Stockage de l’électricité : peut-être des solutions, mais pas avant 10 ans.

Les énergies dites renouvelables ou « vertes » , plus précisément les énergies éoliennes et photovoltaïques, partagent le même inconvénient : elles sont intermittentes. Pour une société moderne comme dans la plupart des pays de l’OCDE les énergies intermittentes ne sont pas acceptables car elles n’assurent pas le bon fonctionnement de la société. En effet ces sociétés « fonctionnent » 24 heures sur 24 que ce soit la vie d’une grande ville ou la production d’acier, de verre ou de ciment. Pour assurer la disponibilité en énergie électrique 24h/24 puisque c’est ce dont il s’agit ici les énergies intermittentes ne peuvent être incluses dans ce que les théoriciens appellent le « mix » énergétique que si, et seulement si, des capacités de stockage existent. Ces capacités de stockage doivent être capables de fournir à la demande de l’énergie à haute densité (cf. note en fin de billet) afin d’éviter toute perturbation du réseau électrique existant lui-même, dans la majorité des cas, maintenu à l’équilibre par des sources d’énergie haute densité comme les usines de production, que celles-ci utilisent du charbon, des fractions lourdes de pétrole, de l’uranium ou encore du gaz naturel. Il y a donc conceptuellement un problème technique si on veut injecter dans le réseau électrique des sources d’énergie basse densité comme le sont ces énergies renouvelables.

À ce jour il n’existe pas de systèmes de stockage autre que les retenues d’eau en altitude alimentées (et reconstituées) par pompage. Les énergies basse densité peuvent être mises à profit pour pomper de l’eau en altitude quand il y a du vent et/ou du soleil. Malheureusement la configuration géographique n’est que très rarement favorable pour réunir les conditions de proximité de ces sources d’énergie intermittentes avec des sites de stockage d’eau en altitude. Il faudrait, en effet, dans le meilleur des cas, que l’énergie électrique basse densité provenant de panneaux photovoltaïques ou de moulins à vent soit acheminée par une réseau dédié aux pompes de relevage de l’eau. Dans les plaines du nord de l’Allemagne recouvertes aujourd’hui d’une immense forêt de moulins à vent où se trouvent les reliefs montagneux permettant de mettre en place des stockages d’eau en altitude ?

L’unique autre solution de stockage est la mise en place de gigantesques batteries d’accumulateurs auxquelles sont adjoints des onduleurs puissants et des transformateurs géants capables d’injecter dans le réseau électrique existant une puissance soutenue de haute densité sous une tension de 450000 volts. On est loin, très loin, d’atteindre une telle configuration pour toutes sortes de raisons techniques. L’un des goulots d’étranglement majeurs interdisant le stockage de l’électricité à l’aide de batteries d’accumulateurs tient à la rareté des matières premières pour la fabrication de tels accumulateurs. Les piles les plus performantes à l’heure actuelle sont celles dites lithium-ion or les disponibilités en lithium économiquement rentables sont limitées. S’il y a un point positif dans les recherches scientifiques financées dans le cadre du « changement climatique » ce sont bien celles relatives à la mise au point d’accumulateurs électriques plus économiques faisant appel à des matériaux bon marché pour leur fabrication à très grande échelle afin de trouver une utilisation rationnelle et si possible rentable des énergies intermittentes dites « vertes ».

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C’est une collaboration improbable entre l’Université de Technologie Chalmers à Gôteborg en Suède et l’Institut national de Chimie de Slovénie à Ljubljana qui est sur le point de mettre la dernière touche à la mise au point de nouvelles batteries économiques. L’anode de la batterie est constituée d’aluminium, le métal le plus abondant dans la croute terrestre avec le silicium, et la cathode est une nano-structure organique composée d’anthraquinone recouvrant le conducteur final constitué de graphite. Cet arrangement permet une beaucoup plus haute densité électrique que le graphite seul. Il reste à résoudre l’optimisation de l’électrolyte afin d’atteindre la même densité d’énergie que celle des batteries lithium-ion. Les travaux en cours sont très prometteurs car ils mettent à profit le fait que l’aluminium est un métal trivalent alors que le lithium est monovalent. En d’autres termes chaque ion aluminium « compense » plusieurs électrons alors que l’ion lithium n’en « compense » qu’un seul. Il est raisonnable d’espérer que de telles batteries puissent être produites industriellement au cours des années 2020.

