Les technologies de stockage d’énergie renouvelable : Quelles solutions ?

mercredi 15 mai 2019
par  Cédric Chapuliot
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Le 8 février 2012, un pic de 102 GW de consommation atteint en France a porté ponctuellement à 2 000 € le prix du MWh sur les marchés. A l’inverse, des épisodes de prix négatifs à -500 €/MWh ont été observés en Allemagne en 2010, causés par des surplus de production éolienne. En France, une baisse de 1°C de la température en hiver entraîne une augmentation de la puissance appelée de 2,3 GW.

Ainsi, au delà même de la question des énergies renouvelables, l’équilibre offre / demande d’électricité, nécessaire au fonctionnement des réseaux électriques, devient une question centrale.

La France connaît là les effets de la diversification de son mix électrique, dus à la part croissante dans ses ressources d’électricité des « renouvelables », c’est-à-dire les éoliennes et les panneaux électro-voltaïques. Si ce changement était confirmé, nul doute qu’il s’agirait là d’un bouleversement considérable de la politique du tout nucléaire suivie jusque-là. Or, le remplacement de moyens de production nucléaires ou thermiques, dont le niveau peut être ajusté à la hausse comme à la baisse, par des moyens éoliens et solaires non « commandables » implique un accroissement des besoins de flexibilité du système électrique.
En effet, la puissance de l’électricité produite par le photovoltaïque dépend de l’intensité lumineuse du soleil pendant la journée. Celle produite par l’éolien, par la quantité de vent. Autrement dit, des producteurs d’électricité dont l’offre est caractérisée par des discontinuités importantes et souvent aléatoires. Or, il se trouve que, parallèlement, cette offre, au moins pour l’éolien, devient de plus en plus compétitive sur le plan des prix, rendant encore plus plausible, à moyen terme, la substitution d’au moins une partie du nucléaire par du renouvelable. D’où un redoublement des efforts de recherche visant à pallier les inconvénients évoqués ci-dessus des mêmes renouvelables, en donnant de la flexibilité à la nouvelle offre..

Selon les travaux de recherche réalisés à la demande des pouvoirs publics, le stockage serait un bon levier de la flexibilité recherchée, mais il en est d’autres encore à approfondir. Parmi eux :

  • Plus le nombre d’acteurs sur le réseau électrique est important, moins la variation aléatoire de consommation de chaque acteur a un impact important sur la puissance de production nécessaire. C’est le phénomène de foisonnement. Le réseau de transport et de distribution d’électricité français, interconnecté à l’échelle européenne, offre de vastes possibilités de foisonnement qui permettent déjà de réduire la demande résiduelle européenne de 75 GW. Pour la France seule, il réduit actuellement la production de pointe de 120 à 100 GW.
  • Le pilotage de la consommation par effacement des pointes permet également de réduire la puissance de production nécessaire. En synchronisant tous les consommateurs via des automates, il est possible de réduire les pics de consommation, de les effacer. La capacité actuelle d’effacement en France représente environ 2,5 GW. 11 millions de ballons d’eau chaude, d’une capacité de 9 GW au total, permettent de déplacer près de 20 GWh de consommation par jour vers les heures de faible consommation. Cet effacement est davantage possible en incitant l’ensemble des industriels et des citoyens à investir dans l’isolation par le biais de la rénovation des bâtiments. Des accumulateurs de chaleur existent également à l’échelle du particulier. Généralement composés d’un bloc important de matière à grande inertie thermique, ces appareils se rechargent aux heures creuses et délivrent leur chaleur accumulée aux moments des pics de consommation. En démocratisant ces technologies, via des politiques publiques, elles pourraient également contribuer au lissage de la puissance demandée.
  • Enfin, les énergies fossiles peuvent se déplacer de leur position actuelle vers un rôle d’accompagnement des énergies renouvelables pour pallier aux plus gros écarts entre consommation et production d’électricité.

Il n’en demeure pas moins que, sur l’année, les pics de consommations d’énergie surviennent généralement au cours des soirées d’hiver, moments où la production renouvelable est à un niveau faible. Il est clair que l’optimisation de ces possibilités ne suffira pas. Celle du stockage doit être explorée. Différents scénarios sont étudiés par l’ADEME pour couvrir les besoins de stockage d’électricité à l’horizon 2035, la part de production d’électricité par des énergies renouvelables variant de 40 à 100% :

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Mais comment assurer le stockage saisonnier et le stockage de court terme ?

Avant de répondre à cette question, une règle fondamentale de la physique est à rappeler : l’énergie est une mesure de la capacité d’un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement. C’est donc une notion abstraite. Elle ne se stocke pas car elle n’existe pas en elle-même. Parler de stockage d’énergie équivaudrait donc à parler de stockage de vitesse, de temps, de paroles ou d’idées. Il est cependant possible de mettre en place un système qui ait une grande capacité à modifier un état. Tel un château de cartes monté sur plusieurs étages, il est possible de trouver (les énergies fossiles) ou d’agencer (les énergies renouvelables) de la matière dans un état d’équilibre qu’il est possible d’infléchir à la vitesse souhaitée.

