Le stockage de l’électricité

La problématique des énergies alternatives 30/07/2013
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-3:4597

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Le stockage de l’électricité

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REE N°3/2013 25 LES GRANDS DOSSIERSIntroduction Les énergies alternatives sont sorties de la marginalité. Avec 106 000 MW d’éolien et 69 000 MW de photovoltaïque, elles représen- taient, à la fin 2012, 18 % de la puissance instal- lée en Europe et assuraient environ 10 % de la production totale d’électricité (7 % pour l’éolien et 3 % pour le photovoltaïque). Dans certains pays, les proportions sont plus importantes : en Allemagne l’éolien couvre à présent 11 % de la consommation d’électricité du pays et cette pro- portion atteint 16 % en Espagne (contre 3,1 % seulement en France pour 7 560 MW installés). Cette évolution impressionnante est le résultat d’un effort d’investissement considérable : sur 44 600 MW de capacités nouvelles installées en Europe en 2012, 37 % (16 750 MW) relevaient de la filière photovoltaïque et 27 % de la filière éolienne (11 895 MW). Le volume d’investissement corres- pondant peut être évalué aux environs 65 Md . Cet effort s’inscrit dans la ligne du mouvement largement amorcé en faveur d’une transition énergétique en direction des énergies non carbonées. Elle ne va pas cependant sans soulever de difficiles problèmes dont l’importance s’est révélée au fur et à mesure que la part des énergies alternatives dans le mix électrique s’est accrue. Les énergies alternatives sont source de difficultés tech- niques pour les exploitants des réseaux, dès lors que leur apport devient significatif. La principale difficulté réside dans leur caractère intermittent et assez largement aléatoire. Les énergies alternatives ne sont pas forcément disponibles au moment où l’on en aurait besoin et il faut donc leur adjoindre des moyens de "back up” qui viennent renchérir l’investisse- ment et dégrader le bilan en émissions de CO2 . Mais l’inter- mittence n’est pas le seul problème : les énergies solaire et éolienne sont en règle générale décentralisées, elles échappent au contrôle du réseau et ne participent pas à sa stabilisation en fréquence. Bien au contraire, du fait de l’ab- sence de grosses machines tournantes, elles ne disposent que d’une inertie limitée, voire nulle dans le cas du photovol- taïque, pour faire face à la vicissitude des vents et aux aléas de l’ensoleillement. Un simple passage nuageux au-dessus d’une grosse centrale solaire peut entraîner des fluctuations rapides et importantes auxquelles le réseau doit immédiate- ment faire face. Les énergies alternatives sont sources d’épi- neux problèmes économiques et financiers. Bénéficiant de tarifs de rachat avantageux dans la plupart des pays, elles font peser sur le consom- mateur des charges qui sont à présent souvent jugées excessives : 20,4 Md en Allemagne en 2012, 31,6 Md en 2013, prélevés par le biais de la taxe EEG similaire à la CSPE instituée en France, laquelle devrait s’élever, selon les calculs de la CRE, en ce qui concerne les seules éner- gies renouvelables, à 3 Md en 2013 avec des perspectives de croissance importantes sur les prochaines années. Par ailleurs les mécanismes d’obligation de rachat conduisent à des situations absurdes : les fournisseurs his- toriques (en France essentiellement EDF) sont tenus depuis la loi du 3 janvier 2003 de racheter les productions d’ori- gine renouvelable à des prix qui se situent, en France, aux environs de 85 /MWh pour l’éolien terrestre et de 120 à 250 /MWh pour le photovoltaïque. Il se peut que ces pro- ductions soient utiles et contribuent à satisfaire les besoins. Mais il arrive de plus en plus souvent qu’elles soient non seulement inutiles mais préjudiciables au bon fonctionne- ment du système électrique. En cas de demande faible, le dimanche par exemple, et d’apports massifs du solaire et de l’éolien, les opérateurs ne disposent pas forcément des capa- cités de transport nécessaires à l’évacuation de cette pro- duction et son écoulement peut nécessiter la mise à l’arrêt coûteuse de moyens de