Le stockage de l'énergie, un marché à fort potentiel

Le 27 juin 2013

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Le stockage de l’énergie est un élément clé du développement des réseaux d'électricité et de la montée en puissance des énergies renouvelables. Identifié par le cabinet Mc Kinsey comme l’un des 12 domaines technologiques susceptibles de transformer l’économie, il constitue pour les entreprises un marché porteur à fort potentiel.

Afficher en taille réelle STEP, station de transfert d'énergie par pompage (ill. C. Beurtey - CEA)

Des entreprises de toutes tailles prennent leurs marques et se positionnent soit directement sur les solutions de stockage, soit sur les services de gestion de l’énergie associés au stockage, soit sur une combinaison des deux.

Ainsi, McPhy Energy innove avec une solution de stockage d’hydrogène sous forme solide exploitant les propriétés des hydrures métalliques, pour des applications industrielles ou de production d’énergie renouvelable. Dans les solutions de gestion de l’énergie, Imeon Energy propose un onduleur permettant d’optimiser dans une habitation l’exploitation d’une installation d’ENR avec notamment du stockage local. Schneider Electric, spécialiste de la gestion de l'énergie et des solutions smart grid, et Saft, spécialiste du stockage par batteries, s’associent pour développer en partenariat des solutions de stockage destinées à une clientèle industrielle et commerciale avec une première mise en oeuvre pour le compte du SDEM (Syndicat départementale d’énergies du Morbihan).

 

Pourquoi le stockage de l’énergie est-il devenu un enjeu pour les réseaux d'électricité ?

Les gestionnaires de réseaux d’énergie et principalement d’électricité sont confrontés depuis quelques années à de nouveaux défis :

  • Les réseaux doivent intégrer une part sans cesse croissante d’énergies renouvelables, notamment de l’éolien et du photovoltaïque. Or, ces énergies ont un rythme de production intermittent et indépendant de celui de la consommation.
  • Les décalages entre production et consommation génèrent une forte volatilité des prix de l’électricité sur les marchés, volatilité d’autant plus forte que la consommation s’accroit et que les pics de consommation s'intensifient (cas de la France notamment).
  • Pour absorber les pics de consommation, les gestionnaires de réseaux peuvent se doter de capacités de production additionnelles. Cependant, ces dernières, fonctionnant par intermittence, sont difficiles à rentabiliser. En outre, elles sont basées généralement sur les énergies fossiles et ont donc un impact négatif sur les émissions de CO2.

C’est dans ce contexte que doit se comprendre l'importance croissante du stockage de l’énergie pour les réseaux.

Cependant, ce n’est pas la seule solution de lissage des flux et 3 autres démarches peuvent être mise en œuvre en combinaison :

  • L’interconnexion des réseaux pour gérer un panel plus large de sources d’énergies et de débouchés.
  • L’optimisation de la demande d’énergie sur les lieux de consommation (MDE maîtise de la demande d'énergie), notamment via le smart grid et les systèmes d’effacement.
  • La mise en œuvre de moyens de productions flexibles pouvant être activés ou arrêtés à la demande

Pour une réponse efficace à l’échelle d’un réseau, le stockage doit impliquer toute la chaîne des acteurs : producteurs d’énergie, gestionnaires de réseaux, entreprises, collectivités, consommateurs.

Une politique de stockage s’envisage d’ailleurs à tous les niveaux, du stockage de masse permettant d’optimiser la gestion de la production et des réseaux jusqu’au stockage diffus sur les lieux de consommation et de production.

 

Une palette de technologies à divers stades de maturité

L’énergie peut se stocker sous de multiples formes, pour des applications stationnaires ou mobiles. Chaque solution présente des caractéristiques propres qui la rendent pertinente pour un certain usage dans un certain contexte et non pertinente dans une autre configuration. Le choix d’une technologie est un processus complexe faisant intervenir de multiples critères techniques (puissance, énergie, réactivité, autodécharge, durée de vie,…), économiques (investissement et coûts d’exploitation), réglementaires (sécurité…) et environnementaux.

