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Barrage
© Kees Streefkerk

Vers le 100% renouvelable, comment stocker l'énergie

En prenant en compte les maintenances programmées et les défaillances subies, une centrale thermique peut fonctionner 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.

Facteur de charge charbon Facteur de charge 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 « Stations 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.2

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 ! Ne devrait-on pas attendre pas du stock 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 très loin, les batteries lithium-ion. Elles équipent notamment nos ordinateurs et autres téléphones portables.

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.

La production à partir d'énergie renouvelable passe par l'électrolyse de l'eau. Faire passer un courant électrique dans de l'eau produit des petites bulles qui contiennent de l’hydrogène. Le gaz ainsi produit est capté, 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

Dans les faits, pour des raisons économiques, aujourd'hui 95% de l'hydrogène reste produit à partir d'énergies fossiles. Il existe plusieurs possibilités, mais le procédé le plus courant est le vaporeformage, qui consiste à produire de l'hydrogène à partir du méthane (CH4) contenu dans le gaz naturel. Cette réaction chimique produit des gaz particulièrement polluants, au sein desquels on retrouvera du CO2 en grandes quantités.

Hydrogène

Pour distinguer les deux types de production, on retrouve la mention d'hydrogène vert, qui vise à bien préciser que celui-ci a été produit à partir d'énergies renouvelables, et non d'énergies fossiles.

L'hydrogène vert peut servir de réactif dans des réactions chimiques permettant de produire d'autres carburants : le méthane, qui peut alors être utilisé exactement comme le gaz naturel – sans ses impacts sur le climat –, ou l'ammoniac.

En règle générale, l’intérêt principal des solutions « Power to Gas », ayant pour objet de convertir de l'électricité en gaz, est de permettre du stockage de longue durée : un surplus d’énergie solaire l’été pourrait ainsi être mis de côté pour passer l’hiver.

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

Gérer l'intermittence, un défi des plus complexes

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%,3 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 de rivaliser avec une centrale thermique, la première chose à faire est de multiplier la puissance installée par 3.

Éolien et solaire avec stockage Éolien et solaire avec 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.

En dehors des besoins de stockage sur un temps long, mieux vaut donc favoriser les STEP et, dans une moindre mesure, 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 complet avec stockage Système complet 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.4

Éolien et solaire avec stockage contre charbon

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 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. De tels dispositifs sont extrêmement consommateurs de métaux, de très sérieux doutes pèsent sur la capacité qu'aurait l'industrie minière à suivre une telle envolée de la demande au niveau mondial.5 Entre 80 et 95% des composant peuvent heureusement être recyclés, ce qui déplace le défi vers les filières qui devront être en charge du traitement de ces déchets.6
  • Construire des parcs solaires ou éoliens nécessite énormément de surface au sol : quel impact sur les forêts, les zones agricoles ou tout simplement les habitants ? Ce n'est pas tant la technologie qui pose question — elle reste, en théorie, l'une des plus vertueuse en matière environnementale — que les pratiques des promoteurs de parcs éoliens.7
  • Surtout, l'interrogation principale porte sur la nécessiter d'absorber les cas exceptionnels, que ça soit par leur intensité ou par leur durée, sans blackout. Pour garantir la continuité d’approvisionnement, il reste quand même préférable de 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 reste assurée par des STEP. 8 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 compter, au fur et à mesure qu'ils ferment des centrales chez eux, sur les sources pilotables de leurs voisins. Ainsi, si, conformément à ses objectifs, le Danemark arrive à consommer une électricité 100% renouvelable, ce sera bien grâce aux barrages norvégiens.

Créer des synergies au delà des frontières est une excellente manière de traiter le problème. Seulement, il est nécessaire de s'assurer qu'un minimum de sources pilotables restent présentes dans le paysage énergétique. Cette fois à une échelle régionale.

Or, dans la catégorie « pilotable bas carbone », si, pour une raison quelconque, l'option barrages ne convenait pas, à très grande échelle il n'y a guère qu'une seule alternative : le nucléaire.

Eoliennes Les énergies renouvelables, une alternative aux énergies fossiles ?
Cerenkov Effect Le nucléaire