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Le stockage de l’énergie entre dans une nouvelle ère

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Edito : Le stockage de l’énergie entre dans une nouvelle ère

Vendredi, 09/07/2021 - 00:00 0 commentaire
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Il y a quatre semaines, le 18 Juin, j'avais longuement développé l'importance qu'allait prendre la chaleur dans le stockage de l'énergie mais aujourd'hui je tiens à le compléter en citant beaucoup d'autres technologies qui vont permettre de stocker l'énergie, principalement celles issues des énergies renouvelables.

Après l’accord historique du 21 avril dernier concernant l'adoption, par les 27 états de l'UE, d’une réduction nette d’au moins 55 % des émissions de gaz à effet de serre de l’UE d’ici à 2030, par rapport au niveau de 1990, c’est aujourd’hui les Etats-Unis qui viennent d'opérer un virage à 180°en matière de lutte contre le réchauffement climatique : Joe Biden a, en effet, annoncé, à l’occasion du sommet virtuel pour le climat du 22 avril 2021, que son pays allait réduire les émissions de gaz à effet de serre de son pays de 50 % à 52 % d’ici à 2030 par rapport à 2005, soit le double de l’ancien engagement de Washington.

Le Premier ministre britannique Boris Johnson a confirmé, pour sa part, la volonté du Royaume Uni de réduire ses émissions de CO2 de 78 % d'ici 2035 par rapport à 1990. Le premier ministre du Canada, Justin Trudeau, s’engage, quant à lui à réduire les émissions de CO2 de 40 % à 45 % d’ici à 2030 par rapport à 2005, au lieu de 30 % précédemment. Le Premier ministre japonais, Yoshihide Suga, a annoncé que le Japon allait les réduire de 46 % à l’horizon 2030 par rapport à 2013, contre un objectif précédent de 26 %. Enfin, le géant chinois a réaffirmé son engagement de parvenir à la neutralité carbone en 2060.

Incontestablement, une nouvelle dynamique en matière d’action climatique est en train de s’enclencher, tirée par un volontarisme politique nouveau qui s’affirme dans les trois grands pôles de puissance économique : Chine, Amérique du Nord et Europe. C’est un premier pas important, mais il doit encore être amplifié car, si nous voulons avoir une chance de contenir le réchauffement climatique dans des limites supportables pour l’Humanité, nous devons diminuer dès à présent, d’au moins 7,5 % par an nos émissions de CO2, jusqu’en 2050, soit une diminution annuelle équivalent à celle provoquée par la pandémie de Covid-19 en 2020…

Cette accélération bienvenue de la décarbonisation de l’économie mondiale va avoir trois effets majeurs : d’abord un reflux plus rapide que prévu des énergies fossiles (charbon, pétrole et dans une moindre mesure gaz), qui ne seront plus compétitives avant la fin de cette décennie, face aux énergies renouvelables dont le coût moyen de production a diminué de 80 % depuis 20 ans. Le deuxième effet, curieusement peu évoqué, est la forte augmentation de la production électrique mondiale, qui devrait croître d’environ 50 % d’ici 2050, pour atteindre 37 800 TWH (estimations BNEF) et pourrait alors représenter plus de la moitié de la consommation finale d’énergie (contre 20 % aujourd’hui). Cette production électrique accrue sera nécessaire, notamment pour répondre aux nouveaux besoins dans les domaines de l’industrie, des transports électriques, du numérique, et des bâtiments.

Enfin, le troisième effet de cette transition énergétique mondiale sera l’extraordinaire montée en puissance de l’ensemble des énergies renouvelables, « classiques » (éolien, solaire, biomasse) et « nouvelles » (énergies des mers, solaire spatial, hydrogène naturel) qui devront représenter 80 % de la production d’électricité en 2050 (contre 27 % aujourd’hui), ce qui suppose de multiplier par dix la capacité de production mondiale de ces énergies propres, au cours des trente prochaines années.

