Cette fiche technologique sur les options de stockage d'énergies renouvelables synthétise quelques faits jugés significatifs par nos Fellows dans le cadre de l’activité Presans Platform.

1. Quelques définitions

Quelques définitions de base ne seront pas de trop pour tracer les contours d’un champ où peuvent parfois proliférer des idées farfelues.

Énergie renouvelable : une énergie qui ne s’appuie pas sur des combustibles fossiles ou nucléaires.

Stockage : équipement, stratégie ou approche qui permet de déphaser la disponibilité de l’énergie par rapport au besoin.

2. Les grandes familles de technologies

Les grandes familles de technologie de stockage se répartissent d’abord selon leur type de cycle, avec d’un côté les besoins journaliers ou hebdomadaires, et de l’autre les besoins saisonniers.

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Le stockage sous forme de batteries (lithium par exemple) convient pour la satisfaction des besoins journaliers et hebdomadaires. Les véhicules électriques peuvent compléter ce système en devenant eux-mêmes des unités de stockage électrique branchés sur le reste du système.

Le problème du stockage saisonnier présente une analogie avec l’invention du fromage, qui a permis de rendre disponible en hiver et dans les vallées la production laitière estivale en haute altitude.

Les deux pistes principales pour le stockage saisonnier résident dans la production de carburants synthétiques et dans l’augmentation des capacités des barrages hydroélectriques.

La production de carburants synthétiques s’organise elle-même selon trois filières :

  • La filière solaire-hydrogène directe, avec captation de CO2 au sein de différentes filières.
  • La filière photovoltaïque, combinée avec de l’hydrolyse.
  • Les piles à combustible, par exemple à oxyde solide, travaillant tantôt en mode hydrolyse tantôt en mode production d’électricité (avec ou sans séparation de CO2).

Le stockage saisonnier apporte une solution aux besoins des grandes habitations et des centrales urbaines.

La géothermie sort du cadre des carburants synthétiques mais mérite une mention au titre de technologie fondée sur le stockage naturel de chaleur ou de froid dans la terre.

3. Importance de l’enjeu

Au niveau européen l’enjeu du stockage des énergies renouvelables concerne l’indépendance énergétique des différents pays et de la région dans son ensemble.

Au niveau national, mentionnons le fait qu’aujourd’hui la France est dépendante du charbon allemand en hiver. Cette dépendance pourrait être réduite en limitant le chauffage électrique direct.

L’Allemagne a de son côté beaucoup investi dans l’énergie renouvelable, tout en disposant d’un parc massif de centrales à charbon aux capacités excédant les besoins locaux.

La France est la nation par excellence du nucléaire.

La Suisse, comme d’autres pays, revoit sa stratégie énergétique en vue d’une transition vers une utilisation plus rationnelle de l’énergie, un développement plus dynamique des énergies renouvelables et une sortie progressive de l’énergie nucléaire.

Le Japon et les USA connaissent un double pic saisonnier, hivernal et estival en raison du besoin de climatisation.

Le réchauffement global pourrait d’ailleurs diffuser le besoin de climatisation.

4. Disciplines, méthodes, expertises mobilisées

Les disciplines principales en jeu sont les suivantes : thermodynamique, électrochimie, mécanique des fluides, électrotechnique, électronique de puissance, notamment pour tout ce qui concerne les génératrices (ou moteurs) à aimants permanents.

Le stockage des énergies renouvelables (comme l’utilisation rationnelle) fait appel à des méthodes thermo-économiques, plus ou moins holistiques, devant prendre en compte la grande variabilité des sources d’électricité et une multiplicité de paramètres environnementaux, énergétiques et technologiques. Elles s’appuient des outils mathématiques avancés d’optimisation dans le cadre d’approches de planification dites multi-périodes.

Elles intègrent aussi les approches multi-produits, notamment la tri-génération (électricité, chauffage, froid), et ce à des périodes différentes et en prenant en compte les contraintes de tarification et de stockage.

Quant aux expertises mobilisées, elles incluent aussi des aspects sociologiques qui s’avèrent souvent critiques dans un contexte où les oppositions sont difficiles à réconcilier. C’est le cas pour les technologies éoliennes, c’est aussi le cas pour la géothermie dans la mesure où cette approche entraîne l’usage de techniques de fracturation des sous-sols (fracking) analogues à celles employées pour l’exploitation du gaz de schiste.

L’usage des métaux nobles ou rares peut aussi susciter des débats et être perçu comme un frein, à tort ou à raison. Les futures approches de recyclage de ces métaux représentent un des éléments clefs de la problématique.

5. Les acteurs industriels

Le premier groupe d’acteurs est constitué par les opérateurs du secteur de l’énergie, type EDF.

Nous y incluons également les activités gazières de ces groupes ainsi que les gaziers. La rentabilisation des investissements effectués dans les réseaux de distribution peut notamment passer par le transport de méthane voire d’hydrogène (ev synthétiques), utilisés pour la production de services énergétiques par pile combustible ou moteur, ainsi que pour le fonctionnement des pompes à chaleur à gaz capable de fournir du chaud comme du froid.

Une telle reconfiguration ouvre la possibilité de passer le réseau en mode « power to gas » ou en mode « gas to power » selon les besoins et les contextes : en cas de surplus d’électricité, faire du gaz, et en cas de besoins électriques faire de l’électricité à partir du gaz.

Il s’agit là d’options stratégiques d’optimisation dans un contexte où tout ou presque est à construire.

Un second groupe d’acteurs est constitué par les grands utilisateurs industriels d’énergie, émetteurs de CO2 susceptible d’utilisation dans la production de carburants synthétiques. C’est notamment le cas des cimentiers, grands producteur de CO2 et de ce fait susceptibles de devenir des acteurs clés dans la production de carburants synthétiques.

Les industries de transformation, en particulier les raffineurs, sont par ailleurs intéressées par l’hydrogène provenant de sources renouvelables, afin d’enrichir les carburants qu’ils produisent.

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Cinq aperçus sur les options de stockage d'énergies renouvelablesCette note s’inspire largement de la contribution de Daniel Favrat, Fellow Énergie chez Presans et professeur émérite à l’EPFL. À l’EPFL, il a été successivement ou en parallèle directeur du Laboratoire des systèmes énergétiques industriels, directeur de l’Institut des sciences de l’énergie, directeur de l’institut de génie mécanique et directeur du centre de l’énergie. Il a passé des congés sabbatiques au MIT, à l’Université de Tokyo, à l’Université technique de Munich et à l’École des mines de Paris. Il était également professeur affilié à KTH (Suède) et ancien élève de l’IMD. Avant de rejoindre l’EPFL, il a travaillé pendant 12 ans dans des centres de recherche industriels au Canada et en Suisse. Il est un expert international en thermodynamique et en analyse des systèmes énergétiques, y compris une optimisation multi-objectifs prenant également en compte les facteurs environnementaux et économiques. En outre, il contribue à la conception d’équipements de pointe pour une utilisation plus rationnelle de l’énergie, comme les pompes à chaleur et les piles à combustible. Il est le co-auteur de plusieurs livres et brevets et de nombreuses publications à comité de lecture. Il est membre de l’Académie suisse des sciences de l’ingénieur, de l’Académie française des technologies, vice-président du comité de l’énergie de la Fédération mondiale des organisations d’ingénieurs et membre du comité de rédaction d’Énergie.