Stockage d’énergie : une solution dont l’intérêt augmente pour les systèmes électriques

26/08/2017
Auteurs : Bernard Delpech
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-3:19553
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Résumé

Stockage d’énergie : une solution dont l’intérêt augmente pour les systèmes électriques

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	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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REE N°3/2013 63 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Bernard Delpech Président d’EASE (European Association for Storage of Energy) Directeur délégué d’EDF R&D Le stockage d’énergie dans les systèmes électriques Chacun sait que le coût de production de l’électri- cité est éminemment variable et que, de tout temps les électriciens ont souhaité stocker l’électricité quand celle-ci est bon marché et abondante, pour la res- tituer quand elle est chère et rare. Le problème est que l’électricité ne se stocke pas. Pour obtenir un ef- fet « similaire » il faut transformer l’énergie électrique en d’autres formes d’énergies qui elles peuvent se stocker (gravitaire, mécanique, chimique), puis, soit retransformer cette énergie en électricité ou la réuti- liser telle quelle. C’est pourquoi on parle de stockage d’énergies dans les systèmes électriques et non pas de stockage d’électricité. Ce mode opératoire est utilisé depuis longtemps, comme en témoigne le volume important de sta- tions de transfert d’énergie par pompage hydraulique (STEP) dans le monde (140 GW). Cette technique consiste, lorsque l’on dispose d’un dénivelé impor- tant, à pomper l’eau d’un réservoir aval pour la re- monter dans un réservoir amont quand l’électricité est bon marché et à turbiner l’eau ainsi stockée quand l’électricité est chère (figure 1). On utilise également la chaleur comme moyen de stockage, comme en témoigne le développement très important des chauffe-eau à accumulation en France pour la production d’eau chaude sanitaire. Le principe est de chauffer de l’eau la nuit quand l’électricité est la moins chère, de stocker cette chaleur dans des bal- lons thermiquement isolés, puis de soutirer cette eau chaude durant la journée en fonction des besoins. Pour compléter ce panorama, on citera la chimie ou plutôt l’électrochimie à travers les batteries. Ces Stockage d’énergie : une solution dont l’intérêt augmente pour les systèmes électriques Storage of energy has been existing for a long time in electrical systems: the large amount of hydro pumping plants proves it. But the very fast development of wind and solar plants in Europe, because of the intermittency of this generation, reinforces the interest for energy storage. This interest is motivated by the need to ensure the balance between offer and demand of electricity but also to solve some dynamic problems generated by a large share of renewables in the energy mix. On the other hand, technologies of storage are numerous some of them being mature, others at the R&D levels. But all those technologies have a common point they are improving their performance and cost, so they are going to be more and more present in electrical systems. They will contribute to provide more decarbonated and less expensive electricity. In order to achieve this goal, we need to invest in R&D and to define and implement fair market design in order to reveal the real value created by energy storage. For Europe it is also an opportunity to create jobs in a growing industry. Figure 1 : Schéma de principe d’une station de transfert d’énergie par pompage hydraulique. Source : Enea. ABSTRACT 64 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ dernières étaient jusqu’à un avenir récent assez peu utilisées dans les systèmes électriques et leur application dans ces systèmes relevait plus de l’alimentation de secours d’équi- pements spécifiques (dans les postes de transformation, ou dans les centrales). La figure 2 synthétise la place des différents moyens de stockage actuellement en service au niveau mondial dans les systèmes électriques. Ainsi il apparaît que le stockage d’énergie n’est pas une nouveauté pour les systèmes électriques, et que celui-ci est aujourd’hui principalement assuré par des stations de trans- fert d’énergie par pompage. Alors pourquoi aujourd’hui un tel regain d’intérêt pour le stockage d’énergie ? Les évolutions qui redonnent de la vigueur au concept de stockage d’énergie Le développement des EnR intermittentes dans les mix énergétiques C’est effectivement la première chose à laquelle on pense. Dans la mesure où l’énergie produite par les cen- trales éoliennes ou solaires est liée à la présence de vent ou de soleil et que cette production n’est pas toujours corrélée à la demande d’électricité, le stockage apparaît comme une solution pour assurer l’équilibre offre/demande. En fait, ce raisonnement ne s’applique que dans des sys- tèmes électriques isolés – comme les îles, en opposition aux systèmes interconnectés – où la production proviendrait à 100 % d’énergies renouvelables (EnR). Pour les systèmes interconnectés, même si le taux de pénétration EnR peut être très significatif, les problématiques sont plus complexes