La problématique du stockage de l’énergie est souvent associée à celle du déploiement des énergies renouvelables variables que sont le solaire et l’éolien. Mais elle est bien plus complexe que cela. © malp, Adobe Stock
Planète

Le stockage de l’énergie pour une société plus efficiente ?

ActualitéClassé sous :énergie renouvelable , batterie , transport

[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Bertrand Piccard  Pour les 20 ans de Futura, et en cette journée mondiale de l’énergie, Bertrand Piccard – ambassadeur des Nations unies pour l’Environnement, conseiller spécial auprès de la Commission européenne et président de la fondation Solar Impulse – endosse le rôle de rédacteur en chef pour faire un point sur les énergies renouvelables ! 

À l'occasion des 20 ans de Futura, Bertrand Piccard, l'explorateur et environnementaliste suisse, s'associe à la rédaction pour vous proposer, tout au long de cette journée spéciale, des sujets qui interrogent. Parmi eux, celui du stockage, en lien direct avec une notion complexe : l'efficience. Daniel Averbuch, responsable du programme stockage d'énergie à IFP Énergies nouvelles (Ifpen), Philippe Azaïs, responsable de programme au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) et les experts de Réseau de transport d'électricité (RTE) ont accepté de partager avec nous leur réflexion à ce sujet.

Découvrez sur notre page anniversaire tout le programme, nos invités, des contenus originaux...

« Dans le contexte actuel de développement des énergies renouvelables, le stockage de l'énergie améliore l'efficacité énergétique. » C'est ce que l'on peut lire que le site de l'Agence de la transition écologique (Ademe). Pourquoi ? Comment ? C'est ce que nous allons essayer de mieux comprendre aujourd'hui avec l'aide de plusieurs spécialistes de la question.

D'abord, intéressons-nous à la sémantique. L'Ademe évoque « l'efficacité énergétique ». Et il est bon de rappeler que par « efficacité », on entend stricto sensus la capacité à atteindre avec succès un objectif fixé. Ainsi, un radiateur qui parvient à faire monter la température d'une pièce à 19 °C peut être considéré comme efficace. Mais si l'on s'intéresse à son efficience, il faudra en plus, juger du rapport entre le résultat obtenu et les ressources mises en jeu. Notre radiateur peut ainsi tout à fait être efficace, sans pour autant être efficient. C'est d'ailleurs bien le niveau d'efficience - et non le niveau d'efficacité - de nos appareils qui est traduit sur les fameuses étiquettes énergie.

Ceci étant posé, entrons maintenant dans le vif du sujet et examinons le lien entre stockage et efficience. « En terme d'efficience, le stockage a ceci d'intéressant qu'il permet de ne pas perdre une énergie disponible », nous explique Daniel Averbuch, responsable du programme stockage d'énergie à IFP Énergies nouvelles (Ifpen) en préambule. En effet, lorsque le soleil brille, les panneaux solaires photovoltaïques produisent de l'électricité. Or celle-ci risque d'être perdue si elle n'est pas immédiatement consommée. Ajouter des moyens de stockage permet de la mettre de côté pour l'utiliser plus tard. « Il y a un vrai gain parce que le coût marginal de production à partir des énergies renouvelables (EnR) que sont notamment l'éolien et le solaire est quasi nul », poursuit notre expert. Comprenez que comme le vent et le soleil sont disponibles gratuitement, il ne coûte pas très cher de faire fonctionner les capacités éoliennes ou solaires, une fois que celles-ci sont installées.

L’hydroélectricité est un moyen de production renouvelable qui présente le gros avantage d’être pilotable. Avec 120 GW de puissance installée dans le monde – l’équivalent du parc électrique français - c’est, actuellement, le moyen de stockage de l’électricité le plus employé dans le monde. © evgenii_v, Adobe Stock

Le stockage, une nécessité pour le réseau électrique

Toutefois, pour être réellement efficient en matière de stockage, il faut savoir peser les coûts énergétiques et les coûts environnementaux. « Chaque solution doit être utilisée à bon escient », martèle Philippe Azaïs. Le responsable de programme au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) donne l'exemple de la célèbre batterie lithium-ion (Li-ion) que nous avons tous dans nos smartphones et qui équipe les véhicules électriques (VE).

