Un refrain souvent répété - le soleil ne brille pas toujours, et le vent ne souffle pas toujours – est parfois considéré comme un obstacle aux énergies renouvelables. Mais c'est aussi un élan vers la découverte des meilleures façons de stocker cette énergie jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire.

La baisse des coûts des technologies disponibles a stimulé l'intérêt pour le stockage de l'énergie comme jamais auparavant. Le prix des batteries lithium-ion a baissé d'environ 80% au cours des cinq dernières années, permettant l'intégration du stockage dans les systèmes d'énergie solaire. Aujourd'hui, près de 18% de toute l'électricité produite aux États-Unis provient de sources d'énergie renouvelables, comme l'hydroélectricité et l'éolien, un chiffre qui devrait augmenter. Et alors que des communautés et des États entiers poussent vers des pourcentages plus élevés d'électricité provenant d'énergies renouvelables, il ne fait aucun doute que le stockage jouera un rôle important.

Par rapport à la même période un an plus tôt, aux États-Unis, la quantité de stockage déployée a augmenté de 93 % au troisième trimestre 2019. D'ici 2024, ce nombre devrait dépasser les 5,4 gigawatts, selon une prévision de la société d'études de marché Wood Mackenzie Power &Renewables. La valeur marchande devrait passer de 720 millions de dollars aujourd'hui à 5,1 milliards de dollars en 2024. Une telle croissance est axée sur l'ajout de sources d'énergie renouvelables au réseau national.

Ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que l'adoption généralisée des sources d'énergie renouvelables est devenue une possibilité économique, dit Paul Denholm, analyste principal en énergie au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL). Il a rejoint NREL il y a 15 ans et, à l'époque, lui et d'autres analystes étaient occupés à tracer une voie pour que 20 % de l'approvisionnement énergétique du pays provienne de sources renouvelables. Maintenant, ils visent beaucoup plus haut.

« La baisse du coût de l'éolien, du solaire et désormais des batteries permet d'envisager le 100% renouvelable, " il a dit.

L'étude sur l'avenir de l'électricité renouvelable de NREL a estimé que 120 gigawatts de stockage seraient nécessaires à travers les États-Unis continentaux d'ici 2050, quand le scénario imaginait un avenir où 80 % de l'électricité proviendrait de ressources renouvelables. Le pays dispose actuellement de 22 gigawatts de stockage à partir de l'hydroélectricité pompée, et un autre gigawatt dans les batteries.

Déploiement du stockage un must à Hawaï

Hawaii, qui doit importer la totalité de ses énergies fossiles et paie de ce fait un prix élevé pour l'électricité, expérimente l'utilisation du stockage par batterie pour atteindre ses objectifs énergétiques. L'État vise 100 % d'énergie propre d'ici 2045, utilisant à la fois des énergies renouvelables et une meilleure efficacité énergétique. La société AES, basé en Virginie, a installé le plus grand système solaire-plus-stockage au monde à l'extrémité sud de Kauai.

Des panneaux solaires capables de produire 28 mégawatts d'électricité ont été jumelés à 18, 304 modules de batterie lithium-ion. Les batteries sont chargées pendant la journée et fournissent de l'énergie tôt le matin et le soir lorsque les panneaux solaires ne produisent pas d'électricité.

Le système stocke suffisamment d'énergie pour répondre aux besoins en électricité pendant quatre heures et élimine le besoin de 3,7 millions de gallons de carburant par an, selon la coopérative de services publics de l'île de Kauai, qui alimente l'île en électricité. Kauai génère désormais environ 55% de son énergie via des systèmes photovoltaïques (PV).

Les chercheurs du NREL ont testé le bon fonctionnement de ce système de stockage photovoltaïque en installant et en évaluant une version réduite sur son campus Flatirons.

"Vous pouvez voir des simulations et vous pouvez voir des graphiques. Ce n'est rien de plus convaincant que de voir un appareil de taille utilitaire fonctionner, " a déclaré Przemek Koralewicz, chercheur principal sur le projet de test. "Cela vous donne beaucoup de confiance."

Une deuxième centrale de stockage AES PV-plus actuellement en construction sur la base navale de Kauai fournira de l'électricité aux clients selon les besoins, mais servira également de micro-réseau isolé pour l'armée en cas de coupure de courant. Lorsque la nouvelle usine sera opérationnelle l'année prochaine, environ 60% de l'électricité sur Kauai proviendra des énergies renouvelables.