Mais il ne suffira pas de développer massivement ces énergies renouvelables, sur terre, sur mer et dans l’espace, pour tenter de limiter le réchauffement climatique en cours et de le contenir dans des limites humainement supportables, il faudra également réussir à relever un autre défi, peu évoqué mais pourtant aussi important : disposer sur l’ensemble de la planète de gigantesques moyens, à la fois sûrs, efficaces et compétitifs, de stockage de l’énergie électrique, qui va devenir la forme d’énergie dominante d’ici la moitié de ce siècle.

Selon BloombergNEF, les capacités de stockage installées sur la planète vont être multipliées par cent, passant de moins de 10 GW en 2019 à plus de 1 000 GW en 2040. Ce marché du stockage devrait progresser de 16 % par an en moyenne pour atteindre 27 milliards de dollars en 2030, estime Bank of America Merrill Lynch, qui vient de publier une étude sur ce sujet. Il atteindrait 58 milliards en 2040. A cet horizon, pas moins de 6 % de la production électrique mondiale pourraient être stockées dans des batteries.

BNEF estime que la capacité moyenne des projets de stockage se situe à environ 30 mégawattheures, soit une multiplication par quatre par rapport au niveau moyen actuel. Depuis 2018, l’augmentation de la taille des projets, combinée à une base de fabrication en expansion rapide et à des chimies plus denses en énergie, a réduit de moitié le coût actualisé de l’énergie (LCOE) du stockage d’énergie, un indicateur qui correspond à la somme des coûts actualisés de production d’énergie divisée par la quantité d’énergie produite. Le niveau moyen mondial se situe désormais à 150 $/MWh pour les systèmes de stockage sur batterie d’une durée de quatre heures, mais La Chine dispose déjà de systèmes de stockage les moins chers à l’échelle mondiale, à 115 $ par mégawatt-heure. Et, toujours selon NNEF, le prix moyen des gros systèmes de stockage sur batterie devrait encore diminuer de moitié d’ici 2030. Reste que l’explosion des besoins en matière de stockage de l’énergie va nécessiter, au niveau mondial, au moins 30 milliards d’euros d’investissement par an jusqu’en 2040, soit 600 milliards d’euros sur les vingt prochaines années.

Heureusement, plusieurs ruptures technologiques remarquables en cours, si nous avons la clairvoyance de les soutenir et de les améliorer, peuvent nous permettre de réussir cette transition énergétique qui va complètement bouleverser la production, mais aussi le stockage, la conversion et la distribution de l’énergie. La première de ces ruptures est bien sûr l’utilisation du vecteur-hydrogène, à la fois comme outil de production décarboné et vecteur de stockage et de conversion propre de l’électricité. Je ne reviendrai pas ici sur cette révolution en cours, à laquelle j’ai récemment consacré tout un éditorial.

Mais d’autres ruptures technologiques majeures, bien que moins médiatiques, sont en cours, et ce sont elles que je voudrais brièvement évoquer aujourd’hui. Commençons par le stockage inertiel, qui connaît un nouveau souffle. L’idée de stocker de l’énergie, sous forme d’énergie cinétique (de mouvement) dans des volants d’inertie est très ancienne. Mais jusqu’à présent, le stockage inertiel se heurtait à des verrous techniques puissants.

Le volant d’inertie stocke l’électricité sous forme d’énergie cinétique. Il se compose d’une masse, mise en rotation autour d’un axe et confinée dans un caisson de protection. Pendant le processus de stockage, un moteur relié à l’axe convertit l’électricité en énergie cinétique, ce qui augmente la vitesse de rotation de la masse. Pour conserver l’énergie ainsi emmagasinée, la vitesse de rotation de la masse doit être la plus régulière possible. Tout l’enjeu technologique consiste à minimiser l’apport d’énergie nécessaire pour compenser les pertes liées aux frottements. Ce système permet, si besoin, de convertir l’énergie mécanique en électricité, ce qui a pour effet de freiner la masse en mouvement.

