 1,5 °C nécessite que le monde investisse dans l’énergie éolienne, solaire, le stockage, les infrastructures de réseau et tout ce qui est nécessaire pour décarboner le système électrique », explique Randall Field, directeur exécutif de l’étude sur la fusion et directeur de recherche du MITEI. « Le coût de cette tâche peut être bien inférieur lorsque les FPP sont disponibles comme source d’électricité propre et stable. » Et l’avantage varie en fonction du coût des FPP. Par exemple, en supposant que le coût de construction d’un FPP soit de 8 000 dollars par kilowatt (kW) en 2050 et tombe à 4 300 dollars/kW en 2100, le coût mondial de la décarbonation de l’énergie électrique baisse de 3 600 milliards de dollars. Si le coût d’un FPP est de 5 600 $/kW en 2050 et tombe à 3 000 $/kW en 2100, les économies résultant de la disponibilité des usines de fusion s’élèveraient à 8 700 milliards de dollars. (Ces calculs sont basés sur les différences du produit intérieur brut mondial et supposent un taux d’actualisation de 6 pour cent. La valeur non actualisée est environ 20 fois plus grande.)
L’objectif d’autres analyses était de déterminer l’échelle du déploiement dans le monde entier à des coûts FPP sélectionnés. Là encore, les résultats sont frappants. Pour un scénario de décarbonation profonde, la part mondiale totale de la production d’électricité issue de la fusion en 2100 varie de moins de 10 % si le coût de la fusion est élevé à plus de 50 % si le coût de la fusion est faible.
D’autres analyses ont montré que l’ampleur et le calendrier du déploiement de la fusion varient selon les régions du monde. On peut s’attendre à un déploiement rapide de la fusion dans les pays riches comme les pays européens et les États-Unis qui ont les politiques de décarbonation les plus agressives. Mais certains autres endroits – par exemple l’Inde et le continent africain – connaîtront une forte croissance du déploiement de la fusion au cours de la seconde moitié du siècle en raison d’une forte augmentation de la demande d’électricité au cours de cette période. « Aux États-Unis et en Europe, la croissance de la demande sera faible, il s’agira donc d’abandonner les combustibles sales au profit de la fusion », explique Sergueï Paltsev, directeur adjoint du Centre pour la science et la stratégie du développement durable du MIT et chercheur principal au MITEI. « Mais en Inde et en Afrique, par exemple, la formidable croissance de la demande globale d’électricité sera satisfaite par des quantités significatives de fusion ainsi que d’autres ressources de production à faible émission de carbone dans la dernière partie du siècle. »
Un ensemble d’analyses portant sur neuf sous-régions des États-Unis a montré que la disponibilité et le coût d’autres technologies à faible intensité de carbone, ainsi que le degré de limitation des émissions de carbone, ont un impact majeur sur la manière dont les FPP seraient déployés et utilisés. Dans un monde décarboné, les FPP auront la pénétration la plus élevée dans les endroits où la diversité, la capacité et la qualité des ressources renouvelables sont faibles, et les limites des émissions de carbone auront un impact important. Par exemple, les sous-régions de l’Atlantique et du Sud-Est disposent de faibles ressources renouvelables. Dans ces sous-régions, l’énergie éolienne ne peut produire qu’une petite fraction de l’électricité nécessaire, même avec une production maximale d’énergie éolienne terrestre. Ainsi, la fusion est nécessaire dans ces sous-régions, même lorsque les contraintes carbone sont relativement légères, et que tous les FPP disponibles fonctionneraient la plupart du temps. En revanche, la sous-région centrale des États-Unis dispose d’excellentes ressources renouvelables, notamment éoliennes. Ainsi, la fusion n’est compétitive dans la sous-région centrale que lorsque les limites des émissions de carbone sont très strictes, et les FPP ne seront généralement exploités que lorsque les énergies renouvelables ne peuvent pas répondre à la demande.
Une analyse du système électrique qui dessert les États de la Nouvelle-Angleterre a fourni des résultats remarquablement détaillés. À l’aide d’un outil de modélisation développé au MITEI, l’équipe de fusion a exploré l’impact de l’utilisation de différentes hypothèses non seulement sur les coûts et les limites d’émissions, mais également sur des détails tels que les contraintes potentielles d’utilisation des terres affectant l’utilisation d’ERV spécifiques. Cette approche leur a permis de calculer le coût FPP auquel les unités de fusion commencent à être installées. Ils ont également pu étudier comment ce coût « seuil » évoluait en fonction des changements apportés au plafond des émissions de carbone. La méthode peut même montrer à quel prix les FPP commencent à remplacer d’autres sources de production spécifiques. Au cours d’une série d’essais, ils ont déterminé le coût auquel les FPP commenceraient à remplacer l’éolien offshore sur plate-forme flottante et l’énergie solaire sur les toits.
« Cette étude est une contribution importante à la commercialisation de la fusion car elle fournit des objectifs économiques pour l’utilisation de la fusion sur les marchés de l’électricité », note Dennis G. Whyte, co-chercheur de l’étude sur la fusion, ancien directeur du PSFC et professeur d’ingénierie au Département de science et d’ingénierie nucléaires. « Il quantifie mieux les défis de conception technique pour les développeurs de fusion en ce qui concerne les prix, la disponibilité et la flexibilité pour répondre à l’évolution de la demande à l’avenir. »
Les chercheurs soulignent que même si les centrales à fission sont incluses dans les analyses, ils n’ont pas effectué de comparaison directe entre la fission et la fusion, car il y a trop d’inconnues. La fusion et la fission nucléaire sont toutes deux des technologies de production d’électricité solides et à faibles émissions de carbone ; mais contrairement à la fission, la fusion n’utilise pas de matières fissiles comme combustible et ne génère pas de déchets de combustible nucléaire à vie longue qui doivent être gérés. En conséquence, les exigences réglementaires pour les FPP seront très différentes de celles qui s’appliquent aux centrales électriques à fission d’aujourd’hui – mais on ne sait pas exactement en quoi elles différeront. De même, la perception future du public et l’acceptation sociale de chacune de ces technologies ne peuvent être projetées, mais pourraient avoir une influence majeure sur les technologies de génération utilisées pour répondre à la demande future.
Les résultats de l’étude véhiculent plusieurs messages sur l’avenir de la fusion. Par exemple, il est clair que la réglementation peut être un générateur de coûts potentiellement important. Cela devrait inciter les entreprises de fusion à minimiser leur empreinte réglementaire et environnementale en ce qui concerne les carburants et les matériaux activés. Cela devrait également encourager les gouvernements à adopter des politiques réglementaires appropriées et efficaces pour maximiser leur capacité à utiliser l’énergie de fusion pour atteindre leurs objectifs de décarbonation. Et pour les entreprises développant des technologies de fusion, le message de l’étude est clairement énoncé dans le rapport : « Si les objectifs de coût et de performance identifiés dans ce rapport peuvent être atteints, notre analyse montre que l’énergie de fusion peut jouer un rôle majeur pour répondre aux futurs besoins en électricité et atteindre objectifs mondiaux de zéro carbone net.
