Le déploiement mondial rapide de l’énergie solaire et éolienne est la pierre angulaire de la transition énergétique propre. Cependant, ces sources sont intrinsèquement variables et intermittentes. Le soleil se couche et le vent se calme, créant un décalage fondamental entre la production et la demande d’énergie. Bien que les systèmes de stockage d'énergie par batterie lithium-ion (BESS) excellent à fournir de l'énergie pendant des heures, en lissant les fluctuations à court terme et en régulant la fréquence, ils sont moins viables économiquement pour stocker de l'énergie sur des jours, des semaines ou des saisons entières. C’est là qu’interviennent les technologies de stockage d’énergie de longue durée (LDES) , agissant comme une « police d’assurance » essentielle pour un réseau décarboné.
Cet article plonge dans le monde du LDES, explique pourquoi il est essentiel, explore les principaux concurrents technologiques au-delà du lithium-ion et examine les efforts mondiaux visant à rendre ces solutions commercialement viables.
Pourquoi nous avons besoin de plus que du lithium-ion : l’impératif LDES
Les batteries lithium-ion ont révolutionné le stockage de courte durée, mais leur rôle a des limites. Le défi de l’intégration des énergies renouvelables ne consiste pas seulement à gérer les pics et les creux quotidiens ; il s'agit de surmonter des périodes plus longues de faible génération, connues sous le nom de « dunkelflaute » (marasme sombre) en allemand, qui peuvent durer plusieurs jours. De plus, à mesure que les centrales à combustible fossile « de pointe » sont progressivement supprimées, le réseau a besoin d'une énergie propre et distribuable qui peut être sollicitée lors de pics de demande prolongés ou de déficits de production.
Le stockage de longue durée est défini comme toute technologie permettant de décharger de l'électricité pendant 10 heures ou plus . Ses principales propositions de valeur sont :
Arbitrage saisonnier : stockage de l’énergie solaire estivale excédentaire pour une utilisation en hiver.
Sauvegarde sur plusieurs jours : fournit de l'énergie en cas de déficits de production prolongés liés aux conditions météorologiques.
Résilience du réseau : améliorer la stabilité du système et remplacer le besoin de capacité de secours basée sur les combustibles fossiles.
Renforcer la production renouvelable : faire en sorte que les parcs éoliens et solaires se comportent davantage comme des centrales électriques prévisibles et « fermes ».
Conscientes de ce besoin, des entités telles que le ministère américain de l'Énergie ont lancé des initiatives telles que « Long-Duration Storage Shot », visant à réduire de 90 % le coût des systèmes fournissant plus de 10 heures de stockage en une décennie.
Au-delà de la batterie : des technologies de stockage longue durée prometteuses
Alors que le lithium-ion domine le marché actuel pour des durées plus courtes, plusieurs autres technologies se disputent la couronne LDES, chacune présentant des avantages uniques en termes de coût, de durée et d'évolutivité.
1. Flow Batteries : la solution électrochimique évolutive
Les batteries à flux, en particulier les batteries à flux redox au vanadium (VRFB) , stockent l'énergie dans des électrolytes liquides contenus dans des réservoirs externes. La puissance (kW) et l’énergie (kWh) sont découplées ; pour augmenter la durée de stockage, il vous suffit d’ajouter plus d’électrolyte. Cela les rend intrinsèquement évolutifs sur de longues durées.
Avantages : Très longue durée de vie (plus de 20 ans), capacité de décharge profonde sans dégradation, haute sécurité (électrolytes ininflammables) et excellente pour des durées de 4 à plus de 12 heures.
Progrès : les entreprises réduisent leurs coûts grâce à des innovations telles que les matériaux de membrane avancés. Par exemple, les progrès réalisés dans le domaine des membranes échangeuses d’ions perfluorées ont contribué à réduire considérablement les coûts du système. Des projets pilotes à grande échelle, comme le système de 100 MW/400 MWh à Dalian, en Chine, démontrent leur viabilité pour les applications à l'échelle du réseau.
2. Stockage d'énergie par air comprimé (CAES) : exploiter la géologie
CAES utilise l’excès d’électricité pour comprimer l’air et le stocker sous terre dans des formations géologiques telles que des cavernes de sel. Lorsque de l’énergie est nécessaire, l’air sous pression est libéré, chauffé et détendu via une turbine pour produire de l’électricité.
