Les énergies renouvelables sont essentielles à la transition énergétique mondiale. Cependant, leur déploiement à grande échelle pose un défi majeur : l'intermittence. La capacité de stocker des énergies intermittentes telles que le solaire et l'éolien, pour ensuite les injecter dans le réseau électrique, fait l'objet de nombreuses recherches et développements.
Énergies renouvelables : une production mondiale en hausse
En 2023, les énergies renouvelables représentaient environ 30% de la production mondiale d'énergie, selon l'Agence Internationale de l'Énergie (AIE) et l'Agence Internationale pour les Énergies Renouvelables (IRENA). Pour atteindre les objectifs climatiques, cette part doit doubler d'ici 2030. Cependant, l'intermittence du solaire et de l'éolien soulève des défis pour la stabilité des réseaux électriques.
Comprendre l'Intermittence
Causes et Impacts
La cause principale de l'intermittence des énergies renouvelables est simple : le soleil et le vent ne sont pas continuellement disponibles pour faire fonctionner les panneaux photovoltaïques et les éoliennes.
Bien entendu, les catastrophes naturelles, comme les tempêtes et les sécheresses, peuvent endommager les infrastructures et interrompre la production d'énergie.
Cette intermittence entraîne des déséquilibres entre l'offre et la demande d'électricité. Cela provoque des fluctuations de tension et de fréquence sur le réseau.
Dans les cas extrêmes, l'intermittence peut provoquer des pannes de courant. Pour maintenir la stabilité du réseau, des solutions capables de compenser ces fluctuations sont nécessaires.
Solutions Technologiques
Stockage d'énergie à grande échelle
Batteries Lithium-Ion : mal adaptées au réseau électrique
Les batteries lithium-ion sont couramment utilisées dans les véhicules électriques et les systèmes résidentiels. Leur densité énergétique élevée en fait une technologie adaptée aux systèmes embarqués tels que les téléphones, les ordinateurs portables et les voitures électriques.
Leur capacité de stockage demeure toutefois insuffisante pour équilibrer les réseaux électriques à grande échelle. Elles peuvent également prendre plusieurs heures pour se recharger complètement, ce qui pose problème lors des pics de demande d'énergie. Une recharge rapide est essentielle pour maintenir l'équilibre entre production et consommation sur le réseau électrique.
Les batteries lithium-ion se dégradent avec le temps, ce qui nécessite des remplacements fréquents et donc des coûts élevés pour l'entretien du réseau. Leur recyclage difficile complexifie leur utilisation à grande échelle pour le réseau électrique. L'emploi de métaux stratégiques tels que le lithium, le cobalt et le platine soulève des questions écologiques et géopolitiques. Enfin, ces batteries sont inflammables et peuvent exploser sous de fortes chaleurs, ce qui nécessite une vigilance particulière pour un usage à grande échelle.
Cependant, des projets comme Hornsdale Power Reserve en Australie ont démontré qu'une centrale de stockage Lithium-ion pouvait stabiliser un réseau électrique alimenté par des énergies renouvelables.
Batteries à flux redox : une piste prometteuse
Les batteries à flux redox (RFB) offrent de belles perspectives pour le stockage d'énergie à grande échelle. Elles utilisent des électrolytes pour stocker et transférer des charges électriques. Un électrolyte est une solution liquide contenant des ions métalliques dissous.
Contrairement aux batteries lithium-ion, l'énergie est stockée dans des solutions liquides et non dans des matériaux solides. Cela permet un transfert de charge plus efficace et une durée de vie plus longue des batteries. Les composants des RFB peuvent être remplacés ou régénérés facilement, ce qui réduit leur usure.
Il faut imaginer les RFB comme des réservoirs de voiture, où vous pouvez faire le plein pour repartir, au lieu de devoir remplacer le réservoir entier.
Les RFB sont cependant complexes à mettre en œuvre. Elles nécessitent des systèmes de pompage pour faire circuler les électrolytes et des cellules électrochimiques où se produisent les réactions de transfert de charges. Ces systèmes posent des défis techniques supplémentaires par rapport aux batteries traditionnelles.
L'utilisation de grandes quantités d'électrolytes liquides demande une logistique solide, afin d'éviter des impacts sur l'environnement. Les électrolytes doivent être stockés et transportés en toute sécurité. Cela demande des infrastructures spécifiques et une gestion rigoureuse pour éviter les fuites. Certains électrolytes peuvent être corrosifs ou toxiques, il faut donc les manipuler avec précaution. En cas de fuite, ils peuvent contaminer les sols et les eaux.
En clair, les RFB peuvent offrir une durée de vie plus longue et une meilleure capacité de stockage que les batteries lithium-ion. Cependant, leurs défis techniques et environnementaux nécessitent une gestion minutieuse pour un déploiement à grande échelle.