Est-ce que ce nouveau type de batteries sera « LA » solution pour stocker les énergies électriques intermittentes ? Il faudra attendre encore une dizaine d’années pour avoir un retour d’expérience tant économique qu’industrielle.

En conclusion les bonnes « vieilles » usines de production électrique, qu’elles utilisent du charbon ou de l’uranium, ont encore de beaux jours devant elles et choisir des transitions énergétiques aberrantes comme l’Allemagne ou la France est beaucoup trop prématuré tant que ces solutions de stockage ne seront pas disponibles à très grande échelle afin de permettre de produire une énergie électrique de haute densité à partir du vent et du soleil …

Note. La « densité » énergétique est un terme impropre qui traduit la puissance disponible. Celle-ci s’écrit P = U x I où P est la puissance en Watts, U le potentiel exprimé en Volts et I L’intensité exprimée en Ampères. Plus les grandeurs physiques U et I sont élevées plus la « densité » d’énergie est élevée. Un laminoir industriel pour profiler des rails de chemin de fer par exemple nécessite une énergie de 100000 kW. L’électrolyse de l’alumine pour produire l’aluminium métal est effectuée à l’aide d’un courant continu de 4,2 volts et 350000 ampères soit 1,47 MW !

Source et illustration : Chalmers University et doi : 10.1016/j.ensm.2019.07.033

15 réflexions au sujet de « Stockage de l’électricité : peut-être des solutions, mais pas avant 10 ans. »

  1. Sientific American 1-2008 présente la solution  » gratuite » au stockage de l’électricité sous réserve que ce soit à l’échelle d’un pays .Sans les détails : stocker de l’air comprimé.Le rendement thermodynamique est de 100% ( pas de loi Carnot ) Choisir un ( des) forage abandonné mais profond (température ). Cette solution parfaite reste ignorée , pourquoi ?

    • Rendement 100% ? ah bon ? quand on comprime de l’air, on a un dégagement de chaleur qui est perdue. La compression se fait avec des compresseurs et des moteurs qui ont un rendement. Idem ensuite pour la transformation en électricité, détente de l’air, donc refroidissement, donc chauffage de l’installation pour compenser. Turbine et alternateur ont aussi un rendement non négligeable. Enfin, il faut estimer les volumes de stockage, les débits, etc. ….

      • Une compression d’un gaz(adiabatique) suivie d’une détente adiabatique a un rendement thermodynamique de 100% . Personne ne dit que les turbines de compression et détente auront un rendement de 100% . LE rendement réel final pourrait dépasser les 70%…..

      • @ claude brasseur.
        Votre intervention qui fait référence à un rendement théorique uniquement possible en laboratoire dans des conditions adiabatiques strictes laisse croire que le rendement global d’une installation de compression / détente réelle serait de 100%, ce qui est bien évidemment faux.

      • Dernier essai d’essayer de vous inciter à vous instruire .Imaginez un cylindre clos à une extrêmité .Un piston y comprime l’air .Libérez le piston , sans frottement et si le matériel est très peu conducteur le piston revient à sa place d’origine .Dans la pratique ce n’est pas le mouvement perpétuel mais cela illustre bien l’idée que j’essaye de vous faire comprendre .Le rendement , sous réserve de gigantisme, de la compression et détente sera thermodynamiquement de 100% .Ce seront les 2 turbines qui limiteront le rendement final car les autres composantes ont des rendements proches 100% .Enfin il faut que le forage soit à la température de l’air une fois comprimé. Je vous invite à me dire si vous avez compris.Et mieux que vous avez compris S A indiqué.

