quelle energie pour demain ?

energy

La production d’électricité va fortement évoluer dans les années à venir. Dans le cadre de la transition énergétique, la part d’énergies renouvelables est appelée à se développer, engendrant ainsi le basculement d’un modèle de production centralisée vers des installations de faibles puissances réparties sur le territoire.

Autre changement majeur, les énergies renouvelables ont le désavantage d’être intermittentes. Le soleil ne bombarde les installations photovoltaïques que le jour et les pales des éoliennes dépendent fortement des mouvements dépressionnaires. A mesure que le poids de ces deux sources d’énergie va augmenter, la nécessité de stocker l’électricité lors de périodes de production intense pour mieux la restituer lors des phases de moindre activité va devenir cruciale.

Actuellement, les déséquilibres éventuels entre offre et consommation d’électricité sont compensés par les échanges internationaux entres les différents réseaux européens ou par le pilotage de la charge.

Stocker l’électricité, terme régulièrement usité, est cependant impropre. Il s’agit plutôt de la transformer en énergie – qu’elle soit mécanique, chimique, … -  pour mieux la restituer ensuite
salomon

Michael Salomon

Mais les spécialistes considèrent qu’au-delà d’un taux de pénétration de 30% des énergies renouvelables dans le mix énergétique, ces déséquilibres seraient plus difficilement gérés. D’où la recherche de nouvelles solutions de stockage afin de garantir la flexibilité du réseau électrique. « Stocker l’électricité, terme régulièrement usité, est cependant impropre » rappelle Michael Salomon dirigeant du cabinet Clean Horizon Consulting. « On ne peut accumuler l’électricité à proprement parler. Il s’agit plutôt de la transformer en énergie - qu’elle soit mécanique, chimique … -  pour mieux la restituer ensuite ».

Depuis des décennies, ce sont les bonnes vieilles centrales hydroélectriques qui assurent cette fonction selon le principe du pompage-turbinage : l’électricité excédentaire produite en période creuse sert à pomper l’eau d’un réservoir inférieur vers un réservoir situé à une altitude supérieure. En période de pointe, on laisse l’eau couler en sens inverse pour actionner des turbines et produire de l’électricité.

Les stations de transfert d’énergie par pompage ou Steps, leur appellation en langage d’ingénieur, restent aujourd’hui, et de loin, la principale réserve, assurant environ 97% du stockage de l’électricité, soit près de cinq gigawatts en France. Empreinte environnementale importante, investissements de plusieurs dizaines de millions d’euros, sites naturels qui se raréfient … Ce genre de projet pharaonique n’est plus trop d’actualité. Du moins en France. En outre, le stockage via la centrale de pompage-turbinage n’est pas adapté au modèle de production décentralisée de l’électricité vers lequel l’on se dirige. En coulisse, la communauté scientifique et les ingénieurs s’activent donc pour trouver des alternatives.

le barrage de grand'MAISON en isère  

barrage

EDF

Tous les regards sont tournés vers les batteries lithium-ion

230

DOLLARS

C'est le prix de revient estimé d'une batterie lithium-ion

Depuis quelques années, les batteries lithium-ion occupent le devant de la scène. Leur succès s’explique par l’amélioration de leur performance et l’allongement de leur durée de vie grâce à l’augmentation du nombre de cycles de charge. Elles tirent surtout leur essor de la baisse des prix, de l’ordre de 15% par an. La batterie lithium-ion qui équipe également les véhicules électriques a profité de l’effet mécanique de réduction des coûts lié à la production de masse dans le secteur automobile. D’après Bloomberg New Energy Finance, le prix de revient d’une batterie a ainsi chuté de 1000 dollars en 2010 à 273 dollars en 2016. Il pourrait atteindre 230 dollars en 2018. Une chute continue qui dépasse année après année les prévisions des spécialistes.

Tout naturellement, les industriels de l’automobile se sont à leur tour lancés dans le stockage d’électricité par batterie, concurrençant ainsi les spécialistes comme LG ou Samsung. Nissan, Mercedes ou BMW ont ainsi développé leur propre offre de stockage pour le domicile. Associé à Eaton, spécialiste en gestion de l’énergie, le premier a lancé la gamme de stockage domestique xStorage , conjuguant des modules de batterie Nissan neufs ou de deuxième vie (provenant des voitures Leaf, le modèle 100 % électrique le plus vendu au monde) de façon à maximiser l’usage des batteries avant leur recyclage. 