Technologies de stockage alternatives
Volants d'Inertie : en complément des batteries
Les volants d'inertie stockent de l'énergie par la rotation mécanique d'un disque. Ce disque tourne à grande vitesse afin d'emmagasiner de l'énergie cinétique. Lorsque le réseau électrique nécessite un ajustement, cette énergie est convertie instantanément en électricité. Les volants d'inertie peuvent ainsi répondre en quelques secondes aux variations de fréquence. Cette rapidité est cruciale pour maintenir la stabilité du réseau.
Les volants d'inertie agissent comme les amortisseurs d'une voiture : ils absorbent les chocs et assurent une conduite fluide. Ils équilibrent rapidement les fluctuations d'un réseau électrique. Cette technologie est particulièrement utile dans les réseaux alimentés par des énergies renouvelables intermittentes. Les volants d'inertie compensent rapidement les fluctuations du solaire et de l'éolien.
Les volants d'inertie sont robustes et nécessitent peu de maintenance. En comparaison, les batteries doivent être remplacées régulièrement, ce qui entraîne des coûts supplémentaires.
Les volants d'inertie n'utilisent pas de matériaux rares ou toxiques. Ils peuvent également être recyclés en fin de vie, ce qui minimise les déchets. En clair, cette technologie est plus durable que les batteries.
L'intégration des volants d'inertie dans un réseau électrique se fait de manière modulaire, en complément d'autres systèmes de stockage. Ils peuvent notamment travailler en tandem avec les batteries. Les batteries se chargent du stockage à long terme, tandis que les volants d'inertie gèrent les réponses rapides.
En résumé, les volants d'inertie stabilisent efficacement les réseaux électriques qui fonctionnent avec des énergies intermittentes. Leur rapidité à délivrer de l'énergie, leur robustesse et leur impact environnemental limité en font une technologie durable et complémentaire des batteries.
Pompage-turbinage : une solution fiable pour le stockage d'énergie
Le pompage-turbinage stocke l'énergie en utilisant l'excès d'électricité produit par des sources renouvelables intermittentes. Lorsque ces sources produisent plus d'énergie que nécessaire, cette électricité est utilisée pour pomper de l'eau vers un réservoir en hauteur. Lors des périodes de forte demande, l'eau est relâchée et passe par des turbines pour produire de l'électricité. Ce processus simple permet de lisser les variations de production et de consommation d'énergie.
Cette technologie fonctionne seulement sur des sites avec une différence d'altitude suffisante entre les réservoirs. Le pompage-turbinage est particulièrement adapté aux montagnes et aux vallées profondes.
Le pompage-turbinage présente plusieurs avantages. D'abord, il peut stocker une grande quantité d'énergie, suffisante pour fournir de l'électricité pendant de longues périodes. C'est également une technologie éprouvée et fiable, les installations ont une longue durée de vie. Enfin, le coût de l'énergie stockée est compétitif par rapport à d'autres technologies.
Cette compétitivité s'explique par le faible coût opérationnel de l'installation. Les systèmes peuvent fonctionner pendant des décennies avec une maintenance minimale. C'est un processus très efficace sur le plan énergétique. Environ 80% de l'énergie utilisée pour pomper l'eau peut être récupérée lors de la production d'électricité. Cette efficacité élevée réduit les pertes d'énergie et diminue les coûts globaux par kilowatt-heure stocké et restitué.
Cependant, la mise en place de systèmes de pompage-turbinage nécessite des investissements initiaux considérables. Sur le plan environnemental, la construction des réservoirs et des conduites peut impacter les écosystèmes locaux. Des études d'impact environnemental approfondies sont donc nécessaires.
Au final, le pompage-turbinage est une solution efficace pour gérer le stockage d'énergies intermittentes dans les lieux géographiques qui s'y prêtent.
Innovations et recherches dans le stockage
La recherche sur de nouvelles technologies de stockage d'énergie offre des perspectives prometteuses pour des usages à grande échelle. Ces technologies émergentes pourraient révolutionner la manière dont nous stockons et utilisons l'énergie.
Supercondensateurs : Les supercondensateurs sont connus pour leurs temps de charge et de décharge extrêmement rapides, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications nécessitant des "bursts" d'énergie instantanés. Cela signifie qu'ils peuvent fournir ou absorber de grandes quantités d'énergie en très peu de temps. Un atout idéal pour répondre à la problématique de l'intermittence.
