Alternatives non chimiques aux batteries pour la transition énergétique

Les batteries sont‑elles la bonne idée ?

L’approche privilégiée pour éliminer les combustibles fossiles des économies industrialisées a été l’électrification. L’objectif est de remplacer les véhicules à moteur à combustion interne (ICE) par des véhicules électriques (EV) et de produire de la chaleur avec pompes à chaleur au lieu de la combustion. C’est quelque chose que nous avons étudié en détail dans notre article « The Future of Mobility – Battery Tech».

Le problème est que, pour que ce changement soit réellement « vert », l’électricité doit provenir de sources durables – ce qui, selon à qui l’on demande, peut inclure le nucléaire.

Dans les deux cas, les variations de la demande d’électricité au cours de la journée et des saisons signifient qu’il faudrait construire beaucoup de capacité excédentaire qui resterait inactif la plupart du temps. Cela est particulièrement vrai pour les énergies renouvelables, car le solaire sous‑perfome pendant les hivers froids et nuageux, et le vent peut cesser de souffler pendant des semaines.

Il y a donc un besoin urgent de stockage d’énergie à long terme. Une solution peut être les batteries à l’échelle des services publics, tirant parti de nouvelles chimies offrant des coûts plus bas ou d’autres avantages. Nous avons étudié cela en détail dans notre article « The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech». Une autre option consiste à produire une forme de carburant liquide qui peut être stocké jusqu’à son utilisation, par exemple de l’hydrogène liquide ou de l’ammoniac liquide, comme nous l’avons détaillé dans nos articles « The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks» et « Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?».

Mais si la façon appropriée de stocker l’énergie pendant des jours, des semaines, des mois, voire des années n’était pas les batteries ? Dans cet article, nous examinerons toutes les options non chimiques de stockage d’énergie.

Air comprimé

Les avantages de l’air comprimé

Compresser de l’air nécessite beaucoup d’énergie. Cette même énergie peut être partiellement récupérée lors de la décompression de l’air stocké.

Un avantage clé de cette technique est qu’elle n’utilise que des pièces mécaniques comme des tuyaux, des pompes et des réservoirs, nécessitant uniquement des matériaux simples comme l’acier, au lieu de matériaux rares tels que les terres rares, le cobalt, le lithium, etc. Elle pourrait même s’appuyer sur un réservoir de gaz naturel épuisé, offrant un « réservoir » absolument massif à très faible coût. Et bien sûr, l’air est une ressource entièrement gratuite et disponible partout.

Source: Electricity Forum

Un autre avantage est que la compression de l’air est une technologie bien comprise, avec une chaîne d’approvisionnement très bien établie, qui pourrait être prête à être mise à l’échelle rapidement si nécessaire. C’est également un système capable de stocker de l’énergie pendant très longtemps avec peu ou pas de pertes.

Les inconvénients de l’air comprimé

Un problème clé pour rendre l’air comprimé efficace est un phénomène physique qui se produit lors de la compression de tout gaz. De la chaleur est générée pendant la compression. Cette chaleur doit généralement être dissipée pour éviter d’endommager le système de compression, ce qui se traduit par une perte d’énergie. L’air se refroidit également lors de la décompression, nécessitant souvent des systèmes de réchauffement.

30 à 40 % de l’énergie peuvent être perdus à cause de cela. Cela peut être encore pire pour les conceptions moins efficaces. Jusqu’à présent, la meilleure efficacité à grande échelle a été atteinte en Chine avec 30 % de pertes, à la à la centrale de 400 MWh Zhangjiakou conçue par l’Académie chinoise des sciences.

Ainsi, bien que l’air comprimé puisse être une option acceptable pour un stockage à long terme à faible coût entre les saisons, les pertes inévitables de plus de 30 % d’énergie freinent l’économie du système. Ce n’est que si la chaleur produite lors de la compression pouvait être recyclée dans un autre processus que ces systèmes pourraient devenir réellement efficaces.

