ENEA Consulting - Facts&Figures - le stockage d'énergie

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LE STOCKAGE D’ENERGIE

ENJEUX ET SOLUTIONS TECHNIQUES

JANVIER 2011

89, rue Réaumur 75002 Paris France I +33 (0) 1 82 83 83 83 I www.enea-consulting.com




LE STOCKAGE D’ENERGIE: ENJEUX ET SOLUTIONS TECHNIQUES – Janvier 2011

STOCKER L’ENERGIE : UN BESOIN EN FORTE CROISSANCE

Contexte : pourquoi stocker de l’électricité ?

Figure 2 : Prix de l'électricité extrêmes observés au Danemark en 2010

(Source : Energinet.dk)

L’équilibre offre / demande d’électricité, nécessaire au

fonctionnement des réseaux électriques, est aujourd’hui

de plus en plus fragile. Le recours croissant à des

solutions de production intermittentes d’électricité,

principalement l’éolien et le solaire photovoltaïque en est

l’une des raisons : la production ne peut être décidée à la

demande puisqu’elle dépend des aléas météorologiques,

et n’est que difficilement prévisible.

La volatilité accrue des prix de l’électricité est la première

conséquence économique de ces tensions. Courant 2010

par exemple, des prix négatifs jusqu’à -500€/MWh, et des

pics dépassant 1000€/MWh ont été enregistrés au

Danemark ou en Allemagne .Figure 1 : Ecart entre les prix moyens de l’électricité en pointe et

creux (source : Powernext, EDF )

Face à ce constat, différentes solutions sont classiquement mises en œuvre, avec principalement l’augmentation de la

capacité de production de pointe grâce à l’ajout de centrales thermiques particulièrement flexibles, comme les contratsd’effacement ou les centrales à gaz. Le faible coût du gaz rend aujourd’hui cette option attractive. Mais cette solution

permet uniquement de gérer les pics de demande, et non pas les surplus de production. Les prix négatifs correspondent en

effet à des surplus de production éoliens ponctuels, qu’il convient d’effacer. Aujourd’hui, une partie de cette production

verte est régulièrement perdue.

Le stockage d’énergie est une autre réponse possible, qui présente un certain nombre d’avantages, avec entre autres :

• Un gain environnemental, en cas de remplacement de centrales thermiques (voir p12)

• La capacité de réfléchir à des solutions tant décentralisées que centralisées

• Un gain stratégique et économique, avec une indépendance nouvelle face aux ressources fossiles

Face à ce dernier point, il faut noter la pertinence particulière des solutions de stockage sur le long terme, qui verra

probablement s’envoler les prix des ressources énergétiques ainsi que celui du CO2.

2

€

/ M W

h





STOCKER L’ENERGIE : UN BESOIN EN FORTE CROISSANCE

Le stockage d’énergie représente donc :

• Un levier technique : c’est un atout indispensable pour permettre aux énergies renouvelables de continuer leur

expansion, décidée par les politiques gouvernementales. Cette dimension politique rend imminente la création d’un cadre

législatif adapté favorisant le développement technique, impactant ainsi les décisions des gestionnaires de réseau et des

producteurs d’énergies intermittentes. (voir ci-dessous)

• Un levier économique : c’est un moyen de tirer profit de la nouvelle volatilité du marché de l’électricité pour générer

des bénéfices, ou réduire les coûts induits par la consommation d’électricité. L’ensemble des acteurs ayant les capacités de

stocker de l’énergie (industriels, collectivités ou particuliers) peuvent tirer partie de cette opportunité.

Il y a donc une dualité besoin technique / opportunité économique qui crée aujourd’hui un contexte particulièrement

favorable au déploiement de telles solutions.

3

Afin de maintenir leur dynamique de croissance dans les énergies renouvelables, certains Etats font évoluer leur législation

favorablement aux solutions de stockage. En Californie par exemple, où les cahiers des charges de nouveaux projets

d’énergie intermittentes comportent une obligation de stockage. En France également, l’exemple du dernier appel d’offre

éolien pour la Corse et les DOM-TOM mentionnant explicitement une contrainte relative au stockage d’énergie visant à

une meilleure intégration au réseau est une première.

Aujourd’hui, si cette législation est encore balbutiante, elle n’en est pas moins de plus en plus concrète, avec deux

conséquences :

•

L’arrivée d’une nouvelle contrainte pour les producteurs d’énergies intermittentes,• La naissance d’une nouvelle opportunité, avec la création d’un cadre législatif propice à la création de nouveaux

business pour de nombreux industriels. En effet, les possibilités de stockage d’énergie sont très variées (voir p4); de

nombreux acteurs, industriels notamment, peuvent ainsi tirer parti d’une augmentation de leur capacité

d’effacement, caractérisée par exemple par l’intégration de moyens de stockage à leurs procédés.

