Qu'est-ce que le stockage d'énergie ?

La capacité à stocker l’énergie peut faciliter l’intégration de l’énergie propre et de l’énergie renouvelable dans les réseaux électriques et dans la vie de tous les jours. Ainsi, le stockage de l’électricité dans des batteries alimente les véhicules électriques, tandis que les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle aident les services publics à répondre à la demande en électricité pendant les périodes où les sources d’énergie renouvelables ne produisent pas.

Le développement des énergies renouvelables rendu possible par le stockage de l’énergie peut remplacer et réduire la production d’énergie à base de combustibles fossiles et les incidences sur l’environnement. Ces progrès peuvent aider les pays à atteindre leurs objectifs de zéro émission nette.

L’une des inventions les plus emblématiques pour stocker l’électricité est la batterie, inventée en 1800. Le physicien italien Alessandro Volta utilise une pile composée de disques de nickel, de zinc et de tampons imbibés d’eau salée pour produire du courant électrique. Environ 60 ans plus tard, le physicien français Gaston Planté met au point une batterie rechargeable en utilisant du plomb et de l’acide sulfurique, connue sous le nom de batterie plomb-acide. 

Puis, au début du XIXe siècle, l’inventeur américain Thomas Edison a conçu une autre batterie rechargeable, utilisant cette fois du nickel et du fer. En 1957, l’ingénieur chimiste canadien Lewis Urry a développé le prototype de la batterie alcaline moderne après avoir étudié l’utilisation du zinc par Edison.

Deux autres méthodes de stockage de l’énergie largement utilisées sont le pompage-turbinage et le stockage d’énergie thermique. Le pompage-turbinage, une forme de stockage hydroélectrique, a été utilisé dès 1890 en Italie et en Suisse avant de se répandre mondialement.

Le stockage de l’énergie thermique (TES) est utilisé au début du XIX^e siècle dans les glacières destinées à la conservation des aliments. Les systèmes modernes de TES sont utilisés pour chauffer et climatiser des bâtiments depuis le début du XX^e siècle.

La capacité de production des systèmes de stockage d’énergie se mesure de deux façons :

1.  
2. La capacité de puissance, qui correspond à la quantité maximale d’électricité produite en continu, est mesurée en watts : kilowatts (kW), mégawatts (MW), gigawatts (GW).
   
   
3.  
4. La capacité énergétique, qui correspond à la quantité totale d’énergie stockée, est mesurée en wattheures : kilowattheures (kWh), mégawattheures (MWh), gigawattheures (GWh).

Les systèmes de stockage d’énergie électrique (ESS) sont généralement utilisés pour soutenir les réseaux électriques. Ces systèmes incluent :

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• Pompage-turbinage
• Systèmes de stockage d’énergie sur batterie
• Volants d’inertie
• Stockage d’énergie par air comprimé (CAES)
• Stockage d’énergie thermique
• Stockage d’hydrogène
• Supercondensateurs

Le pompage-turbinage, également appelé stockage par pompage-turbinage, fonctionne comme une batterie géante composée de deux réservoirs d’eau situés à des altitudes différentes.La batterie se « charge » lorsque l’énergie est utilisée pour pomper l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur.

Le système de stockage d'énergie « décharge » l’énergie lorsque l’eau, sous l’effet de la gravité, est relâchée dans le réservoir de plus basse altitude et passe par une turbine. Le mouvement de l’eau à travers la turbine génère de l’électricité qui est injectée dans les réseaux électriques.

Selon l’Agence internationale de l’énergie, le pompage-turbinage est la technologie de stockage d’énergie la plus répandue dans le monde, représentant 90 % du stockage mondial d’énergie en 2020.¹ En mai 2023, la Chine occupait la première place mondiale en termes de capacité opérationnelle de pompage-turbinage, avec 50 gigawatts (GW), soit 30 % de la capacité mondiale.²

Un système de stockage d’énergie de batterie (BESS) est un système de stockage électrochimique qui permet de stocker l’électricité sous forme d’énergie chimique et de la libérer lorsque c’est nécessaire. Les types courants sont les batteries au plomb et les batteries lithium-ion, tandis que les technologies plus récentes incluent les batteries à semi-conducteurs ou à flux.

Actuellement, les batteries lithium-ion dominent le marché du stockage sur batterie à l’échelle du réseau. En 2023, la plus grande installation de stockage de batteries lithium-ion se trouvait dans le comté de Monterey, en Californie, avec une capacité de 550 mégawatts.³ Les batteries lithium-ion sont également utilisées dans les véhicules électriques.

Les solutions de stockage sur batterie devraient dépasser en parts de marché les systèmes de pompage-turbinage dans les années à venir, car les pays du monde entier investissent davantage dans les solutions de stockage sur batterie à l’échelle du réseau. Aux États-Unis, par exemple, la capacité de batterie installée devrait doubler en 2024, la plupart des nouvelles installations BESS étant situées au Texas et en Californie.⁴

Si la plupart des investissements BESS dans le monde sont réalisés dans les grandes économies avancées, les pays en voie de développement bénéficient d’une aide pour les installations de stockage sur batterie par le biais de programmes tels que le Partenariat pour le stockage de l’énergie de la Banque mondiale.

Un volant d’inertie est un dispositif de stockage d’énergie mécanique dans lequel une roue en rotation stocke de l’énergie cinétique. L’électricité est utilisée pour « charger » la roue en la faisant tourner à grande vitesse, tandis que la rotation à vitesse constante permet de stocker cette énergie.

