Techniques et moyens de stockage de l énergie

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1 PSIR SEPA (2013) Projet Scientifique d Initiation à la Recherche (PSIR) Techniques et moyens de stockage de l énergie L. Grimault, L. Pellicer, M. Rautureau, V. Salmon, M. Crochet* Groupe esaip 18 rue du 8 mai 1945, CS St Barthélémy d Anjou Cedex ARTICLE INFO Article history: Received 09 January 2014 Available online 09 January 2014 Keywords: Electricity Energy storage Renewable energy Battery Pumped-storage hydroelectricity Hydrogen Hydro-pneumatic ABSTRACT For some time, in France as in the world, we are witnessing an increasing integration of renewable energy sources. As well as being a solution to the current energy issues, the use of renewable energy also contributes to meet the growing demand for electricity. Consequently, the stakes are very important about the energy storage systems on account of the intermittency of such energy sources. Although energy storage technologies are dominated by pumpedstorage hydroelectric power stations, there is the recognition that battery systems can offer a number of high-value opportunities. Currently, these two technologies are the most mature and widespread. Nevertheless, other technologies are under active consideration to be commercialized in the medium to long term. This is the case for some methods of hydrogen storage exploited in the MYRTE project. The MYRTE platform concerns a photovoltaic array coupled with storage system based on hydrogen. This energy storage system is made of an electrolizer, a fuel cell, hydrogen and oxygen reserves and electricity converters associated to various sub-systems. Another technology presented in this scientific publication is the hydropneumatic energy storage. It s based upon air compression using a hydraulic drive. In such a way as to determine the efficiency and reliability of different storage technologies presented in the article, there is a discussion in the final part based on various criterions such as the technology, the economy or even the politic. 1. INTRODUCTION Aujourd hui, l énergie est au cœur des préoccupations de tout un chacun. Elle désigne la capacité d un corps ou d un système à fournir un travail (mise en mouvement, production de chaleur ou de lumière, etc.). L énergie peut se présenter sous différentes formes (thermique, mécanique, chimique, radiative, électrique, nucléaire). Cependant, elles ne sont pas toutes directement utilisables par l homme. Elles doivent parfois faire l objet de transformations pour pouvoir être consommées. C est pourquoi on distingue les énergies primaires (énergie brute, disponible dans l environnement et directement exploitable sans transformation), des énergies secondaires (obtenues par transformation d une énergie primaire) et des énergies finales (celles utilisées concrètement pour satisfaire les besoins du consommateur pour sa consommation finale). La consommation d énergie finale est alors soit une consommation d énergie primaire non transformée (comme le charbon brûlé) soit une consommation d énergie secondaire (comme l essence ou l électricité). Ainsi, dans cette publication, nous nous intéresserons plus particulièrement à une forme d énergie finale : l électricité. *Contact : mcrochet@esaip.org En 2010, la part de l électricité dans la consommation finale d énergie dans le monde représentait près de 18% (contre un peu plus de 67% pour les énergies fossiles dont 41% pour le pétrole) (1). Cependant, avec l appauvrissement des réserves de combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) et autres sources primaires, la croissance démographique mondiale et la mondialisation de l accès aux modes de vie des pays développés, la part de l électricité est en progression constante dans la consommation finale d énergie dans le monde. Ces contraintes s accompagnent d une volonté politique d agir contre le réchauffement climatique en diminuant les gaz à effets de serre issus de la combustion des énergies fossiles (en 2011, dans le monde, 81% de l électricité provenait de la décomposition des combustibles fossiles ou des combustibles nucléaires (1)). Ainsi, le contexte actuel oblige les Etats à faire avec plus ou moins de ressources et à se diriger vers des solutions énergétiques alternatives. C est dans ce cadre que le concept de stockage de l énergie électrique apparait en raison de la disponibilité intermittente des sources d énergie renouvelables (2). Ainsi, le présent document fait état des enjeux liés à l électricité en France dans une première partie. Puis, dans une seconde partie, un état de l art sera réalisé sur les différents moyens de stockage existants. Enfin, dans un dernier temps, nous nous intéresserons à deux nouveaux projets de stockage de l énergie électrique. A la suite de ces trois premières

2 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) 2 parties, nous allons pouvoir analyser et discuter des techniques et moyens de stockage actuels ou à venir pour pouvoir conclure sur la viabilité des nouveaux projets et l efficacité des moyens existants. 2. LES ENJEUX LIES A L ELECTRICITE EN FRANCE Dans ce contexte mondial, la France se distingue par une production d électricité issue majoritairement des centrales nucléaires (75% de la production brute en 2012 (3)). Ainsi, pour pallier aux problématiques liées aux centrales nucléaires (coûts des Centres Nucléaires de Production d Electricité, sureté des installations, durée de vie, démantèlement, gestion des déchets, etc.) et s adapter au contexte actuel, on assiste à un développement de l utilisation des sources d énergie renouvelables. Cependant, pour pouvoir exploiter de manière plus efficace l électricité produite à partir des sources d énergie renouvelables, le développement des systèmes de stockage semble indispensable et s accompagne d enjeux divers. L enjeu n est donc pas seulement de mieux gérer le réseau de distribution en lissant les pics et creux de consommation. Il est aussi d exploiter de façon plus efficiente les énergies renouvelables en emmagasinant le courant non consommé pour pouvoir le restituer à la demande. Mais il convient de noter que l absence d encadrement réglementaire en France ne permet pas de définir des objectifs précis pour le développement du stockage d électricité. Cependant, ce contexte juridique pourrait très prochainement connaître une évolution, voire l introduction de dispositions en faveur du stockage de l énergie. En effet, en 2009, la commission Européenne s est réunie pour mettre en place une politique sur le stockage de l électricité mais également pour décider du financement des travaux de R&D (4). De plus, le marché de capacité prévu par la loi NOME pourrait inclure des obligations pour les installations de stockage d électricité. Néanmoins, il est important de noter qu actuellement, l enjeu est essentiellement économique autour du stockage de l électricité (tarif de réseau, valorisation économique, coût des technologies, etc.). Suite à ces premiers constats, nous allons pouvoir nous intéresser aux technologies de stockage existantes. 