« Le stockage électrochimique est intéressant. Mais, comme les autres moyens, il a ses limites. » Ses rendements sont élevés. De l'ordre de 80 % au moins. Mais il est gourmand en matériaux et stocke relativement peu d'énergie. Il est question de 10 kilowatts heure (kWh) stockées dans 1 kilogramme (kg) d'essence alors que la batterie d'un VE stocke aujourd'hui moins de 200 Wh/kg. « Il y a un facteur 50 ! » Pour un usage sur des temps relativement courts, « compris entre quelques minutes et deux jours au maximum », le stockage électrochimique reste tout de même intéressant.

Ce type de stockage est d'ailleurs déjà déployé sur notre territoire. « Pour les dix années à venir, la principale valeur des batteries continuera de résider dans les services qu'elles rendent lorsqu'il s'agit de réguler les déséquilibres entre la production et la consommation sur des échéances très courtes, de l'ordre de la seconde à quelques minutes », nous précisent les experts de Réseau de transport d'électricité (RTE). Car l'intérêt des ingénieurs pour le stockage de l'énergie n'est pas apparu avec la nécessité de gagner en efficience. Il a d'abord été stimulé par de réels besoins au niveau du réseau électrique. Le besoin de maintenir une fréquence constante à 50 Hertz, par exemple, en répondant à des variations entre la production et la consommation. Des situations de courts déséquilibres.

« Aujourd'hui, les besoins sont limités à quelques centaines de MW », note RTE. Car la souplesse des centrales nucléaires et des barrages ainsi que les possibilités d'effacement et le système heures pleines/heures creuses apportent de la flexibilité. « Et avant 2035, il n'y aura pas de besoins massifs en capacités de stockage », poursuivent les experts du réseau. « Mais au-delà, la donne pourrait changer si l'on maintient le cap d'une intégration massive dans notre mix électrique d'EnR par définition variables et non pilotables que sont le solaire et l'éolien. » La courbe de charge de celle que les experts appellent la consommation résiduelle - définit comme la différence entre la production EnR et la consommation - apparait en effet quelque peu « chahutée ».

Au-delà de 20 à 30 % d'EnR variables comme l'éolien et le solaire dans notre mix électrique, l'équilibrage du réseau se complique. Entre les moments sans soleil et sans vent et où les consommations restent importantes. Ou à l'inverse les moments de forte production et de faible consommation. RTE travaille ainsi actuellement à quantifier précisément nos besoins futurs en stockage. Ils devraient être énormes. De l'ordre de dizaines de GW. Les batteries ne suffiront plus.

Le stockage gravitaire à partir de blocs de béton que l’on monte à l’aide de systèmes de grues automatisées puis que l’on laisse retomber pour récupérer l’énergie stockée pourrait fonctionner. D’autant qu’il est facilement réplicable sur l’ensemble du territoire. Des questions techniques restent toutefois en suspens. © maykal, Adobe Stock

Des solutions de stockage autres que les batteries

La technologie pourrait même ne pas être adaptée à ces nouveaux besoins en stockage stationnaire. « Au-delà du fait que les batteries Li-ion ont un impact sur l'environnement et font appel à des métaux critiques, les contraintes sur le stockage stationnaire sont différentes », souligne Daniel Averbuch. Les batteries embarquées à bord d'un véhicule électrique doivent notamment être denses et compactes. Ne pas peser trop lourd. Les solutions stationnaires, elles, sont destinée à un stockage à plus longue échéance. « Cela laisse de la place pour d'autres technologies. Comme les batteries à flux et leurs électrolytes organiques plus respectueux de l'environnement. Ou encore le stockage par air comprimé », nous détaille l'expert de l'Ifpen.

