J'ai passé beaucoup trop d'heures à lire des livres blancs et des fiches techniques surstockage d'énergie. Et voici ce que j’ai compris : le paysage dans son ensemble est plus compliqué et plus intéressant que la plupart des articles ne le prétendent.
Tout le monde parle de piles. C'est vrai,-ils sont partout maintenant. Mais le stockage d’énergie ? C'est une conversation beaucoup plus vaste. Nous parlons de tout, des énormes réservoirs d’eau situés au sommet des montagnes aux morceaux de métal en rotation dans des chambres à vide. Certaines de ces technologies existent depuis que vos arrière--grands-parents étaient enfants. D'autres existent principalement dans les laboratoires et les présentations PowerPoint.
Laissez-moi vous expliquer ce qui existe réellement.
Le vieux bourreau de travail dont personne ne parle
Stockage hydraulique par pompage. Cela semble ennuyeux, non ? Deux réservoirs à différentes altitudes, quelques turbines, de l'eau qui coule de haut en bas. Physique simple.
Mais voici le problème :-cette technologie "ennuyeuse" gère environ 95 % de tout le stockage d'énergie à l'échelle du réseau-dans le monde. Quatre-vingt-dix-quinze pour cent. Lorsque les gens débattent de la chimie des batteries et discutent entre le lithium et le sodium, l’hydroélectricité pompée fait tranquillement son travail en arrière-plan.
Le concept est d’une simplicité presque embarrassante. Lorsque l'électricité est bon marché (généralement la nuit, ou lorsque le soleil brille et que les panneaux solaires fonctionnent), vous pompez de l'eau vers le haut dans un réservoir. Lorsque les prix grimpent ou que la demande augmente, vous laissez cette eau redescendre par les turbines. L'efficacité oscille autour de 70-85 %, ce qui n'est pas parfait, mais la capacité de stockage est énorme. Nous parlons d'installations capables de stocker des gigawatts-heures d'énergie. Pas des mégawatts-heures. Gigawatt-heures. Essayez de faire cela avec du lithium-ion.
Bien sûr, il y a un piège. Il faut de la géographie. Vous avez besoin de deux réservoirs. Vous avez besoin du bon dénivelé. Vous ne pouvez pas exactement en construire un au Kansas. L'obtention d'un permis environnemental prend à elle seule des années. Et les coûts initiaux ? Astronomique. Mais une fois construites, ces centrales fonctionnent pendant 50, 60, parfois 80 ans. L’installation du comté de Bath, en Virginie, fonctionne depuis 1985 et ne montre aucun signe d’arrêt.
Air comprimé : l'approche souterraine
Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES) est l’étrange cousin de l’hydroélectricité par pompage. Au lieu de déplacer l'eau, vous comprimez l'air dans des cavernes souterraines -dômes de sel, champs de gaz naturel épuisés, aquifères, quelles que soient les formations géologiques disponibles.
Pendant les-heures creuses, des compresseurs électriques poussent l'air dans ces espaces souterrains à des pressions qui feraient exploser vos oreilles rien que d'y penser. Lorsque vous avez besoin d'électricité, l'air comprimé est libéré, chauffé (généralement avec du gaz naturel, qui est la partie pas-si-verte) et circule dans des turbines.
Il n’existe actuellement que deux usines commerciales CAES en activité. Deux. Un en Allemagne fonctionne depuis 1978 et un en Alabama depuis 1991. La technologie fonctionne clairement. Mais les exigences géologiques sont strictes et les aspects économiques ne sont pas encore pris en compte dans de nombreux endroits. Néanmoins, les chercheurs continuent de travailler sur des versions avancées de systèmes adiabatiques - qui capturent et réutilisent la chaleur de la compression, éliminant ainsi le besoin de gaz naturel. Ceux-ci existent pour l’instant principalement dans des projets pilotes.
Volants d'inertie : pure beauté mécanique
Je l'admets :-les volants d'inertie sont mes préférés. Il y a quelque chose d'élégant dans le fait de stocker de l'énergie sous forme de mouvement de rotation.
Un système de volant d'inertie est essentiellement un rotor lourd tournant dans une chambre à vide, suspendu par des roulements magnétiques pour minimiser la friction. Lorsque vous avez un excès d’électricité, les moteurs font tourner le volant plus rapidement. Lorsque vous avez besoin de courant, cette masse en rotation entraîne un générateur. La physique est propre, intuitive.
