Le stockage de l’électricité

Par Louis Lebrun & Adrien Marion, étudiants ESTA Belfort, 06/2020

Mots-clés: #stockage #électricité #énergie #renouvelable

Les énergies renouvelables ont participé à 23% à la couverture de la consommation d’électricité en France en 2019 (RTE, 2020). Or dans certaines zones un seuil limite de 30% a été mis en place (Arrêté du 23 avril 2008). En effet, du fait de leur intermittence ces sources d’énergies limitent le contrôle de la production d’électricité et avoir un taux trop élevé pourrait être risqué. Cela implique d’équilibrer la production avec d’autres sources d’énergies pilotables. Or d’après une étude de l’ADEME, Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie, il serait possible d’avoir une consommation qui provient à 95% d’énergie renouvelable si l’on arrive à stocker une partie de cette énergie pour la contrôler (ADEME, 2019). Mais pourquoi le stockage de l’électricité serait-il la solution ? Et quels sont les moyens qui existent ?

Pourquoi stocker de l’électricité ?

Le réseau électrique a besoin d’être constamment équilibré entre l’offre et la demande sinon cela peut provoquer une modification de la fréquence (50Hz) voir même un black-out. Cela implique de suivre constamment la consommation qui varie fortement en fonction des heures, jours et saisons. Le graphique suivant montre l’évolution de la consommation sur deux journées, une en hiver et une en été.

Grâce au suivi de la consommation, un pic de consommation est observable en fin de journée vers 19h, puis elle redescend durant la nuit. Et la consommation est plus importante en semaine ou bien en hiver.

Les types de sources

Pour équilibrer la production et la consommation, Réseau de Transport d’Electricité (RTE), responsable du réseau de transport d’électricité français, dispose de plusieurs types de sources de production :

• Sources peu variables : ces sources ne peuvent être modifiées rapidement elles sont donc plus ou moins constantes, comme le nucléaire.
• Sources fatales : ce sont celles qui dépendent des phénomènes météorologiques et par conséquent qui sont incontrôlables. C’est le cas de l’éolien, du solaire ou de l’hydraulique “au fil de l’eau”.
• Sources pilotables : ce sont les sources qui peuvent être ajustées rapidement tel que les sources à bases d’énergies fossiles et les barrages hydroélectriques.

L’enjeu est alors de combiner ces trois types de sources pour optimiser la production d’électricité. Pour ce faire, une base fixe est produite à partir du nucléaire, puis l’ajustement se fait avec les sources pilotables et fatales. Si les sources fatales produisent peu, alors la production des sources pilotables est augmentée. A l’inverse si les sources fatales produisent trop, soit on coupe une partie de la production et on perd de l’énergie, soit on revend cette énergie aux pays voisins. Pour pallier ce problème, la solution serait de stocker le surplus d’énergie produite quand la consommation est faible afin de la redistribuer durant les pics de consommation.

Comment stocker de l’électricité ? A l’heure actuelle il existe plusieurs types de stockage d’électricité, mais un seul est utilisé à grande échelle puisqu’il représente 97% des capacités actuelles de stockage. Cette solution est le stockage sous forme de station de transfert d’énergie par pompage (STEP). Il s’agit de pomper de l’eau vers un réservoir en hauteur lorsqu’il y a une surproduction d’électricité. Quand il y a besoin d’électricité, cette eau est relâchée pour faire tourner une turbine à l’instar d’un barrage hydraulique.  Voir schéma ci-dessous.

L’avantage de ce type de stockage est qu’il offre un très bon rendement, jusqu’à 85% (ORDE, 2020). Mais son plus gros inconvénient est qu’il nécessite un terrain de haute montagne pour pouvoir être mis en place. En France, les STEP en service sont au nombre de six et totalisent une puissance de quasiment 5 GW (Connaissance des énergies, 2013). La plus puissante centrale de pompage-turbinage est celle de Grand-Maison (1 800 MW).