      • La séquestration géologique du CO2 existe déjà. C’est très cher et ça représente des risques non négligeables pour les populations selon les endroits choisis. A vue de nez, et sans faire de mauvais jeux de mots, ça sent l’usine à gaz étatique très gourmande en fonds publics pour la partie R & D. Sinon, c’est aussi un moyen pratique pour un pétrolier de siphonner un puits pour y récupérer des substances fossiles résiduelles.
        https://fr.wikipedia.org/wiki/S%C3%A9questration_g%C3%A9ologique_du_dioxyde_de_carbone

      • @claude brasseur Je comprends bien ce que vous expliquez, mais il ne s’agit que d’une petite manipulation adiabatique de laboratoire dans un temps très court. Dans une installation industrielle, la compression libérera de la chaleur qui sera bel et bien perdue ! Je vois mal cette chaleur conservée intégralement sans perte au moment de la compression et du stockage, donc pas utilisée pour la détente qui se passera des heures, des jours après.

  2. Même en supposant que la solution du stockage soit au point et industrialisable à un coût raisonnable (ça fait beaucoup d’aléas), il n’en reste pas moins que les éoliennes et les véhicules électriques demandent de grosses quantités d’électricité et de cuivre.
    A cet égard, un chercheur du CNRS (Olivier Vidal, voir vidéo YT ci-dessous) estime que pour atteindre la « neutralité carbone » de la COP21 en 2050 (zéro émissions nettes de carbone dans l’atmosphère), il faudra :
    1 – extraire plus de cuivre en une trentaine d’années que toute l’humanité en a extrait depuis qu’elle est sur Terre (compter un maximum de 20 Millions de tonnes par an);
    2 – construire beaucoup de centrales électriques non fossiles et non cuivrées (donc nucléaires) puisque la production mondiale d’électricité est de l’ordre de 70 EJ et que la demande pour un parc automobile composé uniquement de véhicules électriques nécessite environ 110 EJ mini (1 EJ = 1 ExaJoule = 10 puissance 18 Joules);
    3 – trouver des quantités énormes de terres rares que les éoliennes et autres véhicules électriques demandent pour leur fonctionnement (une éolienne de 170 m de haut consomme 300 kg de terres rares). Or ces terres rares sont sous le contrôle à 90 % de la Chine sur le plan de leur extraction et purification. Elles sont pour le moment destinées en priorité à la fabrication d’ordinateurs et d’écrans plats tactiles;
    4 – créer ex-nihilo une industrie du recyclage des éoliennes pour récupérer le cuivre et les terres rares qu’elles incorporent.
    Conclusion : les objectifs de la COP21 ne seront jamais atteints car ils se heurtent au mur de la réalité technologique et économique du moment. Un refroidissement climatique aura remis d’ici là les pendules à l’heure et on redécouvrira les bienfaits des bonnes vieilles méthodes de production d’énergie.

    On notera la conclusion de ce chercheur du CNRS qui n’ose pas dire que l’objectif COP21 est impossible à tenir et sort une formule de Normand en disant que c’est « possiblement possible »…il tient apparemment à conserver ses subventions de recherche. LOL.

  3. Si je comprends bien — et je m’en doutais bien –, la seule solution au problême du prétenduement réchauffement climatique, est d’inciter les autres pays à utiliser le plus possible le nucléaire pour avoir de l’énergie pérenne, peu chère et décarbonée. Mais celà sera de toute façon notoirement insuffisant, même en prenant pour argent comptant la responsabilité du CO2 dans ce cataclysme annoncé !
    Le rôle de la France est de ne rien faire, sinon convaincre les autres pays à faire comme nous — et encore une fois si on admet la doxa officielle –.
    Et surtout s’ADAPTER au climat — qu’il change ou non —
    Cette année, par exemple, a été jusqu’à aujourd’hui, pas plus sèche que d’habitude, ce qui n’a pas empêché plus de 80 départements français d’être en vigilance sècheresse. Donc, on s’adapte !
    Climatiquement vôtre. JEAN.