3. ETAT DES LIEUX SUR LES SYSTEMES DE STOCKAGE Comme nous avons pu le voir dans la première partie, le stockage de l énergie peut être la réponse au caractère fluctuant des sources d énergies renouvelables. L énergie produite est emmagasinée puis réutilisée lorsque la source d énergie ne permet plus la production d électricité. Il existe de nombreuses technologies de stockage de l énergie, représentées dans la figure 1 (5). Tous ces systèmes (à une exception près) fonctionnent sur le même principe : conversion de l énergie électrique en une autre forme (chimique, potentielle ), stockage, puis reconversion en énergie électrique. L exception concerne les super condensateurs. Légende : Stockage électrochimique Stockage thermique Stockage inertiel Stockage électromagnétique Stockage gravitaire Stockage à air comprimé Stockage électrostatique STEP : Système de Transfert d Energie par Pompage CAES : Compressed Air Energy Storage (Stockage d énergie par air comprimé) SMES : Supraconduction Magnetic Energy Storage Fig. 1. Cartographie des technologies de stockage existantes

3 3 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) Ce graphique représente toutes les technologies de stockage de l énergie, selon leur maturité technologique (R&D, démonstrateur, commercialisation) et leur capacité à produire de fortes puissances, ou des quantités d énergie importantes. On observe que les technologies présentes au stade de la commercialisation sont peu nombreuses : essentiellement les batteries et les STEP. Les autres technologies sont encore en développement et sont plus ou moins proches de la maturité nécessaire à une utilisation à grande échelle. Les systèmes nous paraissant les plus intéressants seront rapidement développés dans la suite de l article. Ce sont des technologies prometteuses (hydrogène, supercondensateur) ou plus répandues (STEP, batteries). La STEP est une technologie mature, mais son installation demande un contexte géographique particulier : deux retenues d eau à des hauteurs différentes, liées par deux canalisations. Lors de la production d énergie en excès, l eau du bassin inférieur est pompée et rejetée dans le bassin supérieur, ce qui permet le stockage d énergie potentielle. En cas de besoin d énergie, le réservoir est vidé par gravité et l eau actionne une turbine. L installation d une STEP demande un fort investissement mais ce système offre de nombreux avantages : très bon rendement énergétique (85%), maturité de la technologie (STEP = 99% de la puissance de stockage connecté au réseau dans le monde), rentabilité économique (6). Cependant, le potentiel de développement en France est limité ; seulement deux installations de STEP sont encore envisageables (pour une puissance de 2 GW) (6). La règlementation sur l eau empêche la construction d ouvrages de ce type. Les supers condensateurs ont l ambition de devenir une alternative crédible aux batteries. Les temps de charge seraient plus rapides, et les performances lors de la décharge équivalentes. Le principe général de fonctionnement d un condensateur est le suivant : deux armatures conductrices sont séparées par un isolant diélectrique. Lors de la mise sous tension, les charges électriques opposées s accumulent sur les armatures (l isolant empêche le passage du courant). Le condensateur est alors chargé. La connexion avec un récepteur nécessitant de l électricité pour fonctionner entraine la décharge de l énergie stockée. C est donc la seule technologie où l on peut parler de stockage d électricité. Leur utilisation est plutôt envisagée sur des applications portables embarquées. Néanmoins, cette technologie n est pas encore prête pour l industrialisation et nécessite encore du développement pour être pleinement opérationnelle. Le temps de décharge est très limité (d une seconde à quelques minutes maximum) (5), ce qui est un inconvénient majeur pour des applications de stockage à plus long terme (journée par exemple). Mais le rendement énergétique est élevé (>90% (6)) notamment car il n y a pas de pertes dues à des conversions. Le stockage sous forme chimique se développe aussi : l hydrogène stocké est ensuite utilisé pour alimenter une pile. Un électrolyseur produit l hydrogène qui est ensuite stocké dans des cuves sous pression. La pile à combustible (PAC) produit ensuite l électricité consommant l hydrogène. Une PAC ne rejette que du dioxygène et de l eau et est donc très peu polluante. Cependant, l hydrogène est un gaz explosif. Le stockage entraine donc un risque non négligeable et est soumis à la réglementation ICPE (Installation Classée pour la Protection de l Environnement) sous la rubrique Le risque de développer cette technique de stockage serait de banaliser le risque explosif. La batterie d accumulateur est un système répandu de stockage d énergie sous forme électrochimique. Différentes technologies existent : plomb-acide, lithiumion, sodium-souffre, nickel. Les réactions chimiques qui se produisent au sein de la batterie sont des réactions d oxydoréduction. A l anode, une réaction d oxydation (décharge) libère un ou des électron(s) qui sont captés à la cathode lors de la réaction de réduction. L électrolyte qui sépare les deux électrodes permet le transport des ions. Les demi-équations suivantes décrivent les réactions à l anode et la cathode : - (anode) - (cathode) La réaction globale s écrit alors : - Ces réactions décrivent le fonctionnement d un accumulateur, mais la tension et l intensité produites ne sont pas suffisantes (2 volts pour une cellule