Batteries à gravité

En physique, tout objet qui monte est considéré comme acquérant un niveau plus élevé d’« énergie potentielle ». Cette énergie se manifeste sous forme de mouvement descendant dès que l’objet est autorisé à redescendre. De ce fait est née l’idée d’utiliser la gravité pour stocker de l’énergie.

Hydroélectricité pompée

Il s’agit de la forme de stockage d’énergie à l’échelle des services publics la plus couramment utilisée aujourd’hui, représentant 90 % de la capacité mondiale de stockage d’énergie du réseau en 2020, selon la Department of Energy Global Energy Storage Database.

La production hydroélectrique utilise le potentiel énergétique de l’eau provenant des précipitations, le stocke derrière des barrages et le libère pour produire de l’électricité. L’hydrostockage pompé utilise l’électricité pour remonter l’eau vers la centrale hydroélectrique.

Le barrage de stockage peut également être construit uniquement dans le but de stockage par pompage, et ne nécessite qu’un paysage vallonné contrairement aux grands barrages hydroélectriques qui requièrent souvent un terrain montagneux. Alternativement, un réservoir souterrain peut également être utilisé.

Source: Energy.gov

Les pertes d’énergie sont généralement de l’ordre de 20 à 30 %. Le stockage peut durer plusieurs mois avec des pertes limitées, du moins dans les régions qui ne sont pas trop chaudes. L’investissement en capital peut être assez important, mais les installations d’hydrostockage pompé sont également extrêmement durables.

Une idée intrigante, seulement discutée mais jamais testée à grande échelle, consiste à utiliser l’électrolyse pour transformer l’eau à une altitude plus basse en hydrogène. Cet hydrogène, plus léger que l’air, est alors transporté vers le haut « sans énergie ». Il est ensuite reformé en eau (rendant une partie de l’énergie consommée par l’électrolyse). Cette eau produit à nouveau de l’électricité en descendant à travers une turbine hydroélectrique.

Bien que potentiellement beaucoup plus efficace globalement que l’hydrostockage pompé, la taille des électrolyseurs nécessaires pourrait rendre le système encore assez coûteux.

Stockage d’énergie par béton/roche

L’eau n’est pas la seule chose qui peut être stockée pour accumuler de l’énergie grâce à la gravité. Les roches, les blocs de béton et d’autres objets ultra‑lourds peuvent également être utilisés.

Dans ce cas, la technologie requise est encore plus simple que celle de l’hydrostockage pompé, car elle repose principalement sur des grues et des alternateurs pour stocker l’énergie et la restituer. Les grues et les roches ne sont pas non plus des matériaux rares.

Le grand avantage de ces systèmes est leur efficacité. La plupart de l’énergie perdue dans l’hydrostockage pompé provient de la turbulence de l’eau, réduisant l’efficacité de la pompe. En revanche, les grues et les câbles peuvent offrir des pertes aussi faibles que 15 % (un quart de pertes en moins par rapport à l’hydrostockage pompé).

Actuellement, les entreprises Gravitricity  et Energy Vault (NRGV ) (NYSE – NRGV) promeuvent ces concepts.

Gravitricity recycle les puits de mines abandonnés pour accéder à des puits déjà créés et faciles à manipuler de plusieurs centaines de mètres de profondeur afin de stocker de l’énergie avec son système GraviStore.

Energy Vault, quant à elle, vise des constructions dédiées, avec des blocs qui montent et descendent en fonction de la demande énergétique.

Avec des centaines de milliers de sites miniers partout dans le monde, cela pourrait avoir un potentiel bien plus grand que ce que beaucoup imaginent et profiter du fait que l’infrastructure existe déjà. L’entreprise envisage un partenariat avec le géant industriel suédois ABB pour finaliser le développement de sa technologie, ainsi que pour accéder au vaste portefeuille de clients miniers d’ABB.