La deuxième solution la plus répandue est le stockage dans les accumulateurs, autrement appelés batteries. Il existe plusieurs types de technologies d’accumulateurs : plomb-acide, nickel-cadmium, nickel-métal hydrure, nickel-zinc, lithium et d’autres encore à l’état de recherche. La plus répandu est la batterie lithium-ion que nous utilisons dans nos téléphones, voitures électriques, etc.  Il suffirait donc de faire une batterie de grande capacité et de la relier au réseau. Cependant les batteries d’aujourd’hui sont chères à produire et leur capacité massique est faible comparée à d’autres sources d’énergies. De nombreuses recherches sont en cours pour améliorer leur efficience et diminuer leurs coûts.

Une troisième solution est de produire de l’hydrogène via l’électrolyse. Ce gaz peut ensuite être facilement stocké et réutilisé. Le rendement de cette technologie reste encore faible : de l’ordre de 25% (ADEME, 2020) et son coût très élevé. Son rendement s’explique par les différentes étapes lors du processus qui sont l’électrolyse dont le rendement est de 70 à 85% et la pile à hydrogène qui atteint 50 à 60% (AFHYPAC, 2017). Il faut prendre en compte aussi les pertes qui surviennent tout au long du processus par exemple lors de la compression. Ce rendement peut être amélioré si des investissements sont réalisés dans le domaine. Malheureusement, l’industrie automobile, acteur important du milieu, à préférer les batteries chimiques ce qui a eu pour conséquence de restreindre les investissements dans l’hydrogène. Ce sont les méthodes de stockage les plus développées et les plus présentes dans le monde, mais il existe d’autres techniques qui sont encore en développement. Parmi celle-ci on peut citer le stockage par air comprimé, le stockage mécanique et le stockage thermique. La technique de stockage d’énergie par air comprimé, en anglais Compressed Air Energy Storage (CAES) consiste à comprimer de l’air à très haute pression (entre 100 et 300 bars) dans un grand réservoir, généralement une caverne ou une cavité naturelle.

Pour récupérer l’énergie stockée, il suffit alors de laisser sortir l’air en direction d’une turbine pour produire de l’électricité. Cependant, la compression de l’air apporte une augmentation de la température, et inversement lors de la décompression. Le rendement de l’installation est alors faible, de l’ordre de 40 à 50 % (Planète énergies, 2019). Il faut réussir à stocker cette énergie thermique pour pouvoir relever théoriquement le rendement à 65 ou 70 %. Pour le stockage mécanique, la méthode est par exemple de transformer l’énergie électrique en énergie cinétique de rotation. Un volant d’inertie est entraîné à une vitesse élevée, plusieurs milliers de tours par minute. Le freinage du volant d’inertie produit de l’électricité.

Pour finir, le stockage thermique qui se distingue en deux catégories. D’un côté on retrouve le  stockage par chaleur sensible et de l’autre le stockage par chaleur latente. La différence entre les deux est que pour la chaleur sensible la quantité de chaleur échangée ne provoque pas de changement de phase. Alors que la chaleur latente utilise justement le changement de phase. Le fonctionnement du stockage par chaleur sensible consiste donc à élever la température d’un fluide ou d’un solide. Les fluides les plus courants sont l’eau, les huiles et les sels fondus, pour les solides ce sont des roches, du béton ou de la céramique réfractaire. La chaleur peut atteindre plusieurs centaines de degrés. On retrouve ce moyen de stockage dans le chauffage domestique tel que les chauffe-eaux, ou bien dans des centrales solaires qui stockent des sels fondus chauffés autour de 400 et 500°C pour générer de la vapeur et produire de l’électricité plusieurs heures après le coucher du soleil.

Le stockage par chaleur latente fonctionne grâce au changement d’état du matériau (solide, liquide, gaz).  Lors d’un changement d’état les échanges d’énergies sont importants, on peut donc stocker plus d’énergie que lors d’une simple différence de températures. Ce système est donc plus compact et peut fonctionner avec des différences de températures plus faible. Les applications du stockage de chaleur latente sont un peu plus larges que celle de la chaleur sensible. On le retrouve dans les pompes à chaleur, les systèmes réfrigérants, l’eau chaude sanitaire et les centrales solaires.

