Connaissances sur le stockage de l'énergie | Quels sont les différents types de technologies de stockage de l'énergie ?

Avec la proportion croissante de énergie renouvelable Avec des sources d'énergie comme l'éolien et le solaire, l'approvisionnement en électricité n'est plus aussi stable et contrôlable que celui des centrales thermiques traditionnelles. Lors des pics de production solaire en journée, l'offre peut dépasser la demande, tandis que la nuit, lorsque la production éolienne chute brutalement, l'offre peut s'avérer insuffisante.

Dans ce contexte, le stockage d'énergie joue le rôle de « gestionnaire d'énergie ». Ces systèmes de stockage s'apparentent à un ensemble de « batteries externes » aux fonctions diverses : certains excellent dans le stockage d'électricité, d'autres sont spécialisés dans le stockage thermique, certains peuvent supporter de longues périodes de veille, et d'autres encore peuvent libérer instantanément de l'énergie.

Actuellement, la technologie mondiale de stockage de l'énergie a adopté un modèle de développement diversifié, comprenant principalement le stockage physique de l'énergie, le stockage électrochimique de l'énergie, le stockage électromagnétique de l'énergie, le stockage thermique de l'énergie, le stockage de l'hydrogène et les technologies émergentes, chacune jouant un rôle dans différents scénarios avec ses avantages uniques.

Stockage physique de l'énergie : la méthode « ancienne génération » qui repose sur la « transformation spatiale » pour stocker l'énergie

Le stockage physique de l'énergie a été la première méthode de stockage d'énergie à être appliquée à grande échelle. Son principe fondamental est d'atteindre système de stockage d'énergie par mouvement mécanique ou par changement de lieu.

Parmi ces technologies, le stockage par pompage-turbinage est considéré comme le plus ancien, représentant plus de 90 % de la capacité installée mondiale. Son principe est simple : en période de faible consommation, l’électricité excédentaire est utilisée pour pomper l’eau d’un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur, convertissant ainsi l’énergie électrique en énergie potentielle gravitationnelle de l’eau ; en période de forte consommation, l’eau est relâchée pour actionner des turbines et produire de l’électricité, reconvertissant l’énergie potentielle en énergie électrique.

Cette technologie est actuellement la plus économique solution de stockage d'énergie à grande échelle mais ses inconvénients incluent sa dépendance aux conditions géographiques (nécessitant un terrain avec des différences d'altitude) et une période de construction relativement longue (généralement de 5 à 10 ans).

Un autre type de stockage physique d'énergie est le stockage d'énergie par air comprimé. L'air est comprimé à l'aide d'un moteur électrique et stocké dans des cavernes souterraines ou de grands réservoirs. Lors des pics de consommation, l'air comprimé est libéré pour actionner des turbines et produire de l'électricité.

Les premières technologies avaient une efficacité moindre car elles ne récupéraient pas la chaleur générée lors de la compression, mais le système « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage » (A-CAES), récemment développé, récupère la chaleur de la compression, augmentant ainsi l'efficacité à plus de 70 %.

De plus, le stockage d'énergie par volant d'inertie adopte une approche légère, convertissant l'énergie électrique en énergie cinétique grâce à la rotation à grande vitesse d'un volant d'inertie. Son temps de réponse est de l'ordre de la milliseconde et sa durée de vie peut atteindre des millions de cycles. Il est couramment utilisé dans des applications exigeant une forte puissance instantanée, comme les alimentations sans interruption (ASI) dans les centres de données et le freinage régénératif dans le transport ferroviaire.

Stockage électrochimique de l'énergie : une étoile montante portable et efficace

Le stockage électrochimique de l'énergie convertit l'énergie électrique en énergie chimique par le biais de réactions chimiques. Ces dernières années, grâce à la baisse des coûts et aux avancées technologiques, il est devenu le secteur connaissant la croissance la plus rapide.

