Stockage des énergies vertes. Potentiels, issues et stratégie.

La menace mondiale du changement climatique entraîne actuellement une mutation fondamentale du système actuel de production d’énergie basé sur les combustibles fossiles/nucléaires. Lesquels sont centralisés vers un nouveau système décentralisé basé sur des taux très élevés de pénétration des énergies renouvelables (EnR) intermittentes, notamment éoliennes et solaires. Installations qui ne causent pas de graves impacts sur l’environnement [1].

Ainsi, la stratégie de l’Union Européenne d’ici 2020 en matière de changement climatique et d’énergie vise à augmenter la part des EnR à au moins 20% de la consommation [2] et 23% en France depuis le Projet de Transition Énergétique de 2015. Cependant un problème demeure, comment pouvons-nous stocker ces énergies et surtout, le marché est il propice au développement de ce secteur?

Les problématiques actuelles.

Les énergies éoliennes et solaires sont fluctuantes et intermittentes avec une incertitude associée, en particulier pour le vent. Le principal problème de l’électricité «verte» est qu’elle peut conduire à un décalage entre l’offre et la demande en fonction des périodes journalières. Le stockage de l’électricité est l’une des mesures de flexibilité capable de répondre à ces fluctuations et d’équilibrer les ratios. En effet, le stockage peut fournir une flexibilité à la fois ascendante et descendante, stockant de l’énergie lorsqu’il y a un surplus de production ou une demande plus faible, tout en déchargeant dans le cas contraire. De nombreuses technologies différentes peuvent répondre à ce défi, en fonction de l’échelle de temps (de quelques secondes à plusieurs mois).

En général, une capacité de stockage d’énergie d’environ 10% à 20% de la production totale d’EnR intermittente semble nécessaire pour l’intégrer efficacement dans le réseau, y compris le stockage saisonnier. Actuellement, il n’existe pas de solutions de rechange à grande échelle pour le stockage saisonnier de l’électricité. Le plus proche est le stockage hydroélectrique par pompage, qui est bien développé et commercialement mature, mais limité à quelques emplacements géographiques.Ce système qui possède une empreinte eau élevée, est généralement utilisé pour des durées de stockage inférieures à une semaine. En outre, les changements climatiques et les phénomènes météorologiques extrêmes risquent d’affecter la planification à long terme de l’énergie hydroélectrique, ce qui rendra plus difficile l’utilisation du stockage hydroélectrique dans les années à venir [3]. En France, l’excédent annuel de puissance non stockable était de l’ordre de 13 TWh en 2013 et sera de 34 à 67 TWh en 2050 selon le scénario d’évolution de l’ADEME .

L’une des autres technologies prometteuses semble être le “Power-to-gas” (P2G) qui permet de stocker l’excès d’électricité issu d’EnR intermittentes sous forme de carburant neutre en CO2. Il s’agit d’un processus qui relie le réseau électrique au réseau du gaz en convertissant l’excès d’énergie soit en hydrogène (P2H2) soit en méthane (P2CH4). Cette technologie reste néanmoins à améliorer mais pourrait être une “technologie révolutionnaire dans l’écosystème énergétique et économique” [5]. Plus précisément, une voie prometteuse via la technologie P2G, se profil avec la méthanation biologique (bio-méthanation → BIOM) qui a l’avantage de réduire les besoins en température pour la réaction, les faiblesses des catalyseurs et les coûts de production. C’est à dire une technologie se basant sur les biotechnologies par une vision innovante et industrielle.

La technologie du P2G : Présentation, développements et technologies.

Parmi les technologies les plus attrayantes en termes de temps de décharge par rapport à la capacité de stockage d’énergie, la technologie P2G est susceptible de jouer un rôle crucial. La puissance captée en période de faible valeur économique devrait plutôt être stockée et utilisée pour le chauffage en période hivernale, ou comme matière première pour l’industrie ou la mobilité. Le processus P2G relie le réseau électrique à un réseau de gaz en convertissant la puissance excédentaire en un gaz compatible avec le réseau, soit l’hydrogène (Power-to-H2) ou le méthane (Power-to-CH4). Le Power-to-CH4 est plus complexe car il nécessite un processus en deux étapes:

La production d’H2 par électrolyse de l’eau à partir d’électricité excédentaire,
La conversion de l’H2 avec une source externe de monoxyde de carbone CO ou dioxyde CO2 en CH4 par méthanation.