et la question doit être abordée en termes de coûts relatifs. Par exemple pour les systèmes électriques, où les cen- trales à gaz et à charbon assuraient la très grande majorité de la production, la variabilité des coûts et des prix était as- sez faible (cas de l’Allemagne). L’introduction significative de production éolienne et de photovoltaïque modifie cette situation et la variabilité des prix devient plus marquée. On constate même des épisodes de prix négatifs lors d’épisodes de « grands vent » et de faible consommation en Allemagne. Cette volatilité des prix dans des pays autrefois stables, suscite un renouveau d’intérêt pour le stockage d’énergie dont la valeur économique repose essentiellement sur les écarts de coûts. Il convient de noter que le système électrique français connaît depuis longtemps une grande variabilité de ses coûts du fait du nucléaire (centrale à coût proportionnel faible) et de la thermo-sensibilité de la consommation (forte demande les jours froids). En conséquence, le système français a for- tement investi dans le stockage hydraulique (5 GW de STEP, un des montant les plus élevés en Europe) et le stockage de chaleur (12 millions de ballons d’eau chaude). Cet état de fait pousse les industriels à développer de nouvelles solutions de stockage d’énergie (les STEP néces- sitent un fort relief, ce qui interdit leur usage dans beaucoup de régions, par exemple dans le nord de l’Allemagne). Même si nous reviendrons sur ce sujet par la suite, on peut citer les travaux sur le “Power to gas”, solution qui consiste à faire de l’hydrogène par électrolyse quand l’électricité est abondante et à stocker cet hydrogène pour l’utiliser par la suite. On peut également citer les travaux sur l’air comprimé et le stockage de chaleur. Les énergies renouvelables intermittentes ne posent pas seulement des questions d’équilibre en énergie mais aussi des problèmes dynamiques de suivi de charge et de parti- cipation au contrôle de la fréquence par la constitution de réserves (réserves dont le but est de fournir très rapidement de la puissance en cas, par exemple, de défaillance d’un groupe de production). La courbe de production demandée aux groupes ther- miques conventionnels et hydrauliques, correspond à la dif- férence entre la consommation et la production fatale des EnR intermittentes. Ceci compte tenu du caractère très va- riable de l’éolien et du solaire qui peuvent conduire à des va- riations de charges que les groupes thermiques ne peuvent pas suivre. Dans ce cas disposer d’une capacité de stockage de puissance (c’est-à-dire peu d’énergie mais délivrée sous forte puissance) permet d’apporter une solution. Aujourd’hui certains groupes thermiques ne fonctionnent pas à puissance maximale pour disposer de la « bande de Figure 2 : Capacité de stockage dans le monde à fin 2010. Source EDF R&D. REE N°3/2013 65 Stockage d’énergie : une solution dont l’intérêt augmente pour les systèmes électriques réglage » nécessaire pour faire face aux aléas du court terme (perte d’un groupe de production…). Dans un système avec un fort taux de pénétration des EnR, il est indispensable que les centrales EnR puissent assurer le même service. Celui-ci peut être rendu là aussi par du stockage de puissance. Certaines technologies de stockage répondent à cette problématique : volants d’inertie, super-capacités, batteries. Contrairement aux centrales classiques, les moyens de production fondés sur les énergies renouvelables sont sou- vent situées soit près de la ressource, par exemple en mer pour l’éolien off-shore, soit au plus près de la consommation, comme sur le toit des bâtiments pour le solaire. Dans le premier cas si le volume de production est im- portant, il faut renforcer ou développer le réseau THT. Ces investissements réseau génèrent des délais de construction importants, du fait des autorisations à obtenir. Leur délai de mise en œuvre est en général plus important que celui relatif à la construction des parcs éoliens par exemple. Dans ce cas, le stockage peut être une solution alternative « provisoire » pour évacuer l’énergie produite. Concernant le PV, une surabondance de production so- laire sur des réseaux de distribution pose des problèmes de contrôle de la tension (avec les conséquences en termes de sécurité que l’on sait). Là aussi le stockage peut être une solution alternative au renforcement du réseau. Le type de stockage nécessaire pour ces besoins est inter- médiaire entre le stockage de puissance et celui de l’énergie (entre une et quatre heures à puissance maximale). Certains types de batteries correspondent à ce besoin. Le progrès des technologies Parallèlement les technologies de stockage progressent, tant au niveau des performances que des coûts. Si l’on prend par exemple la technologie des batteries Li-ion, la figure 3 montre que des progrès ont été réalisés et que d’autres très significatifs peuvent raisonnablement être attendus. Ces progrès permettent d’entrevoir une utilisation accrue du stockage, comme par exemple l’emploi de ce dernier pour le contrôle de la fréquence, pas uniquement dans des systèmes à forte proportion de production EnR. Nous reviendrons sur ce point lorsque nous examinerons les différentes