Le stockage domestique de nissan

nissan

Eaton et Nissan équipent également l’Amsterdam Arena à qui ils fournissent un approvisionnement électrique de secours et contribuent à stabiliser le réseau électrique néerlandais lors des pics de consommation. Selon Reuters, le constructeur automobile envisagerait de construire un parc gigantesque en Europe pour entreposer des batteries usagées qui, rechargées en heures creuses, pourraient alimenter 120 000 foyers.

Sur le même mode, le constructeur allemand Mercedes-Benz collabore, lui, avec la société américaine Vivint Solar afin de produire des batteries pour les habitations. Mais c’est Tesla qui a frappé le premier commercialisant, dès avril 2015, la Powerwall. La société d’Elon Musk a ainsi dynamisé un marché de la batterie domestique encore balbutiant.  

D’autres projets sont en cours chez ces constructeurs automobiles. Leur avenir pourrait se situer du côté du développement de véritables offres « vehicule to grid ». Comprendre : la mise à disposition des réserves d’énergies réparties dans les véhicules électriques pour un meilleur équilibrage du réseau. « De vraies synergies sont possibles avec le gestionnaire de réseau. Mais ces offres restent complexes à mettre en œuvre car ce système suppose la mise en place de l’interopérabilité entre les infrastructures de recharges et donc des accords entre responsables des bornes de recharge, les gestionnaires de réseau, les gestionnaires de véhicules électriques et les utilisateurs » note Rémi Gilliotte consultant au cabinet de conseil Yélé Consulting.

salomon
Regard d'expert

Michael Salomon

Yélé Consulting

Le principal obstacle à lever pour un déploiement du stockage par batterie reste le coût encore trop élevé pour envisager un retour sur investissement attractif à court terme

Avec l’envolée de la technologie lithium-ion, le futur du stockage est-il pour autant assuré ? Pas sûr. Malgré la baisse constante des prix, la batterie reste un actif de stockage onéreux. « Le principal obstacle à lever pour un déploiement du stockage par batterie reste le coût encore trop élevé pour envisager un retour sur investissement attractif à court terme » relève ainsi dans une étude récente le cabinet Yélé Consulting.

 «Les batteries lithium-ion sont aujourd’hui économiquement compétitives pour une utilisation « en puissance » c’est-à-dire afin de stabiliser ou lisser les imperfections du réseau électrique appuie Michael Salomon « Pas encore en tant que solution complémentaire du photovoltaïque capable de stocker l’électricité le jour pour se décharger la nuit ». Mais la chute du prix des panneaux photovoltaïques et des batteries, si elle se poursuit, conjuguée à l’augmentation du tarif de vente de l’électricité pourrait changer la donne d’ici deux à trois ans.

Les batteries lithium-ion sont aujourd'hui économiquement compétitives

battery
Shutterstock

Les batteries éclipsent des technologies alternatives pourtant prometteuses

jean françois
Regard d'expert

Jean-François Le Romancer

Keynergie

Les stations hydrauliques ou encore le stockage à base d’air comprimé sont des solutions « en énergie ». Les batteries quant à elles servent plutôt à assurer la qualité du courant et la sécurité du réseau

Revers de la médaille. Le succès des batteries a quelque peu éclipsé les technologies alternatives actuellement en développement. La raison réside sans doute dans la tendance des industriels et promoteurs de cette technologie à la présenter comme l’alpha et l’omega du stockage de l’électricité. Une vision erronée tant il existe, en grossissant le trait, autant de solutions de stockage que d’usages différents et complémentaires. « Les stations hydrauliques ou encore le stockage à base d’air comprimé sont des solutions « en énergie » c’est-à-dire capables de stocker de grande quantité d’électricité pour plusieurs jours. Les batteries quant à elles servent plutôt à assurer la qualité du courant et la sécurité du réseau» rappelle Jean-François Le Romancer, fondateur de la société Keynergie et ex-directeur de l'innovation de Poweo. 

La batterie quelle que soit sa taille assure une réserve d’électricité mobilisable rapidement mais sur une période plus courte que d’autres solutions en énergie. « Par exemple, la batterie géante bâtie en Australie par le groupe d’Elon Musk dispose d'une réserve de 130 mégawattheures. En comparaison, les centrales de pompage-turbinage de grande taille affichent plusieurs dizaines de gigawattheures (NDLR : 30 gigawattsheure pour la centrale de Bath County, la plus grande du monde). Nous ne sommes pas du tout dans les mêmes ordres de grandeur».  Difficile d’imaginer par exemple que la technologie lithium-ion puisse répondre aux futurs besoin de stockage d’une centrale éolienne en mer de près de cinq cents mégawatts comme celle qui se construit dans la baie de Saint Brieuc (62 éoliennes de 8 mégawatts) et dont la livraison est prévue pour 2020.