Contraintes et opportunités règlementaires

Le stockage d’énergie : solution technique et opportunité économique





DES SOLUTIONS DE STOCKAGE D’ÉNERGIE

Sauf dans des cas bien particuliers, il est difficile de stocker

directement l’électricité. Il faut dès lors la déporter sur une autre

forme d’énergie, qui, elle, sera stockable. Voici une liste des

principales formes possibles que peut prendre l’énergie :

• Mécanique : C’est la catégorie qui regroupe les voies les plus

connues de stockage à grande échelle, les STEP1 (voir Focus p5) et

les CAES2 (voir Focus p10). Elle inclut aussi les volants d’inertie, les

ressorts, les accumulateurs hydrauliques, et plus généralement

tout type de stockage d’énergie potentielle.

• Electrochimique : Les batteries. C’est la voie la plus connue, les

batteries ayant de nombreuses applications quotidiennes

(véhicules, téléphones portables…). Les caractéristiques et voies

d’utilisations sont très variables. Cette catégorie comprend aussi

les flow batteries, basées également sur le principe des piles mais

dont les solutions actives sont contenues dans des réservoirs

séparés. Cela permet de gérer la capacité indépendamment du

reste de la batterie, principalement pour des applications où le

volume n’est pas une contrainte prépondérante.

• Thermique : De nombreuses solutions de stockage de froid

(glace, liquides cryogéniques) et de chaud (sels fondus,

accumulateurs de vapeur, graviers ou billes à changement phase…)

existent et permettent de stocker l’énergie sous forme thermique

avant de la restituer, le plus souvent directement sous forme de

chaleur ou de froid, mais aussi sous forme électrique, par exemple

en utilisant une pompe à chaleur à la charge, et un système

turbine-compresseur à la décharge.

4

A chaque forme d’énergie, son degré de

qualité. Tous ces systèmes ne sont pas

équivalent : dans chaque cas particulier,

la forme de stockage la plus adaptée

dépendra de l’usage final qui en est fait

(électricité parfois, mais aussi souvent

chaleur, espèce chimique, utilité…). La

reconversion finale de l’énergie enélectricité n’est pas forcément la solution

la plus efficace pour chacun de ses

usages.

Il est par exemple possible d’éviter les

pertes liées une conversion électrique

inutile en utilisant directement un

stockage de chaleur pour répondre à des

besoins de ce type. C’est sur ce principe

que sont fondés les systèmes de

cogénération et de réseaux de chaleur ou

de froid.

Pour prendre en compte la qualité de

l’énergie, et ainsi trouver le système le

plus optimal en fonction du contexte de

chaque procédé, un outil encore trop

rarement utilisé, et pourtant le plus

efficace, est l’exergie. (voir encadré à ce

sujet, p8)

Choisir la forme de l’énergie

• Electrostatique/magnétique : Certains systèmes permettent de stocker l’énergie directement sous forme électrique :

les condensateurs et supercondensateurs, qui permettent d’accumuler des électrons. Les SMES3, eux, la convertissent en

énergie magnétique.

• Chimique : Il s’agit d’utiliser l’électricité pour constituer un composant chimique, une molécule, qui a ensuite la

capacité, en brûlant ou via une pile à combustible par exemple, de restituer de l’énergie. L’hydrogène (gazeux, solide ou

liquide), oxyhydrogène ou le peroxyde d’hydrogène en sont des exemples.

• Utilité : Le stockage d’utilité au sein d’un procédé permettant de concentrer la consommation d’électricité en heures

creuses plutôt qu’en heure pleine. Il est ainsi possible de stocker un produit intermédiaire : oxygène liquide, azote liquidepar exemple, qui seront consommés ultérieurement. Ce sujet sera développé plus largement en page 9, dans le

paragraphe sur l’intégration du stockage d’énergie dans les procédés industriels.

Comment stocker de l’énergie ?






5

1STEP : Système de Transfert d’Energie par Pompage. De l’eau est pompée dans un réservoir haut, puis turbinée pour régénérer l’él ectricité, sur le même

principe qu’un barrage hydroélectrique.

2

CAES : Compressed Air Energy Storage. De l’air est comprimé en période creuse, puis injecté sous pression dans une turbine à gaz pour produire del’électricité en période de pointe.

3SMES : Superconduction magnetic energy storage. A très basse température, les matériaux supraconducteurs permettent de stocker d e l’électricité dans des

boucles, le courant pouvant y tourner indéfiniment puisque soumis à aucune perte.

4UPHS : Underground Pumped Hydro Storage.

Figure 3: Le projet Limberg II en Autriche(source :EDF)

Focus technologique : Les STEP – Système de Transfert d’Energie par Pompage

Dans le monde : Plus de 100 GW sont installés, répartis

sur environ 380 ouvrages qui couvrent plus de 99% des

capacités totales de stockage d’électricité aujourd’hui.Ce taux est appelé à baisser du fait de la diversification

des moyens de stockage, avec notamment laconstruction de batteries de grande capacité, 40 GW

étant prévus d’ici 2030 (notamment au Japon et aux

USA).