Le procédé de méthanation consiste à convertir le CO/CO2 avec le H2 en CH4 (biométhane) «vert» et en eau par la réaction exothermique chimique suivante:

1CO2 + 4H2 → 1CH4 + 2H2O.

La technologie du Power-to-CH4 présente aussi de nombreux avantages par rapport au Power-to-H2:

L’infrastructure de gaz naturel existante possède une grande capacité de stockage d’énergie pour le méthane, ce qui permet le transport d’énergie sur de longues distances. Une alternative à la méthanation serait l’injection directe de H2 dans la grille de gaz. Cependant, la quantité de H2 dans le réseau de gaz est limitée par les normes et réglementations spécifiques au pays à un maximum de 6% en France, même si le projet français GRHYD tente d’atteindre une valeur maximale de 20% dans le futur.
Le Power-to-CH4 favorise la réduction des émissions de CO2 en ré-utilisant le CO2. Le procédé de méthanation peut être envisagé comme un substitut au purificateur de CO2 en se servant de n’importe quelle source de CO2. Par exemple la revalorisation du biogaz issu de la digestion anaérobie dans les installations de biogaz ou pour la décarbonisation des gaz d’échappement industriels. Ainsi, la méthanation est capable de recycler le principal gaz à effet de serre dû à la combustion de ressources fossiles pour le stockage d’énergie.
Le méthane offre une réelle synergie avec l’infrastructure existante : le gaz peut facilement être transporté sur de longues distances, renvoyé au système énergétique en quelques heures ou mois, tout en offrant un large panel d’utilisations. Par exemple pour la chaleur, la production d’énergie ou la mobilité via des moteurs à combustion conventionnels adaptés pour fonctionner avec du GNV (Natural Gas Vehicle).

La méthanation est toujours exothermique et thermodynamiquement favorable dans des conditions standards, mais limitées cinétiquement. Deux technologies sont disponibles : La méthanation catalytique et biologique.

Enfin, les principaux inconvénients du P2G sont une efficacité relativement faible et des coûts élevés encore aujourd’hui. Contrairement à l’électrolyse pour la production d’H2, aucune méthanation catalytique ou biologique n’est une technologie mature. L’Allemagne est le premier pays en termes d’avancées sur cette technologie : en 2016, 14 projets de P2G étaient opérationnels, uniquement basés sur la méthanation catalytique, et 17 installations étaient en construction, représentant 95% de la capacité P2G mondiale [6]. En France, seule une installation de démonstration de 1 MW du projet P2G basé sur la méthanation catalytique est en cours [7], pilotée par la société française GRTgaz.

Dans le domaine de la biométhanation, la plate-forme européenne Power to Gas [8] indique que seules les trois sociétés allemandes Electrochaea GmbH, Viessmann Deutschland GmbH et MicroPyros GmbH ont développé des installations de démonstration sur le terrain (Projet BioCat, Projet BioPowertoGas [10]). En France, les projets Hycabiome (ADEME) et Hydromet (Région Occitanie) ont traité de la biométhanation ex situ, mais aucune installation de démonstration n’est disponible avec des résultats publiés limités. Bien que la biométhanation présente une vitesse de réaction plus faible que la méthanation catalytique due à une température plus basse et une étape lente de transfert de masse gaz-liquide, ceci présente plusieurs avantages clés :

Réduction des coûts d’exploitation, en raison de la température et de la pression opératoire inférieures (jusqu’à 1 MPa);
Une tolérance élevée aux impuretés du gaz d’entrée, ce qui réduit considérablement les besoins de prétraitement pour une source potentielle de CO2 [11] ;
Un équipement plus simple est nécessaire, et le fonctionnement dynamique est moins compliqué avec une plus grande flexibilité en fonction des fluctuations de l’alimentation H2 / CO2 [12];
Une empreinte environnementale plus faible.