The Hornsdale Energy Reserve

TESLA

Parmi les technologies prometteuses, capables de stocker de plus grandes quantités d’énergie, figurent les batteries à circulation. Atout indéniable de ces accumulateurs par rapport à leurs homologues classiques : la puissance est indépendante de la capacité de stockage. « La puissance est fixée par le stack de cellules où se tient la réaction d’oxydo-réduction tandis que la quantité d’énergie que l’on peut stocker dépend de la taille des réservoirs d’électrolyte que l’on peut agrandir selon les besoins » décrit Jean-François Le Romancer.

Des acteurs comme IFP Energies nouvelles (IFP-EN) ou la start-up rennaise Kemwatt travaillent à la mise au point de ce système de stockage. « L’intérêt de la solution de Kemwatt réside dans l’utilisation d'un électrolyte organique. Des prototypes de 10 kilowattheures sont d’ores et déjà expérimentés mais il reste des développements à venir afin de réduire les coûts » note Jean-François Le Romancer. L’utilisation d’un composé organique – donc non toxique- est une avancée majeure. Ce style de batterie n’ayant pas réussi jusqu’à présent à percer car leurs électrolytes étaient basés sur la chimie au vanadium, un milieu acide corrosif.

L'énergie propre est notre avenir

energy

Shutterstock

L'hydrogène, un vecteur de stockage de masse très étudié

Les industriels étudient notamment la concentration d’hydrogène qu’il est possible d’injecter dans le réseau, à l’origine conçu pour transporter le gaz naturel
jean françois

Jean-François Le Romancer 

L’hydrogène est un autre vecteur très étudié pour stocker l’électricité. Le procédé « power to gas »  notamment qui consiste à transformer de l’électricité en hydrogène grâce à l’électrolyse de l’eau pour ensuite le réinjecter dans le réseau gaz. L’hydrogène est alors soit consommé directement soit combiné à du dioxyde de carbone pour produire du méthane de synthèse.

Les industriels GRT Gaz et Engie sont particulièrement actif sur ce créneau. « Ils étudient notamment la concentration d’hydrogène qu’il est possible d’injecter dans le réseau, à l’origine conçu pour transporter le gaz naturel » souligne Jean-François Le Romancer. Engie a lancé le premier démonstrateur français à grande échelle de Power to Gas, à Dunkerque, dans le cadre du projet Grhyd. En décembre dernier, GRT Gaz a lui aussi initié un chantier de ce type baptisé projet Jupiter 1000, un démonstrateur qui doit être raccordé au réseau de transport de gaz français à Fos-sur-Mer (Bouches-du-Rhône). D’une capacité d’un mégawatt, il permettra d’alimenter 150 familles.

D’autres acteurs, étudient l’usage de l’hydrogène pour le stockage de l’électricité à l’échelle des bâtiments. La start-up Sylfen s’est distinguée en développant une solution unique de stockage réversible destinée notamment aux habitats à énergie positive. Son « Smart Energy Hub » agit comme un électrolyseur pour transformer en hydrogène le surplus d’électricité créé localement et, inversement, en mode pile à combustible pour restituer cet hydrogène sous forme d’électricité. « La solution s’appuie également sur la récupération de chaleur lors de l’électrolyse. Ce qui permet des économies de chauffage. Car sur le seul vecteur électricité difficile aujourd’hui d’être compétitif avec l’hydrogène » relève Jean-François Le Romancer. La solution de la société Powidian exploite également l’hydrogène comme source de stockage. Mais elle est surtout adaptée aux sites isolés ou raccordés à un réseau électrique de mauvaise qualité.

l'hydrogène, une énergie prometteuse

hydrogene

Le stockage sous forme d’hydrogène est d’autant plus prometteur que, à l’instar de la batterie lithium-ion, des synergies sont possibles entre secteurs du bâtiment et des transports. La solution d’avenir consistera sans doute à réutiliser cet hydrogène pour faire rouler des véhicules fonctionnant avec une pile à combustible ou à le réinjecter dans les réseaux tel que testé à Dunkerque et à Fos-sur-Mer.

Enfin, le stockage de l’électricité par conversion thermique offre des perspectives intéressantes. Il consiste à chauffer un matériau réfractaire capable de stocker de grande quantité d’énergie, sous forme thermique, qui sera reconvertie par la suite en électricité au moyen d’une turbomachine. Des start-up comme la société britannique Isentropic ou la française Stolect s’engagent dans cette voie.

Rédigé par Olivier Discazeaux