Cette notion « d’état d’équilibre » est générale. Elle regroupe les phénomènes mécaniques, électrostatiques et les réactions électrochimiques. Une technologie de stockage va alors exploiter un de ces éléments.

Pour comparer ces technologies de stockage et déterminer les plus pertinentes, plusieurs facteurs techniques centraux sont à retenir :

  1. La puissance, représentant le débit d’énergie, pouvant être mise en œuvre (en MW) et la capacité de stockage énergétique (en MWh). Un MWh représentant la quantité d’énergie mise en jeu par une puissance d’un MW pendant une heure
  2. Le temps de réaction, mesurant la réactivité du système à propos de sa capacité à passer en mode de charge ou de décharge. Les rendements énergétiques, définissant le rapport entre l’énergie envoyée dans le système et l’énergie stockée, puis entre l’énergie stockée et l’énergie restituée par le système.
  3. Enfin, la durée de vie qu’il est parfois préférable de définir en nombre de cycles de charge/décharge admissibles pour des technologies comme les batteries.

Il existe autant de moyens de stocker de l’énergie que de sites web sur internet. Il est évident que certains sont plus pertinents que d’autres. Les pouvoirs publics convergent actuellement vers trois grandes familles : les STEPs, les batteries et la production d’hydrogène :

1/ Les STEPs (stations de transfert d’énergie par pompage) sont des installations formées de deux bassins situés à des altitudes différentes, entre lesquels est placé un groupe hydroélectrique qui peut , selon les besoins, fonctionner comme un ensemble pompe-moteur ou turbine-alternateur. Le bassin supérieur est alimenté par pompage de l’eau du bassin inférieur quand le prix de l’électricité est bas. Lorsque la demande électrique et le prix de l’électricité augmentent, les STEPs injectent de l’électricité sur le réseau en turbinant l’eau du bassin supérieur. Technique maîtrisée et assez « low tech », qui permet un stockage massif d’énergie couplé à des puissances élevées, tout en offrant un bon rendement (entre 70 et 85%). Il y alors à peu de problèmes de fiabilité ou de pollution dus à la technologie utilisée, puisqu’il s’agit grossièrement de deux bassins et d’une pompe. Cette puissance présente également le grand avantage d’être mobilisable très rapidement.

En France, le développement des STEPs a démarré dans les années 80. Selon les statistiques de France Hydro, les 5 GW de STEP installés en France continentale fin 2017 représentent 18% de la puissance hydroélectrique installée qui s’élève à 25,5 GW. Dans une interview donnée à « Usine nouvelle » en Avril 2018, Alexandre Perra, alors responsable du plan stockage électrique d’EDF, annonçait une volonté d’EDF d’installer 2 GW de STEP, essentiellement en France. Entre 2014 et 2020 sont prévus, en Europe, environ 60 projets pour 27 GW, surtout en Espagne et dans les trois pays alpins qui prévoient d’ajouter 11 GW supplémentaires (4 en Allemagne, 3,5 en Autriche et 3,5 en Suisse). Dans le reste du monde, la Chine apparaît en 2017 comme le premier pays pour la puissance de ses STEPs avec 28,5 GW, soit 18,6 % du total mondial. Sur les 3,2 GW de centrales de pompage-turbinage mises en service dans le monde en 2017, 1,8 l’a été en Chine. En 2020, la centrale japonaise en construction de Kannagawa devrait prendre le 2ème rang mondial, avec 2,82 GW.

Cependant, la nécessité de trouver un site géographique adapté, réunissant deux bassins superposés, rend la construction de nouvelles STEPs de plus en plus difficile. Les meilleurs sites sont utilisés en premier, d’où une raréfaction des capacités disponibles et une augmentation des coûts de construction. A cela viennent s’ajouter les problématiques d’acceptation sociétale, inhérentes à toute nouvelle construction ayant un impact important sur le paysage.

2/ Autre moyen de stockage en développement, les batteries. Elles produisent des composés chimiques à partir de l’énergie du courant électrique et réciproquement. On en distingue plusieurs familles, en fonction du couple oxydo-réducteur impliqué dans les réactions électrochimiques, des classiques accumulateurs au plomb aux batteries Sodium-Soufre (Na-S), Lithium-Soufre (Li-S) ou Nickel-Cadmium (Ni-Cd), en passant bien sûr par toute la gamme des batteries Lithium-ion. Ces batteries offrent des performances croissantes en termes de densité énergétique, ainsi qu’un très bon rendement (90-95 %), des coûts de revient en baisse et un niveau de sécurité satisfaisant.