Ces solutions sont à des stades de maturité différents et il existe presque toujours de nouvelles générations en préparation :

 

Stockage mécanique 

STEP (stations de transferts d’eau par pompage) Ce dispositif de stockage de masse consiste à utiliser l’électricité en excédent à un instant donné pour acheminer dans un réservoir en élévation une eau qui sera turbinée en période de forte demande pour générer de l’électricité.
Des solutions de STEP marines, stockant l’eau de mer dans un réservoir sur une falaise ou une digue, permettent de pallier la rareté des sites adaptés (un site de STEP marine à Okinawa au Japon)

CAES (Compressed air energy storage) l’énergie en excès est stockée sous forme de gaz comprimé pour être utilisée en période de pointe pour la production d’électricité. Le stockage peut se faire dans des réservoirs mais également, pour du stockage de masse, dans des cavités géologiques. Il existe pour l’instant 2 installations de ce type, en Allemagne (Huntorf) et aux Etats-Unis (Alabama).
Une évolution du système, les CAES adiabatiques (AA CAES, permettent de récupérer la chaleur dégagée lors de la compression pour la réutiliser lors de la détente du gaz.

Les volants d’inertie accumulent de l’énergie en mettant une masse en rotation sur elle-même. Ils permettent de répondre à des besoins de puissance importants sur de courtes durées, en stockage stationnaire et dans le transport sur rail.
Stockage électrochimiqueLes batteries sont déjà largement utilisées dans des applications stationnaires ou mobiles. Les batteries sodium-souffre rencontrent un succès grandissant. A plus long terme, les batteries métal-air (zinc-air et lithium-air) actuellement en développement semblent prometteuses.
Les batteries à circulation (notamment Red-OX), fonctionnent sur la circulation d’électrolytes liquides et offrent l’avantage de pouvoir gérer indépendamment puissance et énergie.
Stockage chimique L’énergie excédentaire permet de produire par électrolyse de l’hydrogène qui peut être stocké et utilisé comme tel (plateforme Myrte en Corse qui combine électrolyseur, stockage et pile à combustible) ou converti en méthane avant utilisation dans les réseaux gaziers (c’est le principe exploité dans les projets Power-to-gas en Allemagne ou Volt-gaz-Volt en France)
Stockage thermiqueL’énergie est stockée sous forme de chaleur ou froid dans des processus industriels, dans le tertiaire et dans le résidentiel (ballons d’eau chaude sanitaire alimentés sur le tarif heures creuses)
Stockage électrostatique ou electromagnétique Les condensateurs et super condensateurs stockent l’énergie sous forme électronique ou magnétique, avec des temps de réponse très courts et dans le cas des inductances supra-conductrices (SMES, superconductor magnetic energy storage) une absence d’autodécharge.
Stockage d’utilitéLe stockage d’utilité consiste à créer des stocks de certains produits intermédiaires dans un processus industriel en fonction de la disponibilité et du coût de l’énergie.

 

Maturité des solutions de stockage d'électricité - ENEA Consulting

Niveau de maturité technologique des différents moyens de stockage d'électricité - (source ENEA Consulting - Le stockage d'énergie - mars 2012)

 

Jusqu’à présent, l’activité de stockage s’est concentrée sur les dispositifs suivants :

  • Les STEP : ils représentent 99% des capacités actuelles de stockage au niveau mondial (140 GW contre 0,5 GW pour les batteries).
  • Les systèmes de continuité d’alimentation (UPS, Uninterruptible Power Systems) qui permettent de sécuriser l’alimentation électrique dans l’industrie. Ils font intervenir des batteries, des super-condensateurs, des volants d’inertie, des gaz comprimés.

L’ensemble des technologies devraient faire l’objet d’investissement importants dans les prochaines années avec une concentration sur les STEP, les CAES, les batteries sodium-souffre et lithium-ion et les batteries à circulation.

