Date de publication : 6 mai 2024
Contributrices : Alice Gomstyn, Alexandra Jonker
Le stockage d’énergie consiste à capturer et à conserver de l’énergie en réserve pour une utilisation ultérieure. Les solutions de stockage d’énergie pour la production d’électricité incluent le pompage-turbinage, les batteries, les volants d'inertie, le stockage d’énergie à air comprimé, le stockage d’hydrogène ainsi que les composants de stockage d’énergie thermique.
La possibilité de stocker de l’énergie permet de réduire les impacts environnementaux liés à la production et à la consommation d’énergie (comme les émissions de gaz à effet de serre) et facilite l’extension des énergies propres et renouvelables.
Par exemple, le stockage d’électricité est essentiel au bon fonctionnement des véhicules électriques, tandis que le stockage d’énergie thermique aide les organisations à diminuer leur empreinte carbone. Les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle permettent également aux services publics de répondre à la demande en électricité durant les périodes où les sources d’énergie renouvelables ne produisent pas.
L’une des inventions les plus emblématiques pour stocker l’électricité est la batterie, inventée en 1800. Le physicien italien Alessandro Volta a utilisé 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 a mis 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) a été utilisé au début du XIXe 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 XXe siècle.
La capacité de production des systèmes de stockage d’énergie se mesure de deux façons. 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). 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 (EES) sont généralement utilisés pour soutenir les réseaux électriques. Les systèmes de stockage d’énergie pour la production d’électricité incluent :
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
Bien que les consommateurs imaginent souvent des batteries sous forme de petits cylindres alimentant leurs appareils, les installations de stockage en batterie à grande échelle, appelées systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), peuvent rivaliser avec certaines installations de pompage-turbinage en termes de capacité énergétique. Ces systèmes de stockage électrochimique varient dans leur composition et incluent des batteries plomb-acide, à flux redox, à sels fondus et au lithium-ion.
Actuellement, les batteries lithium-ion dominent le marché du stockage à l'échelle des services publics. 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.
Un volant d'inertie est une roue en rotation qui 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 par 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.4
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.
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.
Le département de l’Énergie des États-Unis considère que les supercondensateurs sont sous-utilisés dans le système énergétique, en raison de leur faible densité énergétique, de leurs coûts élevés et d'une méconnaissance de leurs avantages.5 Cependant, l'innovation continue dans le domaine des supercondensateurs pourrait atténuer certains de ces inconvénients et encourager leur adoption.
La méthode de stockage de l'énergie thermique utilisée dans les centrales électriques solaires thermiques est appelée stockage sous forme de chaleur sensible, où la chaleur est stockée dans des matériaux liquides ou solides. Deux autres types de TES sont le stockage sous forme de chaleur latente et le stockage thermochimique. Le stockage sous forme de chaleur latente repose sur le transfert de chaleur lors du changement de phase d'un matériau, par exemple lorsqu'il passe de l'état solide à l'état liquide. Le stockage thermochimique, quant à lui, utilise des processus chimiques pour absorber la chaleur, puis la restituer ultérieurement.
En plus de son application dans les centrales solaires, le stockage d'énergie thermique est couramment utilisé pour le chauffage et la climatisation des bâtiments, ainsi que pour la production d'eau chaude. Recourir au stockage de l'énergie thermique pour alimenter des systèmes de chauffage et de climatisation, plutôt que de se reposer sur le gaz naturel ou l'électricité issue de combustibles fossiles, peut contribuer à la décarbonation des bâtiments et permettre de réaliser des économies d'énergie.
Les avantages des systèmes de stockage de l'énergie pour les réseaux électriques incluent leur capacité à compenser les fluctuations d'approvisionnement : les systèmes EES peuvent stocker l'électricité excédentaire lorsque celle-ci est disponible et la restituer lorsque les sources d'énergie primaires ne produisent pas suffisamment, en particulier pendant les périodes de pointe.
De plus, les systèmes EES détenus par les clients du réseau peuvent servir d'alimentation de secours en cas de panne et s'intégrer dans des micro-réseaux.Le soutien que le stockage de l'énergie apporte aux réseaux électriques est considéré comme essentiel pour permettre la transition vers les énergies vertes et atteindre un avenir à zéro émission nette.
Les projets de stockage d'énergie aident à stabiliser le flux d'électricité en fournissant de l'énergie lorsque les sources renouvelables ne produisent pas d'électricité — la nuit, par exemple, pour les installations solaires utilisant des cellules photovoltaïques, ou par temps calme, lorsque les éoliennes ne fonctionnent pas.
La durée pendant laquelle un système de stockage d'énergie électrique 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 chercheurs travaillent à améliorer les technologies énergétiques pour permettre aux systèmes de stockage de l'énergie électrique de fournir de l'électricité pendant 10 heures ou plus, ce qui pourrait contribuer à stabiliser davantage l'approvisionnement en électricité, à mesure que de plus en plus de 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.
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L’énergie renouvelable est l’énergie produite à partir de sources naturelles qui se renouvellent plus vite qu’elles ne sont utilisées.
Les micro-réseaux sont des réseaux électriques à petite échelle capables de fonctionner indépendamment pour générer de l'électricité pour une zone localisée, telle qu'un campus universitaire, un complexe hospitalier, une base militaire ou une région géographique.
La technologie des réseaux intelligents promet de moderniser le système électrique traditionnel.
L’énergie thermique fait référence à l’énergie au sein d’un système créée par le mouvement aléatoire des molécules et des atomes.
La capacité mondiale de production d’énergie renouvelable augmente plus rapidement que jamais au cours des trente dernières années.
Comprendre les avantages et les inconvénients des énergies renouvelables peut aider les entreprises à mieux planifier leur déploiement.
Notes de bas de page
1 « Grid-scale Storage ». (lien externe à ibm.com). Agence internationale de l’énergie, 11 juillet 2023.
2 « New pumped-storage capacity in China is helping to integrate growing wind and solar power ». (lien externe à ibm.com). Today in Energy. Agence américaine d’information sur l’énergie, 9 août 2023.
3 « Work continues on deconstruction of the old Moss Landing power plant. » (lien externe à ibm.com). Monterrey County Now, 24 novembre 2023.
4 « Flywheel Energy Storage Market. » (lien externe à ibm.com). Straits Research, 2022.
5 « Technology Strategy Assessment: Findings from Storage Innovations 2030 Supercapacitors July 2023 ». (lien externe à ibm.com). Département de l’Énergie des États-Unis, juin 2023.