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Edito : Le Stockage de l'énergie : une révolution qui pourrait changer l'Avenir de l'Humanité

Alors que la COP24, qui devait proposer une « feuille de route » pour la mise en œuvre concrète des accord de Paris, s’est achevée le 15 décembre dernier à Katowice (Pologne) sur des résultats très décevants, et un accord a minima, du fait d’un manque flagrant de volonté politique d’un certain nombre d’États, dont les États-Unis, partout dans le monde les peuples expriment avec de plus en plus de force leurs légitimes inquiétudes face aux conséquences - à présent bien visibles - du changement climatique en cours.

Pourtant, malgré cette situation préoccupante créée par les Etats, une myriade d’initiatives locales et régionales, publiques et privées, se développent pour réduire nos émissions de gaz à effet de serre et promouvoir l’usage massif des énergies renouvelables. L’Irena indique notamment que les capacités électriques renouvelables dans leur ensemble ont atteint 2 179 GW dans le monde à fin 2017 soit 167 GW de plus qu'en 2016.

Fait encourageant, les dépenses mondiales consacrées aux énergies renouvelables dépassent à présent les investissements dans l'électricité produite par les centrales au charbon, au gaz naturel et au nucléaire, en raison de la baisse des coûts de production d'énergie éolienne et solaire. Le dernier rapport publié conjointement par l'ONU Environnement, le Centre de Collaboration Frankfurt School - PNUE pour le climat et Bloomberg New Energy Finance, confirme qu’en  2017, le solaire s’est imposé – devant toutes les autres sources d’énergie fossiles ou propres – comme premier poste d’investissements mondiaux dans la production électrique, avec un chiffre-record de 98 gigawatts de nouvelles capacité de production d’énergie (Voir Frankfurt School). Avec 161 milliards de dollars, le solaire photovoltaïque a représenté en effet, en 2017, 57 % du total des investissements dans les énergies renouvelables qui se sont élevés à 280 milliards de dollars, dépassant à lui seul de plus de 100 milliards de dollars les investissements dans les nouvelles capacités de production électrique à partir de charbon et de gaz…

On le sait, notre Terre reçoit du soleil plus de 8000 fois l’équivalent de sa consommation énergétique annuelle. Pourtant, on estime qu’aujourd’hui, en dépit d’une forte montée en puissance du solaire, moins de 1 % de la consommation mondiale d’énergie finale totale est solaire, et même en Europe, l’énergie solaire ne représente encore qu’environ 7 % du total de l’énergie produite. Il est vrai que l’énergie solaire, en dépit de son abondance est diffuse et intermittente (elle devient nulle la nuit et les jours où le ciel se couvre) et qu’elle est difficile à stocker.

De 1970 à 2018, la production électrique mondiale est passée de 5 000 à 25 000 TWH. Quant à la part d’électricité dans le mix énergétique mondial, elle est passée de 8 à 20 % au cours de la même période. La plupart des scenarii de prospective énergétique nous indiquent que cette part de l’électricité – pour des raisons tenant principalement à l’amélioration du niveau de vie moyen dans le monde – va continuer son ascension irrésistible. Elle devrait représenter plus de 30 % de notre consommation mondiale d’énergie en 2040, selon l’AIE.

Résultat : l’augmentation de la demande mondiale en électricité d’ici 2040 pourrait atteindre 80 %, ce qui suppose une production annuelle de 45 000 TWH à cet horizon, qui répondra principalement aux nouveaux besoins industriels, économiques et domestiques des pays émergents et de leurs populations en plein essor démographique. Cette explosion de la consommation électrique mondiale résultera également du décollage des véhicules électriques qui devraient être entre 350 et 400 millions dans le monde en 2040, contre environ deux millions aujourd’hui.

Les principaux scenarii énergétiques nous indiquent par ailleurs que 30 à 40 % de l’électricité produite dans le monde en 2040 seront issus des énergies renouvelables, cette part dépassant probablement les 70 % pour notre continent européen.

Dès lors, un problème de taille va se poser : étant très difficile d’ajuster la demande et l’offre d’électricité dans un système de production qui aura massivement recours à l’énergie solaire (qui sera devenue de loin la première énergie propre en 2040), comment faire pour parvenir à stocker massivement, et à un coût sensiblement plus faible qu’aujourd’hui, cette part toujours plus importante d’électricité d’origine solaire que notre planète va produire et consommer.