plombacide). On place donc plusieurs accumulateurs en série et/ou parallèle pour augmenter l intensité et/ou la tension. Les principaux avantages des batteries sont leur faible coût et leur facilité d utilisation. Mais elles ne permettent pas de stocker assez d énergie pour l alimenter pendant une durée raisonnable. Les batteries lithium sont plus performantes du point de vue énergétique, mais présentent des inconvénients gênants (coût, sécurité, fonctionnement aux différentes températures). (2) Néanmoins, malgré les avancées technologiques, il reste un paramètre critique qui conditionnera l utilisation de systèmes de stockage d énergie : le temps de décharge de l énergie emmagasinée. Or, les technologies actuelles présentent un maximum de 10 heures de décharge. Par conséquent, il est difficile d envisager de stocker l été pour consommer l hiver par exemple. (5) Chacune de ces technologies est une solution possible au problème du stockage de l énergie. Mais elles présentent toutes un ou des inconvénients qui limitent leur développement à plus grande échelle : coût, sécurité, maturité technologique. La règlementation actuelle ainsi que les choix économiques liés à l électricité sont autant de contraintes qui freinent le développement des systèmes de stockage de l électricité. Comme souvent, la composante économique est «le nerf de la guerre» : quel est

4 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) 4 l intérêt de stocker l électricité alors qu il est plus avantageux de la revendre. Cependant, on peut aussi voir que la recherche est active et progresse sur cette thématique du stockage. Des solutions sont envisageables à plus ou moins grande échelle. Certaines en sont encore au stade de la recherche en laboratoire. Mais d autres sont mises en œuvre au sein de projets expérimentaux en conditions réelles. 4. DES PROJETS INNOVANTS Dans cette partie, nous allons présenter deux systèmes de stockage de l électricité. Dans un premier temps nous étudierons la plateforme expérimentale MYRTE, centrale photovoltaïque permettant le stockage de l hydrogène créé à partir de l énergie solaire. Ensuite, nous nous intéresserons au stockage hydropneumatique de l énergie (HyPES). Ce principe a passé l état de recherche et est aujourd hui commercialisé (principalement pour une utilisation domestique). Notre choix s est porté sur ces deux principes pour plusieurs raisons. D une part, il existe différentes catégories de stockage de l énergie. Le projet MYRTE s est orienté vers un stockage dit chimique (hydrogène) alors que pour le stockage HyPES, il s agit d un stockage mécanique (air comprimé). D autre part, nous avons un projet de stockage à grande échelle (pour une île comme la Corse par exemple) et un projet qui s oriente plutôt vers le stockage à petite échelle. Notre objectif est de comparer ces deux systèmes au niveau des aspects techniques, matériels et financiers. Nous souhaitons aussi étudier la possibilité technique et la viabilité économique de développer le projet MYRTE à petite échelle (utilisation domestique) et le principe de stockage hydropneumatique à grande échelle, pour un réseau insulaire par exemple Le projet MYRTE Contexte et enjeux La plateforme MYRTE, soutenue par la Collectivité Territoriale de Corse, l'etat et l'europe a pour objectif d'expérimenter et rendre possible l'intégration massive des énergies renouvelables dans le réseau électrique de la Corse sur la base d'un couplage énergies renouvelables /hydrogène. Mise en place en 2007 en Corse, cette plateforme est constituée de 3700 m² (7) de panneaux photovoltaïques d une puissance installée de 560 kw et un électrolyseur, qui convertit l électricité en hydrogène et oxygène pendant les heures de faible consommation. Cette énergie est ensuite restituée via une pile à combustible, qui reconvertit l hydrogène et l oxygène en électricité sur le réseau pendant les heures de fortes consommations. L objectif est d améliorer la gestion et la stabilisation du réseau électrique en zone insulaire. L'un des enjeux de la plateforme est d'évaluer la viabilité et l'efficacité sur différentes échelles et usages. D après le directeur du Groupement d'intérêt Scientifique de la plateforme MYRTE (8), on pourrait imaginer un déploiement à grande échelle sans difficulté Combinaison de l énergie solaire et de l hydrogène La Corse bénéficie d une interconnexion au réseau électrique continental de façon limitée. En effet, le réseau électrique corse présente toutes les caractéristiques des réseaux insulaires : de petite dimension, sensible aux variations de production, limité en capacité de nouveaux moyens de production, avec une forte augmentation de la demande en électricité. Pour cela, la combinaison des énergies renouvelables, ici l énergie solaire (mais il y a aussi l éolien : exemple du projet éolien-hydrogène d Utsira, une île norvégienne (9)), et de l hydrogène semble être une solution satisfaisante. Les fluctuations et perturbations sur le réseau électrique sont ainsi limitées, ce qui permet une continuité qui est impossible avec l énergie solaire uniquement, du fait de son intermittence. L enjeu est également d éviter les pertes d énergie. La figure cidessous schématise le fonctionnement du projet MYRTE : Fig. 2. Schéma du principe de stockage de l'énergie photovoltaïque par le vecteur hydrogène (10) L hydrogène gazeux est stocké sous une pression de 35 bars (7) en sortie de l'électrolyseur, dans trois citernes. Ce stockage permet le fonctionnement d une pile à combustible de 200 kw durant environ 22 heures. L'installation est ICPE sous un régime de déclaration (en lien avec les arrêtés type relatif au volume d'hydrogène et d'oxygène) Principe de la pile à combustible (PAC) (11) La PAC utilisée ici est de type PEM (membrane échangeuse de protons), du fait de sa faible température de fonctionnement, et de son aptitude à démarrer rapidement. Elle convertit l énergie chimique en énergie électrique par une réaction d oxydoréduction. Elle est constituée de deux électrodes, séparées par un électrolyte, un matériau qui bloque le passage des électrons : - Une anode, chargée en H 2, provenant des 3 citernes de stockage. Il se produit une oxydation : - Une cathode, chargée en O 2, provenant de l air. Il se produit une réduction :