Connu depuis l’Antiquité, le principe du stockage inertiel a connu un fort développement avec le triomphe des machines à vapeur, dont beaucoup étaient dotées de roues d’inertie. Depuis plus d’un siècle, le stockage inertiel est également employé dans le secteur des transports, afin de récupérer l’énergie de la phase de ralentissement d’un tramway ou d’un bus par exemple, pour la restituer au démarrage.

Mais, contrairement aux batteries et aux STEP, qui sont statiques et conçues pour conserver toute l’énergie, les systèmes de stockage inertiel sont par nature dynamiques, et génèrent donc d’inévitables frottements et pertes d’énergie. C’est pourquoi, les volants d’inertie ont longtemps été réservés à des utilisations reposant sur des durées de stockage limitées. La ville de New York possède, par exemple, une centrale de stockage à inertie capable, grâce à ses 200 volants d’inertie, de restituer en quelques secondes assez d’énergie pour maintenir une tension constante d'alimentation électrique sur l'ensemble de la ville.

Depuis quelques années, des avancées techniques majeures, notamment dans les domaines des nouveaux matériaux et des paliers magnétiques, sont venues révolutionner les capacités de ces systèmes de stockage par inertie. La société française Energiestro a par exemple développé un nouveau type de volant d’inertie, baptisé VOSS à base de béton fibré, 20 fois moins onéreux que l’acier, et 10 fois moins émetteur de CO2 que ses concurrents métalliques. Il pourrait, à terme, venir concurrencer les batteries lithium-ion pour des applications industrielles ou domestiques. Energiestro envisage la commercialisation prochaine de modules d’un mètre de diamètre, de 10 kWh d’énergie stockée pour un coût qui pourra descendre à 200 €/kWh.

Autre avantage de ce volant d’inertie en béton, sa longévité de plus de trente ans. Particulièrement fiables et performants pour répondre à des demandes de puissances importantes sur de courtes durées, ces volants d’inertie de nouvelle génération sont en mesure de stocker pendant 24 heures à un coût très compétitif l’énergie issue de panneaux photovoltaïques, ou d’éoliennes.

Outre-Atlantique, la jeune société Revterra, basée au Texas, a dévoilé récemment des volants d’inertie qui peuvent également rivaliser avec les batteries lithium ion en termes d’efficacité et de puissance délivrée, mais sont deux fois moins chers et vingt fois plus performants que les solutions actuelles. Revterra a ainsi développé un système de stockage de 100 kWh avec un rotor de 7 tonnes qui peut stocker l’électricité pendant 5 heures avec un rendement-record de 90 %, supérieur à celui des STEP (80 %) ou de batteries (85 %).

Pour atteindre un tel niveau d’efficacité, Revterra a développé une suspension révolutionnaire, qui utilise des roulements magnétiques passifs, à base de supraconducteurs à haute température, capables de maintenir le rotor en équilibre sans contrôle externe et donc sans dépense d’énergie. Revterra a ainsi pu concevoir un prototype d’une puissance de 100 kWh qui ne perd que 50 watts - au lieu de 1000 watts - pendant la phase stationnaire. Au final, le rendement de ce système inertiel atteint les 90 %, un niveau meilleur que celui permis par les batteries les plus performantes. En outre, ce niveau remarquable peut être garanti pendant plus de trente ans, ce qui fait de ces systèmes inertiels de stockage des investissements très rentables sur le long terme. Cette nouvelle génération de volants d’inertie s’avère parfaitement adaptée à l’équilibrage et à la régulation des réseaux électriques, qui doivent gérer des fluctuations d’énergie de plus en plus importantes, liées à la montée en puissance des énergies solaires et éoliennes.

Des chercheurs de Vishwa Robotics (Massachusetts) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont, pour leur part, conçu une batterie mécanique qui utilise un ensemble de volants d’inertie placés dans une boîte en forme de disque. Cette nouvelle structure, parfaitement écologique et sans produits chimiques, permet également de stocker, pendant des décennies, plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion du même poids, et de la restituer très rapidement. Cette batterie mécanique, et ce point est très important, est également adaptée à un usage domestique. « J’utilise à titre personnel un prototype de 10 kilowattheures dans mon garage, qui fonctionne à partir de l’énergie solaire captée sur mon toit et alimente toute ma maison la nuit », explique Gajjar. Bhargav Gajjar, président de Vishwa Robotics.