Les systèmes de stockage d’énergie à volant d’inertie (FESS) sont une technologie efficace, mais ils ne peuvent décharger l’électricité que pendant des périodes plus courtes comparé à d’autres méthodes de stockage. Si l’Amérique du Nord domine actuellement le marché mondial des volants d’inertie avec des systèmes de grande ampleur à New York, en Pennsylvanie et en Ontario, la demande est croissante en Europe.⁵

Cette technologie consiste à utiliser de l’électricité pour comprimer de l’air et le stocker sous terre, souvent dans des cavernes. Pour produire de l’électricité, l’air est libéré et fait tourner une turbine reliée à un générateur électrique. Un petit nombre de centrales CAES sont opérationnelles dans le monde, notamment en Chine, au Canada, en Allemagne et aux États-Unis.

Le stockage de l’énergie thermique (TES) est utilisé dans les centrales solaires thermiques qui exploitent des systèmes de concentration de l’énergie solaire (CSP). Ces systèmes concentrent la lumière solaire pour chauffer un fluide, comme de l'eau ou du sel fondu. La vapeur produite à partir de ce fluide peut être utilisée pour générer de l’électricité immédiatement, ou bien le fluide peut être stocké dans des réservoirs pour une utilisation ultérieure.

L’électricité peut être convertie en hydrogène pour être stockée via l’électrolyse de l’eau, un procédé qui utilise l’électricité pour scinder les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène. L’énergie est libérée lorsque l’hydrogène est utilisé comme carburant pour la production d’électricité ou pour les besoins de transport. Le stockage de l’hydrogène est considéré comme une technologie essentielle pour les piles à combustible, qui produisent de l’électricité par le biais de réactions chimiques.

Les supercondensateurs sont des dispositifs électrochimiques qui stockent l’énergie en accumulant des charges électriques sur des électrodes (conducteurs électriques) plongées dans une solution électrolytique.Ils peuvent décharger l’électricité rapidement et ont une longue durée de vie.Ils sont parfois considérés comme des alternatives potentielles aux batteries lithium-ion, mais leur densité énergétique est plus faible.⁶

Les avantages des systèmes de stockage d’énergie s’étendent aux réseaux électriques en raison de leur capacité à compenser les fluctuations de l’approvisionnement en énergie. Un ESS peut conserver l’électricité excédentaire lorsqu’elle est disponible, souvent pendant les périodes de faible consommation d’électricité la nuit et le matin. Il peut également contribuer à l’approvisionnement en électricité lorsque les principales sources d’énergie ne suffisent pas, en particulier pendant les heures de pointe en fin d’après-midi et dans la soirée.

De plus, les systèmes ESS détenus par les clients du réseau peuvent servir d’alimentation de secours en cas de panne et s’intégrer dans des micro-réseaux. 

La flexibilité que les ESS apportent aux réseaux électriques peut aider à intégrer les énergies renouvelables et vertes (à la fois les installations à grande échelle et les ressources énergétiques distribuées plus petites) dans les systèmes électriques qui dépendaient auparavant des combustibles fossiles. Les projets de stockage des énergies renouvelables peuvent contribuer à stabiliser les flux d’électricité en fournissant de l’énergie lorsque les sources renouvelables ne produisent pas d’électricité. Ils alimentent par exemple les installations solaires à cellules photovoltaïques pendant la nuit ou les jours sans vent lorsque les éoliennes ne tournent pas.

Inversement, les ESS interviennent également lorsque les sources d’énergie renouvelables produisent un excédent d’électricité, par exemple la production d’énergie solaire pendant les après-midi ensoleillés ou d’énergie éolienne pendant les jours de grand vent. Les solutions de stockage des énergies renouvelables évitent que l’électricité excédentaire ne soit gaspillée.

Le soutien que le stockage de l’énergie apporte aux réseaux électriques est considéré comme essentiel pour aider les pays à passer à l’énergie propre et à parvenir à un avenir à zéro émission nette. En augmentant leur consommation d’énergie renouvelable, les pays peuvent réduire leur dépendance à l’égard des combustibles fossiles. Ce changement peut réduire considérablement leurs émissions de gaz à effet de serre et les aider à devenir durables en matière de consommation et de production d’énergie.

La durée pendant laquelle un ESS peut fournir de l’électricité varie en fonction du projet et du type de technologie. Les systèmes de stockage d’énergie à courte durée fournissent de l’électricité pendant quelques minutes, tandis que les systèmes de stockage à longue durée peuvent fournir de l’énergie pendant plusieurs heures. L’hydroélectricité obtenue par pompage, le stockage d’air comprimé, ainsi que certains systèmes de stockage par batteries permettent un stockage à longue durée, tandis que d’autres systèmes de batteries et les volants d’inertie sont plus adaptés au stockage de courte durée.

Les coûts élevés de l’énergie et les courtes durées de stockage peuvent constituer des obstacles à l’adoption de certains systèmes de stockage de l’énergie, mais les chercheurs œuvrent à surmonter ces difficultés. Les innovations dans le domaine des technologies énergétiques pourraient permettre aux systèmes de stockage de l’énergie électrique à faible coût de fournir de l’électricité pendant au moins 10 heures, ce qui contribuerait à stabiliser davantage l’approvisionnement en électricité à mesure que de nouvelles sources d’énergie renouvelables sont mises en service.

Le développement de ces systèmes de stockage d’énergie longue durée (LDES) est également soutenu par les décideurs politiques, avec des pays comme l’Espagne, le Royaume-Uni et les États-Unis qui mettent en place des plans pour encourager les projets LDES.