Les batteries lithium-ion constituent actuellement la solution dominante, représentant plus de 90 % des batteries. nouvelles installations de stockage d'énergie . Selon le matériau de la cathode, elles sont ensuite divisées en batteries au lithium fer phosphate (LFP) Les batteries lithium-ion et les batteries lithium-cobalt ternaires (NCM) se distinguent les batteries lithium-ion classiques. Les premières, sûres et peu coûteuses, sont principalement destinées aux marchés du stockage d'énergie et des véhicules utilitaires ; les secondes, à densité énergétique supérieure, sont surtout utilisées dans les véhicules électriques haut de gamme. Toutefois, les batteries lithium-ion classiques restent confrontées à des défis tels que la rareté des ressources (lithium, cobalt, etc.) et les risques liés à la sécurité (comme l'emballement thermique).

Les batteries à flux, quant à elles, constituent une solution de stockage d'énergie à long terme. Leur conception découplée, combinant capacité et puissance, repose sur le stockage de l'électrolyte dans un réservoir externe. L'ajout de réservoirs supplémentaires accroît la durée de stockage, les rendant particulièrement adaptées aux applications nécessitant une alimentation électrique continue pendant plusieurs heures.

Les batteries redox à flux de vanadium (VRFB) affichent une durée de vie de plus de 25 ans, plus de 10 000 cycles et un électrolyte réutilisable. La centrale de stockage d'énergie VRFB de Three Gorges Energy à Jimsar (200 MW/1 GWh) est devenue la plus grande au monde, contribuant ainsi à la commercialisation du stockage d'énergie de longue durée.

Par ailleurs, les batteries sodium-ion connaissent un essor important grâce à l'abondance des ressources en sodium (420 fois supérieures à celles du lithium) et à leur faible coût. Des entreprises comme CATL et EVE Energy ont choisi de se positionner sur ce marché et devraient, à l'avenir, remplacer certaines batteries au lithium dans les véhicules électriques à basse vitesse et les systèmes d'alimentation de secours domestiques.

Stockage d'énergie électromagnétique : le « flash » avec un temps de réponse de l'ordre de la milliseconde

Le stockage d'énergie électromagnétique utilise des champs électriques ou magnétiques pour emmagasiner l'énergie. Il se caractérise par des vitesses de charge et de décharge extrêmement rapides (de l'ordre de la milliseconde) et une densité de puissance ultra-élevée, mais une densité d'énergie relativement faible.

Les supercondensateurs stockent l'énergie grâce à la double couche électrique à l'interface électrode-électrolyte, offrant une durée de vie quasi infinie. Ils sont couramment utilisés pour la récupération de l'énergie de freinage des trains à grande vitesse et le soutien instantané de la tension dans les réseaux intelligents. Le stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES), quant à lui, stocke l'énergie du champ magnétique à l'aide de bobines supraconductrices, atteignant des rendements supérieurs à 95 %. Cependant, il nécessite un fonctionnement à des températures extrêmement basses, jusqu'à -269 °C, ce qui engendre des coûts plus élevés. Actuellement, il est principalement utilisé dans la recherche en laboratoire et les équipements industriels de haute précision.

Stockage d'énergie thermique : la « banque d'énergie » invisible

Le stockage d'énergie thermique permet de stocker l'énergie thermique grâce à des changements de température ou des transitions de phase dans un milieu, souvent combinés à la production d'énergie solaire thermique et à l'utilisation de la chaleur résiduelle industrielle.