Ceci explique pourquoi la part des articles scientifiques et techniques sur la biométhanation a augmenté de 50% entre 2014 et 2017 (Google Scholar, NCBI, Science Direct).

Les marchés liés au P2G.

Un contexte favorable pour son développement :

La commission Innovation 2030 dans un rapport remis en octobre 2013 au Président de la République Française, estime en effet que « le développement des énergies renouvelables, pour la plupart intermittentes, l’optimisation de la production électrique et le développement de la portabilité nécessitent des innovations de rupture dans les systèmes de stockage ». Et a ajouté : « C’est un élément indispensable de la réussite de toute transition énergétique ». 13

Pour citer quelques autres mesures politiques et rapports favorables parmi les nombreuses existantes:

Les pays européens ont pour objectif d’atteindre 20% d’énergies renouvelables dans leur mix énergétique en 2020 – communiqué de presse de la Commission Européenne du 01/02/2017 [14];
La loi du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte [15] avec comme objectif pour la France de porter la part des EnR à 32% dans la consommation énergétique finale en 2030 ;
Le plan Nicolas Hulot 2018 sur l’hydrogène publié le 01/06/2018 ;
Le rapport intitulé « Le stockage de l’énergie électrique : une dimension incontournable de la transition énergétique, avis du conseil économique, social et environnemental » de juin 2015 par M. Alain OBADIA ;
Le rapport « Vision 2030-2050 » de l’ADEME qui préconise le développement des nouvelles technologies de stockage d’énergie verte [16]

Cependant, l’arrivée et le développement de sources d’électricité verte intermittentes va nécessiter le déploiement de systèmes de stockage stationnaires. Mais rien ne garantit que le marché de l’énergie favorisera ces technologies, encore relativement chères toutes échelles confondues, selon le magazine spécialisé sur les questions de l’environnement et des énergies : actu-environnement[17].

Les énergies renouvelables éolienne et solaires.

EDF (Electricité de France), premier producteur d’électricité en France, fournit son énergie par un mix énergétique entre le nucléaire (disponible en quantité et en permanence) avec les EnR intermittentes que sont l’éolien et le solaire. À titre d’information, en 2013, les énergies éolienne et solaire ont respectivement compté pour 2,9% et 0,8% de la production totale d’électricité en France. On remarque que la part de l’énergie solaire dans la production française d’électricité en 2014 a augmenté de 27.5% par rapport à 2013 et de 7.2% pour l’éolien.

Récemment, le Réseau de Transport d’Electricité (RTE) a publié son rapport « Panorama de l’électricité 2016 Rte » précisant que 40 % des capacités de production d’énergies renouvelables sont d’origine solaire ou éolienne, renforçant l’idée de la croissance de ces énergies.

La caractérisation du marché :

Le marché de l’électricité se caractérise par des variations de la demande (périodes creuses, périodes de pointes) suivis de fluctuations de prix. Elle se trouve à bas prix lors des périodes creuses et se trouve élevée pour les périodes de pointes.

La production d’électricité provient en priorité des sources d’énergie nucléaire pour satisfaire une certaine demande. Passé un certain seuil de cette demande, d’autres sources d’énergies, notamment intermittentes, viennent répondre à cet accroissement de la demande. Dans le cas de figure où ces deux sources d’énergies ne suffisaient pas, le gouvernement emploie une 3^ème source d’énergie dite fossile et aussi la plus polluante telle que le charbon. Cela explique les fréquentes alertes à la pollution lors des pics de froid ou de chaleur.

La taille et la maturité du marché :

Au niveau mondial :

En termes de production d’électricité d’origine éolienne, la Chine et l’Inde sont leaders mondiaux devant les Etats-Unis et l’Europe et bénéficient du plus haut taux de croissance comparés à ces contemporains occidentaux. Au 31 décembre 2016, à titre de comparaison, la France possédait près de 12 GW de capacité installée sur son territoire et en outre-mer (source Syndicat des Energies Renouvelables) tandis que la Chine avait atteint 168 GW, les Etats-Unis plus de 82 GW et l’Allemagne plus de 50 GW.

