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5 avantages majeurs du nouveau stockage d'énergie longue durée (LDES)

Le secteur énergétique mondial se trouve actuellement à un stade critique de transition énergétique, des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables. Cependant, la part croissante des énergies renouvelables dans le système énergétique pose de nouveaux défis. Le caractère aléatoire, l'intermittence et la volatilité de la production d'énergie éolienne et solaire exercent une pression structurelle considérable sur les systèmes électriques existants.

L'intégration massive des énergies éolienne et solaire pourrait entraîner de fréquents excédents et déficits d'électricité. Si la proportion de nouvelles installations énergétiques continue d'augmenter, des périodes de déséquilibre électrique pourraient durer plusieurs jours, voire plusieurs semaines. De plus, dans le contexte du réchauffement climatique, les phénomènes météorologiques extrêmes pourraient accroître la fréquence des fluctuations de puissance.

En résumé, dans cette course à la transition énergétique, le secteur électrique sera confronté à trois défis principaux :

1. Déséquilibre entre l’offre et la demande d’électricité : les situations d’excédent et de pénurie d’électricité se produiront plus fréquemment sur une période plus longue.
2. Changement du modèle de transmission et de distribution d’énergie : La transition d’une transmission et d’une distribution d’énergie traditionnelles vers un modèle interactif distribué source-réseau-charge entraînera des augmentations de coûts importantes pour les mises à niveau du réseau.
3. Perte d’inertie mécanique du système et de réserve tournante : La plupart des sources d’énergie renouvelables ne possèdent pas l’inertie mécanique des générateurs traditionnels, ce qui réduit la capacité globale de régulation de la fréquence du réseau et réduit encore davantage la stabilité du réseau.
4. La nouvelle technologie de stockage d’énergie de longue durée (LDES) est essentielle pour résoudre les défis de l’intégration des nouvelles énergies.

LDES : la clé pour résoudre les défis des énergies renouvelables

Comme batterie lithium-ion Le stockage est largement déployé dans le secteur de l'énergie, mais ses inconvénients, principalement ses problèmes de sécurité et sa faible rentabilité pour les applications de stockage de longue durée (> 4 h), apparaissent progressivement.

Le nouveau système d'énergie solaire à faible densité (SED) peut améliorer la flexibilité des réseaux électriques en stockant et en restituant l'énergie sur une période plus longue (> 4 h, sur plusieurs jours, semaines, saisons). Ses principaux scénarios d'application concernent quatre domaines :

1. Stockage intra-journalier : Le stockage longue durée de 4 à 12 heures permet de remédier au déséquilibre entre l'offre et la demande d'électricité au cours de la journée.
2. Stockage inter-jours, inter-semaines : Gère principalement les anomalies météorologiques à court terme (manque d'ensoleillement, pénurie d'eau, etc.), entraînant des déséquilibres électriques à moyen et long terme.
3. Application intersaisonnière : elle résout la demande énergétique de pointe hivernale et les incertitudes à long terme du système électrique causées par le changement climatique.
4. Réponse aux événements météorologiques extrêmes.
5. Le nouveau LDES peut être réalisé par différentes voies technologiques.

Le LDES peut être réalisé à l'aide de diverses technologies

Les scénarios d'application mentionnés ci-dessus nécessitent que le nouveau LDES réponde aux exigences techniques du stockage intra-journalier, inter-journalier, inter-semaine et inter-saisonnier, tout en étant plus compétitif en termes d'économie, de sécurité et d'échelle de capacité.

Cela exige que le nouveau LDES puisse évoluer de manière flexible pour maintenir l'alimentation électrique pendant plusieurs heures, jours, voire semaines, réduisant ainsi l'utilisation de métaux rares (comme le nickel, le cobalt et le manganèse nécessaires aux batteries lithium-ion), compensant ainsi les inconvénients des systèmes de batteries lithium-ion pour le stockage longue durée. Le nouveau LDES peut être réalisé par divers moyens, tels que le stockage mécanique, thermique, électrochimique et chimique.

1. Stockage mécanique : La technologie de stockage mécanique la plus mature est le stockage par pompage-turbinage, qui représente 951 TP3T de la capacité totale de stockage mondiale. Cependant, elle présente certaines exigences quant au choix du site d'implantation. De nouvelles installations de stockage par pompage-turbinage, telles que les pompes à eau géomécaniques, peuvent réduire sa dépendance aux conditions géographiques. Parmi les autres solutions de stockage mécanique, on trouve le stockage par air comprimé, le stockage gravitationnel et le stockage par air liquide. Le stockage par air comprimé englobe également le stockage thermique, qui stocke la chaleur générée lors du processus de compression pour la réutiliser dans le cycle de décharge ; le stockage gravitationnel en est aux premiers stades de commercialisation.
2. Stockage thermique : La technologie de stockage thermique permet de libérer simultanément de l'électricité et de la chaleur. Les différentes technologies peuvent être divisées en plusieurs catégories : modification de la température du milieu, modification de l'état du matériau du milieu, réaction thermochimique, etc. Ces technologies utilisent des matériaux tels que le sel fondu, le béton, les alliages d'aluminium ou la roche pour stocker la chaleur dans un conteneur isolé. La technologie la plus couramment utilisée combine le sel fondu et les installations d'énergie solaire concentrée (ESC).
3. Stockage chimique : cela comprend le stockage d’hydrogène et le stockage de gaz naturel.
4. Stockage électrochimique : En termes de stockage longue durée basé sur des réactions électrochimiques, les batteries à flux constituent une technologie relativement mature. Elles stockent l'énergie électrique dans un solvant chimique, dans un réservoir externe, et la charge et la décharge s'effectuent via une membrane échangeuse d'ions.