production fonctionnant en base ou en semi-base. On voit apparaître en conséquence sur les marchés spots de l’électricité des prix négatifs du MWh. Après l’Allemagne, La France a été touchée pour la première fois par ce syndrome le 16 juin 2013 avec des prix du MWh descendant jusqu’à -188,51 pour le bloc du matin sur la place de marché de l’EPEX. Ce genre de situation appelle une sérieuse réflexion sur la possibilité de conserver en l’état les mécanismes qui ont permis le décollage des énergies alter- natives mais qui ne sont plus adaptés dès lors que le stade de la maturité a été atteint. Le stockage n’est pas une solution miracle Pour pallier ces difficultés, techniques et économiques, l’idée s’est répandue qu’il fallait développer le stockage de Le stockage de l’électricité La problématique des énergies alternatives Jean-Pierre Hauet Associate Partner KB Intelligence Membre Emérite de la SEE 26 REE N°3/2013 LES GRANDS DOSSIERS Introduction l’électricité. Nous verrons plus loin que le stockage peut effectivement constituer une solution à certains des pro- blèmes posés par l’intégration des énergies alternatives dans les réseaux. Mais beaucoup pensent que, si l’on parvient à stocker convenablement l’électricité, alors il suffira de stoc- ker la production des énergies alternatives lorsqu’elle vient à être excédentaire pour la relâcher lorsqu’elle redevient utile et améliorer ce faisant sa valorisation et donc la compétitivité de la filière considérée. Cette idée du « stockage réponse universelle à l’intermittence » a été reprise dans de nombreux travaux et dans les déclarations de personnalités éminentes. Elle a pris d’autant plus corps que les producteurs allemands qui ont du mal à évacuer la production d’origine éolienne du Nord du pays, envisagent différentes solutions1 pour la valori- ser, en particulier la production par l’électrolyse d’hydrogène destiné à la méthanation ou à la réinjection en faible propor- tion sur le réseau de gaz2 . Malheureusement cette façon de voir relève assez lar- gement du sophisme. Le stockage a nécessairement un coût : coût d’investissement, coût d’exploitation et renché- rissement du kWh restitué lié à une efficacité toujours infé- rieure à 1 et oscillant selon les technologies entre 25 et 95 %. Ce coût s’ajoute au prix de l’électricité stockée et vient donc le renchérir. L’un des obstacles auxquels les énergies alternatives sont confrontées résidant dans leur coût de production, le stockage ne peut pas constituer un moyen de le diminuer. On notera que dans les systèmes modernes de production industrielle, les efforts ont porté au cours des dernières années sur la recherche d’un fonc- tionnement en flux tendu, en supprimant les stocks et non pas en en créant de nouveaux. Bien évidemment, le stockage n’accroît pas la durée moyenne de fonctionnement des moyens de production basés sur les énergies alternatives qui varie, selon les tech- nologies et selon les régions, de 1 500 à 3 000 h/an3 . En outre, si l’on sait stocker l’électricité, il faut mieux stoc- ker de l’énergie produite à bon marché, ce qui n’est pas aujourd’hui la vertu première des productions d’électricité d’origine renouvelable. Bien évidemment, le stockage de l’électricité produite à partir des énergies alternatives trouve davantage sa justification si l’on considère, comme en Alle- magne du Nord ou en Italie du Sud, que les investissements sont déjà faits, qu’ils constituent des coûts échoués et que seuls les coûts marginaux à court terme sont à prendre en compte. Mais une telle situation est la résultante de surin- 1 Voir l’article des Echos du 20 juin 2013, « Le stockage de l’électricité, priorité stratégique de Berlin ». 2 Voir le Flash Info sur le “Power to Gas” paru dans la REE 2012-5. 