5 5 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) C'est donc le transfert des ions H + et des électrons vers la cathode qui va produire un courant électrique continu. Contrairement à une pile conventionnelle ou à une batterie, où les composés chimiques nécessaires à la production de courant sont intégrés à la pile/batterie et font intrinsèquement partie du système, la pile à combustible utilise des composés stockés extérieurement au système. Les composés chimiques intervenant dans les réactions au sein d une PAC et conduisant à la production d électricité sont fournis en continu. D un point de vue thermodynamique, on peut assimiler ces étapes au cycle représenté dans la figure suivante : Chiffres clés Pour résumer, les chiffres ci-dessous permettent de se rendre compte de l ampleur du projet MYRTE: Fig. 4. Diagramme de Clapeyron d'un cycle de stockage d énergie par air comprimé Fig. 3. Les chiffres clé du projet MYRTE (7) Le projet prend fin en D ici là, ce procédé de stockage d énergie va pouvoir être optimisé. Le retour d expérience permettra peut-être de commercialiser ce système ou de lancer de nouveaux projets Le stockage hydropneumatique de l énergie (HyPES) Ce concept de stockage exploite la propriété de la compressibilité de l air pour conserver l énergie, tout en améliorant considérablement l efficacité de ce type de systèmes grâce à l utilisation d eau comme piston pour les transferts d énergie. L air comprimé comme vecteur d énergie était déjà utilisé dès la fin du XIXe siècle, notamment dans les transports (12). Cependant, du fait de l arrivée du pétrole qui était plus avantageux au niveau économique, ce concept a été rapidement abandonné. D autant plus que le rendement était relativement faible à l époque. Ainsi nous allons présenter le principe de stockage par air comprimé et déterminer les facteurs qui mènent à un faible rendement. Cela nous permettra de comprendre comment le concept de stockage hydropneumatique répond à cette problématique de rendement et devient donc très intéressant pour stocker de l électricité Etude thermodynamique (13) Le stockage d énergie par air comprimé est la résultante de trois étapes consécutives : - Convertir l énergie initiale (ici électrique) sous forme de pression d air compression - Stocker - Convertir cette pression d air sous la forme de l énergie initiale détente La compression de l air correspond au segment AB, il y a ensuite la phase de transvasement (segment BD) vers l unité de stockage qui se fait à pression constante. On remarque que l étape de compression est accompagnée d une élévation de la température T a à la température T b puis repasse à la température T a lors du transvasement. La détente quant à elle correspond au segment DE qui est suivi d un transvasement à pression constante (segment EA). Durant cette phase de détente, la température diminue de T a à T 0. Ensuite lors du transvasement la température revient à T a. La loi des gaz parfaits explique ces changements de température. Quand on le comprime, l air s échauffe et quand la chaleur est évacuée, elle génère des pertes importantes. La quantité d énergie récupérée à la détente de l air est faible par rapport à celle qui a été initialement stockée. Le rendement est de l ordre de 20 à 30 %. Finalement, pour avoir moins de pertes, l idéal serait de pouvoir comprimer l air et le détendre (après stockage) de manière la plus isotherme possible. C est-àdire passer de A à D et de D à A sans subir de changements de températures. C est le concept HyPES (Hydro-Pneumatic Energy Storage) qu a développé le docteur Sylvain Lemofouet lors de ses travaux de thèse. Il est maintenant directeur général et cofondateur de la société Enairys Powertech SA, une start-up de l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne fondée en Le principe est décrit dans le schéma représenté ci-après :

6 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) 6 Fig. 5. Schéma de principe du système de stockage hydropneumatique d énergie à circuit d air ouvert (14) L électricité produite alimente un moteur électrique couplé à un compresseur hydropneumatique qui permet de comprimer l air. Pour réduire les pertes thermiques liées à la compression, l eau (qui est stockée dans un réservoir et dont le flux est dirigé par les modules hydrauliques) vient refroidir l air. L air est ensuite stockée dans des réservoirs d air à haute pression qui sont reliés les uns aux autres. Lorsqu il y a une demande en électricité, l air comprimé est utilisé pour faire tourner la même machine hydropneumatique et subit une phase de détente. L eau chauffée (récupérée lors de l étape de compression) va permettre de réchauffer l air pendant la phase de détente. Cela permet de réduire les pertes thermiques et donc d avoir un meilleur rendement. Ensuite, la machine électrique fonctionne en alternateur pour reproduire du courant. Le rendement énergétique de ce système est de l ordre de %. Les chambres de compression/détente sont le cœur du système hydropneumatique. C est le principe du piston liquide qui permet de comprimer et détendre l air de manière quasi isotherme. Les échangeurs de chaleur intégrés permettent de limiter le contact entre l air et l eau et de conserver une grande surface d échanges thermiques entre ces deux fluides. C est grâce à cette grande surface d échange et à la plus grande capacité calorifique de l eau par rapport à celle de l air que les variations de températures sont minimisées. Le radiateur couplé au ventilateur sert à refroidir l eau avant son retour dans le ballon de stockage. En effet, l eau doit être la plus froide possible pour refroidir l air pendant la phase de compression. Mais cette eau se réchauffe une fois la compression réalisée et est utile pour la phase de décompression de manière à améliorer le rendement. Après cet échange, la température ne sera pas forcément redescendue à une valeur suffisante pour à nouveau refroidir l air lors de la phase de compression. Elle va donc passer dans un radiateur sur lequel de l air est soufflé via le ventilateur pour la refroidir. Ce concept est commercialisé depuis le début de l année. Il est déclinable dans une large gamme de puissance, des quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts. Il est même envisageable de le perfectionner pour atteindre l ordre du Mégawatt. (15) L HyPES est une alternative intéressante aux batteries électrochimiques. Il s adapte bien pour les applications résidentielles ou autonomes de petite puissance. Il est aussi prévu pour les applications réseaux de grande puissance, un test en conditions réelles est actuellement en cours au sein de la société Mont-Soleil, dans le Jura, qui exploite un centre de recherche dans le domaine du photovoltaïque (16). 5. DISCUSSION Depuis quelques années, on assiste à une volonté politique mondiale d agir contre le réchauffement climatique notamment avec les sommets de la Terre, le protocole de Kyoto et la convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques. Ces rencontres entre dirigeants mondiaux et ces traités internationaux ont permis de définir des moyens pour stimuler le développement durable. Il y a donc aujourd hui deux grands objectifs partagés au niveau mondial et repris au

