Bulletin GSI novembre 2022

Le stockage de l’énergie : enjeux et perspectives

Sibi Bonfils

Le stockage de l’énergie, une ressource technologique clé de la transition énergétique

Dans la dynamique de l’objectif zéro émissions nettes d’ici 2050 décidé dans le cadre de l’Accord de Paris sur le climat, le secteur de l’énergie en général et le secteur électrique en particulier sont engagés dans des mutations sans précédent tenant plus de la révolution que de l’évolution. Dans ce contexte particulier, le stockage de l’énergie est considéré par la plupart des experts comme l’un des principaux facteurs de changement, si non le principal.

Les 5D qui caractérisent et marquent ces mutations, Décarbonation, Digitalisation, Décroissance de la consommation, Décentralisation et Désintermédiation (cf. annexe), s’appuient toutes, à différentes échelles, sur cette ressource technologique qui a permis aux combustibles fossiles de prendre toute la place qu’ils tiennent aujourd’hui dans les systèmes énergétiques et économiques mondiaux.

Parce qu’ils sont stockables avec des densités énergétiques considérables, ces combustibles embarquables de ces faits, ont rendu possibles le transport automobile et sur rail, l’aviation, l’un des principaux vecteurs de la mondialisation, et l’exploration spatiale. Mais ces caractéristiques en ont aussi fait « l’élément vital de nos capacités de combat“, selon le mot d’un général américain[1].

L’autre revers de la médaille, c’est que ces combustibles vitaux sont les principales sources des émissions de gaz à effet de serre responsables des changements climatiques. Les axes majeurs de lutte contre ces changements tels que préconisés dans les scénarios zéro émissions nettes d’ici 2050 passent par l’abandon pur et simple ou par une utilisation encadrée de ces combustibles dans les mix énergétiques nationaux, régionaux et mondiaux.

Les solutions et/ou les substituts sont connus, la sobriété et l’efficacité énergétiques, et surtout les énergies dites renouvelables. L’électrification des usages, et notamment des transports, est un axe majeur des changements envisagés. Dans ses dernières prospectives énergétiques, WEO 2022[2], l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE – IEA) propose une feuille de route vers le zéro émissions nettes qui s’inscrit pleinement dans cette perspective : l’électrification directe ou indirecte du transport est achevée en 2045 ; en 2050, 90% de la production mondiale d’électricité est d’origine renouvelable, 70% de cette production provenant du solaire et de l’éolien.

Dans un tel contexte, les Mix énergétiques nationaux vont connaître des changements en profondeur. L’électricité issue du solaire et de l’éolien, sources d’énergies renouvelables variables (ERV), y tiendrait une place prépondérante. Les ERV comme sources primaires d’électricité sont ainsi appelées à dominer dans les mix électriques nationaux ou régionaux. Elles représentent déjà plus de 20% du Mix électrique dans plusieurs pays dont le Danemark où leur part est de 60% (cf. annexe).

Leur potentiel est considérable. Mais parce qu’elles sont intermittentes, les ERV introduisent dans les systèmes énergétiques où elles sont dominantes, des facteurs d’instabilité préoccupants pour les exploitants. Des technologies dites habilitantes en cours de déploiement dans ces systèmes permettent cependant d’atténuer les risques. Le stockage de l’énergie participe de ces technologies, comme les technologies d’utilisation finale (pompes à chaleur, véhicules électriques…) ou de gestion de la demande et de l’approvisionnement (charges interruptibles, smart grid…).

Ce numéro du bulletin est centré sur le stockage de l’énergie. Il donne un bref aperçu des techniques mises en œuvre après quelques considérations sur les enjeux du stockage. En s’appuyant sur le rapport Renewables 2021, Global Status Report de REN21[3], il rend compte de la situation actuelle du stockage de l’énergie dans le monde et des développements en cours à ce niveau dans le secteur électrique.

Enjeux du stockage

Stocker l’énergie consiste à en préserver une quantité pour une utilisation ultérieure. Les enjeux du stockage de l’énergie sont de différents ordres.

Il permet d’assurer l’équilibre offre-demande ou d’amortir les fluctuations des prix, l’énergie stockée quand l’offre est abondante ou les prix plus avantageux, pouvant être restituée quand la demande dépasse l’offre ou quand les prix sont désavantageux. Le stockage permet ainsi de fournir sans interruption ni augmentation inopinée des prix, une énergie abondante et bon marché.