"Ces deux centrales d'AES peuvent fournir la moitié de la puissance de toute l'île, " dit Koralewicz. " Pendant la nuit, ils peuvent fournir la pleine puissance, dans certains scénarios. C'est pourquoi il est important de le tester. AES ne veut pas qu'il soit instable ou qu'il ait des problèmes."

Le stockage sur batterie permet de maintenir la grille stable, permettant un équilibre instantané entre l'offre et la demande. Le stockage est également sur le point de remplacer la production d'énergie conventionnelle pendant les pics de demande, éliminant le besoin de plantes supplémentaires, mais les limitations entravent l'utilisation des batteries. Une centrale peut rester opérationnelle pendant des décennies, mais une pile doit être remplacée au bout d'une douzaine d'années environ. Les batteries souffrent également d'une capacité limitée, ce qui signifie qu'ils ne peuvent généralement stocker que suffisamment d'énergie pour fournir de l'énergie pendant quatre heures.

Le coût du stockage n'est pas facile à quantifier

Déterminer le coût du stockage reste insaisissable. Une métrique fréquemment utilisée appelée coût actualisé de l'énergie (LCOE) permet une comparaison du coût de production d'électricité par différents moyens. Mais le LCOE n'est précis que lorsque les différentes technologies fournissent les mêmes services.

Un groupe de chercheurs du NREL, dont David Feldman et Robert Margolis, développé un LCOE pour le stockage solaire plus. « Comme tous les LCOE, il a ses limites d'utilisation, " Feldman a déclaré. " L'un des défis, notamment pour le stockage, est qu'il y a tellement de cas d'utilisation différents que le coût ne signifie pas grand-chose à moins que vous ne définissiez la valeur apportée par le système."

L'utilisation du stockage peut faire économiser de l'argent à un service public en réduisant le besoin de produire de l'électricité et en évitant les coûts de transmission.

Un article rédigé par le NREL et publié l'année dernière dans Le Journal de l'électricité ont constaté que l'énergie solaire et le stockage réduisaient les coûts des services publics pour les bâtiments commerciaux dans plus de la moitié des 17 villes examinées, dans certains cas jusqu'à 24 %. Utiliser des piles pour le stockage, les propriétés ont pu compenser les tarifs d'un service public qui obligent les utilisateurs à payer plus pendant les périodes de pointe de la demande.

Centrales de pointe, alimenté au gaz naturel et allumé pour répondre aux pics de demande, se heurtent à des comparaisons de coûts avec des batteries capables de stocker quatre heures d'énergie. Pendant cette durée, la balance penche en faveur des piles. Au-delà de quatre heures, bien que, la batterie devient plus chère.

« La raison pour laquelle nous avons tant de centrales à pic est la climatisation, " a déclaré Denholm. "C'est à ce moment-là que nous utilisons le plus d'électricité. Au lieu de construire un tas de centrales électriques qui ne fonctionnent que 100 heures par an quand il fait vraiment chaud, une chose que vous pouvez faire, c'est vous pouvez stocker de l'énergie froide sous forme de glace ou quelque chose. Faire de la glace à 4 heures du matin et ensuite, quand il fait chaud en milieu d'après-midi, vous pouvez libérer cette énergie stockée à froid et refroidir votre maison ou votre bâtiment."

Les technologies englobent une large gamme

« Il y a un malentendu. Le stockage est souvent considéré comme un stockage électrochimique ou un stockage sur batterie, " dit Adarsh ​​Nagarajan, le chef de groupe pour la conception et la planification des systèmes électriques chez NREL et qui travaille beaucoup sur l'intégration des énergies renouvelables dans le réseau. "Le stockage va au-delà des batteries. C'est au-delà de l'électrochimique. C'est beaucoup plus large."

La base de données mondiale de stockage d'énergie du Department of Energy (DOE) recense près de 700 projets de stockage annoncés, opérationnel, ou en construction à travers les États-Unis qui reposent sur une myriade de technologies. En plus des piles, les méthodes de stockage incluent la glace, l'hydroélectricité pompée, Chauffer, eau glacée, et électrochimique. D'autres technologies encore sont en cours de développement.