Autre innovation majeure, le stockage cryogénique : une installation de stockage d'énergie par liquéfaction de l'air d'une capacité de 250 MWh, un record mondial, est en cours d’installation au Royaume-Uni. En 2022, elle sera couplée au Trafford Energy Park près de Manchester, une installation dont la production d’électricité provient largement d’installations photovoltaïques et des éoliennes. Ce type de centrale utilise deux cycles de changements d’état de l’air. Le premier, lorsque la production électrique est excédentaire, permet de prélever l’air puis de le refroidir à très basse température (-196 degrés) jusqu’à ce qu’il devienne liquide. Cet air liquide peut alors être stocké dans de grands réservoirs isothermes à basse pression. En cas de besoin d’électricité, c’est le second cycle qui intervient : l’air liquide est réchauffé à l’aide d’un échangeur de chaleur pour procéder à son évaporation et afin qu’il retrouve son état gazeux. Cette transformation provoque une très forte expansion de son volume, qui vient alimenter des turbines productrices d’électricité.

Cette installation de stockage par cryogénie sera directement connectée au réseau national d’électricité au Royaume-Uni et permettra d’alimenter en énergie jusqu’à 200 000 foyers pendant cinq heures. Contrairement aux installations conventionnelles de stockage cryogénique, dont le rendement de conversion de l’électricité est de l’ordre de 10 %, ce système très sophistiqué de stockage permet un rendement variant de 60 % à 70%, grâce à son système innovant de récupération des flux thermiques. Highview Power précise que le coût de stockage de son installation sera nettement inférieur à celui des batteries lithium-ion, pour une durée de stockage bien plus longue, pouvant atteindre 40 ans…

Reste que le stockage d’énergie est actuellement assuré de manière très large par des stations de transfert d’énergie par pompage-turbinage (STEP), qui utilise l’eau, et une différence importante de dénivelé, pour stocker et produire de l’électricité. Mais une jeune société britannique « RheEnergise » a imaginé un concept de STEP exploitant un liquide à haute densité. Actuellement, les STEP utilisent de l’eau « ordinaire » ; c’est pourquoi, pour produire de l’énergie en grande quantité, il faut disposer de sites présentant d’importants dénivelés, généralement de 500 à 1000 mètres.

Mais cette société anglaise a eu l’idée de remplacer l’eau par un liquide chargé de minéraux dont la densité serait 2,5 fois plus élevée. L’emploi de ce fluide, baptisé « R-19 », dont la formule est tenue secrète, permettrait d’implanter des STEP efficaces même sur des sites avec un dénivelé de seulement 200 mètres, ayant une hauteur de chute 2,5 fois moins élevée qu’une STEP classique. Chacune de ces centrales à faible pente pourrait délivrer une puissance de 10 à 50 MW pendant huit heures. Ces installations seraient donc parfaitement complémentaires aux STEP de grandes puissances actuelles et seraient bien moins coûteuses que le stockage par batteries stationnaires.

Une autre solution, pour multiplier l’implantation de STEP à moindre coût de stockage, consiste à réaliser des STEP côtières, utilisant l’eau de mer. Pour ce type de STEP, pas besoin de réservoir en aval, puisqu’on utilise directement l’eau salée des mers et océans pour le stockage. Une société américaine, « Oceanus Power & Water », s’est associée à EDF pour réaliser sa première installation, prévue au nord du Chili. Cette première STEP développera une puissance de 200 MW, mobilisables en quelques minutes. Elle pourra stocker 16 h de production, pour une capacité de 3,2 GWh, soit trois fois plus que la plus grosse batterie au monde, en cours d’assemblage. La STEP permettra ainsi d’accumuler l’électricité renouvelable excédentaire produite par les parcs éoliens et solaires. Cerise sur le gâteau, ces STEP marines pourront également, en cycle de turbinage, alimenter ses usines de désalinisation, pour produire l’eau potable qui fait encore trop souvent défaut dans de nombreuses régions du monde.

