Les énergies 100% renouvelables : Le stockage d'énergie à grande échelle pour les énergies renouvelables est-il possible ?

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Mis à jour le: 14 Dec 2020

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Les énergies renouvelables sont susceptibles de devenir très populaires

À présent, tu en as probablement assez de lire que « le soleil ne brille pas toujours et le vent ne souffle pas tout le temps ». Nous aussi. Mais, malheureusement, c’est un vrai problème.

Stocker de l’énergie est une tâche difficile. C’est si difficile que le réseau électrique est conçu de telle sorte que l’électricité est consommée au moment même de sa production. Penses-y de cette façon : quand quelqu’un allume une lampe, une centrale électrique quelque part augmente légèrement sa production .

Stocker de l’énergie - pourquoi et comment ?

Pour se faire une idée, nous pouvons classer le stockage d’énergie en trois échelles temporaires :

  1. Niveau 1 - Secondes-minutes : Utile lorsqu’un nuage couvre temporairement une ferme solaire ou quand la demande d’électricité atteint un pic inattendu. Dans les articles scientifiques, des termes tels que « équilibrage de charge » sont utilisés pour décrire ce phénomène.
  2. Niveau 2 - Heures-jours : Cette forme de stockage d’énergie nous permet de générer de l’électricité quand il y a du soleil et du vent, et de l’utiliser quand nous le voulons, par exemple la nuit. Le stockage énergétique à ce niveau est souvent appelé « stockage en masse ».
  3. Niveau 3 - Semaines-mois : Le stockage d’énergie à ce niveau fonctionne avec les saisons afin que l’électricité maximale soit générée pendant l’été et stockée pour l’hiver. C’est important parce qu’en hiver le soleil ne brille pas autant (sauf si tu es près de l’équateur).

Il y a une tendance claire dans les attributs que chaque type de système de stockage doit avoir :

Image of Les besoins de stockage

Les besoins de stockage

Stockage de niveau 1 (facile)

Image of Demande d’électricité en Californie le 7 mai 2020

Demande d’électricité en Californie le 7 mai 2020

Le cercle montre le type de hauts et de bas (souvent inattendus) que le niveau 1 de stockage doit gérer. Le stockage de niveau 1 peut déjà être fait avec différents types de batteries.

Les batteries d’aujourd’hui sont des sprinters fantastiques, mais nous avons plutôt besoin de marathoniens pour le stockage de niveau 2 et 3. En particulier, il nous faut :

  1. une scalabilité importante (disponibilité de matériaux et d’espace)
  2. un faible coût à l’échelle
  3. la capacité de maintenir la charge assez longtemps

Stockage de niveau 2 (difficile)

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Pourquoi avons-nous besoin de stockage sur plusieurs heures ?

Les panneaux solaires produisent la plupart de l’électricité pendant la journée, mais la demande des ménages atteint des pics en soirée. Le stockage de niveau 2 nous aiderait à stocker de l’électricité produite à midi (lorsque le soleil brille) pour être utilisée le soir.

Avec une certaine base d’électricité à zéro carbone venant du nucléaire, nous n’aurions pas besoin d’autant de stockage car les points les plus bas de la courbe seraient tirés vers le haut .

De plus, en utilisant des sources d’électricité contrôlables comme l’énergie hydroélectrique et le gaz naturel (un combustible fossile) lors du pic de la demande en électricité, nous pourrions obtenir 90% d’électricité propre, plus 10% de gaz avec des besoins de stockage relativement faibles.

Image of Pourquoi l’électricité de base et une énergie répartissable sont utiles

Pourquoi l’électricité de base et une énergie répartissable sont utiles

Stockage de niveau 3 (encore plus difficile)

La quantité appropriée de stockage saisonnier dépend de l’endroit où tu te trouves sur Terre. En général, plus tu es loin de l’équateur, plus la différence entre la lumière du soleil qui arrive l’été et celle qui arrive les mois d’hiver est grande. Ceci a un effet sur la quantité d’énergie solaire que nous pouvons recueillir.

Image of Le besoin d’un stockage saisonnier dépend de l’endroit où tu te trouves

Le besoin d’un stockage saisonnier dépend de l’endroit où tu te trouves

Résoudre les niveaux 2 et 3 ?

Examinons quelques-unes des alternatives aux batteries et à l’hydrogène. (Rappelle-toi que charger implique de faire entrer de l’énergie et décharger signifie en retirer.)

  1. Le pompage hydroélectrique : On charge en pompant de l’eau vers le haut d’une colline. On stocke dans un réservoir. On décharge en laissant l’eau couler pour faire tourner une turbine.
  2. Les batteries à flux : Elles fonctionnent comme les batteries normales, mais la cathode et l’anode sont liquides.
  3. Le stockage thermique : Un grand réfrigérateur. Il se charge en utilisant de l’électricité pour chauffer une substance et en refroidir une autre. Il se décharge en utilisant la différence de température pour faire tourner une turbine.
  4. L’air liquide : Se charge en refroidissant et en comprimant de l’air jusqu’à ce qu’il devienne liquide. On stocke cela dans un réservoir. Se décharge en laissant l’air se retransformer en gaz pour faire tourner une turbine.
  5. L’air comprimé : Se charge en compressant de l’air, qu’on stocke sous terre. Se décharge en libérant l’air et en le laissant faire tourner une turbine.
  6. Les volants d’inertie : Ils se chargent en faisant tourner un grand rotor à grande vitesse. Il se déchargent en convertissant l’énergie de rotation en chaleur ou en électricité.

Nous allons discuter brièvement de la manière dont chacun de ces systèmes fonctionne avant de parvenir à une conclusion.

1 : Le pompage hydroélectrique

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Pompage hydroélectrique

97% du stockage d’électricité aujourd’hui se fait par le biais du pompage hydroélectrique . Dans des endroits bien adaptés, le pompage hydroélectrique est relativement bon marché et peut faciliter le stockage à long terme.

Le stockage par pompage est différent de l’énergie hydroélectrique, car l’hydroélectricité fonctionne grâce à un cours d’eau qui remplit un réservoir – ici nous ne faisons que stocker de l’énergie et nous n’avons pas besoin d’un cours d’eau.

Mais comme l’hydroélectricité, le pompage hydroélectrique a ses problèmes. De nombreux pays n’ont pas assez de montagnes pour construire des lieux de stockage par pompage hydroélectrique (rappelle-toi qu’il faut que l’eau soit pompée vers le haut d’une colline). Là où nous pouvons les construire, de grandes zones de terres doivent être inondées et il y a des preuves que ceci provoque des émissions significatives de méthane (CH₄).

Néanmoins, le pompage hydroélectrique devrait être utilisé là où les conditions environnementales sont acceptables . En fin de compte, nous devons peser ces inconvénients par rapport à l’alternative : brûler du charbon et du gaz.

2 : Les batteries à flux - réservoirs de batterie liquide

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Batterie à flux

Les batteries à flux utilisent des anodes et des cathodes liquides. Bien qu’elles soient fabriquées à partir de matériaux différents que ceux des batteries lithium-ion (batteries normales), le principe est similaire :

  1. On les charge en forçant les électrons de la cathode vers l’anode.
  2. On les décharge en laissant les électrons revenir à travers un circuit.

Les batteries à flux présentent certains avantages par rapport aux batteries normales :

  • Leur capacité de stockage (taille du réservoir) et leur puissance (surface de l’électrode) ne dépendent pas l’une de l’autre . Besoin de plus de stockage ? Faisons le réservoir plus grand. Besoin de plus de puissance ? Augmentons la taille de la surface où l’anode et la cathode se rencontrent.
  • Une durée de vie potentiellement plus longue.

3 : Le stockage thermique

Nous pouvons utiliser de l’électricité pour chauffer avec une efficacité proche de 100% . Cette chaleur peut être entreposée pendant quelques heures puis reconvertie en électricité à l’aide d’une turbine .

Image of Pompe à chaleur pour le stockage thermique avec sel fondu et liquide froid

Pompe à chaleur pour le stockage thermique avec sel fondu et liquide froid

Une façon potentiellement plus efficace de faire du stockage thermique ressemble à ce que fait ton frigo. Il utilise de l’électricité pour refroidir une chose et chauffer une autre. L’appareil qui fait cela - dans ton frigo et dans la technologie de stockage proposée - est appelé une pompe à chaleur.

Ici, le froid est stocké dans un liquide et la chaleur est stockée dans du sel fondu. Tu te souviens peut-être du « sel fondu » du chapitre sur l’énergie nucléaire !

L’ « inverse » d’une pompe à chaleur est un moteur thermique. Les moteurs thermiques peuvent transformer une différence de température en électricité. Cette « différence de température » est simplement la température de notre sel fondu moins la température du liquide froid.

4 : L’air comprimé - bon marché et respectueux de l’environnement ?