Principal atout : les STEP permettent de constituer des

stockages à grande échelle, à des coûts relativement

faibles.

Principal inconvénient : la nécessité de trouver un site

géographique adapté, réunissant deux bassins

superposés, rend la construction de nouvelles STEP de

plus en plus difficile et coûteuse. Les meilleurs sites sont

utilisés en premier, d’où une raréfaction des capacitésdisponibles et une augmentation des coûts de

construction. A cela viennent s’ajouter les

problématiques d’acceptation sociétales, inhérentes à

toute nouvelle mise en eau de réservoir. En France, le

potentiel restant est de 7 GW, mais il est peu probable

qu’il puisse être un jour totalement exploité.

Les développements futurs : 60 GW sont planifiés d’ici 2013. De plus, afin de s’affranchir des contraintes de sites, des

réflexions sont menées sur les UPHS4, ou STEP souterraines : le réservoir bas serait constitué par une grotte ou des

galeries creusées à plusieurs centaines de mètres sous terre. Pour un surcoût acceptable, cette solution permet de

s’affranchir de toute contrainte de site, et par exemple d’implanter de tels systèmes au plus près des villes.





Capacité Puissance EfficacitéDélais de

réaction

Durée de

vieUsage Maturité Coûts

STEP 1-10 GWh 0.1-2 GW 0.8 1 min11 000

cyclesRéseau

Hydrogène10kWh-

10Gwh1kW – 1GW 0.6 100ms 25 ans

Industrie

Particuliers

CAES 1-200 MWh 15-200 MW 0.5 10min11 000

cyclesRéseau

Flow batteries 100 MWh 10 MW 0.6 100 ms 4000 cycles Industrie

Batteries1 kWh – 10

MWh

0.01 – 10

MW0.8 1 ms

500-4000

cycles

Industrie

Particuliers

SMES .3 - 30 kWh 1 - 3 MW 0.9 8ms>10 000

cycles

Réseau

Industrie

Volantsd’inertie .5-10 kWh 2-40 MW 0.8 5ms>10 000

cyclesRéseau

Super

condensateurs3 kWh

Tension:

2.5V0.9 3 s

>10 000

cycles

Réseau

Industrie


Les technologies de stockage d’énergie sont nombreuses. Pour déterminer quels sont les technologies pertinentes pour un

usage particulier, plusieurs facteurs doivent être pris en compte, selon les besoins. Tous ne sont pas déterminants dans

tous les cas, mais on peut citer entre autres :

• La puissance disponible (en MW)

• La capacité de stockage (en MWh)

•

La réactivité et les vitesses de montée et de descente en charge pour des gestions de réseau ou desapplications nécessitant une bonne réactivité,

• La densité énergétique, souvent exprimée en MWh / kg, lorsque la portabilité entre en jeu,

• Le nombre de cycles charge-décharge supportables,

• La vitesse de charge, problématique clef pour les véhicules électriques…

Quelques chiffres ainsi que les principales caractéristiques pour différentes technologies de stockage d’énergie sont

résumés dans le tableau 1 ci dessous.

6

Le choix des moyens de stockage

Tableau 1 : Comparaison de différentes technologies de stockage (liste non exhaustive). Les valeurs présentées sont des ordres de grandeur

donnés à titre indicatif.

(Source: EPRI DOE Handbook of Energy Storage for TransmissionOr Distribution Applications et IDC Energy)




LE STOCKAGE D’ENERGIE: ENJEUX ET SOLUTIONS TECHNIQUES – Janvier 2011 7


5L’efficacité est définie en tant que le rapport entre l’énergie restituée et l’énergie stockée.

6 Spread : Le terme spread désigne un écart de prix. Ici il s’agit de l’écart entre les prix de l’électricité de pointe et de creux.

Critères clefs de comparaison

Ce dernier point est à étudier finement. A chaque technologie sont associés les coûts liés à l’investissement et aux

opérations, coûts indépendants qu’il convient d’étudier dans leur globalité :

Les coûts d’investissement

• L’investissement lié à la puissance installée (€/MW)

• L’investissement lié à la capacité (€/MWh)

Les coûts d’opération : ils prennent en compte notamment la maintenance et l’efficacité du système.

Outre, ces coûts d’investissement et d’opération tels que décrits plus haut, il convient de tenir compte des coûts deremplacement (et de fait, des fréquences de remplacement) des technologies à cycles courts telles que les batteries. Cette

problématique ne concerne donc pas les STEP ou encore les CAES de la même manière.

La conséquence de cette diversité de facteurs indépendants les uns des autres à prendre en compte, est la multiplicité des

structures de coûts qu’il est possible de rencontrer. Les STEP, par exemple, sont très capitalistiques, tandis que les

batteries ont des coûts élevés de remplacement. Pour certains systèmes, la puissance coûte cher (les flows batteries par

exemple), tandis que pour d’autres c’est la capacité (les supercondensateurs, par exemple); pour d’autres enfin, le

principal problème économique est posé par la maintenance et le remplacement. Là encore, une optimisation au cas par

cas est nécessaire.