Avantages : Peut fournir un stockage de très longue durée (de quelques jours à plusieurs semaines) à grande échelle (plus de 100 MW). Il exploite l’expertise géologique existante et a une longue durée de vie opérationnelle.
Progrès : Les systèmes CAES adiabatiques avancés, qui captent et réutilisent la chaleur générée lors de la compression, améliorent l'efficacité aller-retour. La Chine a fait des progrès significatifs, les instituts de recherche développant des systèmes allant de 1 à 300 MW.
3. Stockage de l’énergie thermique : stockage de la chaleur pour l’électricité ou une utilisation directe
Cette technologie capte l’énergie thermique pour une utilisation ultérieure, soit pour le chauffage/refroidissement direct, soit pour régénérer l’électricité. Un exemple notable est le projet de batterie « Amadeus » en Espagne, qui utilise un alliage à base de silicium pour stocker la chaleur à des températures extrêmement élevées (supérieures à 1 000°C).
Avantages : Peut utiliser des matériaux abondants et peu coûteux comme des sels fondus ou du sable de silicium. Une très haute densité énergétique est possible à des températures élevées. Idéal pour la colocalisation avec des centrales solaires concentrées (CSP) ou des applications de chaleur industrielle.
Progrès : Le stockage des sels fondus est déjà commercial avec CSP. Les nouveaux systèmes à semi-conducteurs à haute température, comme le concept à base de silicium, promettent une efficacité encore plus élevée et des coûts de matériaux inférieurs : le sable de silice coûte une fraction des sels utilisés traditionnellement.
4. Hydrogène et autres transporteurs chimiques
« Power-to-X » consiste à utiliser l'électricité pour produire de l'hydrogène par électrolyse. L’hydrogène peut ensuite être stocké à long terme et utilisé dans des piles à combustible pour produire de l’électricité, mélangé à des gazoducs ou utilisé comme matière première pour l’industrie.
Avantages : stockage d'une durée illimitée (saisonnier), peut exploiter l'infrastructure gazière existante pour le transport et a des utilisations finales polyvalentes au-delà de la production d'électricité.
Progrès : Bien que le stockage de l’hydrogène et l’efficacité aller-retour des piles à combustible soient inférieurs à ceux des autres options, ils sont considérés comme un outil crucial pour une décarbonation profonde des secteurs difficiles à électrifier. Les entreprises intègrent des systèmes de contrôle avancés pour optimiser le processus d'électrolyse pour l'équilibrage du réseau.
La voie à suivre : innovation et politique
Le développement du LDES n’est pas seulement un défi technologique mais aussi économique et réglementaire. Les gouvernements favorisent activement cet écosystème. Le « 14e plan quinquennal » chinois pour le nouveau stockage d'énergie appelle explicitement à des démonstrations pilotes d'air comprimé, de batteries à flux et de technologies de stockage thermique à haut rendement.
Le futur réseau comportera probablement une architecture de stockage hybride . Les batteries lithium-ion géreront la régulation de fréquence et l'écrêtement des pics de courte durée, tandis que les batteries à flux , CAES et le stockage thermique assureront le transfert d'énergie en masse de plusieurs heures à plusieurs jours requis pour un système véritablement résilient et 100 % renouvelable.
Conclusion : Construire les bases d'un avenir renouvelable
La transition vers un réseau d’énergie propre est imparable, mais sa stabilité et sa fiabilité dépendent de notre capacité à stocker l’énergie sur de longues périodes. Les technologies de stockage d’énergie de longue durée passent du stade de projets pilotes à un déploiement commercial précoce, sous l’impulsion de signaux politiques clairs et d’une innovation constante. En investissant et en déployant ces diverses solutions, nous pouvons construire un système énergétique non seulement vert mais aussi aussi fiable que celui dont nous disposons aujourd’hui, libérant enfin tout le potentiel de l’énergie éolienne et solaire.
Lorsque l’on envisage l’avenir des infrastructures énergétiques, il est essentiel de comprendre le rôle des différentes durées de stockage. En savoir plus sur la façon dont Les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) constituent l'épine dorsale de réponse rapide pour les réseaux modernes dans notre guide connexe.
'Bien qu'excellent pour les besoins de courte durée, l'économie de Les batteries lithium-ion destinées au stockage à domicile sont différentes lorsqu'on envisage une sauvegarde sur plusieurs jours.'