technologies. Le stockage d’énergie apporte des services d’optimisation et de sécurisation tout au long de la chaine de valeur du système électrique Des équipements de stockage peuvent en effet être uti- lisés au niveau de la production, du transport, de la distribu- tion et du client final pour améliorer la sûreté et les coûts. Le tableau 1 basé sur les études menées par EASE et l’EERA, synthétise les services que l’on envisage aujourd’hui. Il ressort de l’examen de ce tableau que les services sont nombreux et concourent à la sécurité de la fourniture d’éner- gie et à la recherche du coût le plus bas (arbitrage, report d’investissement...) pour la collectivité. Il en ressort également que la très grande majorité des services évoqués ci-dessus, peut être obtenue en utilisant d’autres leviers : - tionnelles (pour les réserves et la capacité de pointe par exemple) ; report d’investissement…) ; - sur les réseaux haute tension, pour limiter le risque de dé- connexion des EnR en cas de surproduction, on peut relier la production EnR à d’autres points de consommation. - sur les réseaux de distribution, un excédent de photovol- taïque conduit à ce que la tension dépasse les niveaux admissibles. Pour régler cette question sans déconnec- ter la ressource, on doit renforcer la capacité du réseau. La conséquence de ce constat est que le stockage d’éner- gie étant en concurrence avec d’autres solutions, son avenir est clairement dépendant de ses performances. Dans le cas où ses performances sont compétitives, il induit une énergie électrique à un coût moindre pour la collectivité. De ce fait le stockage d’énergie soulève trois types d’enjeux : technologies, en découvrir d’autres et améliorer leur inté- gration technique ; ont des impacts macro-économiques évidents (emploi…) ; Figure 3 : Evolution du cout d’investissement des batteries LI-Ion 1MW-Xh. 66 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Passons en revue ces trois enjeux Les enjeux de R&D Les technologies de stockage se repartissent en quatre grandes familles. Nous allons les passer brièvement en re- vue et examiner pour chacune d’entre elles les principaux axes de recherche. Pour le lecteur qui souhaiterait approfon- dir ce sujet, il pourra se référer à la feuille de route publiée par EASE et l’EERA Stockage mécanique en évolution ; axe de recherche : étendre les possibilités décompression après stockage dans des cavités géologiques ou des récipients industriels. Technologie non mature ; axe de recherche : baisser les coûts et améliorer le rendement notamment par de la recherche sur les matériaux ; masses tournantes, stockage de puissance). Technologie mature mais en évolution ; axe de recherche : baisser les coûts d’investissement pour renforcer la compétitivité dans le contrôle de fréquence. Stockage chimique - lyse (en cas d’excès d’éolien par exemple), stockage éven- tuel de cet hydrogène et utilisation de ce gaz. Technologie non mature ; axes de recherche sur les trois étapes : - électrolyse : baisser le coût pour la rendre compétitive avec la production d’H2 par vapocraquage du gaz naturel ; - stockage de l’hydrogène, travail sur les matériaux no- tamment ; - utilisation : recherche sur les applications possibles de l’H2 (mobilité, méthanation, gaz de synthèse, carburant...). Stockage électrochimique - teries métal-air) ; axe de recherche : - pour les batteries utilisées pour le stockage de puissance, l’objectif est de les rendre techniquement capables de contribuer au contrôle de la fréquence et compétitives pour fournir ce service ; - pour les batteries dont la vocation est plus axée sur l’énergie, un des objectifs est de rendre le véhicule élec- trique plus compétitif que le véhicule thermique. stockage de puissance. Utilisation comparable au volant d’inertie ; axe de recherche : baisser les coûts. Stockage thermique (50 % de la demande d’éner- gie dans l’UE est destinée à produire de la chaleur) par exemple). Technologie mature et commercialisée ; de chaleur dû au changement de phase d’un matériau). Tech- nologie non mature ; axe de recherche sur les matériaux ; PRODUCTION TRANSPORT DISTRIBUTION CLIENTS Reprise de production (Black start) Réglage Primaire (contrôle de fréquence) Amélioration des capacités de transit Ecrêtement des pointes Arbitrage marché Réglage secondaire (contrôle de fréquence) Contrôle de la tension Arbitrage (marché, production locale...) Dynamique (suivi de charge) Réglage tertiaire (contrôle de fréquence) Sécurisation de la distribution (n-1) Qualité du courant (microcoupure, creux de tension) PRODUCTION RENOUVELABLE Stabilité de la fréquence (Petit système) Ilotage voulu Continuité de la fourniture (éviter l’interruption de fourniture) Contribution aux services systèmes Report d’investissement Limitation des perturbations vers TSO Gestion du réactif Contribution à la capacité de pointe Stabilité de synchronisme Limitation des perturbations (harmoniques) Eviter le risque de déconnexion Tableau 1 : Les services rendus par le stockage. REE N°3/2013 67 Stockage d’énergie : une solution dont l’intérêt augmente pour les systèmes électriques thermochimiques réversibles : des composants mélangés créent une réaction exothermique, ces composants