Dans un précédent article ont été présentées diverses technologies renouvelables de production d’énergie un peu obscures, mais la transition énergétique nécessite également des technologies de stockage performantes afin de soutenir les énergies intermittentes telles que le solaire ou l’éolien. Même si elles ne sont pas au premier plan comme les batteries Li-ion ou le stockage hydroélectrique avec pompage, certaines technologies pourraient être un atout majeur dans le développement des énergies renouvelables. Penchons-nous sur certaines d’entre elles :
A. Les briques.
Oui oui. La route vers la durabilité pourrait bien être pavée de briques plutôt que de batteries. Les briques à haute capacité thermique, le sable, le gravier, la roche volcanique, tous ces matériaux sont de bons candidats pour le stockage thermique : ils sont robustes, bon marché, ne se dégradent presque pas et sont largement disponibles. Le principe est simple : vous prenez de l’électricité renouvelable et vous l’utilisez pour alimenter des résistances chauffantes qui – comme toujours – convertissent à quasiment 100% l’électricité en chaleur utile (où irait l’énergie autrement ?), résistances qui chauffent lesdites briques à des températures jusqu’à 2000°C. Ces briques toutefois devraient être dans un contenant avec une excellente isolation thermique pour pouvoir stocker la chaleur pendant de longues durées sans avoir des pertes monstrueuses. Ensuite, la chaleur stockée sert à chauffer de l’eau et la transformer en vapeur, vapeur qui alimente une turbine qui génère de l’électricité. Parmi les alternatives, les briques peuvent être chauffées avec la chaleur résiduelle d’une usine, ou bien la chaleur stockée peut être directement utilisée, dans l’industrie ou dans le chauffage de bâtiments par exemple.
La première remarque évidente est que 2000°C, c’est vraiment chaud. Les fours en sont loin, même les gazinières en sont loin, ça ferait pratiquement tout brûler. Et oui, mais pas absolument tout, c’est pourquoi des matériaux très spécifiques sont requis. Sur le sujet des résistances chauffantes à ultra-haute température, voici un article intéressant(en anglais). Mais pour résumer, certains matériaux permettent de générer des températures impressionnantes sans en souffrir. Le tungstène est l’un des principaux exemples, puisque c’est lui qui était utilisé dans les lampes à filament, en atteignant des températures proches des 3000°C. Toutefois, s’il n’est pas sous-vide ou dans un environnement sans oxygène, il ne peut pas atteindre de telles températures sans sérieusement s’oxyder.
La seconde remarque concerne les pertes thermiques. Elles représentent un problème majeur pour toutes les technologies de stockage thermique, en particulier à haute température, et leur contrôle repose sur une isolation exceptionnelle. Plus le matériau employé est chaud, et plus vite la chaleur est dissipée en raison de la grande différence de température avec l’air ambiant. Pour un système de stockage à une température modérée, disons 500-600°C, une isolation décente peut limiter les pertes quotidiennes à 1-2%, mais lorsque l’on monte autour des 2000°C, la chaleur s’échappe bien plus vite, potentiellement jusqu’à 10% par jour ! Cela s’explique par le fait que le rayonnement thermique est proportionnel à la température puissance quatre, c’est-à-dire le carré du carré de la température ! Des matériaux d’isolation avancés comme les panneaux à vide ou les aérogels peuvent réduire considérablement ces pertes, mais ils sont coûteux, il s’agit donc de trouver un équilibre entre des coûts raisonnables et une efficacité suffisante.
B. Stockage d'énergie thermique par sels fondus
Les briques sont peut-être la forme la plus directe de stockage thermique, mais elles ne sont pas la seule ! Outre les technologies qui réchauffent simplement un solide, il existe d’autres technologies qui nécessitent une planification un peu plus réfléchie. Parmi elles, le stockage d’énergie thermique à sel fondu, ou MSTES pour Molten Salt Thermal Energy Storage. Ce sujet a été brièvement évoqué dans l’article sur la production d’énergie, lorsque nous parlions de l’énergie solaire concentrée. L’idée est globalement la même : un élément chauffant est plongé dans une substance liquide (des sels fondus, souvent de la soude qui est relativement inoffensive et largement disponible), pour la chauffer de quelques centaines de degrés jusqu’à une fourchette de 5-800°C. Le fluide chauffé est envoyé au réservoir chaud et stocké jusqu’à ce qu’on en ait besoin pour vaporiser de l’eau à plusieurs centaines de degrés. Le fluide « refroidi » attend ensuite sagement son tour dans le réservoir « froid » (toujours à quelques centaines de degrés pour rester sensiblement au-dessus de son point de fusion) jusqu’à ce que de l’énergie renouvelable soit à nouveau disponible pour le réchauffer.
