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Les énergies renouvelables 2 — Stocker l'énergie

En prenant en compte les maintenances programmées et les défaillances subies, une centrale thermique peut fonctionner jusqu'à un peu plus de de 6 jours par semaine. Autrement dit, si elle est utilisée à son maximum, son facteur de charge atteindra 80 à 85%.1 Remplacer une source d'énergie avec un facteur de charge élevé, qui plus est pilotable, demande de concevoir un système capable de rendre les mêmes services.

production centrale à charbon

En partant de sources intermittentes telles que l'éolien ou le solaire, la solution à un tel problème passe logiquement par le stockage d’énergie.

Ce que nous savons faire de mieux aujourd’hui dans le domaine, ce sont les STEP : les « Station de Transfert d’Énergie par Pompage-Turbinage ». Dit plus simplement : des barrages réversibles. Leur principe de fonctionnement est on ne peut plus basique : le surplus d’électricité est utilisé pour pomper de l’eau vers un bassin en hauteur; pour récupérer cette énergie plus tard, il suffit alors d’ouvrir les vannes, comme sur n’importe quel barrage.

STEP

Sauf qu’ici, pas besoin qu’il y ait naturellement du courant, la seule différence de hauteur entre deux réservoirs suffit. Les emplacements potentiels sont, bien qu'inéquitablement répartis autour du globe, extrêmement nombreux.6

Un immense avantage de ce système est qu'il nécessite la construction du contenant – le barrage – mais pas du contenu qui stocke effectivement l’énergie stockée : l’eau ! Quelque part, n’attend-on pas du stockage d’énergie renouvelable qu’il soit lui-même renouvelable ?

Ce n’est pas le cas des alternatives à base de batteries. Il existe dans ce domaine un certain nombre de technologies différentes mais les plus courantes sont, de loin, les batteries Lithium-Ion. Elles équipent notamment tous nos ordinateurs, téléphones portables et autres tablettes.

batterie

En dehors de ces deux approches, nous entrons dans le domaine des technologies assez prometteuses sur le papier mais qui, aujourd'hui, restent toujours cantonnées soit à des prototypes, soit à des marchés de niche. La plus médiatisée est, de loin, l’hydrogène.

Souvent mal compris, le principe de cette technologie « Power-to-Gas » est pourtant simple : faire passer un courant électrique dans de l'eau produit des petites bulles d’hydrogène, le gaz ainsi produit est alors capturé, comprimé, puis stocké. Il peut alors être transporté dans des bonbonnes, voire à travers des gazoducs, comme c'est le cas aujourd’hui pour le gaz naturel. L'hydrogène peut ensuite être consommé dans une pile à combustible pour, à l'inverse, restituer de l'électricité en ne rejetant au passage que ... de l'eau !

Hydrogène

Maintenant que nous disposons d'options pour stocker l'énergie, voyons comment articuler cela avec nos systèmes de production intermittents.

Prenons comme référence un mois hivernal en France. Cette saison assez venteuse est propice à l'énergie éolienne, le facteur de charge peut alors monter jusqu'à 30%,2 ce qui représente l'équivalent de deux jours par semaine de production à pleine puissance. Pour couvrir non plus deux, mais six jours dans la semaine, et ainsi envisager rivaliser avec une centrale thermique, la première chose à faire est de multiplier la puissance installée par 3. Afin de rester sur un pied d'égalité, nous gardons bien sûr le droit à une journée dans la semaine dédiée à des opérations de maintenance.

Stockage

Le même raisonnement s’applique d'ailleurs aux panneaux solaires : pour compenser l'intermittence, il faut compter au minimum 5 fois plus de surface en été, et près de 18 fois plus en hiver !

Le dimensionnement du stockage dépendra lui du nombre de jours pendant lesquels nous devons tenir en cas d'interruption prolongée. Dans l’exemple ci-dessus, il faudrait pouvoir tenir deux jours. Dans la réalité, le pire scénario serait probalement deux semaines avec beaucoup de pluie et pas de vent, au beau milieu de l'hiver.

Dans tous les cas, quelle que soit la technologie utilisée, stocker puis récupérer l'énergie ne se fait pas sans pertes.

