Enjeux
La demande d’énergie en France, en particulier l’électricité, est variable au cours de l’année mais aussi de la journée. Les périodes de forte consommation, par exemple autour de 19h30, sont actuellement « amorties » par la mise en route de centrales thermiques (gaz ou fioul), par l’utilisation de systèmes de stockage hydraulique (STEP – Système de Transfert d’Energie par Pompage) et par l’importation d’électricité.
Le développement des technologies de stockage a pour but :
- dans un premier temps de diminuer la production de CO2 par les centrales thermiques
- et, dans un deuxième temps, de limiter les importations d’électricité et de sources fossiles, ce qui est donc utile pour notre balance commerciale.
Batteries stationnaires Redox à l'Institut national de l'énergie solaire. © P.Avavian/CEA
Le stockage d’énergie est essentiel au développement des énergies renouvelables intermittentes, telles que le
solaire ou l’éolien, qui dépendent des conditions météorologiques et du cycle jour/nuit pour le solaire. L’énergie ainsi stockée en journée peut être redistribuée en soirée sur les réseaux lorsque la demande est plus importante. Le stockage contribue également à garantir la qualité du réseau électrique en limitant les fluctuations engendrées par l’intermittence de production des ENR.
Enfin, le stockage stationnaire permet de répondre aux besoins des sites isolés difficilement alimentés par les réseaux de distribution.
Un panorama de technologies
Le stockage concerne aussi bien l’énergie électrique que l’énergie thermique
Dans les deux cas, plusieurs technologies sont envisageables dont la puissance, la capacité, la durée de vie, la durée de stockage… peuvent varier. La diversité des technologies envisagées permet de couvrir plus largement les besoins.
L’électricité doit être transformée au préalable en énergie « potentielle », pouvant être stockée, et ensuite retransformée en électricité.
Différentes technologies sont disponibles (comme les STEP, associées à certains barrages hydroélectriques) ou à l’étude :
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Système de Transfert d’Energie par Pompage – STEP : l’électricité sert à pomper de l’eau d’un bassin inférieur vers un bassin supérieur. L’électricité est stockée sous forme de retenue d’eau et reproduite au besoin en laissant l’eau redescendre par gravité du bassin supérieur au bassin inférieur en passant à travers une turbine.
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Stockage par air comprimé – CAES : l’électricité alimente un compresseur qui va comprimer de l’air ensuite stocké dans des cavernes souterraines. L’air circule ensuite des cavernes vers une turbine pour produire de nouveau de l’électricité.
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Vecteur hydrogène : L’électricité va permettre de produire, via un électrolyseur, de l’hydrogène. Le gaz est ensuite stocké soit sous forme liquide, solide ou gazeuse avant d’être consommé dans une pile à combustible. Recombiné à l’oxygène il va ainsi produire de l’eau et de l’électricité.
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Les volants d’inertie : L’électricité fait tourner à très grande vitesse une masse autour d’un axe cylindrique dans un caisson isolé. L’énergie cinétique entraînée par la rotation du cylindre peut ainsi être conservée. Cette énergie est ensuite récupérée sous forme d’électricité grâce à un alternateur (principe de la dynamo).
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Les batteries : Le stockage d’électricité s’effectue grâce à des réactions électrochimiques qui consistent à faire circuler des ions et des électrons entre deux électrodes.
Les composants chimiques peuvent être différents d’une technologie à une autre, créant ainsi une grande variété de batteries.
L’énergie peut également être stockée sous forme thermique
Trois solutions sont envisageables :
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Le stockage par chaleur sensible qui consiste à chauffer un fluide caloporteur ou un solide. La chaleur est ensuite récupérée en chauffant un autre fluide. C’est le principe du ballon d’eau chaude, couplé à un panneau solaire thermique. C’est aussi tout simplement le cas d’une pierre posée près d’une cheminée. Une fois qu’elle a emmagasiné la chaleur, elle peut être déplacée et céder sa chaleur.
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Le stockage de chaleur par changement de phase grâce à l’utilisation de matériaux dont la chaleur va entraîner le passage d’un état solide à un état liquide. C’est le cas, par exemple, de la paraffine dont la température de fusion est proche des 70°C. Elle restitue cette chaleur lorsqu’elle repasse à l’état solide.
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Le stockage de chaleur par réaction chimique qui consiste en l’utilisation d’une réaction chimique réversible qui a besoin d’un apport de chaleur dans un sens (endothermique) et dégage de la chaleur dans le sens opposé (exothermique). Parmi les réactifs envisagés, la chaux. La chaleur apportée permet de l’assécher (c’est-à-dire retirer l’eau du mélange). La chaux sèche est ensuite conservée à l’abri de l’humidité. Lorsqu’elle est ré-humidifiée, se produit alors un dégagement de chaleur qui peut être utilisé notamment dans l’habitat. La stabilité de ce système peut permettre un stockage saisonnier.
Le stockage électromagnétique
- Enfin, le
stockage électromagnétique (SMES) fait également partie des solutions envisagées qui consiste à créer, grâce à l’électricité, un champ magnétique dans une bobine. L’électricité peut ensuite être récupérée dans un laps de temps très court.
Une R&D essentielle pour apporter
les améliorations nécessaires
Si certaines technologies, comme les STEP, sont aujourd’hui matures, la plupart des technologies existantes nécessitent encore des améliorations afin de les rendre plus efficaces et compétitives. En effet, certains des besoins identifiés aujourd’hui, comme la couverture en électricité lors des périodes de pointe de consommation, sont principalement comblés par l’utilisation des énergies fossiles, émettrices de CO2, dont le prix les rend encore attractives.
Les recherches sont donc essentielles pour :
- Trouver et utiliser des matériaux moins coûteux ;
- Réduire la quantité de matériaux pour économiser les ressources naturelles ;
- Pour les batteries, trouver des couples chimiques qui offrent de meilleures performances ;
- Diminuer les pertes et donc augmenter le rendement ;
- Anticiper les coûts d’installation et de maintenance.
L’impact environnemental est également une problématique à prendre en compte dans le choix de matériaux, dans l’encombrement de la technologie ou le lieu d’installation.
Le développement de systèmes de gestion associés aux technologies de stockage est également déterminant. L’élaboration d’algorithmes permet notamment d’évaluer le système de stockage à associer à la production d’énergie et de simuler en temps réel le système combiné entre la production ENR et le système de stockage.
En combinant toutes les technologies de stockage de l’énergie envisagées ci-dessus il est possible, en théorie, de couvrir la majeure partie des besoins identifiés pour un mix énergétique intégrant une part importante d’énergies renouvelables. Mais la question du coût de construction de ces nouveaux équipements et de leur financement peut constituer un frein à leur développement.
La R&D doit donc viser également à rendre ces technologies polyvalentes. En effet, l’intérêt économique d’un système de stockage augmente si son utilisation répond à plusieurs besoins, par exemple l’intégration des ENR et le soutien à la qualité du réseau. Il s’agit alors de trouver le bon compromis entre plusieurs paramètres de choix : puissance, quantité d’énergie, rendement, coût d’investissement, réglementation, environnement…