L'Allemagne et les États-Unis testent actuellement la méthode pour une capacité attendue de plusieurs centaines de MW. L'air comprimé avec un surplus d'électricité est stocké dans des cavités salines. Celles qui sont déjà utilisées pour le stockage saisonnier du gaz naturel. Il est question ici de centaines de milliers de mètres cube en souterrain. Lorsque l'air est détendu, il active une turbine et produit ainsi de l'électricité. « Pour que les rendements soient bons, de l'ordre de 70 %, il faut aussi récupérer la chaleur générée dans l'opération. Le bilan écologique est très bon. Une analyse de cycle de vie (ACV) confirme même le très faible niveau de production d'énergie grise- comprenez l'énergie dépensée pour créer un produit, le transporter, le stocker, le distribuer, etc. », souligne Daniel Averbuch. « Alors que la problématique de l'énergie grise se pose lorsqu'il est question de batteries. Elles sont généralement fabriquées - tant que les gigafactories annoncées en Europe ne fonctionnent pas encore - en Asie, à partir d'une électricité très carbonée. »

Une voiture électrique (VE), c’est un système de stockage de l’électricité qui ne demande qu’à être exploité à la hauteur de son potentiel. © JeanLuc, Adobe Stock

Le Vehicle to Grid pour doper l’efficience

Ainsi, si le stockage n'a pas initialement été pensé dans un souci d'efficience, la question apparait au cœur des préoccupations. Les ingénieurs envisagent aujourd'hui de l'organiser de manière à participer à l'efficience global de notre système énergétique. Une première façon d'y arriver consiste à exploiter au maximum les capacités existantes. C'est l'idée du Vehicle to Grid« Stocker de l'électricité coûte cher. Mais si on peut se servir de la batterie d'une voiture électrique comme solution de stockage pour des applications stationnaires, cela peut devenir très intéressant », nous explique Daniel Averbuch. Car rappelons que nos voitures restent à l'arrêt pendant 90 % du temps. Et qu'au quotidien, un conducteur de VE ne consomme pas plus de 20 % de la capacité de sa batterie. « Bien sûr aujourd'hui, il y a trop peu de VE en circulation pour cela. Mais, avec le déploiement annoncé de ce type de mobilité, les capacités de stockage pourraient exploser. Je crois beaucoup à cette solution. »

Les batteries des futurs véhicules électriques pourraient avoir un rôle à jouer

« Les batteries des futurs VE pourront avoir un rôle à jouer. Elles pourraient, d'une part, stocker de l'électricité photovoltaïque dans l'après-midi, par exemple. Et d'autre part, la restituer le soir, lorsque les besoins augmentent. Mais pour cela, il faudra que tout le monde coopère. Que les batteries soient vides au bon moment pour qu'elles puissent accepter de la charge et qu'elles soient reliées au réseau au bon moment aussi pour qu'elles puissent rendre service. Que nous soyons capables de mettre en face, une rétribution à la mesure. Cela pose des questions sociétales. Mais il existe des solutions et nous devons commencer dès maintenant à les étudier de manière approfondie », complète pour nous Philippe Azaïs.

Même si des questions réglementaires se posent encore aujourd'hui, « le Vehicle to Grid, c'est techniquement possible », confirme RTE. « Sur le long terme, c'est une option à étudier. Mais il sera sans doute plus important encore de réussir à gérer correctement les périodes de charge, à la fois d'un point de vue équilibre du réseau et enjeux économiques. »

Autre piste : donner une seconde vie aux batteries de nos voitures électriques. « Lorsque celles-ci ne répondent plus aux spécifications du secteur de l'automobile, qu'elles ne sont plus qu'à 80 % de leur capacité, elles peuvent encore avantageusement servir par ailleurs », assure l'expert de l'Ipfen. Depuis quelques années maintenant, des dizaines de batteries « en fin de vie » de Nissan Leaf aident ainsi à éclairer le stade de foot d’Amsterdam (Pays-Bas).

