Transition énergétique : comment stocker l’électricité renouvelable

samedi 18 octobre 2014 Écrit par  Yves Heuillard

Comment stocker l’énergie d’origine renouvelable ? C’est la passionnante question que gestionnaires de réseaux électriques et chercheurs sont en train de résoudre pour que la transition énergétique puisse s’accomplir. [Photo CC Randy Wong pour Sandia Labs]

Face à l’épuisement des ressources énergétiques d’origine fossile et à la menace de réchauffement climatique causée par les émissions de gaz à effet de serre, les énergies renouvelables apparaissent comme la seule alternative viable à long terme. Mais l’électricité renouvelable, hydraulique, éolienne, solaire, présente à des degrés divers l’inconvénient majeur de son intermittence. Une difficulté que les gestionnaires de réseaux électriques et les chercheurs sont en train de résoudre dans le cadre d'une transition énergétique nécessaire.

Énergie renouvelable et intermittence

La biomasse mise à part, les principales sources d’électricité renouvelable disponibles aujourd’hui présentent le défaut principal d’être plus ou moins intermittentes. En réalité l'intermittence concerne surtout l'électricité solaire et éolienne du fait d'un très important et très rapide développement dans le monde et de sa dépendance instantanée aux conditions météorologiques. L’électricité hydraulique, très majoritairement issue de barrages hydroélectriques, dépend elle aussi des conditions météorologiques, mais à l'inverse de l'éolien et du solaire, elle est stockable et très flexible.

Jouer des complémentarités

Plus on connecte de sources d'électricité renouvelable sur le réseau électrique, plus le problème de l'intermittence se pose, du moins en première analyse. En réalité ce n'est pas tout à fait juste, car les énergies renouvelables sont assez complémentaires : il y a plus de soleil l'été, plus de vent l'hiver, plus de soleil dans la journée quand la consommation est élevée. Et l'électricité hydraulique peut être utilisée à bon escient aux moments de faible production éolienne et solaire. Celle issue de la biomasse également. 

Ce n'est pas tout. Plus un territoire est couvert de sources éoliennes et solaires, plus la probabilité qu'une partie de ces sources fonctionnent augmente. D'où la nécessité d'un développement à grande échelle et de mieux interconnecter les réseaux électriques. Par exemple – on est en train de le faire - interconnecter l'énorme capacité hydroélectrique norvégienne avec l'éolien du Nord de l'Allemagne et de l'Europe. Ou encore, connecter le solaire espagnol, italien, grec avec le centre de l'Europe.

transformateur DC-AC pour ligne HDVC
Ligne à courant continu (HDVC) capable de transmettre 5 GW sur 1400 km. Photo CC Siemens

Le projet éolien du Sahara marocain ou celui de centrales solaires thermiques dans la même région n’ont de sens que dans le cadre d’une coopération intelligente entre les pays producteurs d’Afrique du Nord et les pays d’Europe consommateurs. D'un point de vue économique, pour pallier l'intermittence, l’interconnexion des réseaux est plus efficace que le stockage. 

Et puis avant même de penser à stocker l'électricité, Il y a encore d'autres stratégies à mettre en œuvre. Ce sont d'ailleurs les mêmes que celles qui permettent de lutter contre la précarité énergétique. Ne pourrions-nous pas, par exemple, apprendre à adapter notre consommation à la disponibilité de l'électricité renouvelable sur le réseau ? C'est le concept de réseau intelligent (smart-grid en anglais), ou de pilotage de la demande : certains appareils s'arrêtent pour « effacer » les pics de consommation, quand d'autres se mettent en marche, ou se rechargent, pendant les pointes de production.

Enfin, nous pouvons aussi réduire nos consommations sans nous priver : nous savons nous éclairer avec 8 fois moins d'énergie qu'il y a 10 ans ; nous savons construire des immeubles qui consomment 10 fois moins d'énergie pour le chauffage, des automobiles qui consomment deux litres au cent. Consommer moins, ne réduit pas l'intermittence, mais facilite grandement la résolution du problème au moindre coût. 

