Les enjeux techniques du stockage de l'électricité : un prérequis indispensable pour un avenir 100% énergies renouvelables
Si les énergies renouvelables sont bien moins polluantes que les énergies fossiles1 , ces dernières ne produisent pas forcément de l’électricité en continu. Par exemple, les éoliennes produisent de façon variable en fonction du vent et il en va de même pour les panneaux solaires qui ne produisent de l’énergie que lorsqu’il y a du soleil. Pour que ces sources d’énergie décarbonées puissent exploiter tout leur potentiel, il faut pouvoir stocker l'électricité produite en attendant qu’elle puisse être utilisée ultérieurement et ainsi répondre en temps réel aux différents besoins.
Dans cet article, nous expliquerons pourquoi les énergies renouvelables prendront de plus en plus de place dans le mix énergétique tout en continuant de s’appuyer sur des énergies dîtes « pilotables » ou « adaptables à la demande ». Nous évoquerons également les solutions existantes et en cours de développement pour permettre de réduire cette dépendance.
- Répondre aux problématiques des énergies variables et au stockage de l’électricité
- L’alternance des énergies renouvelables : une première solution pour amoindrir la dépendance aux énergies fossiles
- L’Hydrogène comme solution de stokage de l'électricité : avantages et limites
- Solution de stockage de l’électricité de l’énergie hydraulique : les Stations de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP)
- Le stockage d’électricité par air comprimé et le principe thermodynamique
- Les volants d’inertie et l’énergie cinétique
- Les Smart Grids, Power Grids, Vehicle-to-grids comme moyens d’optimisations des réseaux électriques
- Quelle est la solution de stockage de l’énergie la plus optimale ?
- Succès de financement pour les solutions de stockage via Lumo
Répondre aux problématiques des énergies intermittentes et au stockage de l’électricité
Pour que le réseau électrique puisse fonctionner correctement, il faut que sa fréquence soit stable et qu’elle soit identique sur tout le réseau de distribution. Pourtant, les écarts entre la demande et la production sont inévitables. Le soir et en hiver, par exemple, la demande est plus forte étant donné que les journées sont plus courtes et plus froides. Or, si l’on consomme davantage d’électricité que l’on en produit, la fréquence diminue. Inversement, si l’on produit plus d’électricité que l’on en consomme, la fréquence augmente. La quantité d’électricité injectée sur le réseau électrique doit toujours être égale à la quantité d’électricité consommée si l’on souhaite éviter le blackout.
Rassurez-vous, le réseau est extrêmement bien surveillé et des dispositifs sont mis en place pour éviter ce genre de catastrophe. Cela explique en partie pourquoi les énergies adaptables à la demande (nucléaire, énergies fossiles) sont encore indispensables dans le mix énergétique pour garantir le bon fonctionnement du réseau. Le nucléaire étant, pour le moment, l’énergie dîte "pilotable" à échelle industrielle la plus faiblement carbonée, elle est généralement perçue comme stratégique dans le déploiement de la transition écologique.
C’est d’autant plus vrai en France dont la part du nucléaire peut représenter jusqu’à 2/3 de l’électricité produite au sein du mix énergétique lors des pics de production. Elle reste aujourd’hui, avec ses 56 réacteurs, la première source de production et de consommation d'électricité et s’inscrit dans une longue tradition historique pour l’indépendance énergétique du pays dans un contexte d’après-guerre.2 Toutefois, les stocks d’uranium semblent être voués à s’épuiser d’ici un peu plus d’un siècle. De plus, certains observateurs restent sceptiques quant au traitement des déchets nucléaires et aux risques encourus, bien que statistiquement très faibles, en cas d'accident. A contrario, le soleil, le vent, les fleuves et les marées, sont infinis à l’échelle du temps humain.
Un avenir majoritairement composé d’énergies renouvelables nécessite donc de pouvoir stocker l’électricité produite par ces dernières afin de les redistribuer à la demande dans le réseau. Aujourd’hui, l'électricité se stocke difficilement ou dans des quantités insuffisantes pour se passer pleinement des énergies adaptables à la demande comme le nucléaire. Le mode de stockage domestique le plus courant actuellement se fait sur des batteries à lithium-ion que l’on trouve dans les voitures électriques ou les appareils électroniques portables. Ces batteries permettent de stocker des quantités d’électricité intéressantes sur des durées allant de quelques heures à quelques jours selon l’usage.