Les volants d'inertie excellent dans ce que les batteries détestent : des cycles de charge-décharge rapides, des millions de cycles au cours de leur durée de vie, des temps de réponse instantanés mesurés en millisecondes. Ils sont parfaits pour la régulation de fréquence-ces petits ajustements constants dont le réseau a besoin pour rester stable à exactement 60 Hz (ou 50 Hz, selon l'endroit où vous vivez).
En quoi ne sont-ils pas bons ? Stocker l'énergie pendant de longues périodes. Même avec les meilleurs roulements magnétiques et des aspirateurs presque-parfaits, les volants d'inertie perdent de l'énergie à cause du frottement au fil du temps. Laissez-en un assis pendant une journée et vous perdrez une partie importante de votre énergie stockée. Laissez-le pendant une semaine et ne vous embêtez pas.
Les volants d'inertie occupent donc un créneau spécifique : les applications de courte durée-et à haute-puissance. Les centres de données les utilisent comme énergie de pont pendant les quelques secondes nécessaires au démarrage des générateurs diesel. Certains systèmes de transport en commun récupèrent l'énergie de freinage dans les volants d'inertie et la renvoient au troisième rail en quelques secondes. La NASA a joué avec eux pour les vaisseaux spatiaux.
Batteries : la catégorie qui intéresse vraiment tout le monde
D'accord, parlons des piles. Les options électrochimiques ont explosé ces dernières années et, honnêtement, cela prête à confusion.
Lithium-iondomine la conversation pour une bonne raison. Une densité énergétique élevée signifie plus de stockage dans moins d’espace. Durée de vie décente, en particulier avec les produits chimiques les plus récents. Les coûts ont chuté-de 90 % depuis 2010. Votre téléphone, votre ordinateur portable, vos véhicules électriques et, de plus en plus, le stockage sur réseau fonctionnent tous avec des variantes de lithium-ion.
Mais le "lithium-ion" n'est pas une chose. C'est une famille. Le phosphate de fer et de lithium (LFP) sacrifie une certaine densité énergétique pour une meilleure sécurité et une durée de vie plus longue-sans cobalt, ce qui est important à la fois sur le plan éthique et économique. Les constructeurs chinois ont fait tapis-sur la LFP, et maintenant c'est elle qui prend le relais. Pendant ce temps, le nickel-manganèse-cobalt (NMC) contient plus d'énergie par kilogramme, ce qui est important lorsque vous essayez de donner à une voiture électrique une autonomie décente.
Le côté obscur du lithium-ion ? Emballement thermique. Ces batteries peuvent prendre feu de manière spectaculaire si elles sont endommagées, surchargées ou simplement malchanceuses. La fabrication est-énergivore. Les chaînes d’approvisionnement du lithium et du cobalt ont leur propre bagage éthique. Et même si les infrastructures de recyclage s’améliorent, la plupart des batteries usagées finissent toujours dans les décharges.
Batteries à fluxadopter une approche complètement différente. Au lieu de stocker l’énergie dans des électrodes solides, ils utilisent des électrolytes liquides dans des réservoirs externes. Vous souhaitez plus de capacité énergétique ? Procurez-vous simplement des réservoirs plus gros. La puissance et l’énergie sont découplées, ce qui change toute la philosophie de conception.
Les batteries à flux redox au vanadium (VRFB) sont la version la plus mature. Ils durent pratiquement éternellement-nous parlons de 15 000 à 20 000 cycles, peut-être plus. Aucune dégradation due à une décharge profonde. L'électrolyte ne s'use pas ; il se contente de faire des allers-retours à travers la pile de cellules. Vingt-cinq ans plus tard, vous pouvez vider l'électrolyte, l'expédier ailleurs et continuer à l'utiliser.
Mais les batteries à flux sont encombrantes. Leur faible densité énergétique signifie qu’ils n’ont aucun sens pour les véhicules ou les applications portables. Le vanadium n'est pas bon marché non plus. Pour le stockage à l'échelle du réseau-où l'empreinte n'a pas d'importance et la longévité l'est ? Ils sont de plus en plus attractifs.
Plomb-acideest la batterie rechargeable d'origine, pratiquement inchangée depuis 1859. Votre voiture démarre avec une. Ils sont bon marché, bien-compris et recyclables à 98 %. Mais la durée de vie est médiocre, la densité énergétique est faible et ils sont lourds. Pour les applications réseau, ils ont été largement supplantés, mais ils dominent toujours dans les systèmes d'alimentation de secours où le coût compte plus que tout le reste.