Un inconvénient majeur des TES, les stockages thermiques, est que bien qu’ils puissent stocker et fournir de la chaleur avec une impressionnante efficacité, ils reposent souvent sur l’utilisation de turbines à vapeur lorsqu’il s’agit de fournir de l’électricité. Dans ce contexte, ces turbines ont généralement une efficacité sous les 50%, qui peut même tomber en dessous de 25%. Ainsi, même si pratiquement toute l’électricité qui arrive au système peut être efficacement stockée, la plupart ne peut pas être récupérée telle quelle, handicapant sévèrement ces systèmes dans le cadre de certaines applications. En guise de comparaison, les systèmes de stockage par batterie à grande échelle ont une efficacité électrique de l’ordre de 80-90%. En somme, même si les stockages thermiques sont fantastiques pour fournir de la chaleur, lorsque c’est d’électricité que l’on a besoin, ce ne sont probablement pas les meilleurs candidats.
C. Stockage thermique par matériau à changement de phase
Les deux premiers points se résument très facilement : on fournit de la chaleur à un matériau, il chauffe. On a besoin d’énergie, on refroidit le matériau et on récupère sa chaleur. C'est ce qu'on appelle le stockage de chaleur sensible. Cependant, une approche un peu plus complexe existe, utilisant ce qu’on appelle des matériaux à changement de phase. Lorsque vous mettez de l’eau sur le feu, elle se réchauffe jusqu’à atteindre 100°C, après quoi elle commence à bouillir, mais reste à 100°C dans la casserole. L’énergie supplémentaire ne sert plus à chauffer l’eau, mais à induire son changement d’état vers la phase gazeuse. L’inverse arrive également, quand un matériau change de phase en se refroidissant, il reste à la même température tout en libérant de la chaleur. C’est d’ailleurs le cas avec les bougies : en redevenant solide, la cire continue de fournir un peu de chaleur supplémentaire. Cela permet de stocker davantage d’énergie dans la même quantité de matière, ou autant d’énergie pour une température maximale plus basse, limitant les pertes.
Ce concept finalement plutôt simple constitue la base d’une technologie de stockage efficace et fiable. Les Phase Change Material TES s’appuient ainsi sur des réactions physiques et non pas chimiques, les rendant généralement plus résilients. Ils esquivent également la problématique des terres rares et des produits chimiques toxiques, étant donné qu’ils emploient pour la plupart des hydrates et des sels fondus tels que les hydrates de sulfate de sodium et de magnésium, ou un mélange de sels de chlorure de calcium et de chlorure de sodium, qui sont tous largement disponibles et sans danger même pour la consommation humaine. Pour plus d’informations à ce sujet, voici un article intéressant.
Toutefois, cette ingénieuse solution ne permet pas de contourner le même problème d’efficacité que les autres TES lorsqu’il s’agit de fournir de l’électricité.
D. Stockage thermique à eau
Il fallait y penser ! Les WTES, avec un W pour Water, peuvent dans certains cas servir dans un système électrique, mais ce n’est pas leur point fort. Ils sont bien plus adéquats dans des systèmes de chauffage et réseaux de chaleur, en particulier aux côtés de systèmes solaires thermiques. Des collecteurs solaires peuvent réchauffer l’eau qui les traverse lors de périodes ensoleillées et l’envoyer dans des réservoirs bien isolés, ou bien sous terre dans d’immenses fosses. Ce sont des systèmes courants dans les réseaux de chauffage urbains, où du stockage à très haute échelle permet de fournir de la chaleur générée durablement à des habitations et bureaux pendant des semaines ou même des mois ! Les systèmes saisonniers, comme les fosses chauffées à l’énergie solaire, stockent la chaleur dont on ne veut pas l’été, afin de pouvoir la récupérer pendant l’hiver, plutôt que d’allumer les radiateurs.