Image of Stockage d’énergie par air comprimé

Stockage d’énergie par air comprimé

Dans cette forme de stockage d’énergie, l’air est stocké sous terre à haute pression et peut ensuite être libéré pour faire tourner une turbine .

Cette méthode nécessite de grands réservoirs souterrains étanches . Les trous dans le sol ne s’y prêtent pas tous . Théoriquement, il y a beaucoup de régions appropriées , mais il n’est pas clair si cette technologie pourrait s’adapter aux besoins qu’exigent les niveaux 2 ou 3 .

Seules deux usines ont été construites jusqu’à présent, même si on y travaille depuis 1940 .

5 : L’air liquide

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Stockage d’air liquide

Pour liquéfier l’air, il faut le comprimer et le refroidir. L’air liquide est conservé dans un réservoir. Pour récupérer de l’énergie du système, une partie de l’air liquide doit s’évaporer.

L’air gazeux remplit plus d’espace que l’air liquide. Lorsque nous laissons le liquide s’évaporer, nous pouvons utiliser le mouvement de l’air en expansion pour faire tourner une turbine qui génère de l’électricité.

6 : Les volants d’inertie - tourne, tourne, tourne

Image of Stockage d’énergie par des volants d’inertie

Stockage d’énergie par des volants d’inertie

Nous pouvons stocker de l’énergie en faisant tourner un rotor (appelé « volant ») à très haute vitesse dans le vide .

La vitesse du rotor est augmentée ou réduite pour stocker ou pour fournir de l’électricité. La vitesse du rotor peut être ajustée sans aucun délai, ce qui les rend utiles pour le stockage de niveau 1 . Cependant, les volants d’inertie coûtent beaucoup plus cher que d’autres technologies de stockage .

C’est une question de coûts

Regardons les chiffres d’un pays développé comme les États-Unis. Les États-Unis utilisent 3,95 PWh d’électricité par an. Ceci représente 12 MWh par personne et par an. En divisant ce nombre par 365, nous obtenons 32 kWh par personne et par jour. Le coût de l’électricité aux États-Unis est de 0,18 dollar/kWh.

L’équation que nous utiliserons est la suivante :

Image of Équation pour déterminer le coût de l’électricité avec stockage

Équation pour déterminer le coût de l’électricité avec stockage

Le coût total tient compte de la perte d’énergie due au stockage. La conversion de l’énergie d’une forme à une autre implique généralement une perte d’énergie vers l’environnement, donc nous avons besoin de produire (et de payer) plus d’électricité dès le départ.

Les prix varient selon la région et le fournisseur . Le coût que nous avons utilisé auparavant (150 dollars/kWh) est le coût brut de production. Avec les bénéfices de l’entreprise, les coûts d’installation, d’assemblage, d’expédition et de R&D inclus, la même société (Tesla) qui produit des batteries pour 150 dollars a récemment vendu un énorme pack de batteries à un opérateur de parcs éoliens pour 511 dollars/kWh.

Le prix moyen prévu est un peu plus bas, à 350 dollars/kWh. En travaillant sur cette base, nous obtenons

Image of Le coût actualisé des batteries (par an)

Le coût actualisé des batteries (par an)

Faisons ce calcul pour toutes les technologies dont nous avons parlé. (Nous comparerons deux types de batteries lithium-ion : NCA et LTO. De même, nous examinerons deux types de batteries à flux.)

Image of Évaluation de toutes les technologies de stockage d’énergie

Évaluation de toutes les technologies de stockage d’énergie

Alors, y en a-t-il d’un coût suffisamment bas ?

Les experts pensent que 20 dollars/kWh pour un stockage évolutif et indépendant de la localisation avec un taux de rétention très élevé serait assez bon marché pour qu’il soit largement déployé.

C’est pourquoi nous avons besoin d’innovation et de soutien des gouvernements . On prévoit que les batteries à flux coûteront 66% de moins d’ici 2030 tandis que leur durée de vie sera plus longue et que les taux de rétention d’énergie seront plus élevés.

Nous essayons de résoudre un problème encore non résolu. Choisir une seule technologie aujourd’hui serait imprudent - c’est pourquoi le financement de la recherche va à de nombreuses entreprises en parallèle.

Dans les deux cas, nous allons sûrement combiner plusieurs technologies pour fournir un stockage dans des régions aux géologies, aux climats et aux économies différentes.

Une chose est claire : Pour tout ce qui est proche du 100% d’énergies renouvelables, nous avons besoin de solutions de stockage à bas prix et à grande échelle.

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