La diversité technologique de ce secteur, complexifiée de surcroit par l’évolution rapide des acteurs et des systèmes de

ce marché en pleine formation, rend essentielle une double compétence technique et économique pour effectuer unchoix optimal.

Plus complexe encore est le retour sur investissement. Au-delà des coûts, il est difficile de prévoir la rentabilité

économique d’un système, qui doit aussi prendre en compte les recettes liées à l’utilisation déportée ou à la revente de

l’électricité.

Les économies réalisées grâce à la différence entre le prix d’achat de l’électricité en heure creuse et celui de revente, en

heure de pointe, appelée spread 6, varient quotidiennement ; la dépendance à des facteurs tels que les conditions

météorologiques ou l’arrêt soudain et la rupture d’éléments du réseau (centrale électrique, ligne haute-tension…) rendent

ces spreads très difficilement prédictibles. Cela peut s’avérer être un frein majeur à l’investissement : c’est aujourd’hui le

cas pour deux STEP aux Pays-Bas, totalisant 1,3 GW de puissance installée et une capacité de 16 GWh, dont l’économie est

encore trop incertaine pour valider la construction.

Une fois les diverses familles de possibilités identifiées, il est nécessaire de pouvoir comparer rapidement les technologies

entre elles. Par exemple, pour répondre aux problématiques d’équilibre de l’offre et de la demande d’électricité sur les

réseaux, les critères clefs pour pouvoir comparer les systèmes de stockage d’énergie sont :

• L’efficacité5, souvent exprimée en kWhout/kWhin

• La puissance disponible (MW)

•

La capacité de stockage (MWh)

• Les coûts associés






8

L’approche la plus rigoureuse pour identifier le

système de stockage adapté au besoin

particulier d’un industriel donné consiste en

l’étude au cas par cas de ses besoins en terme

de stockage et des caractéristiques de ses

moyens de production. On peut souligner que

le choix de la technologie de stockage peut

dépendre de la forme finale d’énergie qu’on

souhaite atteindre.

Dans le cas où l’usage souhaité est purement

électrique, pour la régulation d’un réseau

électrique par exemple, les technologies

disponibles sont très variées, chacune

couvrant un secteur d’utilisation défini. Par

exemple, en compétition avec les batteries

Lithium-ion, les volants d’inertie sont

particulièrement adaptés à la régulation fine,

de l’ordre de la microseconde (avec une

efficacité de plus de 95%, mais un coût de

l’ordre de 6000 €/kWh).

L’exergie, plus que l’énergie, permet de prendre en compte les potentiels énergétiques de façon très complète. Il s’agitde prendre en compte l’ensemble des caractéristiques « utiles » d’une forme d’énergie, en incluant les potentiels

chimiques, thermiques, mécaniques, etc. Ces potentiels dépendent en outre de l’environnement : par exemple, un flux

liquide sortant à 40°C n’aura pas la même valeur pratique dans le Sahara qu’en Sibérie, ce qu’un simple calcul

énergétique ne permettra pas d’appréhender.

L’exergie permet de quantifier ces grandeurs relatives ; cet outil, reflet de la deuxième loi de la thermodynamique,

permet de mesurer le travail utile réellement disponible, au-delà de la valeur absolue donnée par une mesure

énergétique.

C’est un outil précieux pour l’amélioration de l’efficacité énergétique dans les procédés, cela l’est également dans la

recherche de potentiels de stockage pour laquelle il permet des approches méthodologiques efficaces.

Un outil d’optimisation puissant: l’exergie

Graphique 1: Comparaison de différentes technologies de stockage suivant

leur puissance nominale et leur temps de décharge caractéristique(Source: Electricity Storage Association)

Les STEP peuvent se charger de l’effacement à l’échelle de la journée (avec une efficacité pouvant atteindre 80%, et des

coûts variant de 60 à 400 €/kWh selon les sites). Les batteries de divers types (Ni-Cd, Lead-Acid, flow batteries …) ont des

rôles intermédiaires, avec des coûts allant de 300 à 3000 €/kWh pour des puissances ne dépassant pas 50 MW et une

efficacité de l’ordre de 80% pour des systèmes à l’échelle du MW.

Il n’y a donc pas une meilleure solution, mais bien tout un panel de technologies qui s’avèreront être optimales chacune

dans un contexte particulier. Et le contexte actuel peut encore ouvrir le champ à de nouvelles possibilités.






Si la problématique du stockage d’énergie est bien connue, elle n’est devenue un enjeu économique à grande échelle que

depuis peu. Il apparaît maintenant que des solutions ingénieuses existent, combinant rentabilité et faisabilité technique, et

qu’il peut même être possible de les utiliser en synergie avec d’autres secteurs.