 

Des marchés aux potentiels différents selon les zones géographiques

Le marché mondial actuel du stockage sur les 2 activités « traditionnelles » de STEP et de continuité d’alimentation représente pour chaque activité 5 à 6 milliards d’euros. Ces activités sont en forte croissance et la tendance devrait se poursuivre.

Le marché global du stockage est évalué pour la prochaine décennie entre 70 à 100 milliards d’euros (1). Pour les seuls réseaux électriques, les investissements cumulés mondiaux en capacités de stockage entre 2011 et 2022 sont évalués à 98 milliards d’euros (2).

 

Une croissance attendue variable selon les zones géographiques

D’une zone géographique à l’autre, besoins et politiques de stockage diffèrent d’où des dynamiques commerciales différentes. Des réseaux électriques fragiles ou peu interconnectés ou une situation d’insularité sont des facteurs de développement du stockage :

 

L’Europe

Forte d’un réseau de qualité, elle privilégie l’interconnexion et tarde à structurer le marché du stockage. Ainsi, les législations ne disent rien de la propriété de l’électricité stockée ni de ses tarifs qui restent calés sur ceux des flux. En l’absence de perspectives claires, les modèles économiques se font attendre et avec eux l’investissement, notamment en recherche.

Cependant, des démarches nationales ont été entreprises, comme en Allemagne, le pays le plus avancé en Europe, dans le domaine du stockage et des piles à combustibles (financements, adaptation de la régulation, expérimentations,…) ou comme en France avec la loi NOME (Nouvelle organisation du marché de l’électricité, 2010). Cette dernière prévoit que les fournisseurs d'électricité doivent disposer de garanties de capacités d'effacement de consommation et de production d'électricité à hauteur de la consommation de pointe de leurs clients. Un marché de capacité devrait en outre être créé d’ici 2017. L’activité de stockage devrait pouvoir valoriser ses capacités sur ce marché selon un modèle qui reste à définir.

Les Etats-Unis

Les Etats-Unis voient dans le stockage un levier de relance par la création d’activités émergentes et un outil de gestion des réseaux de transport et de distribution d’électricité, un point important dans un pays connu pour les faiblesses chroniques de ces infrastructures. Des financements publics soutiennent des expérimentations et une législation favorable aux investissements a été mise en place, comme en Californie avec l’Energy Storage Bill AB2514 qui donne aux électriciens des objectifs de capacités de stockage.

La Chine

Elle est également très active avec notamment en projet la plus grande station de stockage d’énergie au monde (State Grid Project ) qui combinera production d’énergie solaire et éolienne et capacités de stockage dans des batteries fer-phosphate.

 

4 nouveaux marchés d'application

 

De  nouveaux domaines d'application devraient émerger dans les prochaines années (3)

  • L’effacement et le décalage d’appel de puissance dans l’industrie via du stockage thermique ou chimique
  • La production d’hydrogène ou de méthane pour injection dans les réseaux de gaz (programme allemand Power to Gaz )
  • Le stockage d’électricité dans le résidentiel, à l’échelle de quartiers ou de logements
  • Le stockage d’électricité via les batteries des véhicules électriques (systèmes V2G - vehicule to grid)

 

Une des clés du développement de solutions de stockage réside dans la combinaison de services, le cumul des valeurs apportées aux bénéficiaires permettant d’atteindre plus aisément la viabilité économique. Ainsi, c’est à partir d’une analyse du besoin qu’on construira une offre de services en associant les technologies de stockage les plus pertinentes, en combinaison, éventuellement, avec d’autres solutions comme l’effacement de la demande.

Il convient de rester vigilant sur l’évolution des réglementations et des incitations publiques qui, la plupart du temps, sont des éléments déterminants de la viabilité des projets et de la croissance du marché.

 

(1) sources AIE et Pike Research, citées par www.ernergiesactu.fr
(2) source Pike Résearch citée par Pétrole gaz énergies décarbonnées – Rapport sur l’industrie 2011 - Direction générale de l’énergie et du climat
(3) source Direction générale de l'énergie et du climat 

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