  4. @jean nivon : tout à fait d’accord, et d’ailleurs, la position du seul homme politique qui m’ait parue raisonnable sur le climat est celle de Poutine : « Le climat a toujours varié, il n’est pas sous le contrôle de l’Homme. Nous sommes dans l’obligation de nous ADAPTER ».

    Maintenant, si on oublie les théories fumeuses sur le CO2, les énergies renouvelables peuvent être utiles. Par exemple, les Etats d’Afrique qui possèdent une bonne partie du Sahara peuvent décider d’installer des panneaux photovoltaïques avec des batteries de stockage, et utiliser cette énergie pour faire fonctionner des unités de dessalement d’eau de mer ou d’eaux souterraines et irriguer de façon automatique des surfaces sur lesquelles ils vont planter des espèces capables de survivre et de croître dans ces milieux chauds. Petit-à-petit, ils pourront créer de l’humus et rajouter des espèces dont la valorisation leur permettra d’être à long-terme autosuffisants sur le plan alimentaire. Les sables du Sahara sont riches en nutriments qui via les vents atteignent la forêt amazonienne et contribuent à la fertiliser. Bonne idée pour l’après pétrole et pour améliorer la prospérité de cette partie de l’Afrique qui est dans son ensemble une bombe démographique (compte environ un milliard et deux cents millions d’individus qu’il faut nourrir d’une façon ou d’une autre).

    • Avant de produire dans le Sahara il faudrait déjà que l’Afrique produise là où les sols sont corrects et là où il y a de l’eau …. en utilisant les techniques occidentales qui ont fait leurs preuves ( engrais, génétiques, produits phytosanitaires, irrigation, serres etc….) : le potentiel de production est gigantesque et l’Afrique devrait exporter massivement des produits issus de l’agriculture . Il ne s’agit donc absolument pas de potentiel biologique mais de système économique et d’organisation de la société ( aspects culturels, civilisationnels, et légaux). Si l’Afrique était peuplée d’occidentaux ou de Japonais le potentiel ( agricole entre autre) serait utilisé bien autrement!! . Pourtant, l’Afrique bénéficie de capitaux ( centaines de milliards donnés par l’occident), d’aides en tous genres, d’accès à toutes les technologies sans avoir à payer de droits ( alors qu’il n’en sont pas les inventeurs), d’experts internationaux en tous genres etc… Ils ont eu la chance ( avec la colonisation ) de voir ce qui marche mais ils ne veulent pas copier ce qui fonctionne ( comme l’ont fait ,plus intelligemment,les Asiatiques)..
      Des millions d’hectares sont détruits par les mauvaises pratiques agronomiques ( il faut dire que la pédologie ne fait pas partie de leurs préoccupations). Des dizaines de millions d’hectares sont en jachères etc…la situation agricole de l’afrique ( excepté peut être Egypte, Kenya, Afrique du sud) est catastrophique.
      Il est possible de produire dans le Sahara mais avec un concentré de technologies innoui . L’espagne a montré ( zone d’Almeria) que l’on peut produire des millions de tonnes de légumes sans avoir besoin de sol et en dessalant l’eau de mer.Mais, il ne faut pas brûler les étapes.
      L’Afrique ne pourra se développer , à court terme,qu’en acceptant de laisser vraiment faire les  » sachants  » ( occidentaux ou asiatiques) car il n’y a aucune compétence disponible parmi les Africains en agriculture ( génétique, génie rural,chimie,agronomie, géologie, pédologie, filières industrielles, ingénieurs agronomes etc…..) et cela ne se fait pas en 20 ans ( à supposer qu’ils aient même décidé de le faire, ce qui n’est pas encore le cas). L’agriculture de grand papa, c’est fini et cela ne marche pas. Certains pays sont même dans la régression ( Zimbawe, ….) par refus de ce qui vient de l’occident ( des blancs en fait).