Que ce soit pour des besoins résidentiels ou industriels en eau chaude, les WTES brillent par leur simplicité et leur fiabilité. De plus, comme les autres TES, ils se combinent bien non seulement avec le solaire, mais aussi avec toutes les énergies renouvelables, en utilisant l’électricité excédentaire pour chauffer l’eau en attendant d’avoir besoin de chaleur. Et ces systèmes peuvent être installés à toutes sortes d’échelle : dans une seule maison pour que le soleil de la journée chauffe votre douche du soir, comme dans des quartiers entiers où une énorme fosse chauffée l’été attend patiemment l’hiver. Permettant d’éviter un peu plus longtemps d’allumer la chaudière, les WTES aident à réduire notre dépendance aux énergies fossiles et/ou notre utilisation d’électricité aux heures de pointe, ce qui contribue significativement à la réduction d’émissions de GES, en plus de réduire les coûts liés au chauffage et à la climatisation, et ce rien qu’avec de l’eau !
E. Les volants d’inertie
Le stockage d’énergie par volants d’inertie (ou « flywheels ») est une technologie assez fascinante se basant sur un principe très simple : un moteur alimenté avec de l’électricité excédentaire fait tourner un rotor à une vitesse élevée, lui procurant donc de l’énergie cinétique. Lorsque l’on a besoin d’électricité, alors le système s’inverse, le rotor ralentit en faisant tourner le moteur en mode générateur, convertissant donc l’énergie cinétique à nouveau en électricité. Cela ressemble beaucoup au principe de freinage régénératif dans les véhicules électriques, où les freins aident à recharger la batterie en même temps qu’ils ralentissent la voiture. Un principe mécanique simple, avec beaucoup de potentiel !
L’une des caractéristiques les plus remarquables des systèmes à volants d’inertie est leur court temps de réponse. Ils permettent d’absorber et fournir de l’énergie presque instantanément, ce qui les rend idéaux pour stabiliser les réseaux électriques ou pour pallier l’intermittence parfois brutale du solaire. Ils sont également très durables : les volants peuvent effectuer des dizaines de milliers de cycles charge-décharge pratiquement sans dégradation, contrairement aux batteries qui perdent en capacité au fil du temps. Cela les rend particulièrement adéquats pour les applications où la fiabilité et la longévité sont cruciales.
Les volants d’inertie présentent toutefois quelques défis, l’un d’entre eux étant la densité énergétique : ils ne peuvent pas stocker autant d’énergie que des batteries ou d’autres systèmes qui prendraient autant de place. En conséquence, ils sont plus adaptés aux besoins de courte durée, comme justement l’équilibrage du réseau sur quelques secondes ou minutes. L’efficacité est un autre point important, car même si les systèmes modernes peuvent atteindre une efficacité de restitution d’électricité de l’ordre de 90%, il y aura nécessairement des pertes dues aux frictions solides et avec l’air, même pour des designs avancés avec des roulements magnétiques ou des chambres à vide.
En dépit de ces quelques limitations, les volants sont un choix pratique et écologique pour certains rôles, demandant peu d’entretien, n’utilisant pas de métaux rares, et pouvant opérer dans divers contextes. Qu’ils servent à lisser les fluctuations dues aux énergies intermittentes ou à fournir une alimentation de secours en cas de coupure, les systèmes à volants d’inertie sont un atout fiable pour combler les lacunes des réseaux d’énergie.
F. L’hydrogène
Ah. Le fameux. Le stockage d’hydrogène fait partie de ces technologies qui suscitent beaucoup d’intérêt dans la recherche de solutions énergétiques propres. L’idée de base est de produire de l’hydrogène (généralement via électrolyse, où l’on sépare de l’eau en hydrogène et oxygène avec de l’électricité) et de le stocker pour une utilisation ultérieure, souvent en tant que carburant ou pour générer de l’électricité. L’hydrogène est une ressource assez versatile, on peut s’en servir dans des piles à combustibles pour alimenter des véhicules, ou dans l’industrie afin de produire de l’engrais ou raffiner des métaux. Le challenge est de le stocker efficacement, rappelons que l’hydrogène est le plus petit et léger élément, compliquant son emploi.