Sodium-ionest-ce que le nouveau venu reçoit une attention sérieuse. Le sodium est partout-littéralement dans l'eau de mer-les problèmes de chaîne d'approvisionnement disparaissent donc pratiquement. Le processus de fabrication peut réutiliser les équipements d'usine lithium-ion existants. Les performances ne sont pas encore tout à fait au niveau du lithium-ion, mais elles réduisent rapidement l'écart. CATL a commencé la production de masse en 2023. D'ici cinq ans, l'ion sodium- pourrait se tailler une part de marché importante pour le stockage stationnaire.
je devrais mentionnernickel-cadmium(toujours utilisé dans certaines applications industrielles, bien que le cadmium soit toxique et que l'UE l'ait restreint),nickel-hydrure métallique(vous vous souvenez de la Prius avant qu'elle ne passe au lithium ?), etsodium-soufre(systèmes à haute-température que les entreprises japonaises ont fortement encouragés dans les années 2000). Mais à ce stade, je liste les choses juste pour les lister. La réalité pratique est que les batteries lithium-ion et Flow sont là où se déroule l'action, avec le sodium-ion qui arrive rapidement.
Stockage thermique : la chaleur comme batterie
Voici une catégorie qui ne reçoit pas assez d'attention : le stockage de l'énergie sous forme de chaleur (ou de froid).
Stockage du sel fonduC'est ainsi que fonctionnent les centrales solaires concentrées la nuit. Les miroirs concentrent la lumière du soleil sur une tour, chauffant le sel fondu à 500-600 degrés. Ce sel est stocké dans des réservoirs isolés et, lorsque vous avez besoin d’électricité, vous l’utilisez pour produire de la vapeur et faire fonctionner une turbine. La centrale Gemasolar en Espagne peut produire de l’électricité pendant 15 heures après le coucher du soleil. Crescent Dunes au Nevada retient suffisamment de chaleur pour 10 heures de génération.
L’avantage du sel fondu est que le stockage de la chaleur est bon marché. Bien moins cher au kWh que les batteries. Ce qui n'est pas-cool, c'est l'-efficacité aller-retour-que vous perdez beaucoup lors de la conversion de la chaleur en électricité et inversement.
Stockage de glaceest l'équivalent thermique du décalage temporel-. Les bâtiments commerciaux gèlent l’eau pendant la nuit lorsque les tarifs d’électricité sont bas, puis utilisent cette glace pour assurer la climatisation pendant les heures de pointe de l’après-midi. Ce n'est pas glamour, mais ça marche. Disney World l'utilise. De nombreux immeubles de bureaux dans les climats chauds l’utilisent. Vous utilisez essentiellement la glace comme batterie pour répondre à la demande de refroidissement.
Il existe également des concepts plus récents :Piles Carnotqui stockent l'électricité sous forme de chaleur et la reconvertissent à l'aide de moteurs thermiques, de réservoirs d'eau chaude qui-décalent le chauffage électrique, et de stockage thermique saisonnier pour des quartiers entiers. L'univers thermique est étonnamment profond.
Hydrogène : le joker
Le stockage de l’énergie hydrogène a des défenseurs passionnés et des critiques acerbes, et honnêtement, les deux ont des arguments valables.
L’intérêt est simple : utiliser l’excès d’électricité renouvelable pour diviser l’eau en hydrogène et oxygène (électrolyse). Stockez l'hydrogène. Lorsque vous avez besoin d’énergie, faites-la passer dans une pile à combustible ou brûlez-la dans une turbine. L'hydrogène peut stocker d'énormes quantités d'énergie pendant de très longues durées : -semaines, mois, voire saisons.
La critique est tout aussi simple : l'efficacité-aller-retour est épouvantable. Vous perdez 30% en électrolyse. Vous en perdez davantage en compression ou en liquéfaction. Vous perdez davantage en vous reconvertissant à l’électricité. De bout en bout-à-bout, vous pourriez récupérer 30-40 % de votre énergie d'origine. Comparez cela à 85 à 90 % pour le lithium-ion.
Alors, quand l’hydrogène a-t-il un sens ? Lorsque vous avez besoin de stocker des quantités vraiment massives d’énergie pendant de longues périodes. Lorsque vous décarbonisez des processus industriels nécessitant une chaleur élevée. Lorsque vous avez besoin d’un vecteur d’énergie pouvant être transporté sur de longues distances. Quand les autres options ne peuvent littéralement pas faire le travail.