On considère que leur rendement est intéressant bien qu’insuffisant dans une optique de mix énergétique uniquement composé d’EnR. De plus, leur coût environnemental (extraction des matériaux, difficulté de recyclage, etc.) suscite des réserves légitimes. L’extraction du lithium, très gourmande en eau, entraîne d'autres problèmes, comme la pollution des sols 3.
Tout l’enjeu nécessite donc de pouvoir accumuler l’électricité à une échelle industrielle tout en réduisant au maximum les externalités négatives sur l’environnement et ce afin qu’elles puissent répondre plus précisément à des besoins moindres (si nous allons vers la sobriété), mais qui restent conséquents à l’échelle de l’humanité.
L’alternance des énergies renouvelables : une première solution pour amoindrir la dépendance aux énergies fossiles
D’abord, si les énergies solaires, éoliennes et certaines énergies marines sont effectivement variables, il convient de préciser que leur production est plus ou moins prévisible à l’avance. Dans le cas de l’énergie solaire, le cycle jour/nuit est régulier tout au long de l’année. Du côté des énergies marines, on connaît, avec grande précision et depuis des siècles, les heures des marées.
Certains scénarios accordent une place très importante à l’alternance éolien/solaire dans un mix énergétique 100% renouvelable4. En effet, dans les périodes favorables, l’une est capable de prendre le relai quand le vent ou le soleil viendrait à manquer.
De plus, la gestion de l’intermittence, en créant des interconnexions entre les réseaux électriques de différentes régions ou de différents pays, est une première alternative. Cela se fait déjà en Europe et permet à certaines zones de compenser les faibles productions des autres. Mais, pour que l’interconnexion des énergies renouvelables fonctionne, il faut que les conditions climatiques soient stables et prévisibles, ce qui est loin d’être toujours le cas actuellement...
L’Hydrogène comme solution de stockage de l'électricité : avantages et limites
L’électricité excédentaire produite par les énergies renouvelables peut être transformée en hydrogène grâce à l’électrolyse. L’électrolyse consiste à faire passer un courant électrique dans l’eau, ce qui libère une molécule de dihydrogène (H2) et une molécule de dioxygène (O2). Fait intéressant, cette réaction n’entraîne pas l’émission de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2). La production d’hydrogène est donc propre et renouvelable.
De plus, l’hydrogène se stocke très bien sous forme gazeuse à haute pression, sous forme liquide à très basse température et même sous forme solide. On peut ensuite l’acheminer par pipes, transports routiers, ferroviaires ou maritimes.
Au besoin, l’hydrogène peut être à nouveau transformée en électricité grâce à une pile à combustible également appelée pile à hydrogène. Ces dernières permettent d’enclencher une réaction chimique venant rompre la molécule de dihydrogène. Cette rupture provoque le dégagement d’électrons et de protons (phénomène appelé oxydation). Les électrons, par leur déplacement, créent un courant électrique. L’électricité précédemment stockée par électrolyse est alors être restituée.
Pour en savoir plus : Les impacts environnementaux et sociétaux de l'hydrogène vert : une solution réellement durable ?
L'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène nécessite une quantité significative d'électricité, généralement fournie par des sources renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne. Malgré les progrès constants dans l'efficacité des électrolyseurs, le rendement global du processus reste perfectible. Des pertes d'énergie se produisent à chaque étape de la conversion, de la production d'électricité à l'électrolyse elle-même, ce qui limite l'efficacité globale du stockage d'énergie par hydrogène.
Un autre défi majeur réside dans le coût élevé des électrolyseurs et des systèmes associés. Les matériaux nécessaires, tels que les catalyseurs à base de métaux précieux, contribuent à rendre la technologie onéreuse. Des recherches intensives sont en cours pour développer des catalyseurs plus abordables et durables, mais des progrès substantiels sont encore nécessaires pour rendre l'électrolyse de l'eau compétitive par rapport à d'autres méthodes de stockage d'énergie.
Solution de stockage de l’électricité de l’énergie hydraulique : les Stations de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP)
Une STEP (station de transfert d'énergie par pompage) se compose de deux réservoirs d'eau séparés par un dénivelé. Lors des pics de consommation, l'eau du bassin supérieur est relâchée vers le bassin inférieur et alimente une turbine qui produit de l'électricité. Lorsque la demande en électricité est inférieure à celle produite, une pompe puise l'eau dans le bassin inférieur et l’achemine vers le bassin supérieur pour ainsi stocker à nouveau le potentiel de production électrique.
