Panorama des solutions de stockage d’énergie

« It’s within the power of humanity to do ; We have done things like this before ».

En mai 2015, Elon Musk présente avec un enthousiasme ambitieux sa dernière innovation : la Tesla PowerWall. Cette batterie au design travaillé permet de stocker l’énergie produite par les panneaux solaires d’un foyer.

Avec ce lancement, le serial entrepreneur sud-africain jette un pavé dans la marre : selon lui, les batteries représentent enfin un investissement rentable pour les consommateurs. Son produit pourrait marquer une transition vers un réseau décentralisé ; où chaque consommateur devient également acteur de sa propre énergie.

Mais les technologies de stockage de l’énergie ne se limitent pas aux batteries Lithium-ion ; et les applications ne se limitent pas au stockage solaire résidentiel. Les solutions sont de plus en plus nombreuses et les installations, de tailles variables, permettent de subvenir à des besoins bien distincts.

Stockage hydraulique :

Le stockage hydraulique (par des stations dites de transfert d’énergie par pompage – ou STEP) représente l’immense majorité du parc de stockage actuellement installé. Si la demande d’énergie est faible ; ces barrages réacheminent l’eau de l’aval vers l’amont en provision du moment où la demande ré-augmentera. Solution pratique, mature et maîtrisée, elle permet la gestion des pics de puissance. La taille considérable de ces centrales (Lac Noir, la plus petit STEP française, représentait plus de 4 MW est était installée sur un lac de 14 ha avant d’être démantelée en 2014[1]) contraint l’installation de ces centrales et génère une réactivité de l’ordre de la dizaine de minutes, assez lent vis-à-vis du dynamisme du réseau. Certains projets de micro-STEP sont à l’étude, mais ces produits sont encore loin d’un sur le déploiement à grande échelle.

_{Figure 1 : Principe de fonctionnement des STEP}

Stockage par Air comprimé (CAES) :

Le stockage pneumatique consiste à profiter d’un surplus d’énergie pour comprimer de l’air et le stocker dans des cavités souterraines. Lors de pics de consommation, la pression libérée permet d’actionner des turbines. Cette technologie a l’avantage d’être réactive et puissante, donc permettre un soutien lors des pics de puissance, même de l’ordre de la minute. Néanmoins, les sites compatibles sont complexes à trouver : les cavités actuelles utilisent fréquemment le réseau de galeries d’anciennes mines[3]. Par ailleurs, cette technologie génère de lourdes pertes, bien qu’une seconde technologie, plus efficace, soit en cours de développement.

Stockage par Volant d’inertie :

Les volants d’inertie permettent de conserver l’énergie en la transformant en un mouvement : lors des pics de production d’électricité, celle-ci est utilisée pour faire tourner une masse. Le mouvement de la masse est utilisé à son tour pour subvenir à la demande. Cette technologie génère néanmoins de lourdes pertes électromagnétiques dues à l’utilisation de bobines de cuivre, ce qui limite considérablement le temps pendant laquelle l’énergie est stockée. Elle permet donc surtout la régulation sur des périodes très courtes, voire la régulation de fréquence. Les volants d’inertie sont par exemple utilisés sur le réseau de métro de la ville de Rennes. Ils permettent de capter l’énergie perdue par les freinages et de la restituer lors des accélérations. Ces masses pèsent 2,5 tonnes et permettent d’économiser 230 MWh par an.

Stockage à Hydrogène

Le stockage par hydrogène correspond davantage à une combinaison de technologies qu’à une technologie à part entière. La collecte de l’énergie lors d’une phase de production d’hydrogène : si l’électricité du réseau est abondante, elle est utilisée pour permettre une électrolyse de l’eau. Le H2 est détaché de H2O. Le gaz ainsi produit, du dihydrogène, peut être réutilisé de trois manières pour restituer l’énergie collectée.

D’abord, le dihydrogène peut être utilisé pour alimenter une pile à combustible.

Sinon, il peut être mélangé à du dioxyde de carbone pour donner un gaz plus classique, le méthane. Celui-ci peut être utilisé pour être injecté directement dans le réseau de gaz, ou bien consommé par une centrale à gaz classique.

Enfin, le dihydrogène peut être utilisé dans une centrale à gaz spécialement conçue à cet effet.

_{Figure 2 : Cas d’utilisations de l’hydrogène[6]}

L’utilisation de l’hydrogène donne donc la possibilité de faire du stockage de toute forme de puissance. La faible puissance est permise grâce aux piles à combustible : la pile à hydrure de bore direct, peut-être d’une puissance inférieure à 20W. A l’inverse, les fortes puissances sont atteintes à l’aide des centrales à gaz.

Stockage électrochimique :

Fortement stimulées par la demande en batteries pour l’électronique (téléphones portables, tablettes, ordinateurs…) les technologies de stockage électrochimiques font l’objet d’investissements et de recherche enthousiaste. Les niveaux de performance offerts par les batteries Lithium-ion permettent de multiplier les domaines d’application : instruments électroniques, mobilité électrique, intégration décentralisée d’énergies renouvelables et même intégration sur le réseau. Les batteries à circulation, ou Red Ox Flow Battery, séparant les produits chimiques dans des réservoirs bien distincts, sont utilisées davantage pour des installations de plus forte puissance.

_{Figure 3 : Grandeurs caractéristiques des différentes technologies}

Les spécificités de chaque solution de stockage leur permettent de s’adresser à des marchés bien distincts : de l’électronique à la centrale électrique. La polyvalence de l’hydrogène lui permet par exemple d’être utilisé sur une voiture via une pile à combustible, ou de servir de centre de stockage dédié à la gestion des pics sur le réseau.

Toujours est-il que les solutions les plus prometteuses (comme par exemple les batteries électrochimiques ou le stockage par hydrogène) permettent de s’adresser à un spectre d’applications très large. Ce spectre est le meilleur garant d’un avenir prometteur pour les solutions de stockage d’énergie.

_{Figure 4 : Exemples de domaine d’application des différentes technologies}

Auteurs :
Augustin Colas, Consultant
Patrice Mallet, Directeur Associé