Intégrer le stockage d’énergie aux procédés industriels

C’est peut-être là que réside le plus grand potentiel de stockage encore inexploité. De nombreux procédés industriels

contiennent des étapes de consommation d’énergie qui pourraient se prêter à du stockage. L’intérêt, du fait des faibles

variations dans les coûts de l’énergie, était jusqu’alors relativement faible, voire inexistant. Aujourd’hui cependant, il est

possible d’utiliser ce potentiel comme levier d’efficacité économique et de flexibilité opérationnelle. Le procédé le plus

emblématique aujourd’hui à ce sujet est probablement le stockage d’air comprimé au cœur du fonctionnement d’une

turbine à gaz : ce sont les CAES. (Voir Focus page 10). Mais c’est un principe qui peut s’appliquer dans tous les procédés

mettant en jeu de l’électricité.

Méthode : identifier de telles solutions demande cependant de maîtriser à la fois les procédés industriels en jeu ainsi que

les diverses technologies de stockage disponibles, tout en réussissant à garder le pragmatisme économique nécessaire à

toute application industrielle. Les clefs pour le succès d’une telle intégration sont :

• Identifier les grandeurs ou éléments stockables

• Minimiser l’ajout d’étapes procédés

• Utiliser l’énergie présentant la forme et la qualité la plus adaptée et la moins coûteuse

• Identifier les contreparties (perte de souplesse opérationnelle, limites dans la capacité de prédiction des besoins pour

dimensionner le stockage, nouvelles pertes associées à la décorrélation de procédés jusqu’ici intégrés)

• Optimiser les modes d’opération du procédé ainsi modifié pour :

Tirer parti des variations de prix de l’électricité

Eventuellement être rémunéré pour fourniture de services au réseau.

9

Les solutions innovantes et l’ère de l’opportunisme

Figure 4 : Installation de capture de CO2 sur fumées en

post combustion. (Source: IPCC)

Exemple : La capture du CO2 émis par les centrales à charbon est par

exemple un procédé très gourmand en électricité : jusqu’à un tiers

de l’électricité produite peut être ainsi autoconsommée pour la

purification des fumées. Certaines méthodes utilisent des composés

chimiques, les amines, pour capter le CO2 ; un chauffage permet

ensuite de régénérer les molécules en libérant le CO2 pur, étape très

énergivore. Une solution envisagée est de stocker les amines

contenant le CO2 pendant les heures de pointes, quand le besoin

d’électricité est maximal, pour les régénérer ensuite en heure

creuse, quand l’énergie est moins chère. Cette solution, jugée

encore trop coûteuse aujourd’hui, n’en ouvre pas moins la voie à un

tout nouveau type de réflexion sur le sujet.





Le principe : Stocker de l’air comprimé en

heure de pointe pour le délivrer en heure

creuse.

L’idée : Une turbine à gaz utilise plus de la

moitié de sa puissance pour comprimer

l’air à l’entrée, puissance qui dès lors n’est

pas vendue au réseau. Choisir de perdre

cette puissance en heure creuse plutôt

qu’en heure de pointe permet de faire deséconomies substantielles : c’est un bon

exemple d’intégration d’un stockage

d’énergie dans un procédé industriel, en

profitant d’une étape de compression très

coûteuse en énergie qui a lieu de toute

façon. Le stockage permet de décorréler la

Figure 5: Principe d’une installation CAES

(Image : CAES Development Co)

consommation électrique de son utilisation. Ici, c’est grâce à une caverne souterraine (ou en réservoirs de surface

pour les petites installations) qui peut contenir une quantité suffisante d’air comprimé. S’agissant de cavernes

creusées, les contraintes de site sont bien moindre que pour des stockages de gaz naturel ou de CO2 par exemple, qui

eux sont stockés dans la porosité des roches. Il est donc possible d’en construire quasiment partout, à des coûts

variant de 0.5 à 25 €/kWh.

Principal inconvénient : Les pertes de chaleur dues à la compression. Cette chaleur permet normalement de

préchauffer l’air à l’entrée de la turbine, augmentant ainsi son rendement. Ici, la décorrélation implique une perte de

cette chaleur.

Une solution : Les AA-CAES, ou advanced adiabatic CAES : intégrer un système de stockage thermique pour récupérer

ces flux de chaleur lors de la phase de réinjection.

Les coûts d’investissements des CAES sont compétitifs avec les coûts des STEP, ils varient entre 300 et 600 €/kWe.

Aujourd’hui, deux unités CAES sont en place, une à Huntorf (Allemagne) de 290 MW et une seconde en Alabama

(Etats-Unis) de 110 MW; d’autres unités sont à l’étude. Les AA-CAES nécessitent encore un effort de recherche pour

diminuer les coûts du stockage thermique, un premier pilote de 2700 MW est prévu pour 2013 en Ohio (Etats-Unis).

