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