L’efficience des batteries pourrait être améliorée par un diagnostic plus pointu. Une batterie, en effet, c’est un assemblage de modules et de cellules. Il suffit que quelques cellules dysfonctionnent pour que la batterie perde beaucoup en performances. Identifier ces cellules et les remplacer pourrait permettre de prolonger la durée de vie de la batterie. © Nischaporn, Adobe Stock

Au-delà de l’efficience, le stockage pour décarboner

Stocker l'énergie peut donc aider à améliorer l'efficience de notre société. À condition de le faire de manière réfléchie. Mais stocker l'énergie devrait surtout permettre de nous aider à décarboner. Notre quotidien tout comme notre économie. « Le sujet n'est pas de décarboner l'énergie, mais plus largement, de décarboner l'économie », confirment les experts de RTE. Car aujourd'hui encore, près des trois quarts de l'énergie finale que nous consommons reste fossile« L'un des gros consommateurs d'énergie fossile, c'est le secteur des transports », souligne Philippe Azaïs. « Pour le décarboner, on peut électrifier. Mais il faudra être capable de gérer cette nouvelle charge pour le réseau. Nous l'avons déjà évoqué. »

Il faudra aussi être capable de produire plus d'électricité verte. Grâce au solaire photovoltaïque et à l'éolien, notamment. Des sources renouvelables, mais variables. Dont les pics de production ne correspondent pas nécessairement avec les besoins en consommation. D'où l'utilité de mettre en œuvre des solutions de stockage.

Le résidentiel est un autre secteur encore fort consommateur d'énergie fossile en France. Dans sa production de chaleur - et de plus en plus, de froid -, essentiellement. « En la matière et dans le contexte de changement climatique qui va voir se creuser les amplitudes thermiques - comprenez qu'il va faire bien plus chaud d'une part, mais que nous connaîtrons aussi des périodes de grand froid -, la pompe à chaleur bidirectionnelle apparaît comme une solution efficiente, puisque c'est le sujet. Pour 1 kWh électrique, elle est capable de fournir 3 kWh thermiques », nous rappelle l'expert du CEA.

Dans le résidentiel, on peut aussi envisager de traiter la question de l’efficience énergétique à la base, en renforçant les isolations. « Mais on parle là de temps long et de coûts énormes », nous prévient Philippe Azais. « Sans parler des disponibilités de compétences. Il faudrait embaucher beaucoup de monde. Tout ça ne peut pas se faire dans le temps électoral. Il faut se positionner sur une échelle de 20 ou 30 ans. C’est compliqué. » © guy, Adobe Stock

Mais l'autre idée, c'est de connecter un maximum de logements à un réseau de chaleur« En France, nous sommes nombreux à habiter dans des zones plutôt urbaines. C'est donc possible. Le seul inconvénient, c'est qu'il faudra amortir le coût de l'investissement. Probablement sur 30 à 50 ans », explique Philippe Azaïs. Et pour être le plus efficient possible, il faudra, là aussi, s'appuyer sur un système de stockage. Mais pourquoi pas, de stockage de la chaleur ? Car oui, la problématique du stockage de l'énergie ne se limite pas à la question du stockage de l'électricité. Ici, il est question de mobiliser un stockage sur des échelles de temps un peu plus longues que celles évoquées pour les batteries. De l'ordre d'une semaine ou deux. Voire d'une saison à l'autre.

