La capacité de stockage, en France et dans le monde

L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) estime que les capacités de stockage actuellement installées dans le monde s’élèvent à 150 gigawattheures, largement inférieures aux besoins actuels selon elle.

99% de cette capacité sont sous la forme de Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) ou de barrages. Les 1% restant sont les autres formes de stockage, comme les moyens thermiques (pour 3,1 GW), électrochimiques et électromécaniques 1,6 et 1,7 GW chacune).

La France possède une capacité de stockage de 4,5 GWh, via ses barrages principalement. Pour faire face à la demande grandissante des besoins stationnaires en énergie, l’association Technique Energie Environnement explique « qu’une augmentation d’au moins 2,5 GWh permettrait d’être autonome sur plusieurs jours, de mieux stabiliser l’offre et la demande sur le réseau, mais également doter les zones non interconnectées comme les iles afin qu’elles déploient massivement le renouvelable ». L’AIE rappelle qu’aux besoins d’énergie stationnaire (bâtiments, industries) s’ajoutent ceux de la mobilité décarbonée : les véhicules électriques représentants 1,5% du marché total, en croissance de plus de 25% par an.

Où en est la recherche française ?

Pour répondre aux nombreux défis énergétiques auxquels le monde fait face, la recherche française s’attaque à plusieurs fronts. Dans un premier temps, elle cherche à augmenter les performances énergétiques des solutions de stockage, comme la capacité à stocker plus d’énergie plus longtemps avec des pertes réduites. Ensuite, minimiser l’impact environnemental des technologies mobilisées, en réduisant les quantités de matériaux requis, les volumes et surfaces utilisées, le recyclage de ses composants… Enfin, l’optimisation du modèle économique associé à chaque technologie est essentielle, afin de faciliter leur démocratisation et leur essor sur le marché.

Les technologies disponibles se complètent et doivent permettre de réfléchir en termes de vecteur de stockage. Différents vecteurs (thermique, électrique, chimique) peuvent se développer en parallèle et ainsi couvrir l’ensemble des besoins. Actuellement, en laboratoire, les équipes travaillent notamment à :

• Optimiser et sécuriser les batteries électrochimiques pour les besoins dans le secteur de la mobilité et du stationnaire : allonger une durée de vie, augmenter les densités d’énergie et de puissance…
• Démocratiser le combustible hydrogène : optimiser le rendement énergétique des générateurs, concevoir et fabriquer des catalyseurs sans métaux nobles… (objectifs : les piles à combustible)
• Optimiser sécuriser le stockage souterrain, notamment de chaleur.
• Développer des outils numériques pour optimiser le fonctionnement de systèmes énergétiques complexes comme celui des réseaux couplant source de production renouvelable, système de stockage en présence de consommateurs…

Plusieurs types de stockage actuellement étudié dans la recherche française

Les batteries électrochimiques et le stockage à air comprimé de l’IFPEN

– Les batteries REDOX à circulation pour un stockage de longue durée

L’IFP Énergies nouvelles étudie la solution de stockage des batteries à circulation RedOx. Des électrolytes liquides stockent l’énergie sous forme électrochimique et circulent à travers des membranes échangeuses d’ions, générant ainsi de l’électricité par une réaction d’oxydoréduction. Ces batteries présentent l’avantage de pouvoir être dimensionnées en puissance et en énergie en fonction des besoins. Elles sont également d’une grande durabilité.

L’enjeu majeur de cette recherche concerne la mise au point de nouveaux électrolytes moins coûteux et plus performant sur le plan énergétique. Le laboratoire s’intéresse donc à l’identification et la qualification d’électrolytes organiques innovants. Les travaux de l’IFPEN incluent la compréhension des mécanismes et la modélisation multiphysique et multiéchelle de la technologie, en vue de son optimisation. Un système permettant la qualification de nouvelles technologies est actuellement en test sur un microgrid installé sur le site « laboratoire » à Lyon, (Un microgrid est un réseau d’énergie intégré comprenant des charges (point de consommation) interconnectées, des points de ressources énérgétiques ainsi qu’un système de gestion de ces ressources distribuées. Ce réseau local peut fonctionner en étant connecté au réseau électrique traditionnel ou en régime « isolé »).