Le stockage de chaleur sensible est le plus courant. Il consiste à absorber la chaleur par l'intermédiaire de matériaux tels que l'eau, les sels fondus et la roche, à la stocker après une élévation de température, puis à la restituer lors de la baisse de température. Le stockage de chaleur latente utilise des matériaux à changement de phase (comme la paraffine et les sels fondus) pour absorber ou libérer d'importantes quantités de chaleur lors des transitions de phase solide-liquide, maintenant ainsi une température relativement constante. Il peut servir à réguler la température ambiante dans les murs des bâtiments et à dissiper la chaleur des appareils électroniques. Le stockage thermochimique stocke la chaleur par des réactions chimiques réversibles (comme la réaction de l'oxyde de calcium avec l'eau), avec un rendement théorique supérieur à 80 %. Cependant, il en est encore au stade de la recherche en laboratoire et à l'échelle pilote et n'a pas encore fait l'objet d'applications commerciales à grande échelle.

Stockage de l'hydrogène : la « solution ultime » pour le stockage d'énergie intersaisonnier ?

Le stockage de l'hydrogène est considéré comme la solution ultime pour pallier les fluctuations saisonnières des énergies renouvelables. Ce procédé consiste à utiliser le surplus d'électricité produit pendant les heures creuses pour électrolyser l'eau et produire de l'hydrogène vert, stocké dans des réservoirs à haute pression ou des cavités salines souterraines. En cas de besoin, il peut être utilisé pour produire de l'électricité via des piles à combustible ou directement dans les secteurs industriels et des transports.

Les principaux avantages du stockage de l'hydrogène sont l'absence d'émissions de carbone, le stockage à long terme (des mois, voire des années) et la possibilité de coupler plusieurs réseaux énergétiques tels que l'électricité, la chaleur et les carburants.

Cependant, des goulets d'étranglement technologiques actuels sont évidents : l'efficacité de la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est d'environ 70 %, l'efficacité de la production d'électricité par pile à combustible est d'environ 50 % et l'efficacité globale n'est que de 30 à 40 % ; les conditions de stockage et les coûts de transport de l'hydrogène liquide sont également élevés.

Technologies émergentes : gravité, air et bien d’autres possibilités

Outre les technologies matures susmentionnées, des orientations émergentes telles que le stockage d'énergie par gravité et le stockage d'énergie par air liquide gagnent rapidement du terrain.

Le stockage d'énergie par gravité utilise un moteur électrique pour soulever des objets lourds (comme des blocs de béton ou du gravier) en hauteur, puis libérer leur poids pour actionner un générateur lorsque de l'électricité est nécessaire. Le stockage d'énergie par air liquide, quant à lui, refroidit l'air à environ -196 °C et le liquéfie, actionnant une turbine pour produire de l'électricité lors de sa détente. Le projet de démonstration de stockage d'énergie par air liquide de 60 000 kW/600 000 kWh de la province du Qinghai, situé à Golmud, dans la préfecture de Haixi, est actuellement en phase finale de mise en service et constitue le plus grand projet de démonstration de stockage d'énergie par air liquide au monde.

L'avenir : une collaboration multitechnologique pour construire un Internet de l'énergie

Les différentes technologies de stockage d'énergie présentent chacune leurs avantages et leurs inconvénients, et à l'avenir, un modèle de « division du travail et de coopération » pourrait émerger : le stockage par pompage-turbinage et les batteries au lithium conviennent à l'écrêtement des pointes de consommation du réseau (4 à 8 heures) ; les batteries à flux, l'air comprimé et le stockage d'hydrogène sont axés sur le stockage d'énergie à long terme (> 8 heures) ; les supercondensateurs et les volants d'inertie sont responsables du soutien de puissance instantané ; et le stockage d'énergie thermique est étroitement lié à la production d'énergie renouvelable.

Selon l'Agence internationale pour les énergies renouvelables, la capacité mondiale de stockage d'énergie atteindra 230 gigawatts d'ici 2030, le stockage d'énergie à long terme affichant la croissance la plus rapide.

Grâce aux progrès technologiques et à la réduction des coûts, les futurs réseaux de stockage d'énergie pourront collaborer efficacement comme un réseau neuronal, réalisant ainsi la vision zéro carbone d'une « production, d'un réseau, d'une charge et d'un stockage intégrés ».