"Il n'y a personne de gagnant, " Nagarajan a déclaré. "Tous devraient travailler ensemble afin d'atteindre un certain objectif, qui est la stabilité et la résilience du réseau et pour répondre aux besoins des clients."

Mais même avec autant de façons de stocker l'énergie déjà disponibles, des technologies nouvelles ou améliorées sont constamment proposées. Des chercheurs du NREL ont développé une technique pour injecter du gaz naturel dans des puits épuisés, breveté une méthode de stockage d'hydrogène sous pression à l'intérieur d'éoliennes spécialement conçues, et amélioré la conception des batteries lithium-ion pour les faire durer plus longtemps.

Des favoris clairs ont émergé parmi les technologies de stockage déjà utilisées. Le rapport PDF sur la technologie de stockage d'énergie et la caractérisation des coûts du DOE a calculé que parmi les technologies de batterie, les batteries lithium-ion offrent la meilleure option pour un stockage de quatre heures en termes de coût, performance, et la maturité de la technologie. Pour une durée plus longue, L'hydroélectricité par pompage et le stockage d'énergie par air comprimé sont considérés comme les meilleures options. Entre ces deux là, L'hydroélectricité par pompage est la technologie la plus mature et a représenté 98 % du stockage d'énergie mondial déployé en 2018.

L'eau la plus couramment utilisée dans le stockage

L'hydroélectricité à stockage pompé est l'épine dorsale de la capacité de stockage du pays. Historiquement, il a été utilisé pour incorporer de grandes, génération inflexible sur le système électrique. Actuellement, le stockage par pompage est utilisé pour aider à intégrer de grandes quantités d'énergie renouvelable sur le réseau, en tant que technologie habilitante qui améliore à la fois la fiabilité et réduit les coûts. L'hydroélectricité à stockage pompé repose sur deux réservoirs situés à des altitudes différentes. L'électricité produite mais pas immédiatement nécessaire est utilisée pour pomper l'eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Lorsque la puissance est nécessaire, l'eau stockée est libérée pour s'écouler en descente et alimenter une turbine.

"L'un des vrais défis auxquels fait face l'hydroélectricité est qu'il peut falloir huit à dix ans pour construire une centrale, " a déclaré Greg Stark, le responsable technique hydroélectricité du NREL ainsi que le responsable de l'intégration au réseau hydroélectrique du laboratoire. "Compte tenu de toutes les incertitudes sur les marchés de l'électricité, les gens hésitent à investir dans un projet sur 10 ans."

Pour aider à résoudre ces problèmes de délai de mise sur le marché, le DOE a institué le FAST Commissioning Challenge. Tessa Greco, Le nouveau chef de projets innovants hydrauliques de NREL, dirige le concours pour le bureau des technologies de l'énergie hydraulique du département, l'objectif étant de réduire de moitié le temps d'exécution du projet tout en réduisant les coûts et les risques associés à la mise en ligne du stockage pompé. La Federal Energy Regulatory Commission a également reconnu ces défis et a ordonné que les décisions d'autorisation pour les projets de stockage par pompage en boucle fermée soient prises dans un délai de deux ans. Jusque là, ce type de système, qui n'est pas connecté à un plan d'eau existant et réduit ainsi les préoccupations environnementales, n'a pas encore été construit aux États-Unis.

Plusieurs projets sont en cours, dont le projet Gordon Butte au Montana. Le système Gordon Butte, qui a été autorisé et devrait commencer la construction cette année, utilisera deux réservoirs artificiels et trois turbines pour fournir 400 MW de capacité et 8,5 heures de stockage. Le stockage par pompage a toujours exigé une stratégie de conception et de construction unique pour chaque nouveau projet ; cependant, le projet Gordon Butte présente un modèle réplicable, ce qui pourrait économiser de l'argent pour les développeurs potentiels.

« Le stockage pompé prend tout son sens lorsque vous avez besoin de très grandes quantités d'énergie pendant une période prolongée, " Stark a déclaré. "Cela est dû en partie au fait que le coût supplémentaire pour augmenter la durée du stockage pompé consiste simplement à construire un réservoir plus grand. C'est toujours les mêmes turbines et autres infrastructures, alors qu'avec le stockage sur batterie par exemple, si vous voulez une durée plus longue, vous devez acheter plus de batteries."