– L’air comprimé pour donner un nouveau souffle au stockage

L’IFPEN s’intéresse également au stockage d’énergie par air comprimé, qui permet de stocker de grandes quantités d’énergie. L’enjeu est notamment de stocker efficacement la chaleur générée par la compression de l’air, afin d’obtenir de bon rendement énergétique, et d’optimiser l’économie du système. Ces travaux s’articulent autour de trois axes :

• L’optimisation économique du procédé s’appuyant sur des technologies de machine tournantes existantes.
• Le développement de technologies pour le stockage de la chaleur et l’optimisation des échanges thermiques dans les faces de compression et détente du gaz.
• La conception de réservoir d’air sous pression à bas coût, qui permet l’utilisation de la technologie sans stockage souterrain.

L’hydrogène utilisé à des fins énergétiques : un secteur en plein essor

L’hydrogène est un gaz très léger (11 fois plus léger que l’air); pour en stocker des quantités significatives au regard de l’énergie qu’on peut « en tirer » il faut réduire son volume de façon considérable.

Trois  façons de régler ce problème sont connues à ce jour :

• Le stockage sous forme gazeuse à très haute pression (700 bar environ)
• Le stockage sous forme liquide donc à très basse température (cryogénie -250°C environ)
• Le stockage sous forme solide (hydrures métalliques)

Les 2 premières formes sont bien maitrisées mais la forme cryogénique nécessite de réservoir isolé de très haute technologie et toute la chaine « cryo » bien que maîtrisée confine cette méthode à des applications à très haute valeur ajoutée comme le spatial par exemple.

La haute pression est la plus simple et celle qui convient bien aux transports terrestres (automobile entre-autre). Un réservoir de 75 litres contient environ 3 kg d’hydrogène soit une autonomie d’environ 400 km pour un véhicule léger.

La troisième la plus prometteuse est aussi la moins avancée ; elle est basée sur le fait qu’on utilise un peu certains métaux comme le magnésium comme une « éponge » à hydrogène. Les atomes d’hydrogène s’y « collent » (adsorption) ou se combinent intimement de façon réversible en hydrures. Le problème majeur est la faible quantité qu’on peut actuellement stocker (3% du poids de « l’éponge » environ actuellement). La recherche progresse assez vite et y consacre énormément de moyens, en particulier pour trouver un matériau capable d’adsorber et d’absorber une masse bien plus grande.

Le stockage souterrain de la chaleur pour la décarbonation des bâtiments

Le projet ABC Storage du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) constitue une réponse efficace pour optimiser le processus d’autoconsommation / autoproduction des énergies renouvelables intermittentes : ce qui n’est pas utilisé immédiatement est stocké en profondeur sous forme de chaleur.

Il s’agit d’un premier système de stockage multi-énergie maximisant l’autoproduction et l’autoconsommation de l’énergie solaire à un coût compétitif. Ce système associe dans une combinaison innovante un stockage d’énergie thermique et un stockage d’énergie électrique.

Le sous-système de stockage thermique d’électricité intègre la production d’énergie par panneaux solaires photovoltaïques, la transformation de cette énergie électrique en énergie thermique par  pompe à chaleur et le stockage inter-saisonnier de l’énergie thermique par sondes géothermiques. Ce fonctionnement est basé sur la maîtrise des températures injectées dans le sous-sol pour optimiser le rendement de l’installation et doit permettre une gestion dynamique de l’injection de chaleur dans les sondes, en fonction des capacités de production d’énergie renouvelable et des besoins du bâtiment. Les taux de CO2 émis par électricité du réseau sont également pris en compte.  Le démonstrateur est en cours de réalisation sur la plate-forme géothermique du BRGM. Les forages sont en voie d’achèvement.