Une STEP est capable de délivrer de l'énergie en seulement quelques minutes. Sa durée de vie est supérieure à 70 ans et son coût de stockage est 20 fois inférieur par MWh que celui d'une batterie lithium-ion.5
Problème majeur cependant, les STEP ne permettent pas de produire une énergie renouvelable. En effet, elles consomment plus d’énergie qu’elle n’en produisent par conséquent, leur utilisation est essentiellement vouée au stockage et à la limitation du gaspillage dans un contexte où la demande est très faible. Exemple : l’énergie produite par une éolienne qui tournerait à plein régime (beaucoup de vent) dans une période de faible demande sera utilisée pour remonter l’eau dans le bassin supérieur pour un usage ultérieur.
Il est à noter également que dans un contexte de raréfaction de l’eau potable, de telles installations ne peuvent se généraliser.
Le stockage d’électricité par air comprimé et le principe thermodynamique
Le CAES pour Compressed Air Energy Storage se présente sous la forme d’une turbine à gaz classique. De l’air ambiant est capté et comprimé à très haute pression dans un compresseur. Cette compression créée un échauffement pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines de degrés. L’air chaud ainsi comprimé est injecté avec du gaz dans une chambre de combustion. Le mélange entraîne une turbine et un alternateur pour produire de l’électricité. Cependant, la compression consomme l’équivalent d’environ un tiers de ce qui est produit à l’arrivée. Le principal intérêt du stockage par air comprimé est donc intéressant s’il utilise une électricité à faible coût qui serait, dans tous les cas, perdue. Un peu comme les STEP finalement.
Les volants d’inertie et l’énergie cinétique
Les systèmes de stockage par inertie moderne se présentent sous la forme d’un cylindre hermétique, dans lequel le vide a été fait pour éliminer la résistance de l’air. Le volant situé à l’intérieur, peut alors tourner à sa vitesse maximale pour que l’on puisse, par la suite, récupérer son énergie cinétique, en utilisant un moteur comme générateur d’électricité. Ayant une durée de vie très longue, ne dégageant aucune pollution et fournissant des rendements très intéressants, son temps de stockage est malheureusement limité à 15 minutes. Il faut donc une utilisation rapide et ponctuelle.
« Les volants d’inertie sont quelquefois utilisés pour maintenir la stabilité des réseaux électriques, en prévenant les chutes de tension. La ville de New York par exemple, s’est dotée d’une centrale de puissance modeste (20 MW), mais qui, grâce à 200 volants d’inertie, peut restituer en quelques secondes suffisamment d’énergie pour contribuer à maintenir une alimentation régulière du réseau ».6
Les Smart Grids, Power Grids, Vehicle-to-grids comme moyens d’optimisations des réseaux électriques
Le Smart Grid est un réseau de distribution d'électricité utilisant les technologies numériques pour optimiser la production, la distribution, la consommation et le stockage de l'énergie. Il améliore l'efficacité énergétique de l'ensemble en minimisant les pertes et en optimisant le rendement des moyens de production utilisés, en rapport avec la consommation instantanée.
Les dispositifs de stockage, de différentes natures, répondent à des besoins très variés et doivent être capables de rendre des services au réseau public dans le but de simplifier l’équilibre entre l’offre et la demande. Pendant les périodes où le véhicule est branché au réseau électrique, il devient possible d’utiliser l’électricité stockée dans la batterie pour l’injecter sur le réseau en période de forte demande ou, à l'inverse, de charger la batterie du véhicule pendant les heures creuses. C'est-ce que l’on nomme le « vehicle-to-grid », ou V2G.
L’idée étant de mettre à contribution aussi bien les particuliers que les entreprises ou les collectivités dans le but, à terme, de décentraliser la production d’électricité en l’injectant ou en la stockant en temps réel.
« À l’horizon 2030, l’ensemble des fonctions Smart Grids étudiées pourraient apporter à terme des bénéfices nets de l’ordre de 400 M€/an pour la collectivité, dont plusieurs dizaines de M€/an pour le réseau public de transport, auxquels s’ajouteront les bénéfices réalisés par les gestionnaires de réseau public de distribution.
(…)
Dans un contexte où les solutions de flexibilité peuvent apparaître comme susceptibles de fournir des services analogues et être potentiellement concurrentes, l’évaluation menée par RTE du déploiement global des flexibilités montre que toutes les flexibilités étudiées trouvent leur place en 2030 et l’ensemble des capacités associées pourraient atteindre 9 GW. » 7
Quelle est la solution de stockage de l’énergie la plus optimale ?