Les nouvelles batteries à flux métal-air utilisent principalement des ressources abondantes et peu coûteuses comme le métal, l'air et l'eau. Elles sont évolutives et leurs coûts d'installation sont réduits. Les batteries à flux hybrides sont dotées d'un électrolyte liquide et d'une anode métallique, combinant ainsi les caractéristiques des batteries à flux traditionnelles et des batteries métalliques.

Le LDES présente 5 avantages clés par rapport aux autres formes de stockage d'énergie

La part croissante de la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables entraînera un besoin de stockage pour des durées de 8 à 12 heures, voire plus. Cela constitue un marché important pour les nouveaux systèmes de stockage d'énergie de longue durée (SEDLD). Comparée aux batteries au lithium, la nouvelle technologie SEDLD présente les cinq avantages suivants :

1. Coût marginal inférieur lors du stockage de grandes quantités d’énergie électrique.
2. L’énergie et la puissance sont découplées, ce qui permet une conception et un fonctionnement plus flexibles du système.
3. Conception modulaire et évolutive, avec moins d'exigences de site et une sécurité renforcée.
4. La technologie ne dépend pas d’éléments rares, ce qui se traduit par des coûts économiques plus faibles et des avantages liés aux effets à l’échelle industrielle.
5. Cycle de construction plus court par rapport à la modernisation et à l’extension des réseaux de transmission et de distribution, permettant une mise en œuvre et une intégration plus rapides dans le réseau électrique.

Face à des scénarios d'application complexes du côté de la transmission, du côté du réseau et du côté de l'utilisateur, les scénarios d'application du nouveau stockage d'énergie de longue durée (LDES) peuvent être principalement divisés dans les cinq domaines suivants :

1. Stockage d'énergie et capacité de secours pour optimiser le réseau de transport et de distribution. Cet avantage permet de réduire le gaspillage et de maximiser l'utilisation de l'énergie produite.
2. Optimiser l'approvisionnement en énergie électrique dans les zones reculées et améliorer l'instabilité du réseau électrique pourrait considérablement améliorer la fiabilité de l'alimentation électrique dans les zones traditionnellement confrontées à des difficultés d'approvisionnement.
3. Soutenir la stabilité et la sécurité des installations hors réseau/microréseaux, comme les systèmes électriques isolés. Cela pourrait s'avérer crucial pour les zones reculées ou isolées où le raccordement au réseau conventionnel est impossible.
4. Participer au marché spot de l’électricité et gérer la qualité de l’électricité : cela aide les entreprises à réduire leurs coûts d’électricité, à se protéger contre les fluctuations de prix de l’électricité et du carburant et à réaliser des opérations respectueuses de l’environnement.
5. Participer aux services auxiliaires du réseau pour améliorer la stabilité du réseau : Certains systèmes LDES ont une inertie rotative et peuvent participer à la régulation de fréquence et à d'autres services auxiliaires.

Le stockage d'énergie de longue durée (LDES) devrait connaître une croissance à grande échelle

Bien que certaines nouvelles technologies LDES en soient encore à leurs débuts, dans un contexte de transition énergétique accélérée, le Conseil international du stockage d'énergie de longue durée (LDES Council) et McKinsey prévoient que les LDES commenceront à voir des installations à grande échelle dans le monde entier à partir de 2025. La capacité installée accumulée devrait atteindre 30 à 40 GW (capacité totale de 1 TWh), soit 6 à 8 fois la capacité publique actuelle, avec 951 TP3T d'installations distribuées.

D'ici 2030, avec un taux de pénétration des énergies renouvelables qui devrait atteindre 60%-70%, la capacité installée cumulée des LDES devrait atteindre 150-400 GW (capacité totale de 5-10 TWh).

D'ici 2040, la capacité installée mondiale de stockage d'énergie à faible teneur en carbone devrait atteindre 1,5 à 2,5 TW (capacité totale de 85 à 140 TWh), soit environ 8 à 15 fois la capacité de stockage totale actuelle. Cela permettrait de réduire les émissions de carbone de 1,5 à 2,3 milliards de tonnes par an, soit environ 101 à 151 TWh des émissions actuelles du secteur de l'électricité.

L'énergie stockée représentera 10% de la production mondiale d'électricité, avec un marché dépassant mille milliards de dollars américains. Cela signifie également que d'ici 2040, les investissements cumulés dans les systèmes de stockage d'énergie à faible teneur en carbone atteindront entre 1,5 et 3 milliards de dollars américains. En 2021, les investissements cumulés dans les principales entreprises de systèmes de stockage d'énergie à faible teneur en carbone ont atteint 2,5 milliards de dollars américains, soit près du double au cours des quatre dernières années.

Globalement, l'augmentation de la part des énergies renouvelables favorisera grandement la capacité d'installation et le développement du marché des systèmes d'énergie à faible consommation d'énergie. Le fait que les énergies renouvelables représentent entre 601 et 701 TPH de part de marché dans le système électrique pourrait constituer une étape clé pour le développement des systèmes d'énergie à faible consommation d'énergie.

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