FOCUS TECHNOLOGIQUE : CAES – Compressed Air Energy Storage

10


Un exemple illustre bien le besoin de méthode dans la qualification des systèmes innovants : la quantification de

l’efficacité des CAES. C’est un sujet qui a longtemps fait débat, et qu’il n’est possible d’arrêter qu’avec des méthodes

rigoureuses pour définir le périmètre du stockage lui-même. En effet, les sources d’énergie sont d’une part l’électricité qui

a servi à comprimer l’air, qui peut provenir soit de la turbine elle-même soit du réseau, et d’autre part du gaz, qui apporte

un complément énergétique significatif. Dès lors, utiliser le ratio Elec in / Elecout n’a plus vraiment de sens pour qualifier le

stockage. Il importe de définir soigneusement les bornes du système de stockage, afin d’identifier uniquement les pertes

qui sont dues aux procédés ajoutés pour le stockage. Ce travail effectué, on trouve une efficacité de l’ordre de 50%, et qui

peut atteindre 75% en prenant en compte le stockage thermique.

Nombre de systèmes innovants présentent des subtilités similaires. Une grande rigueur est nécessaire dans leur étude

avant de conclure sur leur potentiel.

Pour faire un choix : un besoin essentiel de méthode






La plupart des solutions que l’on a vues jusqu’ici nécessitent encore des efforts de R&D et d’optimisation économique. Les

coûts de développement de nouvelles STEP sont en augmentation à cause de la raréfaction des sites disponibles; les CAESnécessitent des efforts supplémentaires de R&D, et le coût des batteries les rendent inaccessible pour bien des

applications.

Il en va tout autrement pour le stockage thermique. Des améliorations et des innovations sont bien sûr attendues, mais

des solutions industrielles, économiques, sont d’ores et déjà applicables. Qu’il s’agisse de froid ou de chaleur, ces

solutions, telle la glace, les sels fondus ou autres matériaux à changement de phase, sont disponibles et commencent à se

généraliser. Leur potentiel est d’autant plus grand que la génération thermique est souvent un important poste de

consommation électrique. Les systèmes de stockage de froid disponibles sont parmi les plus accessibles, à 1500 €/kW et

250 €/kWh (à comparer avec un prix moyen de 500 €/kWh pour les batteries les moins chères). Leur efficacité est très

élevée (de l’ordre de 90% et plus) ; et leur impact sur la gestion des réseaux de chaleur et de froid peut être très profitable.

11

Des études montrent que l’utilisation moyenne d’un véhicule électrique nécessitera beaucoup moins que 80% de la

capacité de la batterie pour les trajets quotidiens. Il est donc possible, pendant les phases de repos au cours desquelles

le véhicule est branché et chargé, de laisser au régulateur du réseau électrique la liberté de charger ou décharger à loisir

20% de cette capacité. Compte tenu des tailles de parc de véhicules électriques qui devraient être atteinte dans les

décennies à venir, il est possible de mettre à disposition une capacité de stockage proportionnelle à l’importance du

parc. Il faut bien sûr pour cela que toutes les entités soient à même de communiquer entre elles ; une fois cette barrière

franchie, le potentiel peut atteindre un ordre de grandeur de 10 GWh pour un parc d’un million de véhicules.

Cette solution, tirant parti du contexte nouveau créé par l’émergence des véhicules électriques, peut devenir une clef

majeure pour le contrôle futur des réseaux.

Un exemple à grande échelle : Le système Vehicule To Grid (V2G)

Dans l’immédiat : le stockage thermique

IDC Energy Insight prévoit un décuplement de la capacité de stockage des batteries Lithium-ion d’ici à fin 2013, avec un

passage de 1 343 à 12 525 MWh installés (planification actuelle). Cela représente un investissement de plus de 11

milliards sur 3 ans, porté principalement par 22 entreprises de production de batteries dans le monde.

Les matériaux nécessaires pour assurer cette croissance pourraient commencer à se raréfier, impactant notamment les

coûts de production. Les problématiques liées à l’exploitation de métaux rares commencent déjà à soulever des

polémiques politico-économiques, comme on a pu le voir avec les décisions d’exploitation des salars boliviens pour lelithium ou le durcissement des lois chinoises concernant l’exportation des terres rares.

Perspectives pour les batteries Lithium-ion





AU-DELA DE L’ECONOMIE : UN IMPACT GLOBAL

Outre les avantages techniques et économiques

que nous avons présentés, le stockage d’énergie

peut également avoir un impact positif sur les

quantités de CO2 émises par la production

électrique. En effet, dans certains cas, les

systèmes de production de semi-base et de

pointe choisis (gaz : 0.36 tCO2/MWh, charbon :

0.96 tCO2/MWh, fioul : 0.80 tCO2/MWh – source :

AIE) émettent plus de CO2 que les systèmes de

base en place (nucléaire, hydraulique…). En

France, ça n’est pas vraiment le cas : la production

de base est essentiellement nucléaire; mais la

majeure partie de la production de pointe et

semi-base est assurée par les ressources

hydrauliques; cependant, le recours ponctuel à

L’intégration de systèmes de stockage dans les outils de génération électrique semble pouvoir permettre des réductions

significatives d’émissions de CO2, et donc de dépenses en quotas CO2, aux fournisseurs d’énergie.