Mais outre les quantités importantes d’énergie consommées pendant leur fabrication le plus gros inconvénient des batteries réside dans la dépendance aux métaux rares. Si la recherche autour du sujet est très active, les batteries mettent tout de même en jeu des matériaux polluants à extraire, le meilleur exemple restant celui du cobalt utilisé dans les circuits électroniques. Les conditions d’extraction de ces métaux critiques dans les pays producteurs et leurs impacts humains et environnementaux sont peu discutés et mal connus du grand public. La meilleure solution à ces problèmes semble être le recyclage. Cette filière existe peu pour l’instant, parce que la quantité de batteries à recycler est insuffisante pour qu’une filière de recyclage soit économiquement viable. Mais le développement massif attendu de la mobilité électrique peut créer les conditions de son émergence. Investir dans la recherche sur des technologies de recyclage adaptées à la question de la raréfaction des métaux et réfléchir aux adaptations réglementaires pouvant encadrer les conditions d’extraction et de traitement de ces matériaux semblent être deux bons axes de progrès.

3/ L’hydrogène est le troisième vecteur stratégique de stockage de l’électricité retenus par les pouvoirs publics. Les technologies « power-to-gas » permettent de produire, par électrolyse de l’eau, un hydrogène qui pourra alimenter des piles à combustibles, remplacer dans certaines filières industrielles l’hydrogène issu du vaporeformage du méthane ou être injecté directement dans les réseaux de gaz. On peut aussi l’utiliser pour produire du méthane par méthanation, ce qui permet de remplacer du gaz naturel fossile par du gaz renouvelable. Ce méthane peut enfin servir à produire de l’électricité dans des centrales électriques au gaz, avec des applications dans l’idée de faire du stockage inter-saisonnier de l’électricité. Les voies de progrès concernent principalement les technologies d’électrolyseurs, avec l’objectif de faire baisser fortement le coût de l’hydrogène électrolytique. Deux conditions sont cependant nécessaires pour que cette filière reste pertinente :

  • Disposer d’une électricité à bas coût pour alimenter des électrolyseurs pendant des durées relativement longues (de l’ordre de 4 000 heures par an). Cela suppose que la production issue de l’éolien et du photovoltaïque génère de longues périodes de production électrique abondante
  • Augmenter le rendement et la durée de vie des électrolyseurs. Des progrès comparables à ceux qu’ont connus les panneaux photovoltaïques et les batteries sont imaginables, mais, sans être improbables, relèvent encore de l’expérimental.

Ainsi, toute ces solutions ont leur avantages et inconvénients. Les STEPs sont simples mais ne peuvent pas être construites dans n’importe quelle zone du territoire et vont davantage impacter la qualité des paysages que les autres moyens de stockage. Les batteries sont pertinentes mais ajoutent de la complexité technologique et posent des questions de pollution non résolues encore. La production d’hydrogène est durable mais est encore trop peu mature.

Et si nous changions notre rapport à l’énergie ? L’histoire de nos sociétés industrielles nous a donné l’illusion qu’il s’agissait d’une denrée facilement accessible et illimitée. Du fait des problèmes de changement climatique et de pénurie annoncée des énergies fossiles, nous voyons désormais à quel point cette croyance d’un monde sans contraintes est erronée et destructrice. Nous avons cru que nous étions dans un espace aux bordures infinies, tels des enfants dans une forêt enchantée. Ce n’est pas le cas. La terre peut se passer de nous, mais pas l’inverse.

Imaginons les auteurs et scénaristes de l’an 2137 tentant de mettre en scène les grandeurs et les décadences de la société du 21ème siècle. Dans le vocabulaire du Storytelling, le moment où le héros prends conscience de lui même et de son histoire correspond généralement au climax du second acte de la narration.
Tel Luc Skywalker dans Starwars qui découvre qu’il est le fils de son ennemi juré, ou Néo dans Matrix, qui découvre qu’il n’est pas plus spécial que les autres, il s’agit du point de non retour le plus difficile pour le personnage. Deux possibilités s’offrent alors à lui. Soit il accepte la vérité et grandit, soit il meurt. Soit Luc accepte son lien de parenté avec Dark Vador et devient un Jedi, soit il tombe dans le vide. Soit Néo accepte de devenir l’élu et sauve Morpheus, soit il reste Thomas Anderson en abandonnant à la mort son mentor ainsi que l’ensemble de la rébellion contre les machines.

Notre situation actuelle n’est-elle pas l’occasion d’approfondir notre conscience de nous-même, ainsi que notre sens des responsabilités ? S’interroger sur la qualité de notre consommation d’énergie n’est-il pas un moyen de s’interroger sur la qualité de nos actions ?


Commentaires

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vendredi 7 juin 2019 à 11h33 - par  Info

Autre moyen de stockage de l’électricité : des wagonnets qu’un moteur électrique, déclenché en période de surabondance de production électrique fait remonter une pente, et qu’on lâche ultérieurement en période de pointe de consommation électrique. Je ne comprends pas bien comment s’effectue la transformation de l’énergie cinétique ainsi mise en œuvre en électricité ?

vendredi 24 mai 2019 à 14h48

Bonjour,

Dans les STEPs, je pense que l’on peut incorporer les usines marémotrices, même si le remplissage des réservoirs supérieur et inférieur alternatifs se fait au gré des marées, avec appoint des turbines éventuellement. Evidemment, les sites potentiels ne sont pas légions...

Cordialement,
Guy

Site web : Favrie Guy

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