Source: ABB

La limitation du « stockage d’énergie solide » par gravité est que l’énergie stockée sur seulement quelques dizaines ou centaines de mètres n’est pas très importante. Une option consiste simplement à en avoir suffisamment, comme des centaines de milliers de puits de mines comme Gravitricity, ou d’énormes « entrepôts » dédiés comme Energy Vault.

Une autre option est d’avoir une profondeur beaucoup plus grande. Pour cela, les fonds marins profonds près du littoral sont une option. Une plateforme flottante pourrait se placer au-dessus d’une telle zone, et abaisser ou soulever un poids sur plusieurs milliers de mètres. Ce concept s’appelle Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Une entreprise travaillant sur ce concept est la startup française Sink Float Solutions.

Source: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions affirme un potentiel d’efficacité allant jusqu’à 80 % et des coûts très bas.

« Actuellement, les grues offshore avec la plus grande capacité de charge peuvent soulever des masses de 4000 tonnes, ce qui, à une vitesse verticale de 20 km/h, correspondrait à une puissance de 200 MW. Plusieurs treuils sur le même site peuvent être utilisés en parallèle. »

L’économie réelle de ces systèmes dépendra fortement de leur durabilité, la corrosion due à l’eau de mer des pièces mécaniques étant la principale préoccupation.

Batteries à sable/chaleur

Une grande quantité d’électricité est utilisée pour produire de la chaleur, que ce soit pour un usage industriel ou pour chauffer les maisons et appartements en hiver. Au lieu de stocker l’électricité comme une batterie chimique, une batterie à sable vise à stocker directement la chaleur.

L’idée est de construire un grand silo (comme ceux utilisés pour les céréales), de le remplir de sable et d’y ajouter une isolation. Le sable est ensuite chauffé à 400 °C. Parce que le sable possède une conductivité thermique plutôt faible ET une grande capacité thermique, il peut stocker une ENORME quantité d’énergie. Il est également très résistant, ne subissant aucun dommage même à de telles températures élevées.

Source: Polar Night Energy

Ce concept repose sur une technologie très simple, avec des tuyaux standards, des pompes à air, des résistances électriques, de l’acier et du sable de faible qualité qui ne peut pas être utilisé pour des applications comme le béton.

Le leader de cette technologie est l’entreprise finlandaise Polar Night Energy. Il s’agit d’un concept qui fonctionne particulièrement bien dans les pays nordiques disposant d’un « chauffage urbain » préexistant, où l’eau chaude pour les radiateurs est produite à un endroit centralisé pour des centaines ou des milliers d’appartements. C’est notamment le cas en Scandinavie, en Allemagne et dans la plupart de l’Europe de l’Est et des pays de l’ex‑URSS.

Comme les pertes d’énergie sont minimes, l’énergie peut être accumulée pendant les longs mois ensoleillés de l’été (qui peuvent durer 20 à 24 heures par jour en Finlande). La production photovoltaïque excédentaire peut ainsi être stockée pour garder le pays au chaud en hiver et réduire le pic saisonnier de la demande d’électricité induit par le besoin de chauffage.

Nous pourrions imaginer que d’autres itérations du concept pourraient être utilisées pour chauffer des serres, ou s’appuyer sur des systèmes solaires thermiques.

Un concept similaire de « batterie thermique » est également développé par Rondo Energy. Ces briques peuvent être chauffées jusqu’à 1500 °C. En raison de la température plus élevée, cette application pourrait être utilisable non seulement pour le chauffage urbain, mais aussi pour des applications industrielles telles que la production de ciment, la métallurgie, les produits chimiques ou l’exploitation minière.

Source: Rondo Energy

Par ailleurs, la société Stiesdal travaille également sur une batterie thermique utilisant des roches concassées. La capacité de stockage sur le réseau devrait varier entre 10 heures et 10 jours.

Enfin, le géant du ciment Holcim développe également une solution reposant sur le ciment, qui stocke la chaleur lorsqu’il est sec et la libère lorsqu’il est hydraté. Comme le cycle peut être répété indéfiniment, il devrait être peu coûteux sur une période suffisamment longue.

