La plupart des actions climatiques se concentrent sur l’elimination du dioxyde de carbone. Energy Dome, une startup italienne, veut l’exploiter. Ses « batteries CO2 » stockeront le gaz sous haute pression lorsque l’electricite sera abondante; lorsque de l’electricite est necessaire, le gaz stocke passera par une turbine pour en generer.
L’avantage d’utiliser le CO2 est qu’il peut prendre une forme liquide dense a temperature ambiante; des systemes similaires utilisant d’autres gaz necessitent des temperatures basses. L’entreprise a construit une usine pilote en Sardaigne et passe a l’echelle commerciale. « Je reve que nos coupoles deviennent une icone de la transition energetique », confie Claudio Spadacini, son patron charismatique, « comme les eoliennes et les panneaux solaires ».
Energy Dome fait partie d’une generation prometteuse d’entreprises cherchant a revolutionner le domaine du stockage d’energie de longue duree, ou ldes. Ces technologies, qui peuvent fournir de grandes quantites d’electricite pendant des heures, des jours ou des semaines lorsqu’elles sont sollicitees, sont des complements importants aux energies renouvelables intermittentes, en particulier dans les systemes qui visent a se passer de combustibles fossiles ou de centrales nucleaires. « ldes permet de passer de 60-70 % d’energies renouvelables sur le reseau a 100 % », explique Godart van Gendt de McKinsey, qui travaille dans le domaine.
Mais vous en avez besoin de beaucoup. Les systemes de stockage sont mesures de deux manieres liees mais distinctes : la puissance qu’ils peuvent delivrer (exprimee en multiple de watts) et la quantite d’energie qu’ils peuvent stocker (exprimee en multiple de wattheures). Pour comprendre la difference, pensez a la technologie simple qui fournit la quasi-totalite des besoins mondiaux : l’hydroelectricite a accumulation par pompage (psh). Lorsque l’electricite est bon marche et abondante, l’eau est pompee dans un reservoir de haut niveau. Lorsque l’electricite est rare, l’eau est autorisee a redescendre a un niveau inferieur, faisant tourner une turbine.
La puissance nominale du systeme est definie par la taille de la turbine et la difference de niveaux d’eau entre le haut et le bas ; pour les systemes psh du monde, le nombre total est d’environ 165gw. La capacite de stockage d’energie est definie par la quantite d’eau que vous pouvez obtenir dans le reservoir superieur en premier lieu. Pour les systemes psh d’aujourd’hui, ce chiffre est d’environ 9 000 GWh ou 9 twhr.
Dans un rapport pour le Conseil des ldes, un organisme industriel, M. van Gendt et ses collegues ont modelise la voie la plus rentable vers un monde avec des emissions nettes nulles d’ici 2040. Ils ont constate que le systeme devait etre en mesure de fournir 1,5 a 2,5 tw et stocker 85-140twhrs. Pour mettre cela en contexte, la capacite totale de production d’electricite de l’Amerique est aujourd’hui d’environ 1,1 tw ; 140twhrs representent environ 5% de la consommation annuelle d’electricite de l’ue. Des chiffres enormes, mais realisables avec un investissement suffisant, selon le rapport.
En effet, si tout pouvait etre fait avec de l’hydropompe, cela pourrait sembler assez prometteur, compte tenu de la croissance exponentielle souvent observee dans les technologies ailleurs dans la transition energetique. La capacite eolienne mondiale a ete multipliee par quatre au cours de la decennie jusqu’en 2020 ; la capacite solaire a ete multipliee par pres de 18 au cours de la meme periode. Cela rend l’augmentation de la capacite de psh d’un montant similaire en quelques decennies semble tout a fait raisonnable.
En pratique, cependant, les choses sont plus delicates. L’eolien et le solaire beneficient des rendements croissants de la production de masse et demarrent sur une base tres basse ; Les systemes psh sont uniques et beaucoup ont deja ete construits. Les meilleurs sites pour cela ont souvent deja ete pris ; les meilleurs sites restants sont souvent eloignes des endroits ou les gens ont besoin d’electricite. Les delais de developpement de projets pour psh sont longs, les couts d’investissement sont eleves et les objections environnementales locales sont courantes. L’industrie pense qu’elle est sur la bonne voie pour une augmentation de capacite de 50 % au cours de la prochaine decennie. Mais une multiplication par dix en deux decennies semble invraisemblable.
De plus, le stockage n’est pas necessaire uniquement comme moyen de decaler l’energie a partir d’energies renouvelables. Il est egalement necessaire de maintenir la stabilite des reseaux et de maintenir l’energie pres de l’endroit ou elle sera utilisee, afin d’eviter la congestion du reseau ou la dependance a la transmission longue distance. psh peut faire le premier mais pas le reste.