Actuellement, en France, le stockage de l’électricité se fait essentiellement à l’aide d’une trentaine de stations de pompage-turbinage STEP (Station de Transfert d'énergie par pompage) qui jouent un rôle important en période de pointe et qui sont un élément fondamental de sécurité du réseau dans la mesure où leur production est mobilisable en quelques minutes. A l'heure actuelle, les STEP représentent 7 TWh de stockage en France soit 1,5 % de la consommation annuelle. Mais le gisement potentiel exploitable des STEP reste très important, jusqu’à 4 TWh supplémentaires. Contrôlée depuis le centre de conduite hydraulique de Lyon, la STEP de Revin est la première STEP équipée d'un système réversible, avec quatre groupes de 200 MW de puissance chacun, fonctionnent alternativement comme pompes et comme turbines.

Mais le stockage de l’électricité issue des énergies propres peut également avoir recours à une autre technologie, révolutionnaire celle-ci : le power-to-gas. Dans ce système technique, les surplus d'électricité d'origine renouvelable sont transformés en hydrogène par électrolyse de l'eau : grâce à un simple courant électrique, l’eau est transformée en oxygène ou en hydrogène gazeux. Cet hydrogène produit est utilisé sur place ou injecté dans les réseaux existants (de distribution ou de transport) de gaz naturel en l'état, ou après une étape de méthanation (l’hydrogène associé à du CO2 est converti en méthane de synthèse).

La technologie du Power-to-Gas permet de stocker plus efficacement les surplus d’électricité renouvelable et de les mettre au service de différents usages : chauffage, eau chaude, mobilité. L'injection dans les réseaux de gaz facilitera l'intégration des énergies renouvelables intermittentes dans le mix énergétique et permettra d'augmenter leur part dans la consommation énergétique finale. Déjà mis en œuvre avec succès en Allemagne et aux Pays-Bas, le potentiel du Power-to-Gas est considérable : il est estimé par l'Ademe à 30 TWh par an pour la France métropolitaine à l'horizon 2030, soit environ 15 % de notre consommation électrique nationale. Le power-to-gas est actuellement expérimenté à Dunkerque, dans le cadre du projet GRHYD (Gestion des réseaux par l’injection d’hydrogène pour décarboner les énergies), piloté par Engie, qui permet de produire par électrolyse de l’hydrogène, puis de le réinjecter dans le réseau de gaz desservant 103 logements neufs du quartier Cappelle-la Grande.

Autre innovation majeure en cours de développement : les batteries à électrolyte circulant, plus connues sous leur dénomination anglo-saxonne de « Redox Flow ». En juin dernier, Kemwatt a présenté le premier prototype de batterie organique non corrosive de dimension industrielle. Ce type de batterie fiable, sûre, peu coûteuse et d’une durée de vie de plus de 20 ans, est particulièrement adapté au stockage de longue durée dans des endroits isolés. Il pourrait permettre d’électrifier de vastes zones rurales, difficiles d’accès, situés dans des régions ensoleillés.

Contrairement aux batteries conventionnelles qui utilisent le plus souvent des substances corrosives baignant en milieu acide et représentant une menace potentielle pour la sécurité et l’environnement, une batterie de type « Redox Flow » utilise une chimie basique, c’est-à-dire neutre et non-corrosive, utilisant des molécules naturelles, avec des électrolytes biodégradables et recyclables, permettant des applications à grande échelle.

Une autre innovation remarquable en matière de stockage d’énergie mérite d’être évoquée, il s’agit du stockage cinétique modulaire. Une entreprise suisse, Energy Vault, a en effet développé un concept de stockage mécanique solide, qui s’inspire des principes qui sous-tendent les centrales hydroélectriques de pompage, basées sur la gravité. Ce système, qui a impressionné Bill Gates en personne, utilise de manière ingénieuse les lois de la thermodynamique, avec une plate-forme logicielle qui gère de manière automatique une grue à six bras, et organise le positionnement de blocs de béton pour stocker à faible coût de l’électricité.