pou- vant ensuite être séparés dans une réaction endother- mique). Technologie non mature ; axe de recherche sur les matériaux et les composants. D’autres technologies peuvent apparaître ; certaines sont amont telles que la supraconductivité. On constate que ces technologies ont des domaines d’application « privilégiés » Si l’on fait le lien avec les services rendus par le stockage aux différents niveaux de la chaîne de la valeur du système électrique, on peut évaluer l’adaptation de chaque technologie (tableau 2). Ce tableau montre à l’évidence qu’actuellement aucune technologie n’est « dominante » et donc que les efforts de re- cherche doivent se poursuivre sur l’ensemble du portefeuille de technologies. Aspects industriels Même si des développements restent à faire, il est clair que le stockage constituera un actif de plus en plus pré- sent dans les réseaux. Les batteries et les volants d’inertie commencent à trouver dans certains pays, des “business cases” intéressant pour la fourniture des réserves rapides. L’amélioration des performances conduira à une extension des besoins. Pour les batteries, ce marché sera également tiré par celui de la mobilité électrique. Mais les grands fabricants sont essentiellement asiatiques (Samsung, LG, BYD…). Il y a donc un défi industriel à relever pour l’Eu- rope, pour éviter le recours aux importations afin de satis- faire les besoins du marché européen. Simultanément à la politique de recherche, il faut commencer à prévoir la politique industrielle. Market design et régulation Le stockage d’énergie ne doit pas seulement être efficace économiquement comme il a été montré plus haut. Il doit également pouvoir être mis en œuvre dans un environne- ment de régulation fondé sur des règles de marché (market design) permettant aux acteurs économiques de traduire la rentabilité économique en «business case» profitable. Par exemple, les volants d’inertie peuvent avoir fait des progrès tels qu’ils deviennent la solution économique la plus perti- nente pour faire du réglage de fréquences ; mais s’il n’ existe pas de marché ou de systèmes d’appels d’offre pour révéler cet intérêt, aucun acteur n’investira dans cette solution, pri- vant ainsi le système électrique d’une réduction de ses coûts. Ces règles doivent prendre en compte le fait que les so- lutions de stockage peuvent rendre des services aussi bien pour les activités régulées (transport, distribution) que pour les activités en concurrence (production, clients). Pour y par- venir, il est fort probable que les solutions basées sur des mécanismes de marché sont les plus efficaces. Pour cela, il faut valoriser l’ensemble des services évoqués au paragraphe 3. Ceci est d’autant plus important qu’une solution de stockage peut fournir plusieurs services pour atteindre sa rentabilité. Ainsi, par exemple, une batterie chez un client peut : Pour optimiser le dimensionnement et la gestion de cette batterie, il faut qu’il existe des signaux économiques permettant de valoriser ces différentes possibilités et d’arbitrer entre elles. Cet exemple illustre donc le rôle clé du “market design” dans le développement du stockage d’énergie qui est à mettre au même niveau que la recherche sur les technologies. Si la re- cherche traite des coûts, le «market design» traite des recettes. Tableau 2 : Le domaine d’application des technologies de stockage. Famille de technologie Production Production renouvelable Transport Distribution Clients Pompage hydro Air comprimé Batteries Power to Gas (H2 ) Volant d’inertie Stockage thermique Adapté Possible Pas adapté 68 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Concevoir ces règles est un exercice très complexe comme en témoigne leur grande variété à travers le monde. Pour le réglage primaire de fréquence on constate des situations extrêmes : aucune rémunération en Italie et aux USA (PJM) des règles très sophistiquées où la rapidité de la réponse aux sollicitations est rémunérée (pay for performance). Au- delà du simple apprentissage, des recherches en économie de la régulation seront nécessaires pour définir des “market design” efficaces. Conclusion Le stockage d’énergie propose une gamme large et variée de solutions technologiques qui sont à un des stades de déve- loppement et de maturité industrielle divers. Les progrès déjà réalisés et ceux encore attendus feront que ces technologies prendront une part croissante dans les actifs des systèmes électriques. L’enjeu économique pour l’Europe est double : - trice d’emplois et exporter son savoir faire. Bernard Delpech est directeur délégué de la Recherche et Déve- loppement du Groupe EDF, en charge des domaines d’activités Commerce, Energies Renouvelables, Management d’Energie et Réseaux. Auparavant, il était responsable de la division du Déve- loppement des énergies réparties à la direction Commerce, après avoir occupé des postes à responsabilité dans le secteur du ré- seau de transport et de distribution. Il a également été en charge à la direction financière, du contrôle de gestion des entités du groupe en France. Diplômé de l’Ecole Polytechnique, de l’Ecole Nationale de l’Administration Economique, il est titulaire d’un doc- torat en Mathématiques de la Décision. L'AUTEUR