7 7 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) niveau national dans le grenelle de l environnement (17) : limiter les émissions de CO 2, principal gaz responsable de l effet de serre contribuant au réchauffement climatique et réduire la dépendance aux ressources fossiles en raison de leur raréfaction et de l augmentation de leur coût. De ce fait la part des énergies renouvelables est amenée à croître fortement dans le mix énergétique de demain. Or, le caractère stochastique de ces sources induit la nécessité de pouvoir stocker l énergie produite pour la livrer au réseau en temps voulu. Le stockage de l énergie répond à ces enjeux et motive la recherche et le développement de solutions viables Critères de choix des technologies de stockage Les critères de choix sont multiples. Ils sont économiques, techniques, environnementaux et réglementaires mais dépendent également de la gestion de la fin de vie des systèmes de stockage. Le critère économique est le critère majeur. Les coûts d investissement, de fonctionnement et de maintenance déterminent la viabilité des projets. C est pourquoi de nombreuses solutions sont aujourd hui au stade d expérimentations mais ne sont pas encore répandues. Prenons comme exemple le projet MYRTE. L'un des enjeux de cette plateforme est justement d'évaluer la viabilité et l'efficacité sur différentes échelles et usages. Il faut donc attendre pour avoir des résultats et réaliser un retour d expérience. On ne peut pas affirmer aujourd hui que cette technologie est l avenir du stockage de l énergie. Le critère technique est primordial pour déterminer à quelle échelle la technologie sera employée. En fonction de la puissance et de la capacité, le stockage de l énergie sera individuel ou de masse. Les batteries par exemple sont destinées exclusivement à l usage individuel, alors que les STEP stockent de l énergie en grande quantité pouvant alimenter plusieurs milliers de foyers. La gestion de fin de vie dépend de la maturité des procédés de recyclage et du taux de collecte. En termes d environnement, de réglementation et de sécurité, il s agit de prendre en compte le classement ICPE et les contraintes qui en découlent. L ensemble de ces critères sont interdépendants. La technique utilisée aura forcément un impact économique et environnemental Projet MYRTE : évolution et développement de ce système L hydrogène est un vecteur d énergie très prometteur pour le futur. Mais pour être économiquement et écologiquement viable, la production d hydrogène doit répondre à trois critères (18) : - la compétitivité : les coûts de production ne doivent pas être trop élevés ; - le rendement énergétique : la production d hydrogène ne doit pas nécessiter trop d énergie ; - la propreté : le processus de fabrication doit être non polluant sous peine d annuler l un des principaux atouts de l hydrogène. Il faut donc trouver d autres moyens de production que celle provenant des énergies fossiles. C est ce qu on appelle la production par reformage du gaz naturel. Elle représente 95% de la production d hydrogène (19) (du fait de son coût) ce qui n est donc pas propre et ne règle pas les problématiques de l épuisement des ressources fossiles et du rejet de CO 2. L électrolyse (procédé utilisé dans le projet MYRTE), couplée aux énergies renouvelables, a l avantage d être complètement propre. Cependant cette méthode coûte 3 à 4 fois plus chère que la méthode précédente. On en revient donc aux enjeux économiques. C est pourquoi des recherches sont effectuées sur les piles à combustible. Elles ont actuellement pour but (20) : - De diminuer le coût de fabrication des membranes et de réduire le plus possible la quantité de métaux nobles utilisés, - De fabriquer des électrodes moins sensibles à l empoisonnement par le monoxyde de carbone (CO), - D'étudier la possibilité d utiliser d autres combustibles que l hydrogène, comme par exemple le méthanol (CH 3 OH ou alcool à brûler) Le système HyPES Le système HyPES présente trois principaux avantages. Le premier est écologique avec l utilisation de l air comme support de stockage, de l eau comme fluide et de métaux facilement recyclables (acier inox, aluminium) comme principaux matériaux de construction. Ensuite il y a l aspect durable de ce système, car les principaux composants sont réparables et assurent au système entier une durée de vie en service supérieure à 20 ans avec peu d entretien. Ainsi cela amène à un avantage économique via la combinaison d une longue durée de vie avec un coût d investissement relativement bas et la possibilité de valoriser les matériaux de construction en fin de vie. Cela permet de présenter une rentabilité économique intéressante sur le cycle de vie. Ces données sont encourageantes et le système a fait ses preuves en laboratoire. Cependant nous n avons pas le recul suffisant et toutes les données nécessaires pour déterminer si le système est viable économiquement et techniquement. En effet, des questions restent en suspens quant à un possible phénomène de corrosion dans les chambres de compression/détente. Les composants de ce prototype sont relativement complexes et nouveaux, ce qui a entrainé des coûts importants lors de leur construction. Il faut donc espérer que ces coûts baissent pour assurer la viabilité économique du système. (16) Pour le moment ce système est développé pour des maisons individuelles (réseaux autonomes) et des réseaux télécoms. Il est actuellement en test à la centrale photovoltaïque. Cela a pour objectif de tester et évaluer en situation d exploitation réelle la durée, le fonctionnement et les performances du système HyPES. Les résultats de cet essai pourront permettre de déterminer s il serait viable économiquement et