Stocker la chaleur

« La chaleur aussi, au-delà de vouloir la stocker, on peut déjà essayer de ne pas trop la perdre », remarque Daniel Averbuch. Il existe ainsi quelques applications dans lesquelles les industriels récupèrent de la chaleur pour l'utiliser ensuite dans leurs procédés notamment. « Ce n'est pas très rentable. Aujourd'hui, produire de la chaleur nouvelle coûte toujours moins cher que de la récupérer. En revanche, des applications à base de solaire thermique pourraient devenir intéressantes. »

Philippe Azaïs est du même avis. « Ce qu'il y a d'intéressant avec la chaleur, c'est son inertie. Elle peut tout simplement être stockée avec de l'eau comme c'est le cas de cette expérimentation au Danemark. » Le pays, pourtant, n'est pas réputé pour son ensoleillement. L'été, le soleil parvient tout de même à chauffer, un parc de capteurs solaires thermiques et cette eau est stockée dans un bassin de 200.000 mètres cubes d'eau jusqu'à 80 °C. Une eau chaude destinée à être restituée vers le réseau de chaleur de la ville de Voiens pendant l'hiver« C'est un bel exemple de stockage saisonnier à un coût acceptable », note l'expert du CEA.

La solution proposée par la société Eco-Tech Ceram (Pyrénées-Orientales), et labellisée par la Fondation Solar Impulse, quant à elle, semble tout de même en mesure d'offrir une piste de solution rentable à la récupération de chaleur dans les usines. Elle se résume en un accumulateur de chaleur conçu à partir de céramiques réfractaires issues de l'économie circulaire. Il permet de stocker 2 MWh à 600 °C. Il se charge simplement à partir de l'air chaud aspiré des cheminées des usines. Un système Plug and Play permet ensuite de valoriser cette chaleur sur place ou de la transporter vers un autre site.

Pour revenir à la question de la décarbonation, reste bien sûr la problématique de l'industrie. « Jusqu'à présent, l'industrie comptait beaucoup sur le gaz pour produire la chaleur nécessaire à ses procédés. Mais, avec l'augmentation des prix, la question de la décarbonation va se poser différemment », nous assure Philippe Azaïs. Mais, là encore, les choses ne sont pas aussi simples qu'elles pourraient y paraître. « Même si elles arrivaient à récupérer la chaleur - une chaleur qu'elles produisent notamment en brûlant des déchets dont personne d'autre ne veut entendre parler - dont elles ont besoin pour fonctionner, les cimenteries, par exemple, continueraient d'émettre du CO2. Il faudrait trouver une solution pour le récupérer et pourquoi pas, le transformer en un produit utile comme le méthanol. »

Doit-on voir en l’hydrogène la solution miracle que certains présentent ? © Mediaparts, Adobe Stock

L’hydrogène, une autre solution de stockage ?

Décarboner l'industrie, « cela pourrait aussi se faire grâce la production d'hydrogène (H2) par électrolyse. Car l'hydrogène est stockable », avancent les experts de RTE. « Ce n'est pas si simple, modère Philippe Azaïs. D'un point de vue énergétique, le H2, c'est le top. Mais dans la pratique, il n'est pas facile à stocker. La molécule est petite. Elle passe partout. »

Ainsi, selon lui, il faut oublier l'idée d'un stockage sous forme liquide qui coûterait trop cher. « Il faudrait stocker l'hydrogène à -253 °C ! Vous imaginez les contraintes ? » Autre possibilité : le stockage dans des bonbonnes étanches faites de composites à base de fibres de carbone haute performance. « Le bilan carbone serait trop mauvais. », regrette l'expert du CEA. La seule solution semble donc être un stockage en cavité saline - comme évoqué plus haut déjà. « Mais ces cavités sont inégalement réparties sur le territoire. D'autres, comme l'Allemagne sont plus gâtés que nous de ce point de vue. »

La piste de l’hydrogène est intéressante

« La piste de l'hydrogène est intéressante. Car on parle ici d'un stockage sur la durée », souligne Daniel Averbuch. « On ne fera tout de même pas d'intersaisonnalité avec le H2 », tempère à nouveau Philippe Azaïs. « Pour l'hydrogène, l'optimum se situe quelque part entre quelques jours et quelques semaines (typiquement, 3 semaines). C'est intéressant pour soutenir l'éolien, mais ça ne fonctionnera pas partout. »