Concrètement, l’électricité excédentaire, produite par le soleil ou le vent, vient alimenter la grue (de 20 mètres) qui soulève avec cette énergie des blocs de 500 kilogrammes et les empile en hauteur. Quand il y a besoin de faire appel à l'énergie stockée, la grue reprend les blocs et les fait descendre, ce qui permet de générer de l’électricité grâce au poids des blocs, qui vont entraîner une turbine. Le système est simple, fiable, écologique et surtout moins coûteux, à capacité de stockage égal, que les autres moyens disponibles. Les premières unités commerciales devraient être disponibles dès 2019 : elles mesureront 120 mètres de hauteur, posséderont six bras et soulèveront des blocs de béton de 35 tonnes. En hissant et empilant ces poids, chaque unité atteindra sa capacité maximale en une dizaine d’heures. Elle pourra alors fournir 35 mégawattheures (MWh), soit la consommation électrique de 2000 foyers.

De son côté, l'entreprise Energiestro, basée à Chateaudun, en France, stocke l'énergie dans des volants d'inertie en béton qui coûtent bien moins cher que les volants d'inertie en acier ou en carbone. Les VOSS (volant de stockage solaire) commencent à être produits par Energiestro. Les premiers modèles qui vont bientôt être commercialisés auront une capacité de 10 kwh pendant les 12 heures qui suivront la disparition du soleil. Ils devraient avoir un temps de bon fonctionnement (MTBF) de 30 ans. Mais Energiestro a des ambitions encore plus élevées. Dans les deux ans, elle devrait avoir la capacité de fabriquer des VOSS d'une puissance de 50 kwh. Rien ne fait peur à Energiestro puisqu'ils ont déjà en projet, pour les pays africains ou les îles qui sont inondées de soleil, de construire des VOSS d'une capacité d'un mégawattheure. Mais ces volants d'inertie en béton atteignant alors des dimensions impressionnantes (4,6 mètres de diamètre, 7 mètres de hauteur et une masse de 300 tonnes), Energiestro va être obligé de construire une grande usine pour les fabriquer, personne dans le monde n'étant capable aujourd'hui de fabriquer de tels monstres. Ces VOSS sont de loin, parmi tous les appareils de stockage d'énergie, ceux qui auront le prix le plus bas pour fournir 1 kwh d'électricité. Ce kwh ne devrait coûter que 2 centimes, affirme André Génnesseaux, créateur de cette entreprise.

Dans ce défi du stockage et de l’équilibrage dynamique du réseau, l’hydrogène sera également mis à contribution. À Saint-Herblain, dans la périphérie de Nantes, l'immeuble Delta Green est le premier bâtiment mixte qui fonctionne déjà grâce à cette énergie, depuis mars 2017. Les 8.000 m² de toits qui recouvrent bureaux, logements et services, sont recouverts de panneaux photovoltaïques qui produisent de l'électricité. Le courant ainsi généré sépare par électrolyse les deux composants de l’eau, l'hydrogène d'un côté, l'oxygène de l'autre, qui repart dans l'atmosphère. Quant à l'hydrogène, il est stocké dans une pile à combustible et peut donc, si la demande l’exige, être réutilisé pour produire de l’électricité, mais également, ce qui est capital dans le cas du bâtiment, produire de la chaleur récupérable pour le chauffage des appartements et bureaux.

Alain Raguideau, le promoteur immobilier à l'origine du projet, se veut optimiste et précise « Il faut se projeter à dix ans ; pour l’instant l'autonomie du bâtiment n'est pas encore atteinte, mais lorsque cela sera le cas, nous pourrons utiliser l'hydrogène produit comme carburant pour des voitures à piles à combustibles en autopartage pour l'ensemble de la copropriété, ou encore réinjecter à la demande de l’électricité dans le réseau électrique ».