8 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) 8 techniquement de le développer à plus grande échelle. Nous nous doutons déjà qu une des limites pourrait être la complexité de production des composants Le cas des STEP Le nombre de STEP est limité en France du fait de son impact géographique (espace important). Pour pallier au manque de sites qui pourraient exploiter une STEP, des innovations portent sur l installation de STEP non pas en milieu montagneux, mais en façade maritime. L exemple de la STEP de bord de mer, sur l Ile d Okinawa au Japon illustre ce projet (21). Cette installation permet un stockage de 180 MWh. Il s agit là d un stockage à petite échelle qui pourrait être développé L omniprésence du contexte politico-économique Les intérêts économiques Aujourd hui, si nous prenons l exemple d un particulier qui a sa production d énergie photovoltaïque reliée au réseau, il n a aucun intérêt économique à stocker son électricité ni à l auto consommer. En effet, le tarif de rachat va de 26,09 c /kwh à 42,55 c /kwh selon les types d installations intégrées au bâti. Et le tarif de vente varie entre 9,62 c /kwh et 15,59 c /kwh selon les fournisseurs d énergie. Il apparait clairement qu il est plus intéressant de vendre sa propre production et de racheter l électricité à un fournisseur d énergie pour sa consommation. Pour les producteurs, la première voie de valorisation du stockage de l électricité est l arbitrage sur les marchés de l énergie. En effet, le stockage permet à un producteur de choisir d injecter sur le réseau l électricité lorsque son prix est élevé ou, au contraire, d en soutirer lorsque le prix est faible. Ainsi, le producteur peut stocker une partie de sa production plutôt que de la vendre à bas prix et l injecter en période de pointe pour la vendre à prix élevé. De plus, cela lui permet de limiter le recours aux centrales thermiques. Toujours dû au fait que le stockage permettrait d être moins dépendant des centrales thermiques, les producteurs pourraient ainsi réduire leurs coûts de production de pointe comme nous avons pu le voir dans le paragraphe précédent Les services apportés par le stockage aux réseaux électriques Le stockage d électricité peut apporter de nombreux services aux réseaux électriques. Le premier concerne le lissage de la charge. En effet, les systèmes de stockage sont un moyen d équilibrer l offre et la demande. Par exemple, des investissements dans des capacités de production, comme des turbines à combustion, pourraient être évités. La production de pointe est essentiellement assurée par le démarrage de centrales de types thermiques à gaz ou à fioul qui ont l avantage d être flexibles et d avoir un temps de réponse très court. Cependant, ces filières de production électrique sont très chères car elles ne sont utilisées qu en période de pointe et possèdent des coûts marginaux très élevés (coût du combustible, d exploitation, ). Il faudrait donc pouvoir stocker pendant les périodes de moindre demande et restituer cette énergie pendant les périodes de pointe. Nous retrouvons ce même intérêt, mais moins prononcé, entre les heures creuses et les heures pleines. Cela permettrait ainsi une meilleure gestion du parc de production et une réduction de l utilisation des moyens de production thermique (charbon, gaz, fioul). De plus, l étude sur le potentiel national de stockage de l énergie financée par l ADEME, l ATEE et la DGCIS a montré que d ici 2030, les besoins de stockage sur des cycles infra hebdomadaires allaient augmenter de manière significative. En effet l augmentation des usages tertiaires va entraîner une différence de demande entre semaine et week-end relativement marquée. Cela associé au développement de l éolien fortement envisagé et qui a un cycle de production assez aléatoire va provoquer des besoins de flexibilité hebdomadaire d environ 50%. Ainsi cela va probablement provoquer des besoins de stockage infra hebdomadaires. D autre part, le stockage d électricité pourrait permettre de compenser les défaillances du réseau public d électricité, par exemple en cas d arrêt de production d une installation. En effet, les technologies de stockage pourraient assurer temporairement l alimentation en électricité en se substituant aux moyens de production. De plus, la qualité d alimentation serait maintenue voire améliorée car les systèmes de stockage pourraient permettre de réguler la tension et participer au réglage de la fréquence du réseau en fournissant une réserve de puissance active ou, au contraire, en absorbant de la puissance réactive. Ainsi, le stockage a son intérêt pour éviter les pertes et la non consommation en heures creuses et la production en marche forcée en heures pleines. Il pourrait aussi apporter des améliorations aux réseaux électriques. Cependant les parties intéressées doivent y trouver un intérêt économique ou une obligation légale comme l introduction d une obligation de stockage dans la loi NOME du marché de capacité Le marché de capacité Ce marché doit permettre de garantir durablement la sécurité d approvisionnement en électricité des Français, dans un contexte de hausse de la pointe de consommation. Ce nouveau dispositif fait suite au décret (22), signé le 14 décembre 2012 par le ministère du développement durable, qui vise à mettre en place le mécanisme de capacité pour le marché de l électricité. Ainsi, avec ce mécanisme, les fournisseurs d électricité devront justifier qu ils sont en mesure de satisfaire la consommation de leurs clients lors des périodes de pointes et ce, à partir de Pour cela, ils devront acquérir des «garanties de capacité» et pourront «utiliser les capacités qu ils possèdent en tant qu exploitants, ou développer l effacement de consommation, ou encore acheter des garanties de capacité auprès des producteurs d électricité ou d effacement» (23). Ainsi on peut espérer que pour satisfaire à cette nouvelle réglementation, le stockage de l électricité réussira à s imposer sans avoir besoin d une autre réglementation.