Le stockage a été abondamment utilisé, en ce qui concerne les hydrocarbures, pour limiter l’impact des incertitudes résultant des tensions géopolitiques, comme on peut le voir présentement en Europe dans le cadre de la crise ukrainienne avec son lot de sanctions et de retro-sanctions.

Il est également abondamment mis à contribution dans les réseaux isolés utilisant des ERV pour améliorer l’accès des populations hors réseau aux services énergétiques modernes. La combinaison ERV+stockage est en outre de plus en plus la solution privilégiée pour des charges isolées (relais télécom).

Dans le contexte actuel de déploiement des actions de lutte contre les changements climatiques cherchant à limiter la part des hydrocarbures dans les mix énergétiques au profit des ERV, le stockage de l’énergie fait l’objet de recherches avancées pour offrir des solutions d’hébergement et de restitution aisée de l’énergie proches de la demande ou sous forte densité dans des volumes et des poids limités, avec comme perspective, l’augmentation de leur portabilité.

Le schéma ci-dessous donne un aperçu des différentes applications du stockage dans les systèmes électriques. Il en montre l’intérêt stratégique dans le processus actuel de transition vers des systèmes électriques dominés par les ERV.

Les techniques de stockage de l’énergie[4]

Le stockage de l’énergie peut s’opérer sous différentes formes, thermique, mécanique, électrochimique ou électrique, comme le résume le schéma ci-dessous[5].

Sous forme d’énergie chimique, on distingue le stockage intrinsèque avec les hydrocarbures, actuellement la forme dominante de stockage d’énergie en volume, les biocarburants issus de la biomasse et la biomasse qui est une sorte de stock d’énergie solaire.

L’hydrogène, produit à partir de différents procédés dont l’électrolyse de l’eau, participe de la forme chimique de stockage de l’énergie. En utilisant, pour l’électrolyse, l’électricité issue des ERV, on parvient ainsi à stocker ces dernières sous forme d’hydrogène qui peut être i) directement utilisé ou converti en carburant (méthane ou ammoniac) de véhicule ou dans les systèmes de chauffage, et ii) reconverti en électricité grâce aux piles à combustible comme on peut le voir dans le schéma ci-dessous[6].

Tous ces processus permettent de doter les ERV, malgré quelques pertes de rendement, de plusieurs des caractéristiques qui ont fait le succès des hydrocarbures, la portabilité et une densité énergétique élevée notamment.

Sous forme d’énergie thermique, on distingue le stockage par chaleur sensible et le stockage par chaleur latente.

Dans le premier cas, on exploite l’élévation de température d’un matériau, laquelle permet de stocker l’énergie utilisée pour chauffer ce matériau (eau, huile, roche, béton) sans changement de forme. Les chauffe-eau électriques ou solaires fonctionnent sur ce principe. Les fermes solaires thermodynamiques, en plein développement, ouvrent des perspectives intéressantes pour ce type de stockage thermique et aussi le suivant.

Le stockage par chaleur latente utilise des matériaux dits matériaux à changement de phase (MCP). Les MCP stockent de la chaleur lorsqu’ils subissent un changement de phase, liquide à solide, liquide à gaz ou solide à solide (passage d’une forme cristalline à une autre). Cette chaleur est restituée lors de la transformation inverse. Ce procédé permet de stocker 5 à 10 fois plus d’énergie thermique que dans le cas précédent. L’eau est un MCP. Mais la littérature cite abondamment les composés minéraux comme les sels hydratés, les composés organiques comme les paraffines ou les composés dits eutectiques qui sont un mélange de sels permettant d’obtenir des températures de changement de phase constantes. Les MCP s’utilisent dans les chauffe-eaux solaires pour en améliorer les performances thermiques, dans les bâtiments pour la climatisation passive, dans le textile pour la régulation thermique corporelle.

Sous forme d’énergie mécanique, on a recours aux principes de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique.

Dans le dernier cas, on utilise le volant d’inertie qui est un dispositif sous forme de roue tournant autour de son axe. Une machine électrique fournit au volant l’énergie à stocker. Le volant fonctionnant comme moteur acquiert ainsi de l’énergie cinétique qu’il pourra restituer à la demande en fonctionnant cette fois comme générateur. Les temps de stockage restent limités.