Cela est conçu pour stocker tout excédent de chaleur dans un environnement industriel. Peut-être pourrait-il être utilisé en complément d’une station de compression, réduisant la perte due au réchauffement de l’air lors de la compression.

Avec 300 kW d’énergie par mètre cube de densité, il pourrait stocker beaucoup de puissance avec quelques milliers de tonnes de ciment relativement bon marché et abondant. Révélé uniquement en 2022, le concept est actuellement en cours de développement.

Volants d’inertie

Une autre façon de stocker l’énergie est de la conserver sous forme de mouvement mécanique. Les volants d’inertie sont de tels dispositifs qui stockent l’énergie en faisant tourner une roue mécanique dans le vide sur un palier magnétique, à des vitesses allant de 20 000 à 50 000 tours par minute. Le système peut stocker ou restituer de l’énergie en accélérant ou en ralentissant le volant.

Le principal avantage de ces systèmes est qu’ils réagissent très rapidement, en quelques millisecondes seulement. Ainsi, ils ne se contentent pas de stocker de l’énergie, ils peuvent également aider à stabiliser la fréquence du réseau électrique, ce qui est plus difficile à réaliser sans d’énormes centrales électriques centralisées comme le charbon, le gaz ou le nucléaire.

Des entreprises comme Siemens Energy (ENR.SW ) (ENR.DE ) ont mené des projets pilotes utilisant des volants d’inertie, comme en Australie du Sud.

D’autres startups travaillent également sur ce concept, comme Stornetic, avec un système prévu pour durer au moins 20 ans et supporter 100 000 cycles charge/décharge.

Source: Stornetic

Une autre entreprise est S4 Energy, avec 60 MWh opérationnels ou en construction, et un pipeline de 1 050 MWh. La réactivité du volant d’inertie peut également aider à rendre certaines opérations plus efficaces lorsqu’il y a des pics de demande d’énergie, comme les grues du port de Rotterdam, où un volant d’inertie est utilisé pour récupérer l’énergie lorsqu’une charge est abaissée. Le volant d’inertie de l’entreprise, KINEXT, est particulièrement lourd (5 tonnes) et se déplace relativement lentement (« seulement » 1 800 tours par minute), ce qui le rend très durable, avec un faible coût d’exploitation et facile à entretenir. Le volant d’inertie ne perd que 8 % de l’énergie stockée, ce qui est légèrement meilleur même que les batteries lithium‑ion.

Bien qu’ils soient très efficaces et réactifs, l’énergie totale stockée par un volant d’inertie est inférieure à celle d’autres solutions compte tenu de leur coût, ils resteront donc probablement confinés à des applications de niche et à la stabilité de la fréquence du réseau.

Solaire thermique

Les panneaux photovoltaïques convertissent directement les rayons solaires en énergie. En comparaison, une centrale solaire thermique collecte la chaleur du soleil et la concentre pour produire de l’électricité. Comme la chaleur est plus facile à stocker avec une certaine inertie, ces stations solaires peuvent encore produire de l’énergie plusieurs heures après le coucher du soleil, précisément lorsque la consommation d’énergie atteint son pic.

Cette idée, qui a perdu en popularité face au rendement croissant des panneaux photovoltaïques, pourrait connaître un regain d’intérêt maintenant que l’intermittence des énergies renouvelables devient un problème plus important à mesure qu’elles constituent une part croissante du mix de production d’électricité.

Source: Energy.gov

Bien que prometteur, ce concept a historiquement été miné par des coûts élevés. Transporter la chaleur du collecteur au générateur s’est avéré difficile, avec production de chaleur dangereuse et d’hydrogène résiduel. Un autre design utilisant des sels fondus a souffert de fuites et de problèmes de fiabilité.

Il pose également problème pour la faune, car les oiseaux peuvent être régulièrement incinérés par les rayons solaires invisibles et très concentrés.

À l’avenir, des conceptions moins massives et donc moins perturbatrices écologiquement pourraient ramener le solaire concentré sous les projecteurs.