Le cas de l'hydrogène est particulièrement frappant : entre la production de gaz, la compression, le stockage et sa consommation dans une pile à combustible, ce sont les trois quarts de l’énergie qui sont perdus au passage. C’est énorme ! Les solutions Power-to-Gas demanderaient donc, pour compenser les pertes, de multiplier encore la puissance installée. Nous arrivons rapidement sur des résultats totalement hors de proportions.

Nous allons plutôt miser sur les STEP et, dans une moindre mesure, sur les batteries. Ces deux solutions occasionnent des pertes relativement similaires, de l’ordre de 15 à 30%.

Compenser les pertes, dans ce cas favorable, demanderait de tabler sur une puissance installée près de 4 fois supérieure à celle de la centrale à charbon que l’on souhaite remplacer.

système avec stockage

Au moins, ça marche. Même sans vent, même sans soleil, plus de charbon à l’horizon ! Petite contrepartie cependant : notre dispositif de stockage contribue lui-même à des émissions de CO2 supplémentaires.

Et oui ! La production de batteries est un procédé qui nécessite lui-même de l'énergie, plus ou moins propre selon le lieu de fabrication. Pour peu que cette option soit retenue, au moins en partie, il conviendra de revoir l’intensité carbone du système complet à la hausse. Le résultat sera très variable selon les combinaisons de technologies utilisées, mais se situera dans une fourchette comprise entre 50 et 250 grammes de CO2 par kWh.3

Voilà pour le stockage. Maintenant, peut-on généraliser cette approche ?

Pour les nouvelles énergies renouvelables, le changement d’échelle soulève quelques questions :
    • Si le vent et le soleil sont effectivement renouvelables à l’infini, les machines pour les capter ne le sont pas. La durée de vie des éoliennes et des panneaux solaires est estimée entre 20 et 40 ans. Pour les batteries, 10 ans avant de voir apparaître une franche dégradation des performances. De tels dispositifs sont extrêmement consommateurs de métaux et de très sérieux doutes pèsent sur la capacité qu'aurait l'industrie minière à suivre une telle envolée de la demande au niveau mondial.4
    • Il faut énormément de surface au sol pour construire un tel dispositif, que ce soit pour la production d’énergie ou pour le stockage : quel impact sur les forêts, les zones agricoles ou tout simplement les habitants ? Au Mexique, les populations impactées par un mégaprojet éolien mené par EDF se plaignent de voir leur environnement dégradé : bruit évidemment, mais aussi grave pollution de l'eau. Rien n'est formellement établi pour l'instant, et il est trop tôt pour tirer des conclusions sur la technologie en elle-même. Mais cela illustre justement le fait que nous manquons encore de recul sur les conséquences liées à la multiplication de projets d'une telle ampleur. 7
    • Il faut gérer les cas exceptionnels, que ça soit par leur intensité ou par leur durée : anticyclone durable ou au contraire vents violents, chutes de neiges etc. Pour garantir la continuité d’approvisionnement, il reste préférable de quand même garder sous le coude des sources pilotables qui puissent être mobilisées rapidement en cas de pépin...

Au niveau mondial, plus de 97% de la capacité de stockage est assurée par des STEP. 5 Atteindre une production proche du 100% renouvelable à l'échelle d'un pays passe aujourd'hui par la construction massive de nouvelles stations de pompage-turbinage ou un renforcement des capacités hydroélectriques. Dans les deux cas cela veut dire : plus de barrages.

Si la Chine investit massivement en ce sens, en Europe, une tout autre réalité se dessine. L'interconnexion du réseau européen pousse les pays les plus avancés en matière de renouvelables à se reposer, au fur et à mesure qu'ils ferment des centrales chez eux, sur les sources pilotables de leurs voisins. Ainsi, l'éolien danois tient la route, certes grâce aux centrales à charbon encore utilisées dans le pays, mais également en achetant de l'électricité produite par les barrages du voisin norvégien.

Après tout, pourquoi pas. Seulement faut-il s'assurer qu'un minimum de sources pilotables restent présentes dans le paysage énergétique. Or, dans la catégorie « pilotable bas carbone », en dehors de l'option l'option STEP / barrages, à grande échelle, il ne reste guère plus qu'une seule option : le nucléaire.