Pour des temps de stockage plus longs et des quantités d’énergie stockée plus élevées, les stations de transfert de l’énergie par pompages (STEP) sont les plus indiquées et aussi les plus utilisées. Le procédé utilise le surplus d’électricité disponible sur les réseaux pour alimenter une pompe permettant de transférer de l’eau d’un bassin inférieur vers un bassin supérieur, la dotant ainsi, par gravité, de l’énergie potentielle pouvant être restituée ultérieurement aux heures, jours, semaines, voire aux mois les plus appropriés. Le schéma ci-dessous[7] donne une première idée du fonctionnement des STEP

Le stockage à air comprimé est l’autre procédé de stockage de l’énergie potentielle. En cas de surplus de production d’électricité dans un réseau, ce surplus est utilisé pour comprimer de l’air dans d’anciennes mines de sels en utilisant un ensemble moteur-générateur-turbine. Aux heures de pointe, quand la demande l’exige, la détente de l’air comprimé à travers cet ensemble permet de récupérer une partie de l’énergie stockée. Des projets pilotes pour stocker de l’électricité solaire et éolienne sous forme d’air comprimé se développent ici et là dans le monde, selon le magazine Connaissances des Énergies[8].

Le stockage d’énergie sous forme d’énergie électrochimique, est la technique de stockage de l’électricité la plus répandue avec les batteries de toutes les tailles qui alimentent tous nos équipements électroniques portables ainsi que les véhicules électriques en plein développement. Les systèmes de stockage électrochimique stationnaires se développent à toute allure aussi, notamment pour les grands réseaux électriques. C’est à coup de centaines de MW qu’ils s’installent aujourd’hui. C’est grâce aux réactions chimiques provoquées par l’électricité que cette dernière est stockée, les réactions inverses permettant de la restituer dans un cycle de charges et décharges.

L’énergie peut être aussi stockée directement sous forme électrique, notamment dans des supercondensateurs, deux armatures métalliques stockant des charges électriques opposées, ou dans les matériaux supraconducteurs. Dans le premier cas, les quantités stockées restent limitées, comme les usages du dispositif. Dans le second cas mettant à contribution des matériaux supraconducteurs, les quantités d’électricité stockée peuvent être importantes, mais les coûts du procédé encore en développement restent élevés.

Le schéma ci-dessous propose, en guise de synthèse, les caractéristiques temps de décharge et puissances des différentes technologies de stockage et leurs applications.

Les développements en cours dans le secteur électrique[9]

Comme technologie habilitante permettant de faciliter l’intégration réussie de parts toujours croissantes de production variable d’électricité renouvelable dans les mix énergétiques, le stockage connaît aujourd’hui un important développement. REN21 estime à 191,1 GW la capacité mondiale de stockage opérationnelle en 2020. Pour comprendre l’importance de ce chiffre, il faut le comparer aux puissances totales installées de quelques pays[10].

Pays

Puissances totales installées (GW)

Pays

Puissances totales installées (GW)

Brésil

France

Afrique du Sud

Algérie

Maroc

187,6

138,4

61,1

21,7

14,0

Nigéria

Kenya

Côte d’Ivoire

Togo

15 pays de la CEDEAO

11,7

3,3

2,2

0,2

24,6*

*Ainsi la capacité mondiale de stockage est près de 8 fois supérieure à la somme des puissances de tous les moyens de production d’électricité installés dans 15 pays membres de la CEDEAO.

18,6% de cette capacité se trouve en Chine, 12,1% aux USA et près de 3% en Europe où elle connaît une croissance rapide.

L’essentiel de cette capacité, soit 90,3% en 2020, provient des stations de transfert de l’énergie par pompages (STEP). La croissance est soutenue pour cette technologie de stockage. Elle serait de l’ordre de 5% en Chine pour une capacité totale de près de 32 GW en 2020.

Les batteries, qui occupent la seconde place continuent de monter en puissance pour une capacité totale installée de 14,2 GW en 2020 (6,9% du total). La Chine est en tête avec un total de plus de 3 GW, suivie des USA avec 1,76 GW. Selon REN21, la majeure partie de cette capacité, soit 92 %, était constituée de batteries lithium-ion, le reste étant principalement des batteries sodium-soufre (NAS) (3,6 %) et plomb-acide (3,4 %).