Stocker l’énergie, le vrai défi

Mais la question de l’intermittence ne saurait être réglée totalement par la conjonction de toutes ces mesures. Comment stocker l’électricité produite pendant les pointes de production pour la consommer dans les pointes de consommation ? L’hydraulique, nous l'avons-vu, fournit une première piste déjà exploitée : les barrages de retenue constituent de facto une réserve d’énergie renouvelable potentielle capable de palier le manque de vent ou de soleil.

les staions de pompage permettent le stockage à grande échelle de l'électricitéLes centrales électriques qui fonctionnent à partir de la biomasse offrent également cette possibilité. Les seules capacités de stockage à grande échelle existante sont les stations de pompage. Il s'agit de remonter l'eau dans des barrages ad hoc quand la production d'électricité dépasse largement la consommation, la nuit et le week-end surtout. C'est le stockage gravitaire. Il est déjà largement utilisé ; en France par exemple au barrage de Grand'Maison (Isère). Ci-contre la photo de la station de pompage de Hohenwarte en Allemagne [photo CC Vattenfall].

Nos voisins allemands expérimentent, à l'échelle industrielle, la conversion de l'électricité en gaz naturel, ou en hydrogène, par électrolyse de l'eau. C'est ce que font par exemple Audi et Etogas en Allemagne. Cette solution offre l'avantage de disposer de l’infrastructure existante de distribution et de stockage du gaz

Le stockage de l'électricité dans des batteries a ses limites (encombrement, poids, prix), mais son développement pourrait permettre de stocker les surplus d'électricité au niveau des immeubles, pour le fonctionnement des petits appareils ménagers, des ordinateurs, et de l'éclairage. Les véhicules électriques sont en eux-mêmes des dispositifs de stockage de l'énergie.

Enfin la chaleur et le froid se stockant plus facilement que l'électricité, le couplage du stockage thermique avec la production électrique offre des perspectives intéressantes. C'est la raison du développement des centrales de cogénération – elles produisent en même temps de l'électricité et de la chaleur à partir de la même source d'énergie, généralement du gaz, du biogaz, de la biomasse ou des déchets). 

Nous ne pouvons pas être exhaustif ici sur les moyens de gestion de l'intermittence. Citons encore les centrales solaires thermiques à concentration. Dans une telle centrale l’énergie solaire n’est pas directement transformée en énergie électrique – contrairement au photovoltaïque. Elle sert à chauffer des sels fondus à très haute température. La chaleur stockée dans les sels fondus permet de produire de la vapeur pour faire tourner des turbines comme dans une centrale thermique classique. Mais la chaleur se conservant, la centrale thermique solaire peut continuer à produire de l'électricité tard dans la nuit.

Quelques centrales thermiques

Remerciements

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Reste que même avec le stockage, il faudra conserver sur le réseau des centrales thermiques classiques capables de monter à pleine puissance en quelques minutes. Seules les centrales à gaz offrent une telle flexibilité. Nos voisins allemands, qui ambitionnent de produire plus de 35 % de leur électricité à partir de sources renouvelables d'ici 2020, alors qu'à cette date le stockage à grande échelle ne sera pas encore développé, ont calculé qu'une vingtaine de centrales à gaz - fonctionnant chacune moins de 200 heures par an - seront nécessaires pour se jouer de l'intermittence. Pour 2050, le projet allemand est de produire plus de 80% de l'électricité à partir de sources renouvelables. Un projet ambitieux, mais considéré comme faisable.

Pour plus d’informations sur la gestion de l’énergie dans un contexte de transition énergétique

Photo d'ouverture : Un chercheur de Sandia Labs travaille sur les hydrures métalliques, matériaux capables d'améliorer le stockage de l'hydrogène dans les piles à combustibles. Photo CC Sandia Labs

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