Les alternatives qui peuvent atteindre tous ces objectifs pourraient egalement se developper beaucoup plus rapidement, eventuellement aux taux solaires ou eoliens offshore. Mais ils ont le probleme de commencer a un niveau tres bas. Les perspectives mondiales du stockage de l’energie publiees par Bloombergnef (bnef), une societe de recherche, ont vu l’annee derniere le stockage non psh augmenter de 20 fois selon les deux mesures au cours de la prochaine decennie. Mais ce n’etait encore que 1 TWh en 2030.
Les batteries lithium-ion, dont le cout s’est effondre en raison d’un melange d’innovation et d’economies d’echelle, ont fourni de loin les plus grandes avancees recentes en matiere de stockage electrique « a l’echelle du reseau ». Apres une baisse de 90% du cout des batteries entre 2010 et 2021, estime Citi, une banque, l’Amerique voit desormais plus de megawatts de capacite ajoutes a son reseau sous forme de batteries que sous forme de cycle combine au gaz naturel turbines. D’enormes bancs de telles batteries fournissent deja jusqu’a quatre heures d’electricite distribuable a l’operateur de reseau californien sur demande. Lorsque les services publics californiens ont demande aux entreprises de proposer des technologies pour un tampon de huit heures, les offres gagnantes ont toutes utilise du lithium.
Mais bien que l’utilisation de tels systemes ne manquera pas d’augmenter considerablement – la bnef s’attend a ce qu’ils representent la majeure partie des terawattheures qu’elle imagine que le monde aura d’ici 2030 – les inconvenients de faire du stop sur les basques du vehicule electrique (ev) boom deviennent apparents. D’une part, il existe une variete de contraintes sur l’approvisionnement en lithium, et meme avec l’ouverture de nouvelles mines, on craint vraiment que l’industrie en plein essor des vehicules electriques n’absorbe la majeure partie de leur production. De plus, les ameliorations de la technologie des batteries necessaires pour les vehicules electriques different de celles requises pour le stockage a l’echelle du reseau. Les voitures ont besoin de batteries qui stockent l’energie sous une forme aussi petite et legere que possible et dans une gamme d’environnements. Le stockage se soucie peu du poids ou du volume.
Les developpements qui excitent les fabricants de vehicules electriques, tels que les batteries dans lesquelles le lithium est utilise comme un metal solide, plutot que comme des ions contenus dans un electrolyte, offrent peu aux personnes qui stockent. La possibilite de rester inutilise pendant une longue periode, que les gens du stockage apprecient, n’a qu’un interet passager pour les constructeurs automobiles. Une etude recente sur les technologies emergentes a base de lithium par ihs Markit, une societe de recherche, a conclu qu' »Aucun de ces systemes ne peut stocker les volumes d’electricite necessaires pour faire face aux desequilibres de l’offre et de la demande susceptibles de se produire a l’avenir en raison de la penetration des energies renouvelables ». se leve. Seules de nouvelles approches du stockage de longue duree peuvent esperer combler la breche.
C’est l’opportunite qu’Energy Dome et d’autres innovateurs ont en vue. Leurs approches peuvent etre divisees en quatre groupes : mecanique, electrochimique, thermique et chimique.
Le stockage mecanique est domine par psh, et le sera probablement toujours. Mais d’autres options sont disponibles. Stocker du gaz sous pression, comme le fait Energy Dome, en est un. Une autre consiste a faire avec de gros blocs solides ce que psh fait avec de l’eau : les soulever haut dans les airs avec des grues lorsque l’energie est bon marche, les abaisser avec une poulie qui agit comme un generateur lorsque le besoin s’en fait sentir. L’idee a un certain nombre de critiques; mais une startup americano-suisse dans la region, Energy Vault, a attire beaucoup d’investissements.
Les differences de tension entre divers types de metaux et de produits chimiques sont connues sous le nom de stockage electrochimique. Les batteries electrochimiques sont utilisees depuis des siecles, mais de nombreux chercheurs pensent que de nouvelles conceptions et de nouveaux materiaux offrent de nouvelles possibilites. Des chercheurs du Laboratoire national americain Lawrence Berkeley (lbnl), qui a effectue les premiers travaux sur la chimie sous-jacente des batteries au lithium, utilisent l’intelligence artificielle pour passer au crible des centaines de milliers de materiaux de batterie possibles a la recherche de nouvelles idees. Dans ce qui doit etre la proclamation la plus geek jamais faite par un secretaire general de l’ONU, le 16 mai, Antonio Guterres a meme appele a une « coalition mondiale sur le stockage des batteries pour accelerer l’innovation et le deploiement ».
