Compte tenu de l’épuisement des ressources fossiles et du réchauffement climatique, l’utilisation de ressources énergétiques renouvelables telles que les éoliennes, le photovoltaïque, la biomasse, l’hydroélectricité et la géothermie semble être l’alternative la plus prometteuse aux énergies fossiles à court et moyen termes en fournissant une électricité plus propre et efficiente. En France, 13,6 % de l’énergie produite provient des sources d’énergie renouvelable citées ci-dessus, dont l’hydraulique représente la plus grande part, soit environ 9,8 %. Par comparaison, à l’échelle mondiale, 11,4 % de l’énergie provient de sources d’énergie renouvelable, mais la production d’énergie reste dominée par les ressources fossiles, environ 84 %. C’est pourquoi il est vital de « décarboner » notre système de production d’énergie actuel à travers l’intégration de sources d’énergie à faible émission de carbone.
Le problème de l’intermittence des renouvelables
L’inconvénient principal des sources d’énergie renouvelables de type éolien et photovoltaïque est leur dépendance aux conditions météorologiques, qui conduit à une discontinuité de la production d’énergie. Cette discontinuité de la production compromet leur intégration au réseau électrique pour pouvoir répondre en temps réel aux besoins énergétiques.
Dans ce contexte, pour faire face aux phénomènes intermittents de ces sources d’énergie, le stockage de l’énergie tient un rôle primordial. En effet, il permet de stocker le surplus d’énergie en périodes de faible demande d’énergie et de les restituer en cas de fortes demandes d’énergie, afin de compenser le manque de production de ces sources d’énergie renouvelable.
Malheureusement, il faut souligner que l’électricité est difficile à stocker en grande quantité sous sa forme propre (sous forme d’électricité) : il faut la convertir sous une autre forme (énergie chimique ou mécanique par exemple) pour permettre son stockage.
Quelles technologies pour stocker l’électricité?
À l’heure actuelle, différents systèmes existent pour le stockage de l’électricité : stockage « gravitaire » de masse d’eau, où l’on pompe l’eau vers le haut du barrage quand l’électricité est en surplus et on récupère l’énergie ainsi stockée en faisant tourner des turbines ; stockage « thermodynamique » avec les systèmes de stockage par air comprimé, où l’on comprime de l’air quand l’électricité est en surplus et on récupère l’énergie stockée en faisant tourner des turbines ; stockage d’énergie cinétique avec les « volants d’inertie », qui tournent sans perte d’énergie ou presque pendant le stockage ; et stockage « électrochimique » avec les batteries, dont il existe plusieurs types (sodium-soufre, lithium-ion, sodium-ion, graphène), ou avec les électrolyseurs, où l’électricité est stockée sous forme d’hydrogène.
Partant de ces exemples, les stockages gravitaires et thermodynamiques sont des systèmes de stockage matures et largement déployés ayant la capacité de stocker de grandes quantités d’énergie, supérieures à 1 000 mégawatts-heures.
En comparaison, le stockage d’énergie cinétique avec les volants d’inertie et le stockage électrochimique via les batteries (lithium-ion, sodium-soufre) s’adressent en particulier à l’électronique portable, les transports, mais également aux sources d’énergie renouvelables, comme le photovoltaïque. Des installations massives de batteries pour stocker l’électricité produite par des fermes éoliennes ou solaires ont déjà été déployées et représentent des capacités de stockage de l’ordre du mégawatt.
Les autres technologies de batteries telles que les batteries sodium-ion et graphène sont toujours en phase de développement et permettront de répondre à certaines problématiques actuelles – notamment l’optimisation du temps de charge et de la capacité de stockage, ainsi que l’utilisation de matériaux alternatifs pour éviter les matériaux toxiques comme le plomb et les matériaux dangereux et néfastes pour l’environnement comme le lithium.
Stockage de l’électricité sous forme d’hydrogène
Le stockage chimique sous forme d’hydrogène se présente comme une solution attractive et prometteuse pour le stockage de l’énergie à grande échelle d’une part, et pour les véhicules électriques d’autre part. En effet, comparée aux technologies actuelles de stockage électrique comme les batteries, l’hydrogène présente une densité énergétique massique très élevée : environ 120 mégajoules par kilogramme.
L’essence ou le diesel sont d’autres méthodes de stockage « chimique » de l’énergie qui possèdent une forte densité énergétique massique, mais leur combustion dégage des gaz à effet de serre tandis que la combustion de l’hydrogène ne rejette que de l’eau. Toutefois, l’hydrogène est un gaz léger, caractérisé par une faible densité énergétique volumique (environ 10,8 mégajoules par mètre cube), qui le rend moins favorable à son stockage et son transport. Pour pallier ce problème, l’hydrogène peut être comprimé sous forme gazeuse pressurisée (environ 700 bars), sous forme liquide (à une température de – 253 °C) ou bien sous forme solide à basse pression (grâce à l’utilisation de matériaux pouvant adsorber l’hydrogène) comme les hydrures métalliques.
L’hydrogène peut être produit via l’électrolyse de l’eau, consistant à utiliser l’électricité (idéalement, produite par les sources d’énergie renouvelables) pour séparer l’eau pure (H2O) en hydrogène (H2) et oxygène (O2).
Vue d’ensemble des applications basées sur l’électrolyse de l’eau alimentée par des sources d’énergie renouvelables. Damien Guilbert, Author provided
Actuellement, le stockage de l’électricité sous forme hydrogène est en pleine phase de démonstration et d’expérimentation avec de nombreuses plates-formes expérimentales en Allemagne, au Canada, au Danemark, en France, en Norvège, en Thaïlande et en Nouvelle-Zélande. Différentes applications sont envisagées.
Parmi elles, le stockage de l’électricité en hydrogène permet de contribuer à la décarbonation de certains secteurs responsables du réchauffement climatique comme le transport aérien, maritime, et terrestre.
Des véhicules personnels électriques (Kangoo ZE Hydrogen, Toyota Mirai, Hyundai Nexo, et Honda Clarity) et des trains (Coradia iLint d’Alstom circulant en Allemagne) fonctionnant à l’hydrogène sont déjà déployés. Dans ce type de véhicule, des réservoirs d’hydrogène sont embarqués afin d’alimenter une pile à combustible, permettant de transformer l’hydrogène en électricité. Pour optimiser la durée de vie de la pile à combustible et étendre l’autonomie du véhicule, des batteries électriques sont également présentes (fréquemment lithium-ion). Des recherches sont en cours pour alimenter aussi les navires et les avionsen hydrogène.
Une autre application du stockage de l’hydrogène est le concept de « conversion d’électricité en gaz » consiste à convertir le surplus d’électricité renouvelable en hydrogène puis l’hydrogène en gaz naturel « vert ». On utilise pour cela le processus de méthanation. Le gaz naturel peut ensuite être injecté dans des pipelines et installations souterraines existantes de gaz naturel, et être utilisé suivant les besoins. Toutefois, l’utilisation de dioxyde de carbone dans le processus de méthanation pose des problèmes en termes de décarbonation : il reste crucial de capter et de valoriser les émissions de dioxyde de carbone issues de l’industrie pour rendre ce processus plus respectueux de l’environnement.
De plus, mais on sort du stockage de l’électricité pour entrer dans le monde de la production industrielle, l’hydrogène peut être utilisé dans différents procédés industriels tels que la chimie (synthèse d’ammoniac, production de méthanol), la métallurgie (travail des métaux, aciers au carbone) et l’électronique (fabrication de semi-conducteurs).
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons Lire l’article original sur The Conversation.
Damien Guilbert Maître de Conférences en génie électrique, Université de Lorraine