« Les modèles économiques ne sont pas non plus encore tout à fait au point. Notamment parce que le rendement de la chaîne de conversion n'est pas bon », reprend Daniel Averbuch. Le rendement du cycle de production de l'hydrogène par électrolyse à partir d'une électricité renouvelable avant de la stocker puis de produire à nouveau de l'électricité dans une pile à combustible ne dépasse en effet pas les 30 % ! « Nous pouvons espérer monter à 35 % sur l'ensemble de la chaine "power-to-gas-to-power" grâce à l'électrolyse à haute température. Son rendement de conversion électrique vers hydrogène est très élevé et peut profiter de procédés générateurs de chaleur pour vaporiser l'eau. Mais cela reste faible », ajoute Philippe Azaïs.

L'hydrogène, en revanche, pourrait bien participer à la décarbonation de l'industrie. « C'est certainement là l'usage premier qu'il faut imaginer à court terme », confirme Daniel Averbuch. Aux Pays-Bas, le projet CrossWind l'envisage déjà. Porté par un consortium Shell-Eneco, il repose sur plus de 750 MW d'éolien offshore et quelque 200 MW d'électrolyseurs. De quoi assurer - compte tenu du fait que l'éolien ne produit pas plus de la moitié de sa puissance nominale - une production d'hydrogène presque en continu et ainsi, un hydrogène qui ne coûtera pas trop cher pour intéresser l'industrie. Le reste du temps, les éoliennes offshore produiront simplement de l'électricité. De la cogénération 2.0, en quelque sorte.

Une solution à généraliser ?

« C'est peut-être difficile à accepter, mais il faut garder en tête qu'une solution peut avoir de l'intérêt pour les uns et pas pour les autres », nous confie Philippe Azaïs. « Installer de l'éolien du côté de Nice, cela n'aurait aucun sens. Alors que cela peut être très intéressant en mer du Nord. »

« En Allemagne, où l'électricité coûte extrêmement cher, il est déjà à peu près rentable pour les particuliers qui ont installé des panneaux solaires photovoltaïques, d'y adjoindre une batterie. Ce n'est pas le cas en France », approuve Daniel Averbuch. « Nous allons devoir envisager les situations au cas par cas. Si l'électricité devient gratuite - avec une production solaire largement excédentaire comme elle pourrait l'être en Australie ou au Moyen-Orient par exemple -, même si les rendements ne sont pas bons, il devient possible de produire un hydrogène bon marché. En France, les moteurs à hydrogène pourraient aussi devenir une alternative à la pile à combustible. Les turbines qui produisent aujourd'hui à partir de gaz fossile pourraient, demain, compter sur une part de H2 vert sans qu'il n'y ait nécessité d'invertir. » Quoi qu'il en soit, « il n'y aura pas de miracle », conclut Philippe Azaïs. Pour construire une société plus efficiente, « nous devrons faire cohabiter plusieurs solutions ».


Cette année, Futura célèbre ses 20 ans d'existence. 20 ans de découvertes, d'explorations et de vulgarisation scientifique.

Afin de vivre pleinement cette aventure avec nous, n'hésitez pas à :

  • Nous envoyer vos messages d'anniversaire et de souhaits pour un Livre d'Or spécial 20 ans sur cette page.
  • Retrouver tous les contenus spéciaux pour le 20e anniversaire de Futura sur notre page dédiée.
  • Suivre l'anniversaire sur nos réseaux sociaux avec le #Futura20ans.

Restez connectés pour fêter ces deux décennies de succès, nous vous réservons de nombreuses surprises jusqu'à fin 2021 ! 


 
En 2021, Futura fête ses 20 ans !
Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour. Toutes nos lettres d’information

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !