Stockage d'énergie

Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une quantité d'énergie en un lieu donné pour permettre son utilisation ultérieure. Par extension, le terme « stockage d'énergie » est souvent employé pour désigner le stockage de matière qui contient cette énergie. La maîtrise du stockage de l'énergie est particulièrement importante pour valoriser les énergies alternatives, telles que l'éolien ou le solaire, sûres et renouvelables, mais par nature intermittentes.

Schéma simplifié et de principe d'un système intégré de stockage dans un réseau électrique, de type « Grid energy storage (en) »

Centrale thermosolaire d'Andasol, située dans la commune d'Aldeire (Province de Grenade, en Espagne). Planifiée, construite et exploitée par ACS-Cobra Energía, cette centrale solaire utilise la technologie de stockage de chaleur dans des réservoirs de sel fondu, afin de pouvoir aussi produire de l'électricité la nuit ou le jour quand le soleil ne brille pas.

On s'intéressera ici principalement à l'opération consistant à créer un stock à partir d'énergie disponible, et non directement à la gestion des stocks (notamment des stocks d'énergie fossile), ni au déstockage.

Définitions

Pour la « production d'énergie », le stockage est essentiel : en réalité, ce qu'on appelle couramment et économiquement « production d'énergie » est :

• soit la transformation d'un stock d'énergie potentielle (combustible fossile, eau stockée en hauteur, matière fissile…) en une énergie directement utilisable pour un travail (électricité, travail mécanique) ou un usage thermique.
• soit la transformation directe de flux d'énergie naturels, flux sur lesquels l'humain n'a aucun contrôle. Ce sont les énergies renouvelables, souvent issues du rayonnement solaire.

Du point de vue physique, il n'y a jamais "production d'énergie", mais seulement transformation d'une énergie disponible dans la nature.

Le stockage consiste à constituer un stock d'énergie potentielle à partir de flux d’énergie dont on n'a pas l’usage immédiat, afin de pouvoir en disposer plus tard, lorsque la demande sera plus importante.

La nature procède naturellement à ce stockage, par exemple avec la biomasse "neuve" (non fossile), le cycle climatique de la Terre (pluie, neige...), les marées...

Certains stockages naturels n'ont eu lieu qu'à l'échelle de temps géologique (création du charbon, du pétrole et du gaz, formation des étoiles et des éléments radioactifs dans les noyaux des planètes...). Aujourd'hui, les stocks d'énergies fossiles s'épuisent, leur renouvellement étant infinitésimal à l'échelle de temps de la vie humaine, raison pour laquelle ces ressources sont appelées non-renouvelables.

Intérêt

Le stockage d'énergie est un enjeu vital pour les sociétés humaines.

Pour les états, l'indépendance énergétique est stratégique et économiquement essentielle. Pour les individus et les entreprises, l'énergie doit impérativement être disponible à la demande, sans coupure inopinée. Toute rupture d'approvisionnement a un coût très élevé, non seulement en termes de coûts économiques, mais aussi en termes de coûts sociaux : santé, sécurité, etc ; par exemple, une coupure de courant dans un hôpital peut avoir des conséquences désastreuses ; tout hôpital se doit de disposer de plusieurs groupes électrogènes de secours et de stocks de carburant.

Le stockage d'énergie répond à trois motivations principales :

• sécurisation de l'approvisionnement en énergie d'un pays ou d'un groupe de pays ;
• ajustement de la production d'énergie en fonction de la demande ;
• compensation de l'irrégularité de la production des énergies dites intermittentes.

Besoins quantitatifs

En 2015, l'Irena (International renewable energy agency) estime que pour un objectif de taux de pénétration de 45 % d'énergies renouvelables à l'horizon 2030, les besoins mondiaux en stockage d'énergie se monteraient à 150 GW de stockage par batteries et à 325 GW de stockage par stations de pompage^[1].

Sécurisation de l'approvisionnement en énergie

Parc de stockage de la raffinerie MiRO à Karlsruhe, en Allemagne, avec des réservoirs de forme différente pour les produits pétroliers gazeux (gaz de pétrole liquéfié), liquides (essence ou fioul) et solides (coke de pétrole).

Une rupture de l'approvisionnement en énergie peut gravement désorganiser l'économie d'un pays et mettre en danger des fonctions vitales : défense, système de santé, etc. Il est donc essentiel de disposer de stocks suffisants pour faire face à une coupure des flux d'approvisionnement, en particulier en cas de crise géopolitique. Le premier choc pétrolier de 1973, créé par une baisse concertée des livraisons de pétrole par les pays de l'OPEP, suscitant une envolée des prix pétroliers, a amené les 16 nations les plus industrialisées (rejointes ultérieurement par 12 membres additionnels) à créer l'Agence Internationale de l'Énergie, chargée de coordonner leurs politiques énergétiques et de mettre sur pied une économie raisonnée de la ressource^[2]. Pour pouvoir adhérer à l'AIE, un pays doit prouver qu'il dispose de réserves de pétroles équivalentes à 90 jours d'importations, à disposition immédiate du gouvernement au cas où des mesures d'urgence seraient décidées par l'AIE ; il doit également avoir mis au point un programme de rationnement capable de réduire de 10 % la consommation nationale de pétrole^[3]. En 2011, lorsque la guerre civile libyenne a causé une chute de la production de ce pays, l’AIE a décidé de prélever 60 millions de barils dans ces réserves stratégiques^[4].

La réserve stratégique de pétrole la plus importante, celle des États-Unis, atteignait 696 millions de barils à la fin 2011, soit 82 jours d'importations nettes^[5].

Les stocks de gaz jouent un rôle majeur dans le fonctionnement et la sécurité du système gazier : en France, les 13 sites de stockage souterrain totalisent 144 TWh de capacité de stockage, soit 30 % des importations nettes de gaz en 2012^[6].

La politique de l'Union européenne en matière de sécurisation de l'approvisionnement en énergie est exposée dans le Livre vert de 2006 intitulé « Une stratégie européenne pour une énergie sûre, compétitive et durable », préconisant en particulier « une nouvelle proposition législative concernant les stocks de gaz qui donnerait à l’UE les moyens de réagir selon le principe de la solidarité entre les États membres en cas de situation d’urgence »^[7]. Cette nouvelle règlementation, adoptée en 2010, enjoint chaque état membre de désigner une autorité compétente chargée d'établir des plans d'urgence, des évaluations des risques, et d'imposer aux entreprises gazières de prendre les mesures nécessaires pour garantir des standards de sécurité d'approvisionnement, sans fixer d'objectif précis en matière de stockage ; elle promeut surtout des mesures de diversification d'approvisionnement (gazoducs évitant la Russie par le Sud, terminaux méthaniers) et d'amélioration des capacités d'échange, en particulier la bi-directionnalité des gazoducs^[8].

Dans le nucléaire, l'uranium contenu dans l'amont du cycle du combustible nucléaire (conversion en hexafluorure d'uranium, enrichissement, fabrication des assemblages, combustible en réacteur) représente plusieurs années de consommation, ce qui garantit une forte capacité de résistance à une rupture d'approvisionnement.

Une des règles fondamentales de la sécurité des centrales nucléaires est la redondance des dispositifs de secours : chaque centrale doit disposer de plusieurs sources d'alimentation électrique, par exemple des groupes diesel avec leurs stocks de carburant, afin de prendre le relais de l'électricité du réseau pour maintenir en fonctionnement les pompes du circuit de refroidissement.

Ajustement production d'énergie - demande d'énergie

profil journalier de production d'une centrale de pompage-turbinage : en vert le pompage, en rouge le turbinage

L'ajustement de la production d'électricité à la demande se fait pour l'essentiel par l'utilisation de moyens de production modulables à volonté, en particulier les centrales à gaz ; des contrats d'effacement passés avec les consommateurs capables d'arrêter tout ou partie de leur consommation pendant les périodes de forte demande contribuent également, de façon encore marginale, à cet ajustement. Il est envisagé d'aller plus loin dans la maîtrise de la demande en énergie grâce aux smart grids.

Des moyens de stockage sont aussi utilisés, comme les stocks de charbon ou de gaz sur le site des centrales électriques. Les principaux moyens de stockage de l'électricité sont :

• les barrages hydroélectriques, en particulier ceux des centrales de pompage-turbinage ;
• les stocks souterrains de gaz.

Les centrales hydroélectriques dotées de réservoirs représentent en France, en 2012, 70 % de la puissance du parc hydroélectrique, mais seulement 48 % de la production^[9] ; les 52 % restants (centrales « au fil de l'eau ») ne sont pas modulables, et font partie avec les éoliennes et le solaire des énergies renouvelables à production dite « fatale » au sens où elle n'est pas maîtrisable ni modulable.

Réservoir supérieur de la centrale de Cruachan en Écosse, au premier plan ; au second plan le Loch Awe qui sert de réservoir inférieur.

Parmi les centrales dotées de réservoirs, les centrales de pompage-turbinage, dont, en France, les six principales totalisent 4 173 MW en 2012^[9], jouent un rôle crucial dans l'ajustement offre-demande en utilisant les excédents de production d'heures creuses pour pomper de l'eau de leur réservoir inférieur vers leur réservoir supérieur, créant ainsi une réserve d'énergie potentielle qui peut ensuite être utilisée pour couvrir une partie de la demande en heures de pointe.

Les stocks de gaz jouent un rôle majeur dans le fonctionnement du système gazier : ils permettent d'adapter le débit de fourniture du gaz aux variations de la demande, en particulier à ses variations saisonnières, le gaz étant utilisé . Par exemple, en France, Storengy, filiale de GDF Suez, et TIGF, filiale de Total, gèrent respectivement 13 sites (114 TWh de capacité de stockage) et 2 sites (30 TWh), soit au total 30 % des importations nettes de gaz en 2012^[6] ; 12 sites sont en nappe aquifère, 3 en cavités salines ; durant la vague de froid observée au début du mois de février 2012, les stockages ont fourni jusqu'à 60 % de l'approvisionnement national^[10].

Compensation de l'irrégularité de la production des énergies intermittentes

L'irrégularité de la production des centrales « au fil de l'eau » est depuis longtemps compensée par l'utilisation de moyens de production modulables ainsi que par les stocks des barrages hydroélectriques.

Production horaire allemande en février 2012 : jaune=solaire ; bleu=éolien ; rouge=autres

Production horaire allemande en août 2012 : jaune=solaire ; bleu=éolien ; rouge=autres

La montée en puissance de deux nouvelles catégories d'énergies renouvelables à production fatale (non modulables ni maîtrisable) : l'éolien et le solaire, a donné une dimension nouvelle aux besoins de stockage d'électricité.

Le Danemark a ainsi pu porter sa production éolienne au pourcentage record de 33 % de sa production électrique en 2013^[11] grâce à l'interconnexion de son réseau, par plusieurs câbles sous-marins, avec ceux de la Suède et de la Norvège qui, dans le cadre du marché de l'énergie scandinave Nordpool, lui permettent de vendre ses excédents éoliens en périodes ventées à ces deux pays qui réduisent alors leur production électrique, stockant de l'eau dans leurs barrages, qu'ils utilisent pour revendre de l'hydroélectricité au Danemark en période peu ventée ; l'objectif du Danemark étant de porter à 50 % en 2020 la part de l'éolien, des méthodes de maîtrise de la demande en énergie et l'utilisation des smart grids sont à l'étude pour moduler par exemple la charge des batteries des véhicules électriques ainsi que le fonctionnement des pompes à chaleur en fonction de la production éolienne^[12].

Mais d'autres pays, tels que l'Allemagne ou le Royaume-Uni, n'ont pas la chance de disposer d'un potentiel hydroélectrique significatif ; ils se sont certes équipés de centrales de pompage-turbinage (6 352 MW en Allemagne^[13] et au moins 2 828 MW au Royaume-Uni), mais les plus récentes, celles de Goldisthal en Allemagne et de Dinorwig au Royaume-Uni, datent de 2003 et 1984 ; des projets en cours sont freinés par des oppositions locales.

Les ministres responsables de l'énergie des 3 pays alpins : Allemagne, Autriche et Suisse, réunis le 5 mai 2012, ont déclaré qu'à l'avenir le développement des énergies renouvelables pour la production d'électricité ne pourrait pas se faire sans un renforcement correspondant des capacités de transport et de stockage, et que la seule technique de stockage à grande échelle actuellement disponible est celle des centrales de pompage-turbinage ; ils se sont engagés à coordonner leurs efforts pour promouvoir cette technique. Les associations professionnelles du secteur électrique des trois pays ont lancé en commun une initiative pour promouvoir le pompage-turbinage, en réclamant des gouvernements des mesures de facilitation réglementaires et fiscales. Les capacités de pompage-turbinage de l'Europe sont en 2012 de 45 GW (170 centrales), dont 75 % dans huit pays, en tête desquels figurent Allemagne, France, Espagne, Italie, Suisse et Autriche ; d'ici 2020 sont prévus environ 60 projets pour 27 GW, surtout en Espagne et dans les trois pays alpins qui prévoient d'ajouter à leurs 12,5 GW actuels (6,5 GW en Allemagne, 4,3 GW en Autriche et 1,7 GW en Suisse) 11 GW supplémentaires d'ici 2020 (4 GW en Allemagne, 3,5 GW en Autriche et 3,5 GW en Suisse)^[14],[15].

De nombreux projets très divers sont à l'étude, en particulier pour le stockage d'hydrogène, ou encore l'utilisation des batteries des véhicules électriques pour stocker les excédents éoliens ou solaires en modulant leur recharge grâce aux smart grids, dans la lignée des idées de troisième révolution industrielle lancées par Jeremy Rifkin.

D'autres approches consistent à réguler les appareils à forte consommation (chauffage électrique, eau chaude et système de réfrigération par exemple) pour correspondre aux prévisions de production et éviter les irrégularités de consommation comme les pics du soir en hiver (cf effacement de consommation électrique) ; cependant, une partie de la consommation ne peut être déplacée (ascenseurs, éclairage, cuisson des aliments, TV, ordinateurs sans onduleurs ni batteries, etc) et le délai de déplacement est limité à quelques heures : il n'est pas possible d'arrêter le chauffage pendant plusieurs jours sans vent ou sans soleil.

Efficacité énergétique d'un stockage d'énergie

Sauf pour les moyens naturels de stockage d'énergie ambiante, comme la lumière solaire dans la biomasse, le vent ou la pluie, le stockage d'énergie est associé à l'opération inverse : l'opération consistant à récupérer l'énergie stockée (le déstockage d'énergie). Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle de stockage. À la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement "vide") ; on a alors régénéré le stockage.

L'efficacité énergétique d'un cycle correspond au rapport entre la quantité d'énergie récupérée sur la quantité d'énergie que l'on a cherché initialement à stocker. Ce rapport est généralement inférieur à 1, sauf pour les moyens naturels de stockage d'énergie ambiante où il peut être considéré comme infini (division par zéro), puisque personne ne fournit l'énergie à stocker, qui est de fait gratuite.

L'efficacité énergétique d'un cycle de stockage d'énergie dépend énormément de la nature du stockage et des systèmes physiques mis en œuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage.

Dans tous les cas, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d'énergie ou de matière : une partie de l'énergie initiale n'est pas réellement stockée et une partie de l'énergie stockée n'est pas réellement récupérée. Mais pour de l'énergie ambiante naturelle, ces pertes influent surtout sur l'amortissement économique des investissements éventuellement nécessaires : la lumière du soleil arrive même si l'humain ne la capte pas.

Les grandes formes de stockage

Le stockage est directement lié à l'usage qu'on fait de l'énergie.

Stockage de combustible 

La combustion restant le processus énergétique le plus courant, c'est le stockage le plus développé. Tous les États disposent de stocks stratégiques de pétrole et/ou charbon, mais même en excluant ces éléments fossiles, il faut rappeler l'importance pratique du bois-énergie, dont on fait des stocks pour l'hiver, et le développement des agrocarburants.

Stockage électrochimique 

À plus faible échelle, le stockage d'énergie en vue de la production d'électricité (électrochimique dans les piles et les batteries, électrique dans les condensateurs ou « supercondensateurs ») est bien moindre en termes de quantité d'énergie, mais très important sur le plan pratique. De nouvelles approches (ex : la Troisième révolution industrielle de J. Rifkin) et/ou de nouvelles batteries bénéficiant des progrès des nanotechnologies et associées à un système "intelligent" de gestion de l'énergie, permettent de doper le stockage d'électricité intermittente (solaire, éolienne)^[16],[17], pour stocker et autoconsommer jusqu'à plus de 75 % de la production d’électricité photovoltaïque d'une maison équipée de modules photovoltaïques^[17]. En 2015, NaWa Technologies conçoit des projets de super-condensateurs n'utilisant que du carbone et de l'aluminium, sans matériaux rares et/ou très toxiques habituellement utilisés par les batteries et annonce des temps de recharge 1 000 fois plus cours que pour une batterie classique, avec des millions de cycles possibles et, en 2015, cinq fois plus d'énergie stockée par volume. Reste à diminuer les coûts encore prohibitifs de ces super-condensateurs^[1]. Nanomakers, une start-up issue du CEA cherche à améliorer la densité des anodes en utilisant une nanopoudre de carbure de silicium au lieu du graphite pour rendre les batteries lithium-ion environ « dix fois plus performantes » (pour fin 2017 selon l'entreprise)^[1]

Stockage de calories 

Le stockage de calories dans un système thermodynamique permet par exemple déjà (2015) de décaler (de 4 ou 5 heures) le pic de consommation ; les cumulus d'eau chaude de France (3 GW de puissance) constituent ainsi une réserve de 28 TWh, ce qui correspond à 10 % de l'ensemble des consommations énergétique des bâtiments du pays^[1].
Au-delà de cette fonction du cumulus, des habitations de grande inertie thermique (murs épais, bonne isolation) permettent de lisser et diminuer les besoins de chauffage et de rafraîchissement, permettant des économies directes^[18].
Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) peuvent aussi dans les bâtiments accumuler de l'énergie solaire thermique de chauffe-eau solaires individuels (CESI). Les MCP permettent de lisser la production d'énergie (gratuite) fournie par le Soleil et d'augmenter la capacité de stockage grâce à leur grande densité énergétique volumique. La société Kaplan Energy a été le premier fabricant à équiper ses CESI et SSC (Système solaire combiné) de batteries solaires thermiques constituées de MCP.
À l'échelle industrielle, on peut stocker la chaleur solaire dans des réservoirs (des heures de jour vers les heures de nuit), et/ou comme intermédiaire avant la production d'électricité, pour lisser l'apport solaire ; ce type d'usage est encore marginal en volume mais c'est une voie intéressante dans le cadre d'une production électrique par une centrale solaire thermodynamique.

Stockage mécanique 

C'est un élément pratiquement obligatoire dans tous les moteurs, sous forme de volant d'inertie, pour réguler le mouvement à des échelles de temps très courtes, inférieures à la seconde. Il n'est pratiquement pas utilisé pour le stockage à long terme, car les quantités d'énergie stockées sont très faibles (ainsi une automobile d'une tonne lancée à 150 km/h ne représente que 860 kJ, soit moins de 1/4 kWh !), mais a été utilisé en Formule 1 pour un gain ponctuel mais instantané de puissance^[19].

Stockage sous forme d'énergie potentielle de pesanteur 

La remontée d'eau dans des barrages quand il y a surproduction d'électricité est déjà très utilisée pour la régulation et l'équilibrage des réseaux électriques (systèmes de pompage-turbinage). Son utilisation est envisagée par certains experts pour compenser l'irrégularité de la production des énergies éolienne et solaire^[20].

Stockage sous forme d'énergie chimique

Cette forme de stockage est, de loin, celle qui est la plus répandue, mais pas la plus importante en termes de MWh.

Énergie chimique de la biomasse issue de l'énergie solaire

La production de molécules riches en énergie issues de l'énergie solaire (photosynthèse) et facilement utilisables est à la base de la vie. L'homme récupère cette énergie stockée naturellement sous diverses formes, toutes combustibles :

• le bois avec des durées de renouvellement de dizaines d'années ;
• les huiles telles que colza, maïs, etc. avec un rythme annuel^[21];
• les sucres et amidon permettant de produire du bioéthanol (rythme annuel);
• le charbon, le pétrole et les gaz pétroliers, avec des durées de renouvellement de centaines de millions d'années (donc non renouvelables à l'échelle d'une vie humaine), selon la théorie de la formation du pétrole la plus commune qui fait provenir le pétrole de l'agrégation et de la transformation de biomasse ancienne enterrée et transformée par des processus complexes souterrains.

Les productions et le stockage d'énergie sous forme de biomasse nécessitent plusieurs mois, et sont d'une efficacité énergétique faible (la photosynthèse ne récupère qu'environ 1 % de l'énergie solaire disponible), mais ils sont renouvelables.

La création des stocks de charbon, de pétrole ou de gaz pétrolier a été encore moins efficace, et n'est plus réalisée actuellement selon nos connaissances. Il s'agit donc d'un stock non renouvelable, fabriqué à partir de l'énergie solaire moins efficacement encore que la biomasse renouvelable.

L'usage des dérivés pétroliers et de la biomasse comme carburant ne tire pas profit des intéressantes propriétés des molécules produites par les êtres vivants. Pour la biomasse renouvelable, se pose le problème de la concurrence avec la production alimentaire.

Pour toutes ces raisons, la biomasse est un mode de stockage qui n'a pas encore atteint toute sa maturité.

Potentiel électrochimique

La batterie d'accumulateurs est le mode le plus courant de stockage d'électricité, sous forme chimique

L'électricité est une énergie secondaire et un vecteur d'énergie ; c'est-à-dire qu'elle résulte de la transformation d'énergie primaire. Une fois produite elle est instantanément consommée ou perdue. Elle n'est pas directement stockable (sauf dans un condensateur), et doit donc être convertie en une autre forme d'énergie pour être stockée.

Le stockage de grandes quantités d'électricité avec des accumulateurs électrochimiques géants n'a jamais été réalisé. Les accumulateurs électrochimiques sont généralement lourds, chers, ont une durée de vie limitée et posent des problèmes de pollution (acides et métaux lourds) lors de leur fin de vie, et même parfois des risques d'incendie voire d'explosion lorsqu'on les sort de leurs conditions normales d'utilisation.

Par contre, de nombreux systèmes domestiques déconnectés du réseau de distribution d'électricité sont basés sur l'utilisation de batterie d'accumulateurs ou de piles. En pratique, elles sont utiles pour les petits appareils électroménagers ou les appareils électroniques embarqués (par exemple sur un bateau). Les batteries au lithium sont massivement utilisées pour les applications portables électroniques, à plus de 95 % pour les téléphones, les ordinateurs portables et les caméscopes / appareils photo, avec 1,15 milliards de batteries au lithium mises sur le marché en 2003^[22].

Récemment un regain d'intérêt pour les véhicules produisant peu ou pas de gaz polluants a relancé la création de véhicules électriques : vélos et automobiles fonctionnant complètement grâce à ce type d'énergie ou de manière hybride (électricité en complément d'énergie fossile). On s'oriente aujourd'hui vers des batteries au lithium, solutions LiPo et surtout LMP^[22].

Les condensateurs de moyenne et grosse capacité, dits « condensateurs chimiques » et les « SuperCap » sont une autre utilisation des couples électrochimiques pour stocker de l'énergie. Leur utilisation est très courante dans les appareils et machines électriques avec ou sans électronique embarquée.

La compagnie canadienne Hydro-Québec a créé à Lacq avec la région Aquitaine une filiale, Aquitaine Energy Factories, pour construire une usine produisant des batteries à base de lithium-fer-phosphate (LFP) et utilisant des nanoparticules ; les matériaux sont disponibles en abondance et à faible coût, et ces batteries ont une capacité de stockage d'énergie dix fois supérieure aux batteries lithium-ion ; elles peuvent supporter 30 000 cycles de rechargements, contre 1 000 pour des batteries lithium-ion, et leur durée de vie est de dix ans, contre trois ans pour les batteries lithium-ion. Avec cette technologie, d'ici à cinq ans, une voiture électrique pourrait rouler 500 km en totale autonomie. L'objectif est de produire cinq millions de cellules de batteries par mois, ce qui va diviser leur prix par trois ou cinq ; la production devrait démarrer en 2017. Au total, 545 millions d'euros devraient être investis en six ans^[23]. Le Commissariat à l’énergie atomique et le groupe Arkema se sont associés au projet^[24].

Gaz

L'énergie disponible peut être utilisée pour synthétiser des gaz combustibles, à partir de molécules moins riches en énergie (ou moins pratique à utiliser). Le méthane ou l'hydrogène ou même un produit intermédiaire comme l'ammoniac, sont envisagés.

Méthane

Dans la perspective d'une transition vers des énergies renouvelables, des chercheurs de l'entreprise autrichienne Solar Fuel Technology (Salzbourg), en coopération avec l'Institut Fraunhofer de recherche sur l'énergie éolienne de Leipzig (IWES), le centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène de Stuttgart (ZSW) et l'université de Linz ont mis au point une solution de stockage de l'énergie sous forme de méthane^[25],[26]. L'énergie électrique excédentaire d'origine éolienne ou photovoltaïque est utilisée pour décomposer de l'eau en dihydrogène et dioxygène (électrolyse de l'eau), puis le dihydrogène est utilisé pour méthaniser du dioxyde de carbone (réaction de Sabatier).
L'un des principaux intérêts de ce procédé est d'utiliser les infrastructures (réservoirs et conduites de gaz) existantes, dont la capacité de stockage serait suffisante pour couvrir les besoins de méthane de l'Allemagne pendant plusieurs mois^[27], par exemple pendant les périodes où le solaire et l'éolien ne peuvent couvrir les besoins énergétiques.

Hydrogène

L'hydrogène comme carburant a été proposé comme solution dans les problèmes d'énergie. Il peut aussi être utilisé comme combustible ou pour la production d'électricité par une pile à combustible ou produit par électrolyse de l'eau pour « stocker » des énergies intermittentes (éolien, solaire) dans des zones isolées du réseau^[28]. Le stockage peut être réalisé sous plusieurs formes, qui ont toutes une faible efficacité énergétique :

• Stockage d'hydrogène gazeux :

Ce mode de stockage est le plus simple technologiquement, mais il présente des inconvénients. La plupart des matériaux sont en effet poreux vis-à-vis de l'hydrogène (phénomène de diffusion intra-atomique dû à la très faible taille du noyau d'hydrogène, il passe au travers des mailles cristallines des métaux et de la matière condensée en général), ce qui génère des pertes lors d'un stockage de longue durée. De plus, ce mode de stockage nécessite une masse et un volume de stockage importants, et une compression très coûteuse sur le plan énergétique. Néanmoins le stockage à 350 bar et à 700 bar avec des matériaux composites permet d'alimenter des flottes expérimentales de véhicules en Europe depuis 2000, notamment les autobus des projets européens Ectos, CUTE, Hyfleet Cute et bientôt CHIC^{[29],[30],[31]}.

Quatre constructeurs automobiles prévoient un lancement en série de voitures à piles à combustible en 2015 : Mercedes-Benz, Honda, Général Motors et Hyundai. La Mercedes "fuel cell" class B est en location à Oslo depuis janvier 2011^[32]. Vingt-deux stations services hydrogène mises en place en 2010 et un total de 212 dans le monde distribuent l'hydrogène à 350 et/ou 700 bars et/ou sous forme liquide^[33].

• Stockage d'hydrogène liquide :

La liquéfaction de l'hydrogène (vers −252 °C) permet de pallier partiellement le problème de volume du stockage gazeux (bien que la densité de l'hydrogène liquide ne soit que de 70 g/l) mais nécessite de refroidir l'hydrogène et de le conserver à très basse température : ce stockage est compliqué, très consommateur d'énergie, et éventuellement dangereux. Il est réservé en général au spatial, mais il est aussi utilisé pour des voitures à hydrogène liquide^[34], comme une version (non disponible à la vente) de la BMW série 7^[35].

• Stockage sous forme de composés physiques ou chimiques capables de libérer facilement le gaz, par :
  • l'utilisation de nanotubes de carbone et d'autres procédés nanotechnologiques.
  • les hydrures métalliques : magnésium^[36] et autres métaux légers (titane, aluminium…). Cette technologie arrive au stade commercial : la société McPhy Energy a signé en juin 2015 un contrat de 6,4 millions d’euros avec le propriétaire d’un parc éolien de 200 MW situé en Chine dans la province du Hebei, pour valoriser les surplus d’électricité produits au moyen de deux lignes de production et de stockage d’hydrogène, composées chacune d’un électrolyseur de 2 MW et d’une unité de stockage d’hydrogène solide transportable^[37].
  • l'acide formique qui par un procédé utilisant du fer comme catalyseur se décompose en dihydrogène et en dioxyde de carbone^[38]. Cette voie catalytique permet d'après ces travaux d'obtenir 53 grammes d'hydrogène pur par litre d'acide formique aux conditions normales de température et de pression, contre 28 grammes pour de l'hydrogène comprimé à 350 bars.

Une alternative prometteuse est d'introduire (en une sorte de stockage diffusif) de l'hydrogène dans le réseau public de gaz naturel qui peut en recevoir sans aucun problème jusqu'à 5 %. Cette solution sera expérimentée en 2013 (360 m³ d'H2 injectée par heure) par le groupe E.ON dans le nord-est de l'Allemagne (à Falkenhagen via une installation pilote^[39]). En portant la proportion de 5 à 15 %, ce qui semble techniquement faisable, « la totalité de la production actuelle (2011) d'électricité d'origine renouvelable pourrait être stockée dans le réseau gazier allemand »^[39].

Stockage sous forme d’énergie mécanique

Stockage sous forme d’énergie potentielle

L'énergie est stockée sous forme d'un fluide (eau ou air comprimé) ou de masses solides. La compression de l'air implique de gérer son échauffement en compression, et son refroidissement à la détente, mais combiné à une pompe à chaleur, le procédé peut alors être source de calories et de frigories. Le stockage en bouteille revient en 2015 à 200 €/kWh, coût presque compétitif selon la société Airthium^[1]. Le stockage géologique d'air comprimé (dans d'anciennes carrières de sel, pour des immeubles ou entreprises) ferait chuter ce coût à 50 €/kWh de capacité, selon un projet qui pourrait voir le jour en 2017^[1].

Stockage hydraulique

Les barrages hydrauliques constituent des réserves d'eau qui en tombant dans des conduites, actionnent des turbines fournissant l'énergie mécanique aux générateurs d'électricité.

Une optimisation du système consiste à réutiliser l'eau conservée ou issue d'un fleuve au pied de la centrale hydroélectrique. Le stockage par pompage-turbinage (également appelé STEP : Station de Transfert d'Énergie par Pompage) est utilisé pour "lisser" la courbe de charge quotidienne (c'est-à-dire le besoin en électricité) : de l'eau est pompée et remontée vers les barrages d'altitude quand la demande sur le réseau est faible (pendant les heures creuses, la nuit et le week-end par exemple), en utilisant la production excédentaire de sources d'énergie non ajustables (Hydroélectricité au fil de l'eau, solaire, éolien…) ou peu ajustables (nucléaire) ; pendant les pics de consommation, cette eau redescend sous pression et produit à nouveau de l'électricité. L'article Liste de centrales de pompage-turbinage inventorie une cinquantaine de centrales de pompage-turbinage de plus de 1 000 MW, la plus puissante, la centrale de Bath County aux États-Unis, atteignant 3 003 MW, et la plus puissante d'Europe, celle de Grand'Maison, 1 800 MW ; s'y ajoutent 14 centrales de plus de 1 000 MW en cours de construction ; 20 centrales européennes de puissance plus modeste sont également mentionnées, dont 12 dépassent 500 MW.

Ce dispositif électromécanique réversible, qui produit de l'électricité en turbinage et en consomme pour remonter de l'eau par pompage, a une assez bonne efficacité énergétique (de l'ordre de 80 %^[40] aux bornes de l'usine, en tenant compte des pertes de charge dans la conduite, des pertes des moteurs/alternateurs, des pompes/turbines et des transformateurs). Cependant, relativement peu de lieux conviennent : dotés des barrages de stockage de taille suffisante et avec un grand dénivelé entre les barrages/réserves d'eau inférieur et supérieur.

On utilise aussi une variante de ce dispositif dans la centrale marémotrice de la Rance (en France) : à marée haute, on ne se contente pas de stocker passivement l'eau, on pompe aussi pendant les heures creuses pour augmenter la réserve, cette eau sera relâchée avantageusement à marée basse (on monte l'eau de quelques mètres, par contre on utilise son potentiel de chute sur une dizaine de mètres de plus).

Une autre variante consiste à installer une centrale en bord de mer (STEP marine), au pied d'une falaise sur laquelle est aménagé un réservoir dans lequel l'eau de mer est pompée pendant les périodes de vent fort ou de faible demande, eau qui sera turbinée pendant les périodes de faible vent ou de demande élevée. Une telle centrale existe dans l'île japonaise d'Okinawa^[41], et de nombreux projets sont en cours d'évaluation, par exemple en France pour les DOM et sur les côtes de la Manche et en Bretagne^[42]. Un projet détaillé a été réalisé par l'INP-ENSEEIHT, école publique d'ingénieurs faisant partie de l'Institut National Polytechnique de Toulouse ; il conclut à la faisabilité technique du projet, à son impact environnemental réduit mais à son absence de rentabilité dans les conditions actuelles, conclusion qui pourrait cependant changer avec le coût croissant des contraintes causées par l'intégration dans le réseau de la production des éoliennes^[43].

Masses solides

Il est théoriquement possible de stocker de l'énergie potentielle de pesanteur sous forme de masses solides dont la position peut varier selon un gradient de hauteur. Les différences de hauteur peuvent être exploitées le long d'un relief escarpé comme des falaises, dans des puits de mines désaffectés par exemple ou en mer, en exploitant la différence de hauteur entre la surface et le fond de la mer.
Un treuil peut alors être utilisé pour monter ou descendre les masses une à une. Ce treuil est relié à une machine électrique tournante fonctionnant en mode moteur pour remonter les masses (stockage, consommation d'électricité) ou en mode générateur en descendant les masses (déstockage, production d'électricité). La société Sink Float Solutions propose un dispositif maritime permettant de maintenir les masses en surface lorsqu'elles sont en position haute et ainsi exploiter des différences de hauteur de plusieurs milliers de mètres tout en multipliant le nombre des masses et ainsi réduire le coût d'investissement d'un tel dispositif de stockage. Un document technique publié sur son site prétend démontrer qu'il est ainsi possible, sans barrières technologiques, de stocker de l'énergie électrique pour un investissement inférieur à 10 €/kWh avec une efficacité énergétique globale supérieure à 80 % et ainsi réduire considérablement le coût du stockage par rapport à une station de pompage turbinage^{[44][réf. à confirmer]}. Dans le cas de ce dispositif, les masses comprennent une cavité remplie d'air dont le volume pourra se remplir d'eau au fur et à mesure que ces masses descendront et que la pression correspondante comprimera l'air qu'elles contiennent.

Barge de stockage d'énergie avec un lest auto flottant

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Air comprimé (ou CAES pour « Compressed air energy storage »)

CAES (Compress Air Energy Storage) sous-marin.

L'air comprimé peut être utilisé pour produire un travail mécanique. Quand il y a une forte demande d'électricité, on utilise l'air qui a été précédemment comprimé et stocké pour mettre en mouvement une turbine qui grâce à un alternateur produit de l'électricité. Un des avantages de la solution est de ne générer que peu de risques (pas ou peu de produits toxiques, métaux rares, etc.) et de n'avoir aucune contrainte géographique (solution décentralisée) ni d'échelle dés lors qu'une source d'électricité est disponible.

Diverses solutions sont testées ou explorées, pour stocker l'énergie intermittente des sources renouvelables :

• des installations de compression et décompression par une turbine ont été mises en place ou sont en projet à McIntosh dans l'Alabama (États-Unis)^[45], dans l'Iowa^[46] bien que l'efficacité énergétique ne soit que d'environ 40 %. La médiocre efficacité énergétique est due au fait que la compression échauffe le gaz (sauf à récupérer ces calories (cogénération air comprimé + chaleur)^[47].
• la société Enairys développe des systèmes à petite échelle ;
• les sociétés RWE (projet ADELE)^[48],[49] travaillent à des solutions à plus grande échelle avec SustainX qui régule la température de l'air lors de la compression en y injectant une mousse ayant vocation à limiter la hausse de température à 50 °C^[50] ;
• des cavernes souterraines, catiches, d'anciennes mines ou d'anciennes carrières réaménagées pourraient être des lieux de stockage selon une étude de 2013 de l'IFP Énergies nouvelles^[51] ;
• une variante du système précédent qui consiste à stocker l’air comprimé dans un réservoir sous-marin profond (1000 à 2 000 m), est en développement au Royaume-Uni avec le soutien du producteur d’électricité E.ON^[52] ;
• pour l'automobile, « l'Hybrid Air»^[53] en cours de test chez Peugeot et Citroen est un alternative à l'hybride classique avec batterie. Elle utilise un accumulateur oléo-pneumatique (hydro-pneumatique) à base d'azote ;
• une solution dite « air comprimé isotherme »^[54] ou « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage » (ou AA-CAES), adiabatique, c'est-à-dire sans échanges de chaleur entre le système de compression/décompression et le milieu extérieur, est testée aux États-Unis (système « Air4Power » développée par LightSail Energy, une start-up californienne), en Allemagne^[55] (3 fois moins chère selon LightSail Energy par rapport aux batteries disponibles en 2015). Cette technologie pourrait bientôt être développée en France par le groupe AIA^[56] qui veut tester (de l'échelle industrielle à celle d’un mobilier urbain « autonome ») la solution "Air4Power". Ce principe utilise un compresseur adiabatique qui comprime de l’air grâce à une électricité d'origine renouvelable, tout en captant les calories émises par la compression (en vaporisant de l'eau) et en les stockant dans un second réservoir thermiquement isolé. Ces calories sont ensuite utilisées pour réchauffer le gaz au moment de la décompression de l'air (qui produit du froid)^[57], ce qui d’après LightSail Energy permet de porter l’efficacité thermique du procédé à 85-90 % grâce à des pertes très limitées. La décompression de l'air peut aussi générer une énergie mécanique (cogénération) utilisable dans la ville ou le bâtiment ; l'énergie emmagasinée pourrait être restituée « sous quatre formes, électricité, chaleur, froid et air, en fonction des besoins des occupants du bâtiment et de leurs activités »^[54], éventuellement combinée à une pompe à chaleur pour par exemple, refroidir un datacenter ou des panneaux photovoltaïque ou réchauffer une piscine.
  AIA a breveté fin 2014 Air4power, une solution de stockage des énergies renouvelables à l'échelle d'un bâtiment et a annoncé en 2015 vouloir créer une société "Air4Power" pour la décliner sous 5 formes et échelles : centrale photovoltaïque ou éolienne, fermes agro-énergétiques, immeubles producteurs d'énergie, maisons individuelles non reliées au réseau, le mobilier urbain autonome^[57]. Des solutions clés en main, (en containers standards) pourraient être livrées aux industriels ou être installées dans les colonnes montantes, planchers alvéolaires, sous-sols de bâtiments, voire dans des cavités souterraines pour les grandes installations^[57]. Ce projet est labellisé par le pôle de compétitivité S2E2 (Smart Electricity Cluster)^[58] et Novabuild ^[59] et soutenu par l'Ademe ^[60],[57] ; sa première étape sera la réalisation d'un « démonstrateur » numérique de validation du modèle économique, puis un démonstrateur physique sera instrumenté et testé durant un an^[54].
  En 1995, Airthium annonce aussi en France un compresseur à 350 bars, de la taille d'une boite à chaussure, mais pouvant encore être miniaturisé, et au rendement dépassant 70 %^[57], projet porté par Andrei Klochko (X 2007) et le Laboratoire de physique des plasmas (LPP) de l’École polytechnique, qui a reçu le prix Gérondeau/Zodiac Aérospace.

Stockage sous forme d’énergie cinétique

Stockage par volant d'inertie

Système de récupération d'énergie cinétique au freinage ("Flybrid Systems") (pour une Formule 1 dans ce cas), par volant d'inertie

L'énergie est stockée sous forme d'énergie cinétique par la rotation d'un ou plusieurs disque(s) lourd(s), éventuellement assemblés en un système contrarotatif pour limiter les effets gyroscopiques.

Pour accumuler l'énergie, le disque est accéléré (par un moteur ou un flux de liquide ou gaz). Pour récupérer l'énergie accumulée, on freine le disque qui en ralentissant libère l'énergie. En pratique, dans le cas de stockage d'énergie électrique, le générateur peut être le moteur (le même engin électrique peut faire office de moteur ou de frein/générateur).

Le frottement doit être minimal pour éviter les déperditions. C'est possible en plaçant le volant dans le vide et sur des paliers à lévitation magnétique, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux assez résistants pour résister à l'éclatement et éviter les effets explosifs d'une panne du système, au cours de laquelle l'énergie cinétique de rotation serait convertie en énergie cinétique de translation (autrement dit, le disque se transformerait en projectile…)

En pratique, ce type de stockage est d'un usage très courant mais il se limite principalement aux volants d'inertie au sein des moteurs et des appareils de production d'énergie ; ils y opèrent un lissage à très court terme pour régulariser la fourniture d'énergie. C'est notamment le cas de tous les moteurs thermiques, surtout des moteurs turbo Diesel dont les à-coups sont importants.

Il y a déjà plusieurs décennies, des autobus urbains (Trolleybus) ont fonctionné avec un volant d'inertie disposé à plat sous le plancher, tels les Gyrobus qui ont circulé dans les années soixante dans plusieurs villes belges. Ce système permettait de faire plusieurs kilomètres sans pollution et en silence avant une "recharge", qui s'effectuait en quelques minutes lors des arrêts, dans des stations équipées à cet effet. À l'époque, la relance de l'unique gros disque se faisait par un système pneumatique ou par un moteur électrique disposé dans la chaussée. La complexité technique de cette solution (la taille, le poids de l'équipement, des problèmes d’usure du volant, la complexité d'utilisation et l'effet gyroscopique qui déséquilibrait les véhicules) associé à un faible intérêt économique ont stoppé son utilisation au début des années 1960.

L'évolution technique remet ce système au goût du jour. L'utilisation de deux disques contra-rotatifs plus légers, tournant à très grande vitesse grâce à de nouveaux matériaux plus résistants, et lancés par un moteur électrique intégré, permet une nette amélioration du rapport poids à vide / charge utile. Ceci permet également une utilisation dans les villes en pente, où le poids est encore plus pénalisant.
Plusieurs constructeurs travaillent ainsi sur l'application du volant d’inertie aux transports en commun, notamment Alstom pour ses tramways^[61] qui expérimente cette technique sur le réseau de Rotterdam depuis 2005.

Des applications dans le domaine ferroviaire ont également été tentées. Des volants d'inertie sont aussi utilisés depuis 2009 sur des voitures de Formule 1 (système SREC) et sur certaines voitures de sport pour récupérer l'énergie cinétique lors des freinages (freinage régénératif).
L'efficacité énergétique de ce système, appelé parfois « batterie mécanique », est supérieure à celle permise par l'utilisation d'accumulateurs chimiques.

Cette technologie est aussi utilisée dans des alimentations sans interruptions statiques (ASI) et dynamiques (ADI) (Uninterruptible Power Supply en anglais) permettant de pallier la rupture de l'alimentation électrique pendant plusieurs secondes et de permettre d'attendre le démarrage d'un groupe de secours.

Stockage de l'énergie thermique

Le stockage de chaleur peut être réalisé à travers deux phénomènes différents associés aux matériaux qui assurent le stockage. On parle alors de stockage par chaleur sensible et de stockage par chaleur latente.

Le stockage par chaleur sensible

stockage thermique à Krems en Autriche, 50 000 m³ d'eau, 2 GWh

Dans le stockage par chaleur sensible, l'énergie est stockée sous la forme d'une élévation de température du matériau de stockage. La quantité d'énergie stockée est alors directement proportionnelle au volume, à l'élévation de température et à la capacité thermique du matériau de stockage. Ce type de stockage n'est limité que par la différence de température disponible et celle supportée par le matériau ou son conteneur, par les déperditions thermiques du stockage (liée à son isolation thermique) et par l'éventuel changement d'état (ou « changement de phase »^[62]) que peut être amené à subir le matériau servant au stockage (fusion ou vaporisation).

Quelques exemples de stockage de chaleur sensible :

• Dans les systèmes de chauffage domestiques, on utilise parfois la grande inertie thermique de certains matériaux (briques, huile) pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours des périodes où la chaleur a été produite ou captée. Mais le plus souvent, le stockage est assuré par un ballon d'eau chaude isolé. Il est aussi possible de stocker de l'eau chaude l'été pour l'hiver avec un dimensionnement correct du réservoir^[63], même si le climat est froid.
• Dans les fours à feu de bois, en brique et terre réfractaire, la capacité de la voûte du four à emmagasiner la chaleur est utilisée pour la cuisson d'objets (poterie, émaux, etc.) ou de plats (pain, pizza, etc.).
• Le stockage de l'énergie excédentaire produite par les centrales solaires^[64] le jour, afin d'être utilisée le soir et la nuit (exemple : chauffage urbain de la ville de Krems sur le Danube, voir photo). Cette technique est utilisée dans des centrales solaires thermiques, telles les trois centrales d'Andasol en Espagne qui peuvent stocker chacune 350 MWh dans des réservoirs de sels chauffés à 390 °C.
• On peut aussi citer l'utilisation à la fin du XIX^e siècle des locomotives Francq sans foyer et à eau surchauffée. Un réservoir d'eau de 3 m³ chauffée à 180 °C constituait la source principale d'énergie et permettait de tracter plusieurs wagons de tramway et leurs voyageurs sur des trajets de plus de 10 km.

Le stockage par chaleur latente

Dans le stockage par chaleur latente, l'énergie est stockée sous la forme d'un changement d'état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation). L'énergie stockée dépend alors de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage qui change d'état. Contrairement au stockage sensible, ce type de stockage peut être efficace pour des différences de températures très faibles. Dans le cas des changements de phase solide/liquide ou liquide/vapeur, et pour une quantité d'énergie stockée et un matériau de stockage donnés, le stockage par chaleur latente nécessite moins de volume que le stockage par chaleur sensible du fait que la chaleur latente est généralement beaucoup plus élevée que la capacité calorifique.

Ces deux types de stockage peuvent être utilisés pour stocker du froid.

Quelques exemples de stockage de chaleur latente :

• Des matériaux à changement de phase (MCP) sont actuellement étudiés pour améliorer l'inertie thermique des parois des bâtiments.
• Des matériaux à changement de phase (solide/liquide) encapsulés dans une cuve de stockage permettent de stocker de l'énergie sous forme de chaleur latente, la nuit par exemple, durant laquelle l'électricité est moins chère, et permet ensuite de restituer cette énergie la journée. Dans le cas de la climatisation et de la réfrigération, le MCP utilisé peut être de l'eau ou de la paraffine. Cette technologie permet également de réduire la puissance installée, car elle permet de faire fonctionner le système de production de froid à sa puissance nominale, et non pas de façon aléatoire (dû à la forte demande ou à aucune demande).
• Les pompes à chaleur, notamment les réfrigérateurs, congélateurs et climatiseurs, utilisent des fluides caloporteurs. Ceux-ci ne stockent pas à proprement parler de chaleur mais la transporte en changeant, éventuellement sa nature (chaud ↔ froid) et sa puissance^[65].

Autres

Stockage magnétique supraconducteur

Le stockage magnétique à supraconducteur est appelé aussi SMES pour "en:Superconducting magnetic energy storage" (Stockage d'énergie magnétique par bobine supraconductrice). Le SMES permet de disposer quasiment instantanément d'une grande quantité d'électricité, mais il ne pourra se généraliser tant que l'on n'arrivera pas à produire des aimants supraconducteurs performants, durables et moins coûteux. Il permet aujourd'hui, encore expérimentalement, de stocker de l'énergie sous la forme d'un champ magnétique créé par la circulation d'un courant continu de très haute intensité dans un anneau supraconducteur refroidi sous sa température critique de transition vers l'état supraconducteur^[66]. Le champ magnétique est généré par la circulation d’un courant électrique dans une bobine constituée d'un matériau supraconducteur et court-circuitée qui devait être refroidie à 4 K, soit −269 °C dans les premiers modèles, mais à Grenoble, l’Institut Néel et le G2Elab ont réussi à faire fonctionner des SMES à une température de −253,15 °C, rendant le refroidissement moins difficile, et le système plus léger et performant. Il suffit de connecter la bobine au réseau pour la décharger.
Pour l'instant, le coût des équipements (et l'énergie requise pour la réfrigération) réservent ce type de stockage à des applications de hautes technologies, civiles ou militaires (lanceur électromagnétique…)^[67].

Aspects économiques

Le stockage d'énergie est en concurrence avec deux autres catégories de moyens de régulation de l'équilibre offre-demande :

• la maîtrise de la demande en énergie (demand management en anglais) : effacement de consommation électrique, smart grids, domotique, gestion technique de bâtiment, etc
• l'utilisation de moyens de production modulables : pour l'essentiel, centrales hydroélectriques à réservoirs, centrales à gaz.

Le choix entre ces divers moyens se fait pour l'essentiel sur la base du bilan économique coûts/bénéfices, qui peut être infléchi par une fiscalité écologique visant à intégrer dans les coûts les externalités des solutions dont l'impact sur la santé ou sur l'environnement est jugé dommageable.

Le rapport ETP 2014 de l'Agence internationale de l'énergie publié en mai 2014 étudie trois scénarios possibles d'évolution des systèmes énergétiques jusqu'en 2050 ; il note que le pompage-turbinage représente actuellement 99 % des applications de stockage de l'électricité, que les nombreuses autres technologies testées n'ont jamais atteint la taille industrielle ; que la valeur de la flexibilité apportée par les technologies de stockage va s'apprécier avec la progression de la part des énergies renouvelables à production irrégulière, mais estime que cela ne suffira pas à les rendre compétitives avec les autres moyens de régulation ; elles continueront à se développer pour les applications de réglage de la fréquence, de suivi de la charge et pour les systèmes isolés du réseau, mais sur les autres marchés, ne seront développées qu'après que les autres technologies à moindre coût aient été maximisées^[68].

Coût du stockage d'énergie

Un inventaire des solutions de stockage et de leur coût a été publié par L'ADEME et ENEA Consulting en octobre 2013^[69]. Ce rapport présente le stockage chimique plomb acide comme la solution de stockage massifiable ayant le coût d'investissement (100 €/kWh) le plus faible. Le stockage par pompage/turbinage n'est pas massifiable car des contraintes topographiques limitent son potentiel de développement. Il peut dans certains cas être plus avantageux en termes de coûts. La station de pompage turbinage de Bath County illustre ce fait^[70]: d'un coût de 1,6 Milliards de dollars en 1985 elle offre une capacité de 30 GWh, ce qui correspond à un investissement de 54 USD/kWh). En revanche, des projets autorisent un développement sans contraintes topographiques sont envisagés en mer. C'est le cas d'un projet d'îlot énergétique de 2,5 km de diamètre au large de la côte belge dont la capacité de stockage est de 5 000 MWh^[71]. Néanmoins, avec un coût de 1,2 milliards d'euros^[72], cela correspond à un investissement de 240 €/kWh.

Des solutions de stockage à bas coût peuvent être envisagées. Il est par exemple possible, en théorie, de réduire le coût unitaire d'une station de pompage/turbinage maritime circulaire en augmentant sa taille, pour peu que la profondeur moyenne reste constante. Par exemple, en multipliant le diamètre (et donc le coût) du projet belge par 10, on multiplie la capacité de stockage par 100. Le coût unitaire est ainsi divisé par 10 (25 €/kWh de capacité). Pour être rentable, un tel projet nécessiterait un besoin de capacité de stockage bien plus important que celui existant en Belgique actuellement^[73]. Dans le même ordre d'idée, il est théoriquement possible d'utiliser la Manche comme réservoir aval de stockage en construisant deux digues, l'une entre Calais et Douvres et l'autre entre Cherbourg et Portsmouth. L'investissement nécessaire est estimé à 200 milliards d'euros pour 8 TWh de capacité^{[74][réf. à confirmer]}, ce qui correspondrait à un investissement de 20 €/kWh. Un tel projet nécessiterait de construire des écluses de grande capacité afin de ne pas interrompre le trafic maritime. Il permettrait de relier le Royaume Uni au continent par deux voies routières.
D'autres mégaprojets à bas coût unitaire existent, notamment l'exploitation de la dépression de Qattara comme station de pompage turbinage. La dépression pourrait être remplie d'eau en creusant un tunnel de 80 km la reliant à la mer Méditerranée. La construction d'un barrage au niveau du goulot d'étranglement topographique de la dépression permettrait de créer un réservoir amont et aval de tailles à peu près égales, avec un dénivelé de 25 mètres. Il serait en théorie possible de stocker 3 TWh pour un investissement de 20 milliards d'euros (7 €/kWh)^{[75][réf. à confirmer]}.

Coût des batteries

Selon une étude menée par les chercheurs du Stockholm Environment Institute, publiée dans Nature Climate Change, les prix des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques ont baissé, entre 2007 et 2014, au rythme de 14 % par an, passant de 1 000 $/kWh (880 €/kWh) à environ 410 $/kWh (360 €/kWh). L'Agence internationale de l'énergie (AIE), dans ses projections, prédisait qu'un tel niveau ne serait atteint qu'en 2020. L'agence Bloomberg calcule que dès que le prix de l'essence sera revenu à son niveau de 2011, les véhicules électriques commenceront à être compétitifs avec les motorisations classiques aux États-Unis. Ces batteries sont aussi utilisées pour stocker l'électricité photovoltaïque^[76].

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• B Mufron (2003) Stocker l'électricité : Oui, c'est indispensable, et c'est possible! pourquoi, où, comment (travail réalisé au sein du club industriel énergies alternatives avec Écrin dans le cadre du débat national sur les énergies) ; ENSCA de Bretagne, PDF, 29 pages
• Bal J.L & Philibert C (2013) Les caractéristiques des énergies intermittentes électriques sont-elles problématiques? Les particularités techniques du solaire et de l'éolien. Responsabilité et environnement, (1), 8-15 (résumé).
• Muhon B (2003) Stocker l’électricité: Oui, c’est indispensable, et c’est possible! pourquoi, où, comment.
• Multon, B., & Peter, J. M. (1996). Le stockage de l'énergie électrique. Moyens et applications. revue 3EI, pp-59.
• Multon, B., Robin, G., Erambert, E., & Ahmed, H. B. (2004). Stockage de l'énergie dans les applications stationnaires ; In Colloque Energie électrique: besoins, enjeux, technologies et applications 2004 (pp. pp-64).
• Multon, B., & Ahmed, H. B. (2007). Le stockage stationnaire d'énergie électrique: pourquoi et comment?. revue 3EI, pp-6.

Articles connexes

Lien externe

• Est-ce facile de stocker l'énergie ? par Jean-Marc Jancovici

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