Il existe différentes manières de stocker de l’hydrogène, toutes avec leurs avantages et inconvénients. Le plus direct est de stocker le gaz tel quel, dans des réservoirs sous haute pression. C’est généralement la méthode employée pour les camions et bus à hydrogène. Si cela fonctionne bien sur de courtes périodes, il est impossible de totalement empêcher les fuites, et mettre le gaz sous pression requiert beaucoup d’énergie. De plus, les réservoirs ont besoin d’être denses et épais pour supporter ces pressions, limitant leur portabilité. Une autre méthode est de liquéfier l’hydrogène, ce qui nécessite des températures cryogéniques, sous la barre de -253°C ! Sous forme liquide, l’hydrogène est plus dense, facilitant son stockage, mais un tel refroidissement demande lui aussi beaucoup d’énergie.
Le stockage d’hydrogène sous forme solide est une autre option intéressante, où il est stocké dans des matériaux tels que les hydrures métalliques. L’idée est que l’hydrogène entre en réaction avec le matériau et forme un composé solide, qui peut être stocké sans problème et libérer l’hydrogène plus tard simplement en étant chauffé. Cette méthode peut s’avérer plus sûre et même plus dense que sous forme de gaz ou de liquide, mais elle est encore en développement, et reste complexe à mettre en œuvre à grande échelle.
Une fois l’hydrogène stocké, qu’en fait-on toutefois ? Il existe différentes manières de s’en servir comme source d’énergie. D’abord, via des piles à combustible, où l’hydrogène réagit avec de l’oxygène pour produire de l’électricité, avec de l’eau pour seul produit secondaire. En effet, l’atome d’hydrogène correspond simplement à un proton et un électron, voyez donc le fonctionnement de la pile comme les protons rejoignant l’oxygène pour former de l’eau, tandis que les électrons tracent leur propre route, générant ainsi de l’électricité. Cela fait des piles à combustible une source propre et efficace d’énergie, en particulier pour les véhicules. Autrement, l’hydrogène peut simplement être brûlé dans un moteur thermique, même si cela arrive moins fréquemment pour des usages mobiles et est souvent dédié aux usages industriels. La beauté de l’hydrogène se trouve en sa capacité à fournir de l’énergie sans émettre la moindre substance nocive, le plaçant parmi les principales options qui peuvent mener à un futur zéro-émissions, si tant est que sa production est également zéro-émission.
Ainsi, même si le stockage par hydrogène rencontre encore quelques difficultés, notamment en termes d’efficacité, de coût et de développement à grande échelle, il représente un atout prometteur pour la décarbonation.
G. Le stockage pneumatique
Le stockage d’énergie par système pneumatique est une idée intéressante basée sur l’air comprimée. Le principe est toujours le même : de l’électricité est utilisée pour mettre de l’air sous pression et stocker celui-ci dans des réservoirs, ou bien sous terre, dans des grottes. Lorsque l’on a besoin d’énergie, on libère alors un peu d’air qui en se détendant alimente une turbine qui génère de l’électricité.
Ce qui est bien avec cette méthode, c’est qu’elle est particulièrement simple, et ne requiert pas de composants high-tech. Elle est également flexible puisque le principal point nécessaire est d’avoir de la place. Les compresseurs peuvent être directement alimentés par de l’énergie solaire ou éolienne, et ces systèmes sont sensiblement plus sûrs que d’autres méthodes qui impliquent des produits chimiques ou des liquides sous pression.
Toutefois, il y a encore et toujours des défis à surmonter ici. La densité énergétique est plutôt basse comparée aux batteries ou à l’hydraulique. Aussi, quand on libère de l’air comprimé, il refroidit vite, ce qui correspond par définition à de l’énergie perdue. C’est pourquoi certains systèmes plus avancés utilisent des échangeurs de chaleur pour aussi stocker celle-ci lors de l’étape de compression/détente afin d’améliorer l’efficacité énergétique du processus.