Eh bien, comme toujours pour ce genre de problématiques très complexe, nous vous répondrons que cela dépend. Toutes les solutions présentées plus haut ont leurs avantages dans un contexte précis et pour un type d’usage particulier. Elles sont donc complémentaires. Mais, dans une perspective de transition écologique à grande échelle, l’Association Française pour l’Information Scientifique (AFIS) se base sur les différents scénarios prévus par le gouvernement, la RTE, l’ADEME, l’Académie des Sciences ou encore des associations comme Greenpeace.
Selon les différents scénarios établis se présente, dans un premier temps, la nécessité de diminuer notre consommation globale d’énergie de 15 % à 50 %, d’augmenter l’électrification décarbonée de nos usages dans la consommation totale d’énergie (de 30 % à 60 %) et donc, très logiquement, d'augmenter la part des énergies renouvelables dans la production électrique (de 50 % à 100 %), d’ici 2050.
NB : Les écarts de % affichés se basent sur les différents scénarios existants selon les sources étudiées. Les marges sont donc très larges mais cela permet de faire une moyenne des besoins de stockage à horizon 2050.
Dans ce contexte précis, l’AFIS conclue 8 :
« S’il existe différents types de technologies de stockage réversible (c’est-à-dire capable de restituer de l’énergie sous forme électrique), certains de ces moyens ne sont pertinents qu’à une échelle de temps journalière ou hebdomadaire (station de transfert d’énergie par pompage, batteries électriques), d’autres le sont à l’échelle de temps inter-saisonnière (au-delà de la semaine).
Les besoins de stockage inter saisonniers correspondent à environ 60 % des besoins de stockage (…). L’hydrogène produit par électrolyse est identifié par le gouvernement français comme, « à long terme, une solution structurante pour l’intégration des énergies renouvelables au système électrique » et « le moyen de stockage massif inter saisonnier des énergies renouvelables électriques intermittentes le plus prometteur ».
(…)
Le problème le plus important dans cette stratégie est le faible rendement global de ce cycle. D’après une étude récente de l’Ademe9, confirmée par de nombreuses autres études, il n’est que de l’ordre de 25 % si l’on utilise des électrolyseurs à basse température, systèmes d’électrolyse les plus matures pour le moment. Cela veut dire que pour récupérer 1 TWh après stockage, il faudra consommer 4 TWh au total.
(…)
Ainsi, sur la base d’un scénario 100 % EnR, si le besoin de stockage intersaison représente 90 TWh (60 % du transfert annuel), les faibles rendements mentionnés font que sur 90 TWh captés pendant les périodes de surplus, seuls 23 TWh seront restitués pendant les périodes de manque.
(…)
L’espoir d’une amélioration des rendements de la stratégie s’appuyant sur l’hydrogène pour le stockage inter-saisonnier de l’électricité pourrait résider dans une nouvelle technologie d’électrolyse, qui n’a pas encore la maturité suffisante. Grâce à la recherche et à des investissements appropriés, elle pourrait devenir opérationnelle à une échelle industrielle, moyennant une réduction considérable des coûts ».
Soutenir les développement des énergies renouvelables
Sources :
1 https://data.ademe.fr/datasets/base-carbone(r)2 https://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie/produire-de-l-electricite/le-nucleaire-en-chiffres#:~:text=Principaux%20producteurs,'%C3%A9lectricit%C3%A9%20d'origine%20nucl%C3%A9aire.3 https://www.nationalgeographic.fr/environnement/bolivie-lextraction-du-lithium-menace-le-plus-grand-desert-de-sel-du-monde 4 https://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/developpement-durable/100-d-energies-renouvelables-en-2050-c-est-techniquement-possible_1512865 https://www.futura-sciences.com/planete/definitions/energie-renouvelable-step-7829/6 https://www.planete-energies.com/fr/media/article/stockage-denergie-par-volant-dinertie7 https://librairie.ademe.fr/energies-renouvelables-reseaux-et-stockage/1865-valorisation-socio-economique-des-reseaux-electriques-intelligents.html 8 https://www.afis.org/Stockage-d-energie-les-rendements-problematiques-de-la-strategie-power-to-gas9 Bodineau L, Sacher P, Rendement de la chaine hydrogène : cas du “Power-to-H2-to-Power”, Ademe, 2020.