Dans ce domaine essentiel du stockage de l'énergie avec l'hydrogène, le Professeur Gabor Laurenczy et son équipe, à l’École Polytechnique de Lausanne (EPFL), ont fait un grand pas, il y a quelques mois, en sachant fabriquer de l'acide formique en partant du soleil, de l'eau et du CO². La formule de l'acide formique (H²CO²) est formidablement simple mais jusqu'à ce jour seuls les insectes (dont les fourmis) savaient fabriquer cet acide à température ambiante. L'homme sait le faire lui aussi, depuis longtemps mais en partant du pétrole et en se servant de hautes températures et de hautes pressions. L'équipe du Professeur Laurenszy se sert d'un catalyseur très peu cher, proche du fer, (plusieurs brevets ont été déposés) pour associer, à température et pression normales, le H² tiré de l'eau par électrolyse grâce à l'énergie du soleil et du CO² de l'atmosphère. L'acide formique n'est pas plus agressif que l'acide acétique (vinaigre) et il peut être déposé dans n'importe quelle cuve. Quand il y a un besoin d'électricité, une pile à combustible (PAC) spécifique, également développée par le Professeur Laurenczy, sépare l'hydrogène du CO² et l'associe à l'oxygène de l'air pour produire de l'électricité. De son coté, le CO² libéré ne part pas dans l'atmosphère mais est redirigé vers le début du process pour être à nouveau associé à l'hydrogène issu de l'hydrolyse de l'eau, pour fabriquer à nouveau de l'acide formique. Ce qui est remarquable dans ce processus repose sur le fait qu'il ne rejette aucun gramme de CO² dans l'atmosphère et, mieux encore, en retire. Certes, le rendement de ce process n'est pas très élevé mais peu importe puisque l'énergie primaire qui le fait fonctionner est produite par des cellules photoélectriques dont les prix respectent la loi de Moore et voient leurs prix décroître année après année.

Mais ce domaine si crucial du stockage de l’énergie sera peut-être révolutionné par des innovations de rupture récentes. Il y a quelques semaines, une équipe de chercheurs de l’Université de technologie Chalmers, en Suède, dirigée par Kasper Moth-Poulsen, a mis au point un liquide capable de stocker l’énergie solaire durablement (Voir The Royal Society of Chemistry).

Les chercheurs suédois ont ainsi mélangé des molécules sous forme liquide (du carbone, de l’hydrogène et de l’azote). L’organisation des atomes se modifie lorsqu’elle reçoit les rayons du soleil (ils sont alors appelés « isomères ») et la chaleur est alors emprisonnée par les fortes liaisons chimiques de l’isomère. Il devient possible, dans ces conditions particulières, d’utiliser ce liquide comme un carburant solaire thermique.

Mais comment récupérer l’énergie ainsi emmagasinée ? En faisant passer le fluide dans un catalyseur, pour que la molécule retrouve sa forme d’origine et que l’énergie puisse alors être libérée sous forme de chaleur. L’étude précise que « Lorsqu’on veut extraire cette énergie et l’utiliser, on obtient une augmentation de chaleur supérieure à ce que nous avions espéré », note l’étude. Les premiers essais réalisés en laboratoire montrent que le cycle d’extraction de la chaleur ainsi captée peut être renouvelé plus de 120 fois, sans dégradation significative des molécules de stockage ! « L’énergie peut être contenue dans cet isomère pendant 18 ans », affirme Kasper Moth-Poulsen, qui ajoute « En l’état, notre système, lorsque nous voulons récupérer de l’énergie, permet déjà une libération de chaleur à 63°C, ce qui est qui supérieur à ce que nous avions osé espérer ; nous allons à présent encore améliorer notre procédé pour pouvoir rrestituer une chaleur de 110°C ».

Une autre innovation de rupture en matière de stockage de l’énergie vient également d’être présentée par des ingénieurs du MIT. Ceux-ci ont mis au point un système permettant de stocker de l’énergie issue de sources renouvelables et de restituer cette énergie dans un réseau électrique à la demande (Voir MIT).

Cette technologie stocke la chaleur générée par l’excès d’électricité provenant de l’énergie solaire ou éolienne dans de grands réservoirs de silicium fondu à blanc, puis reconvertit la lumière du métal incandescent en électricité en cas de besoin. Les chercheurs estiment qu’un tel système serait beaucoup plus abordable que les batteries lithium-ion, moyen actuellement le plus couramment utilisé pour stocker de l’énergie renouvelable. Selon ces chercheurs, il reviendrait même deux fois moins cher que le stockage hydroélectrique par pompage-turbinage.