Concernant la production d’électricité d’origine solaire dans le monde, elle est surtout développée dans les pays industrialisés à savoir l’Allemagne qui est le 1^er producteur mondial. Vient en suivant l’Italie, les Etats-Unis en 3ème position, la Chine et la France en 7ème position.

Corrélés à ces faits et soutenus par le communiqué de presse de la C.E du 01/02/2017, “Les efforts initialement déployés par l’UE pour promouvoir les énergies renouvelables ont favorisé cette progression constante de leur utilisation, qui s’est traduite par une baisse de leur coût : le prix des modules photovoltaïques a chuté de 80 % entre fin 2009 et fin 2015. Les énergies renouvelables sont devenues compétitives et parfois même moins chères que les combustibles fossiles”. Ouvrant encore une voie prometteuse à la technologie du P2G.

Au niveau national :

La production d’électricité est relativement stable depuis plusieurs années aux alentours de 550 TWh par an pour une consommation estimée à 482 TWh par exemple en 2017 (RTE, Bilan électrique 2017). En ce sens et soutenue par les divers investissements présentés ci-dessus, la France s’est fixée pour objectif d’atteindre 32% d’énergie renouvelable dans la consommation totale d’énergie de la France à horizon 2030.

Ainsi, la production d’énergies renouvelables s’insère dans un mix énergétique dominé par l’énergie nucléaire. En 2016 sur 531 TWh produits, 384 TWh sont d’origine nucléaire, 64 TWh d’origine hydraulique et finalement 21 TWh d’origine éolienne et 8 TWh de solaire.

Aussi, la part la plus importante des EnR est actuellement occupée par les énergies éoliennes occupant la seconde place après les énergies hydrauliques qui semblent, elles, diminuer leurs parts de marchés en raison des contraintes géographiques. C’est également la source d’EnR qui a le plus progressé ces 10 dernières années. En effet, considérée comme une énergie propre, l’énergie éolienne connaît un essor important. Parmi les EnR, elle est considérée comme une technologie mature (TRL 9) et la plus économique après l’hydroélectricité. Au-delà de la donne économique et environnementale, l’énergie éolienne suscite un intérêt particulier de par sa contribution à la diversification des mix électriques et à l’indépendance énergétique des pays. De surcroît, tous les pays ne bénéficient pas du même potentiel éolien. À l’avenir, les innovations technologiques, le développement des réseaux intelligents et les solutions de stockage de l’électricité pourraient également faire évoluer la donne.

Concernant les EnR solaires, elles occupent encore une place minime mais connaissent une très forte progression depuis quelques années. Et cela va se renforcer à la suite du plan solaire, annoncé par EDF qui vise à développer et à construire 30 GW de solaire photovoltaïque en France d’ici 2035 [18].

Elle est principalement utilisée pour la consommation des particuliers ou pour des habitations éloignées du réseau électrique dépendant des conditions climatiques du site. Par exemple, un générateur installé dans le sud de la France produira en moyenne 40 à 50% d’énergie en plus qu’une installation identique dans le nord.

Les technologies de stockage de l’énergie et leurs marchés

De nos jours, le stockage d’énergie est un facteur indispensable pour le développement du réseau électrique notamment pour les EnR intermittentes afin de résoudre les problématiques citées plus en amont du business plan. Par exemple, le stockage de l’énergie permettrait de réduire jusqu’à 20% l’écart des fluctuations de prix rien qu’en prenant en compte l’énergie éolien selon les estimations de Energie Park Mainz [19].

La caractérisation technologique du marché :

Selon GlobalData, la capacité totale du système de stockage d’énergie par batterie devrait passer au niveau mondial de 1,5 gigawatts (GW) en 2015 à 15 GW en 2020. Cependant, comme le démontre les unités de mesure, ces technologies ne sont pas encore assez optimisées pour répondre aux demandes industrielles (TW > GW), d’autant que leurs coûts totaux de production restent encore élevés tout comme leur traitement en fin de vie générant de nombreux problèmes d’ordres écologiques. Parmi les principales technologies nous retrouvons :