      • @ Prolux : Je parlais de l’utilisation potentielle des ENR et des batteries de stockage dans des applications autres que le « zéro-émissions carbone ».
        Les chinois, les saoudiens et les israéliens ont me semble-t-il été capables de faire reculer leurs déserts avec de l’eau et du génie agronomique. Les Algériens ont suffisamment d’argent pour développer ces filières. Les autres, clairement non, vous avez raison, mais ils ont des terres de bonne qualité.
        Les africains ne sont pas plus bêtes que d’autres, probablement moins travailleurs (beaucoup regrettent la colonisation française avec des chinois qui les obligent à trimer dur, week-end compris), et ils doivent parvenir à l’autosuffisance alimentaire par une agriculture rationnelle, c’est-à-dire industrielle.
        Vous avez raison, il y a pas mal d’organisations et d’experts qui mènent des programmes d’aide agronomique, dont par exemple le CIRAD en France, qui peuvent faire de l’assistance technique (encore faut-il qu’on les rémunère).
        Les africains ont-ils la motivation et la volonté politique de développer leurs productions agricoles et alimentaires ? Il faudra bien qu’ils l’aient car l’Europe ne peut pas accueillir des centaines de millions d’africains, au seul prétexte qu’ils n’ont pas envie de cultiver leurs propres terres. Ils n’ont tout simplement plus le choix. L’assistanat, ça a été utile mais c’est fini.
        Si la Chine – et maintenant la Russie- ont mis les pieds en Afrique, c’est bien qu’ils estiment que le potentiel économique de cet énorme continent est très élevé. L’Afrique fait quand même la taille combinée des USA, de la Chine, de l’Inde, du Royaume-Uni, de la France, de l’Italie, et de l’Europe de l’Est. Vous avec raison, il y a de quoi faire question sols et potentiel agronomique. Les Africains seront environ 2,5 milliards vers 2050/2060. S’ils n’arrivent pas à se développer, ils se prendront les pieds dans leur propre démographie qu’il est impossible de limiter aujourd’hui pour des raisons culturelles. Et ce sera bien évidemment un carnage.

  5. @ tous :
    Oui, le stockage « efficace et pas cher » (comme disait une pub), s’exonérant au maximum de minéraux et terre rares (y compris en améliorant le recyclage) est une donnée préalable indispensable.
    et OUI l’adaptation aux conséquences des phénomènes météo, voire des changements climatiques, quelle qu’en soient les causes
    Pour la petite histoire Pachauri (mais oui !), disait que la seule solution au problème du RCA s’écrivait en 3 mots : adaptation, adaptation, et adaptation (il oubliait la résilience)

  6. Bonjour à tous
    Je constate qu’au fil du temps, les avis très tranchés commencent à infléchir sensiblement. Une forme « d’adaptation » ici aussi en quelques sortes. Les certitudes semblent s’émousser un peu. Pour en revenir à l’adaptation, c’est certain qu’elle est nécessaire. De lire maintenant de quelle manière il faudra stocker l’électricité issue des énergies solaires et éoliennes est bien étonnante et agréable, pour moi qui m’étais fait incendier en parlant de ça !! Et même de séquestration de CO2 alors que celui ci était sans aucun impact sur les climats. C’est bien, mais il faut souligner l’ampleur de la tâche. Produire et stocker l’énergie nécessaire à l’humanité sans les fossiles n’est pas pour demain. Je pense depuis longtemps qu’il faudra en effet réfléchir à des solutions de captation des GES, au plus tôt (près de la source de combustion). Et les utiliser de manière rentable pour les transformer. Même si on n’a pas encore les technologies pour ça. Car à coup de 30 ou 40Gt de CO2 chaque année, ça va devenir très compliqué. De nombreuses startups se sont lancées dans ces recherches. Ça prendra du temps, beaucoup de temps.

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