9 9 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) La Contribution Climat Energie (CEE) «La taxe carbone est une taxe ajoutée au prix de vente de produits ou de services en fonction de la quantité de gaz à effet de serre, comme le gaz carbonique (CO 2, dioxyde de carbone), émis lors de leur utilisation. Décidée dans son principe lors des accords dits du Grenelle environnement, et officiellement appelée Contribution Climat Energie (CCE), elle touche potentiellement les carburants fossiles (essence, gazole, gaz, charbon) et toutes les activités qui en utilisent. La taxation se calcule sur la base d'un prix à la tonne de gaz carbonique émise.» (24) Elle devait entrer en vigueur le 1er janvier 2010 mais a été censurée par le conseil constitutionnel le 29 décembre Cette taxe a été revisitée par l assemblée pour élaborer le budget Les députés ont voté, le lundi 21 octobre 2013, l instauration d une contribution climat énergie qui consiste à augmenter progressivement les TICPE (taxe intérieure de consommation sur les produits énergétiques). Cette contribution concerne "l'essence, le gazole, le charbon et la houille, le gaz naturel, ainsi que le fioul lourd et domestique". L électricité est exonérée de cette taxe. Cependant il faut savoir que le secteur de la production électrique est couvert en totalité par les contraintes du marché européen des permis. Une sorte de taxe carbone est déjà incluse dans celui-ci. (25) L industrie nucléaire étant très peu productrice de gaz à effet de serre, on peut craindre que l électricité d origine nucléaire soit favorisée. Malgré cela, la contribution climat énergie a pour but de discriminer les énergies carbonées au profit des énergies renouvelables. Le rendement sera réparti de la manière suivante : sur 4 milliards d euros espérés en 2016, trois seront redistribués aux entreprises dans le cadre du crédit d'impôt pour la compétitivité et l'emploi (CICE) et un milliard financera le taux réduit de TVA applicable aux travaux de rénovation énergétique des logements et au logement social. Cette rénovation énergétique va probablement conduire à une augmentation des énergies renouvelables. Le stockage de l électricité va trouver davantage son intérêt. Une modification de la redistribution des recettes de cette taxe qui inclurait le développement des technologies de stockage de l électricité (et de l énergie en générale) peut être espérée. L évolution de cette «taxe» est donc à surveiller. 6. CONCLUSION Naturellement cette publication n a pas la prétention d être exhaustive sur le sujet. Il faut prendre en compte certaines limites à l étude présentée. Tout d abord, sous le titre «technique et moyens de stockage de l énergie», cet article ne traite que du stockage de l électricité. Or, il faut signaler qu il existe aussi des projets de stockage d énergie sous forme de chaleur (chaud-froid) : matériaux à changement de phase par exemple. Les applications sont différentes mais non moins intéressantes notamment pour l industrie. La deuxième limite identifiée est l approche superficielle de l étude. En effet le sujet est très complexe tant sur le plan économique que technologique, nous nous sommes appliqués à l étudier sur le plan macroscopique. Mais nous n avons pu approfondir chaque élément composant ce thème. Enfin, seulement deux projets de recherche sont présentés, notre choix s est porté sur les projets MYRTE et HyPES pour les raisons expliquées au début de la partie 4. Mais il en existe d autres très intéressants qui sont peut-être des solutions d avenir. Malgré ces limites, cet article représente une très bonne base d information et d explication sur le stockage de l énergie. Différents scénarios essaient de prévoir la composition du mix énergétique français à l horizon 2030 (6).Ces modélisations prennent en compte plusieurs hypothèses de stockage d énergie et étudient leur potentiel. Les technologies présentées dans la troisième partie de cette publication sont utilisées dans les différents scénarios étudiés. Une première conclusion est claire : une seule et même technique de stockage ne peut pas répondre aux différentes contraintes qui sont spécifiques à chaque situation. Il convient alors de continuer les efforts de recherche et développement afin de disposer d un large choix de solutions possibles. Cela permettrait de valoriser un maximum de sites en installant un système adapté et personnalisé, selon leurs contraintes et leurs besoins. Une autre hypothèse envisageable serait d utiliser plusieurs technologies de stockage au sein d une même installation. On peut imaginer un couplage entre un système de stockage à court terme (batteries) et à plus long terme (hydrogène ou CAES). Ce concept permettrait peut-être de répondre aux différentes problématiques. Différents éléments économiques peuvent influencer les choix à faire concernant le stockage de l énergie : prix du baril de pétrole, CSPE (Contribution au Service Public de l Electricité ; redevance payée par les consommateurs), TURPE (Tarifs d Utilisation des Réseaux Publics d Electricité ; payé par le consommateur également), projet de taxe carbone, etc... Ce sont des paramètres qui permettront le développement de telle ou telle technologie, selon leur rentabilité. L analyse des différentes études scientifiques sur ce sujet laisse à penser que c est bien le critère politicoéconomique qui sera le principal levier pour le développement du stockage de l énergie. En effet, on a pu voir que l aspect technologique n est pas un problème, différentes solutions sont assez matures pour être industrialisées, d un point de vue purement technique. Pour illustrer ceci, prenons l exemple de l Etat de Californie, qui a adopté une loi sur le stockage de l énergie. La loi «AB 2514» oblige les producteurs d électricité à installer une capacité de stockage égale à 5% du pic de consommation quotidien, à l horizon 2020 (26). Le Department of Energy (équivalent du Commissariat à l Energie Atomique français) finance en partie les investissements nécessaires pour atteindre ces objectifs.