Au-delà de ces économies, il est légitime de se demander dans quelle mesure le stockage d’électricité est éligible aux

mécanismes de financement carbone, sur les marchés Européens de l’EU-ETS notamment. Les revenus supplémentaires

générés permettraient d’alléger les coûts liés aux investissements nécessaires. En l’état, les restrictions sur la gestion

des émissions liées à la production d’électricité semblent encore trop sévères, mais une évolution forte de la législation

sur le sujet est probable avec la révision du Protocole de Kyoto de 2012.

Hors UE, de tels projets pourraient faire l’étude d’un dépôt de méthodologie MOC (mise en œuvre conjointe) ou MDP

(mécanismes de développement propre), qui eux ne sont soumis à aucune restriction en ce qui concerne la production

d’électricité. Là encore, des études au cas par cas doivent être menées ; et il s’agira de prouver, dans chaque cas, que le

stockage permet de déplacer des consommations d’une période à fort contenu carbone de l’électricité à une période à

faible contenu carbone. Il semble qu’un tel montage pourrait légitimement être déposé comme candidat aux crédits

carbone, à condition de savoir calculer finement et suivre le contenu carbone de l’électricité dans la zone concernée.

Le financement carbone, une nouvelle opportunité économique pour le stockage d’énergie ?

Impact environnemental : réduction du contenu carbone de l’électricité

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C o n t e n

u c a r b o n e ( t C O 2 / M W h )

Graphique 2: Contenu carbone de l’électricité en France pendant la journée

du 9 décembre 2010 (Source: RTE)

des centrales thermiques est également nécessaire, le contenu carbone du mix énergétique pouvant ainsi varier de 0.04

tCO2/MWh à plus de 0.1 tCO2/MWh. Avec une capacité suffisante, il est concevable qu’à terme, des systèmes de stockage

viennent remplacer les centrales thermiques utilisées aujourd’hui pour la régulation réseau, permettant ainsi autant

d’économies d’émissions.

Il est par ailleurs à noter que l’efficacité des centrales thermiques diminue avec le facteur de charge, les émissions de gaz à

effet de serre par MWh augmentant parallèlement. Les turbines à vapeur notamment sont moins efficaces lorsqu’elles ne

fonctionnent pas à puissance nominale ; or les centrales de pointe ont justement pour caractéristique de fonctionner en

régime partiel : les remplacer par des solutions utilisant le stockage d’énergie produite en heures creuses crée un effet de

levier d’autant plus grand sur la diminution des émissions de CO2. Il s’agit en fait de gérer l’intermittence avec des

systèmes de stockage et non plus en s’assurant la disponibilité de moyens de productions pour les heures de pointe.





AU-DELA DE L’ECONOMIE : UN IMPACT GLOBAL

D’une manière plus générale, on peut rappeler ici que le stockage d’énergie est un facteur clef pour permettre la

croissance des énergies renouvelables intermittentes sans contraindre à une augmentation des moyens de production de

substitution. L’enjeu est bien de trouver des alternatives propres aux solutions carbonées en place actuellement. En l’état

actuel en effet, les systèmes de production classiques permettent d’assurer l’intégralité de la demande en cas de besoin,

afin de palier aux situations où vent et soleil font défaut. Avec des capacités de stockage suffisantes, un tel service ne

devraient pas nécessiter un tel recours aux énergies fossiles pour le contrôle de l’intermittence, permettant à terme

l’utilisation prépondérante des énergies renouvelables.

De nombreux facteurs sont à prendre en compte si l’on veut estimer l’impact réel qu’aurait le stockage d’électricité à

grande échelle sur le contenu carbone de l’électricité d’un réseau. Le lien entre pic de consommation et pic d’émissions

de CO2 est loin d’être direct.

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7 PED : Pays En Développement

ENEA Consulting a notamment étudié les opportunités de l’hybridation énergies renouvelables / production hydrogène

par électrolyse, en milieu rural décentralisé, afin d’améliorer l’accès à l’électricité, ou de fiabiliser les réseaux pour les

services essentiels comme les hôpitaux notamment. Au-delà de leur coût qui paraît encore élevé aujourd’hui, la fiabilité,

la durée de vie et l’indépendance de ces solutions face à des réseaux souvent insuffisamment robustes sont des atouts

suffisamment forts pour susciter l’intérêt des industriels et des acteurs de la société civile.

Impact social : Rôle du stockage d’électricité dans l’accès à l’énergie dans les PED7

La contribution des projets de stockage d’énergie à la lutte contre leréchauffement climatique pour assurer un environnement humain

durable ouvre le sujet de la contribution du stockage aux Objectifs du

Millénaire pour le Développement. En effet, à terme, un autre impact

positif pourra probablement être mis en avant : la réduction de la

pauvreté par l’accès à l’énergie.

