Nous nous intéressons aux difficultés liées au stockage des énergies renouvelables, qui est une question essentielle si l’on veut accélérer l’adoption d’alternatives sobres en carbone.
Depuis que les énergies renouvelables existent, leur principale limitation a presque toujours été le stockage de l’énergie. Le problème des deux principales sources d’énergie renouvelable (éolienne et solaire) est simple : la production d’énergie à partir de la lumière du soleil et du vent est décalée dans le temps par rapport à la consommation d’énergie. Par conséquent, sans stockage, ces sources renouvelables ne peuvent pas satisfaire plus de 20 % de la demande d’électricité. Le graphique 1 illustre le décalage entre la production et la consommation d’énergie photovoltaïque (solaire) pour un ménage moyen. La plus grande partie de l’énergie solaire est produite entre les deux pics de la demande des ménages. La plus grande partie de l’énergie éolienne est produite pendant la nuit, lorsque la demande est à son point le plus bas et que les prix de l’énergie sont parfois même négatifs. Les raisons justifiant la nécessité d’un stockage efficace de l’énergie sont nombreuses.
Il existe aujourd’hui plusieurs types de stockage d’énergie qui présentent des avantages et des inconvénients à divers degrés. D’une manière générale, les technologies peuvent être subdivisées en systèmes électrochimiques, mécaniques, chimiques et thermiques. En voici quelques exemples :
- Systèmes électromécaniques : batteries au lithium-ion utilisées surtout dans les véhicules électriques (VE) et l’électronique domestique, et accumulateurs au sodium-soufre utilisés dans les navettes spatiales et le stockage massif.
- Systèmes mécaniques : stockage hydroélectrique par pompage et stockage d’air comprimé, utilisant la force gravitationnelle et la compression pour stocker de grandes quantités d’énergie.
- Systèmes chimiques : stockage d’énergie par hydrogène et méthane, sous terre ou sous forme liquide dans des réservoirs réfrigérés à haute pression pour une utilisation future.
- Systèmes thermiques : stockage thermique et thermochimique, comme le stockage thermochimique de l’énergie solaire (TCES) qui consiste à utiliser l’énergie thermique pour alimenter une réaction chimique endothermique réversible afin de stocker l’énergie sous forme de potentiel chimique.
Graphique 1. Production d’énergie solaire et demande d’énergie
Source : Solar Choice, décembre 2017
La qualité de chaque type de stockage varie. Le stockage hydroélectrique par pompage (graphique 2) est devenu la solution la plus courante pour le stockage massif, en raison de son applicabilité à grande échelle et de son rendement énergétique élevé de plus de 80 % ; il représente presque 100 % du stockage massif au niveau mondial.
Graphique 2. Part de la capacité mondiale d’énergie renouvelable par technologie
Source : Quartz, juin 2018
En période de production d’énergie excédentaire, l’énergie est utilisée pour pomper l’eau d’un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur. Lorsque la demande augmente, l’eau est libérée vers le réservoir inférieur, entraînant au passage des turbines qui produisent de l’énergie. Cette solution n’est cependant pas toujours viable. Les régions en pénurie d’eau ne peuvent pas se permettre d’utiliser l’eau pour stocker l’énergie et le relief ne permet pas toujours de construire les grands barrages nécessaires à la réalisation des économies d’échelle requises. Il s’ensuit que le stockage hydroélectrique par pompage est limité à une dizaine de pays.
Graphique 3. Prix au KwH par produit
Source : Chemistry World, juillet 2017
Une startup suisse est en train de développer une solution alternative. Au lieu d’utiliser de l’eau, elle utilise du béton et des grues. L’énergie excédentaire permet à une grue d’empiler des blocs de béton les uns sur les autres, ce qui augmente le niveau d’énergie potentielle. Lorsque la demande d’énergie augmente, la grue décharge les blocs en utilisant la gravité pour transformer l’énergie potentielle en énergie cinétique, laquelle actionne un générateur qui produit de l’électricité. Grâce à un taux de conversion d’environ 85 % (contre 90 % pour les batteries au lithium-ion) et à l’avantage que le béton est beaucoup plus dense que l’eau, ce qui permet de stocker plus d’énergie par unité de volume, ce concept pourrait devenir une solution viable pour le stockage d’énergie à grande échelle dans les zones où le stockage hydroélectrique par pompage n’est pas envisageable. De plus, d’autres formes de stockage de l’énergie gagnent du terrain, en particulier le stockage domestique distribué et même les VE qui sont utilisés comme batteries domestiques. Comme le coût du stockage ne cesse de diminuer dans la plupart des technologies, le stockage décentralisé devrait devenir une solution de plus en plus attractive sur le plan économique.
Si, d’une manière générale, la solution ne se limitera sans doute pas à empiler des blocs de béton, le stockage d’énergie dans des grandes installations de stockage massif ainsi que dans des installations à plus petite échelle comme des batteries sera essentiel pour permettre une utilisation généralisée de l’énergie renouvelable.
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