Globalement, cette méthode est une option qui mérite que l’on s’y penche, en particulier à très grande échelle, car même si elle n’est pas la plus compacte ou la plus efficace, sa simplicité permet de la mettre en place facilement.
H. Le stockage pneumatique adiabatique
Le stockage adiabatique à air comprimé (A-CAES) est cette version avancée susmentionnée : une attention particulière est portée sur l’efficacité énergétique du système en mitigeant les pertes thermiques lors de la compression/détente. Le terme « adiabatique » fait référence aux processus qui se produisent sans échange de chaleur avec leur environnement. Cela signifie que le système conserve toute l'énergie emmagasinée lors de la phase de compression au lieu de la laisser réchauffer l'air.
Petite explication : Dans un système traditionnel, lorsque l’on comprime l’air, il chauffe beaucoup. Cette chaleur est généralement perdue, ce qui fait perdre en efficacité. Avec l’A-CAES, la chaleur ainsi générée est capturée par un échangeur et stockée dans un réservoir thermique comme ceux présentés plus tôt, par exemple du gravier, du sable… Puis lorsque l’air est libéré pour générer de l’électricité, il traverse le matériau chauffé et gagne en énergie thermique avant son expansion. Ainsi, puisque l’air peut « travailler » davantage à l’expansion lorsqu’il est chaud, la même quantité d’air génère davantage d’électricité. Le désavantage est qu’un tel système est sensiblement plus complexe que la version de base et nécessite plus de matériaux, puisque ce n’est plus juste un gros réservoir d’air sous pression.
En somme, l’A-CAES est une façon ingénieuse d’améliorer l’efficacité du stockage pneumatique, au prix d’une plus grande complexité, ce qui en fait un bon compromis pour certains usages.
I. Le stockage biologique
Vous avez bien lu ! Le stockage biologique est une de ces idées novatrices qui s’inspirent de la nature. Le concept tourne autour de l’utilisation d’organismes vivants, comme des algues ou des bactéries, pour emmagasiner et restituer de l’énergie, souvent sous forme de liaisons chimiques. Même si ce domaine est encore expérimental, l’idée est clairement fascinante, s’appuyant grandement sur la biologie.
Une des approches possibles implique donc les bactéries, dont certaines sont capables de consommer des déchets organiques ou du CO2, de les convertir en électrons via leurs processus métaboliques, et de produire de l’électricité en « respirant » des métaux tels que du fer ou du manganèse et en transférant les électrons à leur surface, générant ainsi un courant électrique. On appelle un système ainsi conçu « pile microbienne », « biopile » ou « pile à bactéries », qui génère de l’électricité avec des déchets. Si l’on parvient à amener cette technologie à grande échelle, elle pourrait devenir une méthode vraiment révolutionnaire de production et de stockage, en particulier pour des utilisations en dehors du réseau électrique.
Toutefois, il est techniquement tout aussi valide de parler de stockage biologique lorsque l’on parle de plantes. Grâce à la photosynthèse, les plantes convertissent la lumière du soleil en sucres et autres composés qu’elles stockent dans leurs cellules. Ensuite, nous brûlons du boispour obtenir de la chaleur, et nous récoltons les sucres pour produire de l’éthanol que l’on peut mélanger à l’essence. Il est donc factuel de dire que l’énergie solaire a été stockée dans les plantes en attendant ! Mais il est vrai que le thème des biocarburants se réfère plus à de la production d'énergie qu’à du stockage.
Dans tous les cas, même s’il reste très nouveau pour le moment, le stockage biologique pourrait s’avérer une technologie cruciale pour la transition énergétique. Imaginez donc un futur où des bactéries aident à alimenter nos villes en se comportant simplement comme elles l’ont toujours fait depuis des millions d’années ! On peut dire merci à la nature.
Voilà à peu près tout en ce qui concerne les outsiders du stockage d'énergie ! Si la durabilité énergétique vous intéresse, sachez que Fremsyn peut vous aider à convertir la flotte de votre entreprise vers des véhicules plus écologiques, ou vous assister pour tout ce qui concerne le biogaz et le biométhane!
Quelques technologies de stockage moins connues