Deux principaux types d’installations se déploient en ce moment dans le monde :

Les batteries stationnaires de grande puissance directement connectées aux réseaux. La Chine et surtout les États-Unis s’équipent rapidement avec de telles installations. REN21 signale le projet Huanghe de 200MW/200MWH dans la province de Qinghai en Chine. La Californie, aux États-Unis, bat des records avec sa Vistra Moss Landing (300MW/1 200MWh) qui passe pour la plus grosse station de stockage par batteries de l’heure, selon REN21. Neuf autres États, dont principalement le Massachusetts et le Texas, seraient en train de déployer des méga-batteries sur leur territoire.
Les batteries résidentielles dont le nombre va se multipliant avec l’intérêt croissant des particuliers pour des systèmes solaires domestiques. Leur croissance serait forte aux États-Unis où REN21 signale le déploiement d’une capacité de 90,1 MW au cours du seul 4^e trimestre de 2020. En Allemagne le nombre de telles unités serait passé de 185 000 en 2019 à 285 000en 2020.

La baisse continue des prix des batteries et la croissance soutenue de la production solaire et éolienne renforcent l’intérêt de centrales électriques hybrides du type Renouvelables – Batteries stationnaires. C’est aujourd’hui l’un des principaux moteurs de la croissance du stockage par batteries. Le nombre de telles centrales auraient doublé aux États-Unis entre 2016 et 2020, notamment avec le modèle Solaire PV – Batteries. La chine a annoncé en 2020 plus de 1 GW de puissance installée pour ce type de centrales dont beaucoup avec des éoliennes et les autres avec du solaire PV ou Thermique. Le Japon aurait mis en service fin 2020 une installation hybride PV Solaire – Batteries de 6 MW (REN21,2020).

Le stockage thermique représente 1,5% de la capacité mondiale opérationnelle de stockage de l’énergie avec environ 2,9 GW de capacité. C’est principalement sous forme de sels fondus qu’il s’opère, notamment dans les centrales solaires thermiques à concentration (CSP). Cinq pays, l’Espagne, les États-Unis, l’Afrique du Sud, la Chine et le Maroc se démarquent pour la capacité installée de stockage sous cette forme (REN21, 2020).

Le stockage thermique s’opère aussi dans des réservoirs (chauffe-eaux, grandes fosses ou forages souterrains) sous forme d’eau et dans les matériaux à changement de phase. La plus grande application de ce type de stockage de l’énergie est le chauffage et le refroidissement urbains. Les possibilités de découplage entre la demande et la fourniture de service dans ce domaine permettent le stockage saisonnier des ERV. Des pays comme le Danemark, la France, l’Allemagne et la Suède y recourent. Ils représenteraient 60% de la capacité totale de stockage pour le chauffage urbain.

La production d’hydrogène renouvelable par l’électrolyse de l’eau à partir de l’électricité issue des ERV est un moyen de stockage de ces énergies qui gagne en importance grâce à la baisse soutenue des coûts des ERV et des électrolyseurs. Le fait que plusieurs pays se soient dotés de stratégies et de plans hydrogène, notamment en Europe, renforce cette tendance.

La capacité totale opérationnelle des électrolyseurs à l’échelle mondiale était de 82 MW fin 2020. C’est au Québec que se situe le site de production d’hydrogène le plus important début 2021. Avec ses 20 MW d’hydrogène produit à partir de l’hydroélectricité, ce site bat de 2 fois le record mondial détenu par le Japon l’année d’avant.

Si la capacité totale opérationnelle des électrolyseurs reste comparativement modeste aujourd’hui (0,05% de la capacité mondiale de stockage opérationnel), les projets annoncés, planifiés ou en cours de construction à la fin de 2020 cumulent à 130 GW (REN21, 2021). L’Europe et l’Australie sont en pointe. Un consortium de 30 compagnies européennes annonce l’installation, d’ici 2030, d’une capacité d’électrolyseurs de 67 GW alimentés par des installations solaires de 95 GW. L’Australie prévoit l’installation d’une capacité de 14 GW alimentée par du solaire (16GW) et de l’éolien (10GW).

Les Pays-Bas, l’Allemagne, la Chine, l’Arabie Saoudite, le Danemark ou le Portugal ont dans leurs portefeuilles des projets pour des capacités d’électrolyseurs allant de 1 à 10 GW, utilisant comme source d’ERV le solaire ou l’éolien. L’appel d’offres lancé en Californie pour la fourniture de capacités de stockage d’énergie de longue durée (plus de 8 heures) est symptomatique de l’importance que ce marché commence à prendre.