Les supercondensateurs possèdent une densité de puissance très élevée, mais leur densité énergétique (la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker par unité de volume ou de masse) est actuellement inférieure à celle des batteries traditionnelles. La recherche en cours vise à améliorer cette densité énergétique en utilisant des nanomatériaux. Ces matériaux augmentent la surface sur laquelle la charge peut être stockée, ce qui améliore leur capacité de stockage d'énergie.
Batteries à métal-air : Les batteries à métal-air ont une densité énergétique beaucoup plus élevée que les batteries lithium-ion.
Contrairement aux autres types de batteries qui contiennent tous leurs réactifs à l'intérieur, la technologie métal-air utilise l'oxygène présent dans l'air pour générer de l'électricité. Cet oxygène réagit avec un métal (comme le lithium, le zinc ou le sodium) pour produire de l'énergie. Ce procédé réduit le poids des batteries et augmente leur capacité de stockage d'énergie.
Des défis tels que la gestion des réactions chimiques internes, la durabilité des électrodes et la prévention de la formation de dendrites (structures cristallines qui peuvent se former sur les électrodes, causant des courts-circuits) doivent être surmontés avant leur commercialisation à grande échelle.
Les avancées dans les matériaux, notamment les électrodes nanostructurées, pourraient améliorer la stabilité et la performance de ces batteries.
Systèmes de stockage thermique : Les systèmes de stockage thermique stockent l'énergie sous forme de chaleur, qui peut ensuite être convertie en électricité en cas de besoin sur le réseau.
Cette technologie est particulièrement intéressante pour les applications où l'énergie thermique est directement utilisable, comme le chauffage et la climatisation.
Des matériaux à changement de phase (PCM) et des techniques d'isolation thermique sont explorés pour augmenter l'efficacité et la capacité de stockage de ces systèmes.
Développement de nanomatériaux :
L'utilisation de matériaux avancés, tels que les nanomatériaux, pourrait considérablement améliorer ces nouvelles technologies. Les nanomatériaux offrent une surface de réaction beaucoup plus grande par rapport aux matériaux conventionnels.
Cela a pour effet d'augmenter la capacité de stockage, d'améliorer la conductivité électrique et thermique, et de prolonger la durée de vie des dispositifs de stockage.
Danemark : cas d'école de la gestion de l'intermittence
Un pays comme le Danemark a mis en place des stratégies efficaces pour gérer l'intermittence. Le Danemark utilise une combinaison de stockage, de Smart Grids et d'interconnexions avec les pays voisins.
Le pays nordique investit massivement dans les technologies de stockage d'énergie, en utilisant divers types de batteries, notamment les batteries à flux redox. Pour rappel, ces batteries permettent un stockage à grande échelle.
Le Danemark a également mis en place des Smart Grids, ou réseaux électriques intelligents. Ces réseaux adaptent en temps réel la distribution d'énergie selon la demande et la production. Grâce à des capteurs et des algorithmes avancés, les Smart Grids optimisent l'efficacité énergétique et réduisent les pertes.
Enfin, le Danemark s'appuie sur des interconnexions avec ses pays voisins. En échangeant de l'électricité avec la Norvège, la Suède et l'Allemagne, le Danemark peut importer de l'énergie lorsque sa production interne est insuffisante et exporter ses surplus.
Ces stratégies combinées font du Danemark un pionnier de la transition énergétique et un exemple pour le reste du monde.
L'IA et les Smart Grids pour stabiliser les réseaux
Au-delà des technologies de stockage, les réseaux intelligents et l'intelligence artificielle (IA) jouent un rôle crucial dans la gestion des énergies intermittentes.
Les [Smart Grids](https://www.lemoniteur.fr/article/le-smart-grid-repond-a-la-problematique-de-la-gestion-et-du-stockage
-de-la-production-decentralisee-et-intermittente-des-enr.2258086), ou réseaux électriques intelligents, adaptent en temps réel la distribution d'énergie en fonction de la demande et de la production.
Grâce à des capteurs et des algorithmes avancés, ces réseaux optimisent l'efficacité énergétique et minimisent les pertes. L'IA permet d'analyser de vastes quantités de données pour prévoir les besoins énergétiques et ajuster l'approvisionnement en conséquence.
Les avancées en prévision météorologique sont également essentielles. En prévoyant avec précision les conditions météorologiques, il est possible d'anticiper la production d'énergie renouvelable et de mieux planifier son utilisation.
Par exemple, si des prévisions indiquent une période de faible vent, des mesures préventives peuvent être prises pour garantir une fourniture d'énergie stable sur le réseau.
La collaboration internationale reste toutefois indispensable pour surmonter les défis posés par l'intermittence des énergies renouvelables.
En partageant les connaissances et les technologies, les pays peuvent améliorer leurs propres systèmes énergétiques tout en contribuant à un avenir énergétique durable et fiable.