L’Allemagne a beaucoup misé sur l’hydrogène. Le Japon aussi. L’Australie construit des infrastructures d’exportation pour expédier de l’hydrogène vert vers l’Asie. La réussite de ce pari dépend de la baisse des coûts plus rapide que l'amélioration des batteries-et que les batteries s'améliorent rapidement.
Les trucs de durée ultra-courte-
Supercondensateursstocker l’énergie de manière électrostatique plutôt qu’électrochimique. Ils peuvent charger et décharger presque instantanément, gérer des millions de cycles et fournir une densité de puissance ridicule. Ce qu'ils ne peuvent pas faire, c'est stocker beaucoup d'énergie. Une banque de supercondensateurs de la taille d’un conteneur d’expédition peut stocker ce que contient une batterie de la taille d’une valise.
Leur point idéal réside dans les rafales ultra-courtes : freinage par récupération dans les systèmes de transport en commun, fourniture d'énergie douce dans les installations renouvelables, fournissant cette fraction de seconde-d'énergie dont un UPS a besoin avant que les batteries ne prennent le relais.
Stockage d'énergie magnétique supraconducteur(PME) est encore plus exotique. Stockez l’énergie dans un champ magnétique créé par des bobines supraconductrices refroidies à des températures cryogéniques. Réponse quasi-instantanée, aucune dégradation, cycle de vie essentiellement infini. Mais les coûts et la complexité du maintien des températures supraconductrices ont maintenu les PME dans des applications de niche-principalement la qualité de l'énergie pour les usines de fabrication de semi-conducteurs et d'autres installations où même les baisses de tension momentanées coûtent des millions.
Stockage par gravité : la nouvelle vieille idée
Une autre catégorie mérite d'être mentionnée : les systèmes-basés sur la gravité qui ne sont pas de l'énergie hydraulique pompée.
Coffre énergétiqueconstruit des systèmes de grue qui empilent et dépilent des blocs de béton massifs. Soulevez les blocs lorsque l'énergie est bon marché, abaissez-les via des générateurs lorsque vous avez besoin d'électricité. Il s'agit essentiellement de pompage d'hydroélectricité sans eau.
D'autres sociétés explorent des mines abandonnées -abaissez les poids dans le puits, puis remontez-les. Ou des tours-construites à cet effet. Ou encore des concepts impliquant des wagons chargés de roches sur des voies inclinées.
Reste à savoir si ces entreprises peuvent être compétitives sur le plan économique. La densité énergétique du stockage par gravité est intrinsèquement faible.- vous avez besoin de beaucoup de masse et de hauteur pour stocker une énergie significative. Mais les partisans soutiennent que l'utilisation de matériaux bon marché (béton, gravier) et de mécanismes simples pourrait réduire le coût des batteries pour les applications de longue durée-.
Alors, qu’est-ce qui compte réellement ?
Si vous avez lu jusqu'ici, vous vous demandez peut-être : quelle technologie gagne ?
Mauvaise question.
Le stockage d'énergie n'est pas un marché gagnant-à emporter-tout. Différentes technologies correspondent à différentes niches en fonction de la durée, du temps de réponse, de l'emplacement, de la structure des coûts et de l'application.
Besoin d’une régulation de fréquence en millisecondes ? Volants ou batteries. Besoin de quatre heures de secours pour une centrale solaire ? Batteries au lithium-ion ou à flux. Besoin de réorienter les excédents renouvelables saisonniers ? Probablement de l'hydrogène, ou de l'hydroélectricité pompée si la géographie le permet. Besoin de rafraîchir un bâtiment en période de pointe ? Stockage de glace.
Le réseau du futur ne fonctionnera pas avec une seule technologie de stockage. Il regroupera plusieurs technologies : -supercondensateurs pour une réponse instantanée, batteries pour des minutes ou heures, pompe hydraulique pour le cyclisme quotidien, hydrogène ou thermique pour une durée plus longue. Chaque créneau du spectre de durée sera probablement occupé par la technologie offrant la meilleure rentabilité pour cette application spécifique.
Ce qui est intéressant, c’est que les coûts diminuent dans presque toutes ces catégories. Les coûts des batteries au lithium-ion ont explosé. Les électrolyseurs suivent une courbe d’apprentissage similaire. La production de batteries à flux augmente. Même l'hydroélectricité par pompage connaît des innovations avec des systèmes en boucle fermée-et des réservoirs souterrains.
Il y a dix ans, rien de tout cela ne semblait économiquement viable à grande échelle. Maintenant? Le stockage est le segment-qui connaît la croissance la plus rapide du secteur de l'énergie.