Ces scientifiques du MIT ont utilisé l'énergie solaire thermodynamique, une forme d’énergie très ancienne qui repose sur des miroirs reflétant les rayons du soleil vers un réservoir central (contenant généralement du sel fondu) qui est ensuite chauffé. Ce dernier stocke alors la chaleur que l’on peut transformer en électricité.

Mais pour parvenir à concevoir leur système, à la fois plus performant et moins coûteux, ces chercheurs ont eu l’idée d’utiliser le métal le plus abondant dans la croûte terrestre : le silicium. Ils ont ainsi exploité une pompe à silicium liquide capable de résister à une chaleur extrême. Ils l'ont associée à deux réservoirs, pour former un dispositif qu’ils ont baptisé « Soleil en boîte ».

Concrètement, un grand réservoir, bien isolé, contient du silicium liquide maintenu à environ 1 930°C. Il est relié à un deuxième réservoir, plus chaud, via un ensemble de tubes chauffés par l'électricité produite par les sources d'énergie renouvelable. Le système exploite ainsi l'effet Joule (dégagement de chaleur dû au passage d'un courant électrique), pour ne pas se limiter au photovoltaïque. Le silicium serait alors pompé vers le deuxième réservoir, tout en se réchauffant en passant dans les tubes, pour atteindre une température d'environ 2 370°C. Ce système exploite donc de manière ingénieuse et innovante les lois de la thermodynamique formulées par Carnot il y a deux siècles…

Si le réseau a besoin de plus d’électricité, celle-ci peut être injectée en pompant dans le sens inverse. Le silicium chaud serait alors reconduit vers le réservoir froid, tout en passant à travers des tubes dans lesquels il émettrait une lumière blanche, phénomène dû à sa haute température. Cette lumière serait alors convertie en électricité par des cellules solaires capables de réaliser cette transformation.

D'après les auteurs de l'étude, ce système de batterie rechargeable géante pourrait alimenter de manière fiable et peu onéreuse une zone urbaine d'environ 100 000 habitants. Le système a été conçu pour être couplé à des sources de production électrique issues des énergies renouvelables, comme les cellules solaires, pour capter l’électricité en excès pendant la journée et la stocker pour une utilisation ultérieure.

Mais il est également possible de stocker « à la source », l’énergie excédentaire produite par les centrales solaires. A cet égard, la Centrale Solaire Thermodynamique de Llo, dans les Pyrénées, qui sera mise en service dans quelques semaines, constitue un remarquable exemple d’innovation technologique.

Cette centrale utilise la technologie des « miroirs de Fresnel » pour concentrer l’énergie solaire sur une tour et chauffer à haute température de l’eau, qui, transformée en vapeur, génère de l’électricité, via une turbine et un alternateur. Mais cette installation est la première centrale solaire thermodynamique au monde à stocker de l’énergie, grâce à 9 cuves de 120 000 m3 où est stockée sous haute pression une part suffisante de la vapeur produite pour assurer une demi-journée de fonctionnement.

A présent que le deux principales sources d’énergie propre, l’éolien et le solaire, sont en train d’atteindre le seuil de compétitivité, par rapport aux énergies fossiles, l’arrivée et la combinaison de ces nouvelles technologies de stockage devraient lever le dernier obstacle de taille qui empêchait l’utilisation à très large échelle des énergies renouvelables, par crainte de ne pas parvenir à gérer les importantes fluctuations de production énergétique et de déstabiliser les réseaux de distribution.

Citoyens, entreprises, collectivités locales et états doivent à présent unir leurs efforts et fédérer leurs initiatives pour relever ensemble ce défi sans précédent de la transition énergétique globale – condition indispensable à une lutte efficace contre le changement climatique – et faire en sorte que dans une génération, c’est-à-dire dès 2040, le monde, tout en essayant de maîtriser sa consommation d’énergie, produise au moins la moitié de toute l’énergie qu’il consomme à partir de sources propres et décarbonées. Les défis technologiques étant à présent en passe d’être relevés, c’est le courage et la volonté politiques qui doivent maintenant s’imposer sans aucune attente pour éviter la catastrophe climatique annoncée et conserver un monde vivable pour les générations futures.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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