10 L. Grimault et al. / PSIR SEPA (2013) 10 Remerciements L un d entre nous souhaite adresser ses remerciements à Monsieur Poggi, Directeur du Groupement d'intérêt Scientifique de la plateforme MYRTE, pour les différents échanges qui nous ont permis d avoir de tels détails sur ce projet. Nous souhaitons également remercier particulièrement Monsieur Canal, Délégué Général du Club Cogénération ATEE, pour nous avoir accordé un entretien lors du salon Pollutec suite à sa conférence sur l étude sur le potentiel de stockage de l énergie. Références 1. International Energy Agency. Key World Energy Statistics. Paris : s.n., p. 80. ISBN : LABBE, J. L'hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d'électricité pour systèmes photovoltaïques isolés. Thèse de doctorat : Energétique. Paris : Ecole des Mines de Paris : s.n., p Réseau de Transport d'electricité. Bilan électrique Nanterre : s.n., p Direction générale de l'énergie et du climat. Rapport sur l'industrie des énergies décarbonnées en Paris : Ministère de l'écologie, du développement durable, des transports et du logement, p Enea consulting. Le stockage d'énergie : enjeux, solutions techniques et opportunités de valorisation. Paris : s.n., Renaud, Arnaud, et al., et al. Etude sur le potentiel du stockage d'énergie ENERZINE. Corse : stocker de l'énergie photovoltaïque via l'hydrogène. ENERZINE: l'énergieau quotidien. [En ligne] janvier enerzine.com. 8. POGGI, P. Directeur du Groupement d'intérêt Scientifique de la plateforme MYRTE. Renseignements sur le projet MYRTE. Corse : PELLICER, L., 29 Octobre CEA. La filière hydrogène - CLEFS CEA n 50/51. [En ligne] Hiver BUSQUET, S. Etude d'un système autonome de production d'énergie couplant un champ photovoltaïque, un électrolyseur et une pile à combustible. Thèse de doctorat : Energétique. Paris : Ecole des Mines de Paris : s.n., BOUDELLAL, M. La pile à combustible. s.l. : Dunod, ISBN : BRUNET, Yves. Technologies du stockage de l'énergie. s.l. : Hermès / Lavoisier, ISBN 10 : S, LEMOFOUET-GASTI. Investigation and optimisation of hybrid electricity storage systems based on compressed air and supercapacitors. Thèse École polytechnique fédérale de Lausanne EPFL. Lausanne : s.n., RUFER A, LEMOFOUET S. [En ligne] Septembre Site internet de la société ENAIRYS. [En ligne] LEMOFOUET-GATSI S, Enairys Powertech SA. Réalisation et Caractérisation Etendue d un Prototype de Système de Stockage Hydro- pneumatique d Energi Le Grenelle de l'environnement. Site web du ministère du développement durable. [En ligne] Grenelle-de-l-environnement-de-.html. 18. CEA. Les modes de production de l'hydrogène. De la recherche à l'industrie CEA. [En ligne] Août INERIS. Les techniques de production de l'hydrogène et les risques associés. [En ligne] juin eb.pdf. 20. Université de Liège. Types de piles à combustible. Laboratoire de chimie industrielle - Université de Liège. [En ligne] Janvier Le stockage de l énergie par STEP. Energie pour demain.[en ligne] Décret n du 14 décembre Contribution des fournisseurs à la sécurité d'approvisionnement en électricité et portant création d'un mécanisme d'obligation de capacité dans le secteur de l'électricité Un nouveau dispositif pour gérer les pics de consommation électrique. [En ligne] 11 Octobre Définition taxe carbone. [En ligne] nitions/taxe-carbone.htm. 25. Michel Rocard, ancien Premier ministre. Rapport de la conférence des experts et de la table ronde sur la Contribution Climat Energie Souillé, Arnaud. Bulletinsélectroniques.com, veille technologique internationale. [En ligne] Partenariat ADIT - Ministère des Affaires Etrangères. [Citation : ]