Evoquons également, dans le domaine en pleine effervescence technologique du stockage sur batterie, la remarquable innovation développée par la société française Kemiwatt. Cette dernière a mis au point une batterie liquide à flux révolutionnaire, qui remplace l’électrolyte en vanadium par des quinones, un composé organique, biodégradable et non corrosif (Voir Kemiwatt). Cette batterie liquide, à base de quinones, perdrait seulement 1% de sa capacité de stockage tous les 1000 cycles de charge/décharge et Kemiwatt a déjà présenté un démonstrateur de 10 kW, qui a obtenu le prix du Concours mondial de l’innovation du Ministère de l’Économie et des Finances, ce qui va permettre à cette société de réaliser un nouveau prototype de 100 kW. Ce nouveau type de batterie quinones-redox, sans vouloir concurrencer la batterie Lithium-Ion pour le stockage court, constitue une nouvelle solution technologique très intéressante pour le stockage long, écologique et peu coûteux de l’électricité issue des sources renouvelables.

Les nouvelles solutions techniques qui viennent d’être évoquées vont permettre des avancées décisives en matière de stockage de l’électricité. Mais si l’énergie issue des sources renouvelables peut de mieux en mieux, et pour un coût toujours plus bas, être stockée sous forme d’électricité, elle peut également être stockée sous forme de chaleur, récupérable pour de multiples usages, dans l’industrie, mais également pour satisfaire les besoins en matière de chauffage des bâtiments et logements.

Il y a quelques semaines, des chercheurs de l'Université de technologie de Chalmers en Suède ont présenté un fluide innovant, capable de stocker l'énergie solaire jusqu'à dix-huit ans. Celui-ci utilise les propriétés remarquables d’une molécule constituée de carbone, d'hydrogène et d'azote. Lorsque cette molécule est exposée à la lumière du soleil, elle réarrange les liaisons entre ses atomes, et se transforme en isomère riche en énergie Ce fluide peut alors être utilisé dans un système baptisé MOST (stockage d'énergie solaire thermique moléculaire), qui fonctionne de manière circulaire. Le liquide capte l'énergie de la lumière du soleil. Il est ensuite stocké à température ambiante, pour limiter au strict minimum les pertes d’énergie. En fin de cycle, l’énergie ainsi emprisonnée est libérée sous forme de chaleur, grâce à un catalyseur spécialement développé par ces chercheurs. La molécule reprend alors sa forme initiale et peut à nouveau être réutilisée dans le système de chauffage (Voir Novus Light).

Ce mode de stockage moléculaire de très longue durée, sous forme de chaleur, de l’énergie solaire, pourrait devenir le chaînon manquant d’une nouvelle chaîne énergétique vertueuse et propre, à côté des nouveaux systèmes de stockage massif de l’électricité que j’ai évoqués, et pourrait permettre d’optimiser de manière décisive la gestion et la consommation d’énergie du bâtiment, qui représente, globalement, 40 % de la consommation d’énergie dans le monde et 30 % des émissions humaines de CO2.

On le voit, toutes ces innovations et avancées récentes, dans le domaine stratégique du stockage de l’énergie, vont accélérer la transition énergétique mondiale en cours, déjà confortée par les récentes décisions politiques de l’Europe, des Etats-Unis et de la Chine, qui se sont enfin fixé des objectifs bien plus ambitieux en matière de décarbonisation de l’économie et de réduction des émissions de CO2. Je suis persuadé qu’en utilisant à grand échelle, de manière combinée et intelligente, ces nouveaux outils et moyens de stockage de l’énergie, nous pourrons parvenir plus vite que prévu à sortir définitivement des énergies fossiles et à bâtir un nouveau monde conciliant innovation technologique, croissance durable et respect de l’environnement.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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