Le stockage saisonnier nécessite une étude approfondie

Le stockage d'énergie à long terme est approximativement défini comme de 10 à 100 heures. Tout ce qui dépasse est considéré comme saisonnier. Le vent souffle plus au printemps, ainsi, pouvoir capter cette énergie jusqu'à ce qu'elle puisse être utilisée en cas de besoin en été crée des opportunités de recherche. Hydrogène, l'hydroélectricité, et l'air comprimé sont les technologies les plus viables pour stocker l'énergie sur de longues périodes, selon Omar Guerra et Josh Eichman, des chercheurs du NREL étudient l'intérêt des technologies saisonnières de stockage d'énergie.

En partenariat avec Southern California Gas Company, NREL a installé un bioréacteur pour tester la technologie power-to-gas comme moyen de stocker de l'énergie renouvelable. Le projet, une première aux États-Unis, repose sur des micro-organismes qui convertissent l'hydrogène et le dioxyde de carbone en méthane. Le méthane peut être stocké dans le pipeline de l'entreprise pour une utilisation ultérieure.

Le réseau de gazoducs à travers les États-Unis s'étend sur environ 3 millions de miles et est déjà utilisé comme véhicule de stockage. "Ça fait bouger le gaz, mais c'est aussi un moyen de le stocker, " a déclaré Keith Wipke, directeur du programme Technologies des piles à combustible et de l'hydrogène du NREL.

L'hydrogène peut être ajouté au gazoduc — jusqu'à environ 10 % — ou stocké séparément. Une méthode de stockage de l'hydrogène qui a été proposée, mais qui n'a pas encore été largement adoptée, consiste à créer de l'espace dans les cavernes de sel, dit Wipke.

Le stockage du gaz naturel permet de se prémunir contre les fluctuations de prix et de répondre aux demandes saisonnières, mais le coût de l'équipement a bloqué l'adoption du stockage saisonnier de l'électricité. Le stockage de l'hydrogène reste une technologie émergente, mais à mesure que la recherche conduit à des améliorations, on s'attend à ce qu'elle soit à terme la méthode la plus rentable pour conserver et décharger au moins une semaine d'électricité, dit Guerra. L'hydroélectricité pompée et le stockage d'air comprimé d'une durée pouvant atteindre deux jours devraient être compétitifs en termes de coûts pour la production de nouvelle électricité.

« Le stockage d'énergie par pompage hydraulique et à air comprimé sont des technologies bien développées, nous ne nous attendons donc pas à une baisse significative de ces coûts d'investissement, " Dit Guerra. "Ces coûts peuvent aussi dépendre de l'emplacement. Dans certains endroits, vous aurez peut-être la possibilité de développer l'hydroélectricité pompée de manière rentable. Dans d'autres endroits, vous aurez peut-être la possibilité de stocker de l'énergie par air comprimé."

« Nous devons réduire les coûts des technologies dont nous disposons aujourd'hui, et certainement certaines nouvelles technologies qui sont meilleures et moins chères seraient bonnes, " a déclaré Wipke.

Zhiwen Ma travaille là-dessus. Le chercheur travaille au sein du groupe Systèmes thermiques du NREL et concentre ses efforts sur la concentration de l'énergie solaire, ou CSP. La technologie utilise une série de miroirs ou de lentilles pour concentrer la lumière du soleil sur une petite zone, et l'énergie captée peut être stockée dans du sel fondu. Mais les sels sont corrosifs, la recherche est donc en cours pour trouver le récipient de confinement idéal. Au lieu de sel, Ma utilise du sable pour stocker la chaleur.

Agence des Projets de Recherche Avancée du DOE-Énergie, qui finance des idées futuristes, a accordé à NREL 2,8 millions de dollars pour étudier la faisabilité du système de stockage d'énergie thermique à faible coût de Ma. Si nécessaire, le sable chauffé chauffera un fluide qui entraîne une turbine à gaz reliée à un générateur.

"Les principaux avantages par rapport au sel fondu sont le faible coût et les performances, " Ma dit. Le sable est une fraction du coût du sel mais peut être chauffé à 1, 200 degrés centigrades contre 600 degrés pour le sel de nitrate ou 800 degrés pour le sel de chlorure.

Avec autant d'options pour stocker l'énergie, les chercheurs sont déterminés à trouver les meilleures méthodes. Après tout, le soleil ne brille pas toujours, et le vent ne souffle pas toujours.