Sur le terrain, la faiblesse des solutions actuelles de stockage est depuis

bien longtemps un frein à l’accès à l’énergie pour le développement. Les

populations des PED, loin des réseaux électriques nationaux, peuvent

avoir pour recours le solaire photovoltaïque ou l’éolien en alternative

aux générateurs diesel. Des batteries traditionnelles sont pour l’instantles seuls systèmes de stockage associés abordables, mais le coût de

remplacement, qui intervient tous les 3 ans en moyenne, compliquel’équation économique pour les populations à faible revenu.

Des systèmes plus pérennes (et moins polluants que les batteries,

rarement recyclées) permettraient de décupler l’impact des énergies

renouvelables dans la lutte contre la précarité énergétique, tout en en

assurant la durabilité environnementale.





LE STOCKAGE D’ENERGIE AUJOURD’HUI

Le marché de l’électricité de plus en plus volatile, le besoin croissant de flexibilité, les contraintes technologiques

d’intégration des énergies intermittentes dans le réseau, et la nécessité d’un meilleur impact environnemental, plaident

en faveur d’un développement rapide des solutions de stockage.

Cet enjeu concerne tant les producteurs que les consommateurs d’énergie. Il s’agit pour chacun d’identifier les

technologies et solutions qui sont les plus adaptées. Chaque système de stockage d’énergie présente ses propres

avantages, inconvénients et gammes d’utilisations ; il est possible de dépasser les solutions existantes en allant chercher

de nouvelles opportunités de stockage au sein même des procédés industriels en jeu. Le contexte actuel estparticulièrement propice à une réflexion poussée sur le sujet ; une unique technologie ne peut pas répondre à l’ensemble

des besoins, mais la diversité du portefeuille des moyens de stockage laisse entrevoir un scénario global réaliste pour

pérenniser la croissance de notre environnement énergétique. En conséquence, la demande de telles solutions connait

une croissance exponentielle, et le marché est encore suffisamment nouveau pour offrir des opportunités rentables,

facilement exploitables par un panel très large d’acteurs industriels.

Certaines technologies demandent encore un travail de développement. Plus généralement, des obstacles de nature

diverse doivent encore être surmontés :

• Un travail législatif doit être effectué pour créer l’environnement règlementaire propice encore manquant

• Certaines technologies, telles que le stockage d’hydrogène ou l’utilisation de nouveaux sites hydrauliques, poseront

des problématiques d’acceptation sociétale qu’il convient d’anticiper dès maintenant

• Un effort de R&D est encore à fournir dans certaines familles technologiques pour parvenir à des solutions de grande

échelle économiques à court terme

Le stockage d’énergie constitue un levier technique difficilement contournable dans l’essor des énergies renouvelables,

et une opportunité économique pour tous les acteurs industriels ayant la capacité technologique de développer des

capacités de stockage d’énergie. Des solutions sont d’ores et déjà techniquement disponibles ; et l’évolution du

contexte économique les rend de plus en plus rentables. De nombreuses innovations et des ruptures technologiques

sont attendues dans ce secteur en devenir.

Electricity storage association : http://www.electricitystorage.org/

ENEA Consulting : Panorama détaillé de l’hydroélectricité en France

ENEA Consulting : Scénarios prospectifs sur l’injection d’hydrogène dans les réseaux de gaz

ENEA Consulting : Evaluation technico-économique, étude de marché et stratégie marketing pour une technologie

innovante de stockage d’énergie dans un procédé industriel

ENEA Consulting et C3 consensus : Acceptation sociétale

Auteurs : Louis-Marie Jacquelin, Imène Lallali-Benberim

POUR EN SAVOIR PLUS :

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Ce qu’il faut retenir

http://www.electricitystorage.org/

http://www.electricitystorage.org/



Optimisation de la performance

Environnementale

► Energies Nouvelles :

bioénergies, hydrogène, solaire,

hydroélectricité, éolien,…

► Emissions de Gaz à Effet de Serre

► Capture et Stockage du CO2

► Procédés & Technologies Innovantes

Optimisation de la performance sociétale

► Ancrage local

► Acceptation sociétale

Mesure de la performance globale► Programme de R&D interne sur la

mesure de la performance

environnementale et sociétale

ExpertiseOffre de service

Stratégie corporate & Investissement

Accompagnement aux Projets

Ingénierie & Expertise technologique

Modèle d’entreprise

20% du temps de travail des collaborateurs

dédié à l’accompagnement bénévole des

acteurs sociaux œuvrant pour l’accès à l’énergie

Mécénat pour

l’accès à l’énergie

Conseil & Recherche

en Energie Durable20% 80%

Conseil, Mécénat & Recherche en Energie Durable

ENEA Consulting - Facts&Figures - le stockage d'énergie

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