Les batteries ne doivent pas necessairement etre des emballages contenant tous les produits chimiques qu’elles utilisent. Les batteries Flow stockent leurs produits chimiques dans des reservoirs externes, les pompant a travers la batterie pendant qu’elle se charge et se decharge. Des reservoirs plus grands vous permettent de stocker plus d’energie. C’est une approche trop volumineuse a utiliser pour un ordinateur portable, ou meme une voiture. Mais cela n’a pas d’importance s’ils doivent s’asseoir sur la grille.
ess, une entreprise de l’Oregon, fabrique une batterie a flux qui utilise des materiaux largement disponibles – le fer et le sel. Lors de la charge, les sels sont convertis en depots de fer sur l’electrode ; lors de la decharge, le fer se dissout et l’energie chimique stockee est convertie en charge electrique. Form Energy, dont l’un des fondateurs a dirige la branche de stockage d’energie de Tesla, un fabricant de vehicules electriques, utilise egalement du fer dans un processus qu’il appelle «rouille reversible». Ses appareils de la taille d’une machine a laver inhalent l’oxygene de l’air lors de la decharge pour convertir le fer en rouille; lors de la charge, ils appliquent un courant pour reconvertir la rouille en fer et emettre de l’oxygene. La pretention de l’entreprise a pouvoir stocker de l’energie jusqu’a 100 heures sera testee lors d’un projet pilote l’annee prochaine.
Le stockage thermique chauffe egalement. Antora chauffe des blocs de carbone jusqu’a 2000°C. Cette energie stockee peut etre utilisee pour chauffer de la vapeur ou de l’air dans un tuyau ; l’entreprise affirme egalement que la lueur des blocs grilles peut etre dirigee vers des cellules photovoltaiques comme celles des panneaux solaires pour produire de l’electricite. Rondo Energy utilise des briques de batterie faites de nouveaux materiaux qu’elle chauffe a plus de 1 200 °C. Cette energie stockee est ensuite directement fournie sous forme de chaleur, si les clients industriels en ont besoin, ou utilisee pour creer de la vapeur qui peut faire tourner une turbine. Malta, une entreprise du Massachusetts, est a l’avant-garde d’un systeme electrothermique qui fonctionne comme une pompe a chaleur en mode charge, stockant l’electricite sous forme de chaleur dans du sel fondu, tandis qu’en mode decharge, il agit comme un moteur thermique, utilisant la chaleur stockee pour produire de l’electricite.
La technologie la plus transformatrice est peut-etre le stockage de produits chimiques, qui utilise l’electricite pour fabriquer un produit chimique qui peut ensuite etre utilise dans un generateur ou un moteur. L’option la plus simple consiste a utiliser de l’energie renouvelable pour alimenter un electrolyseur qui divise l’eau en oxygene et en hydrogene et stocke l’hydrogene. « Les batteries sont utiles, mais qu’en est-il du stockage au fil des saisons ? » demande Robert Schlogl de l’Institut Max Planck pour la conversion de l’energie chimique, un groupe de recherche europeen. Il soutient qu’a mesure que la production d’energie renouvelable dans les regions eloignees prolifere, de plus en plus d’electricite sera stockee dans l’hydrogene pour une utilisation ulterieure – ou comme premiere etape vers la fabrication de carburants plus complexes tels que le diesel synthetique ou l’ammoniac.
Et les produits chimiques sont vraiment tres stockables. snam, un operateur de pipeline italien qui prevoit de depenser jusqu’a 5 milliards d’euros pour le stockage de l’energie, affirme que les sites de stockage de gaz peuvent stocker l’hydrogene en toute securite pendant de longues periodes. Gasunie, un service public neerlandais, stocke de l’hydrogene dans des cavernes de sel pres de Groningue, qui abrite le plus grand gisement de gaz naturel d’Europe. Intermountain Power Agency, un service public au charbon dans l’Utah, possede egalement une caverne de sel. Il prevoit de le remplir d’hydrogene renouvelable qu’il pourra ensuite bruler dans des centrales au charbon renovees pour combler les lacunes d’approvisionnement lorsque les sources renouvelables sont hors ligne.
Le departement americain de l’energie (doe) vient d’annoncer une garantie de pret de 504 millions de dollars pour stimuler les efforts d’Intermountain. Jigar Shah, dont le bureau de pret a la doe controle quelque 40 milliards de dollars de fonds destines aux innovateurs energetiques, appelle le projet « la premiere installation de production et de stockage d’hydrogene propre en son genre capable de fournir un stockage d’energie saisonnier a long terme ». Ce ne sera pas le dernier.