Batteries à semi-conducteurs : Elles représentent une option émergente promettant un faible coût et de hautes performances tout en conservant une sécurité élevée. Cependant, les recherches actuelles se concentrent principalement sur de petites unités en raison de ses coûts de production. Malheureusement, ces technologies du fait de leurs coûts mais aussi de leurs capacités de stockage ne peuvent être encore envisagées pour un stockage d’énergie à très hautes échelles et reste centrées sur le marché des voitures électriques (e.g. Toyota, Tesla).
Les “Batteries Flow” représentent historiquement les batteries chimiques les plus utilisées dans le monde. Elles consistent en une réaction d’oxydoréduction entre deux composés chimiques dans le but de produire de l’énergie électrique ou de la stocker. Elles présentent comme avantages certain une disposition flexible, une longévité accrus et une réponse rapide aux besoins. Cependant, la densité d’énergie pouvant être stockée varie très fortement et reste à des hauteurs faibles non effective à grande échelle bien qu’elles soient utilisées par exemple au Japon dans la ferme éolienne de Tomamae Villa avec une capacité de 4 MW/90 min depuis 2005.
Les “Flywheels” ou volant d’inerties sont des dispositifs mécaniques spécialement conçus pour stocker efficacement l’énergie cinétique. Le principe consiste à utiliser l’énergie excédentaire en vue d’actionner un rotor à très haute vitesse dans le but de le charger en termes d’énergie de mouvement. Cette énergie pouvant ensuite être réutilisée pour actionner un alternateur et produire de l’électricité. Lorsque l’énergie est transformée, la vitesse de rotation diminue jusqu’à son épuisement total et donc, l’arrêt de la libération énergétique. On retrouve leurs applications principalement dans le domaine du transport (e.g. Volvo), mais d’autres secteurs sont en développement tels que l’aérospatial avec le premier système de la NASA (NASA G2 flywheel).
Le stockage d’énergie par air comprimé qui repose lui sur le principe de l’élasticité de l’air. L’air est généralement comprimé à très haute pression (100 à 300 bar) pour être stockée dans des réservoirs dédiés. Finalement, lorsque que la demande énergétique augmente, l’air est détendu dans une turbine entraînant un alternateur. On retrouve son application à une échelle industrielle par exemple à Huntorh en Allemagne et à McIntoche en Alabama.
Le pompage d’hydro-énergie repose sur le principe de l’énergie gravitaire et représente près de plus de 90% des capacités de stockage massif d’énergie installées à travers le monde. Ce système lié à l’énergie hydraulique repose sur la technologie des barrages. Lorsque l’énergie est produite en excès, des pompes hydrauliques s’actionnent en vue de remonter un certain volume d’eau dans les bassins supérieurs qui sera finalement, relâché lors d’augmentation de la demande énergétique. Ce principe représente une technologie mature (TRL 8-9) nécessitant cependant des installations conséquentes et ne pouvant être adapté dans toutes les régions géographiques. On remarque la plus grande croissance dans les pays d’Asie où est prévu un doublement de la capacité d’ici à 2020 et en Europe ou plus de 10 projets sont en développement.

Des opportunités et un secteur prometteur.

La France quant à elle, produit un peu plus de 1% de l’énergie primaire globale mais surtout plus de 17% de l’énergie nucléaire produite dans le monde. Cependant, nous remarquons qu’en France et généralement à l’échelle mondiale, la société, souhaite changer cette source d’énergie polluante, nocive et dangereuse pour ses mains d’œuvres. La tendance est donc vers un retrait de cette énergie comme le confirme l’INSEE (l’Institut national de la statistique et des études économiques) « Après deux années consécutives de forte hausse, la consommation primaire de charbon corrigée des variations climatiques chute fortement (-25,7 %) par rapport à 2013. Cette évolution renoue avec la tendance de long terme, orientée à la baisse, en raison du recul de la demande dans le secteur industriel ainsi que de la fermeture d’unités de production électrique à partir de charbon. »[20]

Ainsi, il est donc certain que d’ici les prochaines années de nouveaux systèmes de stockage se développent et ouvrent de nouvelles parts de marchés intéressantes ainsi que de nouvelles perspectives prometteuses pour l’humanité.