En fonction de leur nature, les techniques utilisées peuvent être classées sous différentes catégories :

Mais quelle est la technologie la plus adéquate pour stabiliser la production d’électricité ? Ce premier graphique ci-dessous permet de comparer les puissances de stockage en fonction du temps de décharge.

Le graphique suivant met en avant les niveaux de maturité des différentes technologies de stockage de l’électricité.

Un tableau compilant leurs données techniques a ensuite été réalisé.

On constate que les stations de transfert d’énergie par pompage représentent 97% de la puissance mondiale de stockage installée. Cela s’explique par le fait que c’est une technologie mature qui dispose d’un bon rendement. L’IRENA (Agence internationale de l’énergie renouvelable) estime qu’avec un taux de pénétration de 45% des énergies renouvelables d’ici 2030, les besoins mondiaux de stockage d’électricité devraient être de 150 GW pour les batteries et 325 GW pour les STEP (Kempener et De Vivero, 2015). A l’échelle de la France, les puissances installées de STEP s’élèvent autour de 5 GW. Leur développement pour les années à venir est assez limité car les emplacements possibles sont presque tous exploités. Leur potentiel restant est estimé à 2 GW. L’augmentation des capacités de stockage devra donc se faire par le biais d’autres moyens de stockage qui devront être améliorer pour pouvoir être efficace et rentable.

Conclusion

Le marché de l’électricité de plus en plus volatil, la nécessité d’un meilleur impact environnemental et les contraintes technologiques d’intégration des énergies intermittentes dans le réseau, plaident en faveur d’un développement du stockage de l’électricité. Le stockage possède des atouts non négligeables et doit logiquement trouver une place importante en complément des autres solutions compensatoires (interconnexions, production flexible et maîtrise de la demande).

Vous l’aurez compris le stockage d’électricité est la clé de la pénétration des énergies renouvelables. Si nous arrivons à stocker et à délivrer l’énergie de manière pérenne, les énergies renouvelables pourront se développer d’autant plus.

Le moyen de stockage d’électricité le plus utilisé aujourd’hui est les STEP. C’est le moyen de stockage que l’on maîtrise le mieux, étant donné son rendement ou bien ses coûts qui sont finalement faible comparés à d’autres moyen de stockage. Néanmoins, la technologie STEP occupe déjà la plupart des emplacements disponibles en France. Si on ne veut pas, créer des batteries immenses nocives pour l’environnement, il faut développer des technologies telles que le CAES et le stockage cinétique.

De nouvelles méthodes de stockage émergent avec des impacts moins importants sur l’environnement et des coûts d’investissement moins élevés. Il faut continuer d’investir dans ces nouvelles technologies pour les rendre encore plus performantes et ainsi réussir la transition énergétique, car bien qu’innovantes, ces nouvelles solutions ont quand même pour le moment des coûts relativement élevés et des performances modérées et irrégulières. Le stockage d’énergie constitue un levier technique difficilement contournable pour intégrer les moyens de production intermittents au sein d’un mix énergétique décarboné. Il représente également une opportunité économique pour nombres d’acteurs. Des premières solutions sont techniquement disponibles ; et l’évolution du contexte économique les rend de plus en plus rentables. De nombreuses innovations et des ruptures technologiques sont attendues dans ce secteur en devenir.

Références

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Benchrifa, R., Bennouna, A. et Zejli, D., (2007). Rôle de l’hydrogène dans le stockage de l’électricité à base des énergies renouvelables. Revue des Energies Renouvelables CER’07 Oujda.

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Connaissance des énergies, (2013). Hydroélectricité : stations de transfert d’énergie par pompage (STEP). [En ligne]. Consulté le 19 Mai 2020. A l’adresse : https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydroelectricite-stations-de-transfert-d-energie-par-pompage-step

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Kassara, G., Chammas, M. et Fournié, M., (2019). Trajectoires d’évolution du mix électrique 2020-2060 – Rapport sur les données. ADEME, Artelys

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