L’industrie du stockage

Selon REN21, l’Industrie du stockage de l’énergie est en plein développement, enregistrant i) des baisses de coûts et des innovations dans les technologies de batteries, et ii) un nombre important de collaborations impliquant les acteurs clés du secteur de l’énergie.

Les innovations sur les batteries lithium-ion utilisées dans les appareils électroniques et l’automobile ont permis des baisses substantielles de coûts qu’illustre un prix de kWh tombé en dessous de 100 USD en 2020. Les innovations touchent aussi l’extraction du lithium, l’objectif étant de trouver une alternative pour juguler les impacts socio-environnementaux négatifs du mode actuel d’extraction. Le recours aux eaux géothermales est testé. Un champ de recherche dit au-delà du lithium-ion reçoit beaucoup d’attention et de financement visant la mise au point de batteries i) utilisant des matériaux moins rares, ii) d’une plus longue durée de stockage et de vie ou iii) d’une plus grande capacité…

Au niveau de l’hydrogène renouvelable on assiste à la multiplication du nombre de collaborations impliquant les plus grandes compagnies d’énergie comme Enel (Italie), ENGIE (France), Equinor (Norvège), Ørsted (Danemark), Shell (Pays-Bas), BP (Royaume-Uni) et Siemens (Allemagne), dans une perspective visant l’augmentation des quantité produites. L’Initiative Green Hydrogen Catapult des Nations Unies qui regroupe entre autres, l’IPP ACWA Power (Arabie saoudite), le fabricant de turbines éoliennes OEM Envision (Chine), le développeur d’éoliennes offshore Ørsted (Danemark) et la société de réseau de gaz Snam (Italie), s’inscrit dans la même perspective. Les accords entre pays pour la production d’hydrogène et son transport se multiplient. L’entente entre l’Allemagne et le Niger pour l’exploration de l’hydrogène en Afrique de l’Ouest participe de ces accords.

Conclusion

Le dynamisme du marché et de l’industrie du stockage de l’énergie est à l’image des mutations profondes que connaît actuellement le secteur de l’énergie. Il traduit surtout la volonté des acteurs de ce secteur de jouer pleinement leur rôle dans une transition devenue incontournable.

Ce numéro du bulletin a donné un bref aperçu des techniques en jeu et des principales tendances en ce qui concerne leur déploiement. Ces techniques sont extrêmement prometteuses et porteuses de changements qui s’annoncent radicaux dans la façon dont vont se développer et s’exploiter les systèmes énergétiques qui résulteront de différentes évolutions.

ANNEXES

petraeus_calls_for_energy_informed_decisions. ‘operational energy’ is the lifeblood of our warfighting capabilities,”

[2] International Energy Agency, World Energy Outlook 2022, https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022

[3] REN21, Renewables 2021, Global Status Report, 2021, https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf

[4] Connaissances des Énergie, Stockage de l’énergie, https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/stockage-de-lenergie#notes. L’essentiel de l’information donnée ci-après est tiré de cet article

[5] Yasser Diab, Utilisation de stockage d’énergie pour améliorer les performances des énergies renouvelables, 2010, https://www.researchgate.net/figure/Vue-de-lensemble-des-moyens-de-stockage-denergie-8_fig3_262270925

[6] Commission de Régulation de l’Énergie (CRE), Les différentes technologies de de stockage de l’électricité, 2022, https://www.smartgrids-cre.fr/encyclopedie/le-stockage-delectricite/les-differentes-technologies-stationnaires-de-stockage-de-lelectricite

[7] Sophie Juvenon, Tout ce que vous devez savoir sur l’énergie Hydraulique, 2019, https://www.quiestvert.fr/contenus/electricite-verte/tout-ce-que-vous-devez-savoir-sur-lenergie-hydraulique/

[8] Connaissances des Énergie, Stockage de l’énergie, https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/stockage-de-lenergie#notes

[9] REN21, Renewables 2021, Global Status Report, 2021, https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf L’essentiel de l’information utilisée ci-après est tiré du chapitre 6 de ce rapport

[10] The Global Economy, Electricity production Capacity – Country ranking, 2019, https://www.theglobaleconomy.com/rankings/electricity_production_capacity/