3 Il faut évidemment relever les exceptions de la géothermie et de l’éner- gie thermique des mers, mais ces formes d’énergie restent aujourd’hui marginales. vestissements faits sans s’être assuré du débouché local des productions. Il faut bien évidemment se garder d’assi- miler les coûts de développement à un coût marginal à court terme sauf à prendre le risque de s’engager dans des politiques structurellement déficitaires4 . Le stockage peut rendre des services Puisque le stockage a un coût, il faut que ce coût puisse être couvert par la rémunération de services rendus par ce stockage. Il se pose donc un problème d’identification des besoins, de valorisation des services apportés par le stoc- kage pour répondre à ces besoins et de comparaison avec les coûts des différentes technologies auxquelles il peut être fait appel. Il s’agit d‘un problème complexe, parce que les besoins sont évolutifs et parce que les technologies le sont également. Le présent dossier a pour objectif d’apporter des éléments de réponse à ces questions, en complément de celles que le lecteur pourra trouver en provenance d’autres sources et en particulier sur le site internet de la Commission de Régulation de l’Energie5 . Du côté des besoins, on notera que l’utilité d’un stockage de l’électricité n’est pas nouvelle. Voilà bien longtemps que l’on retient en hiver l’eau des barrages pour la relâcher en été. Plus récemment, ont été construites des stations de trans- fert d’énergie par pompage-turbinage (STEP) qui constituent, et de très loin, la forme de stockage de l’électricité la plus répandue dans le monde. Apparues en Suisse vers 1890, elles représentent dans le monde une puissance installée de 140 GW dont environ 5 GW en France. C’est une solu- tion éprouvée, bien adaptée au lissage des pointes à grande échelle : transfert de production des heures creuses vers les heures pleines, compensation des insuffisances d’apport en provenance des énergies alternatives. Les sites restant à équiper sont en France peu nombreux mais ce sont plutôt des considérations économiques qui freinent aujourd’hui le lancement de nouveaux projets. Une autre forme de stockage totalement mature est constituée par des chauffe-eau électriques à accumulation télécommandés fonctionnant la nuit en heures creuses : il s’agit d’une forme hybride, puisque l’énergie est restituée sous forme d’eau chaude sanitaire. Mais elle permet de déplacer vers les heures creuses plusieurs TWh de consom- mation d’électricité qui a défaut viendraient s’imputer sur les heures pleines. La puissance mobilisable est équivalente à celle des STEP installés. Mais l’approche est ici locale au lieu d’être centralisée. Il est à noter que l’avenir de ces cumu- 4 On retrouve là, sous une autre forme, le paradoxe du voyageur de Calais décrit par Maurice Allais, selon lequel le dernier voyageur entrant à Calais dans le train de Paris n’a pas à payer son billet puisque de toute façon le train partira, avec ou sans lui. 5 Commission de Régulation de l’Energie : www.cre.fr REE N°3/2013 27 LES GRANDS DOSSIERSIntroduction lus est menacé du fait de la réglementation thermique des logements RT2012 et des réglementations européennes à l’étude sur la rénovation thermique de l’habitat. Ces régle- mentations s’appuient sur le concept formel d’énergie pri- maire et ignorent par conséquent la notion de stockage et de valeur différentiée du kWh selon les périodes6 . Si les services rendus par les stockages ne sont pas nou- veaux, l’évolution des modes de production, de distribution et de consommation de l’électricité tend à en accroître la diversité. Le véhicule électrique par exemple introduit une composante nouvelle avec des stockages nomades embar- qués dans chaque véhicule qui, pour un parc de deux mil- lions de véhicules (objectif gouvernemental à horizon 2020), représenteront une puissance installée de 7 000 MW, sen- siblement supérieure à celle de tous les STEP en service en France. La problématique de l’insertion des énergies intermit- tentes introduit une autre dimension et on comprend bien que le stockage de l’électricité apparaisse aujourd’hui comme l’une des variables de contrôle sur laquelle il sera possible de jouer dans le cadre de l’exploitation des smart grids. Plusieurs typologies de services rendus par le stockage ont été proposées. Nous pensons qu’il y a trois grands types d’applications : Le « lissage » est une notion très générale. Elle se décline selon deux grandes directions : Le lissage dans le temps vise à permettre à la produc- tion de répondre en permanence à la demande, sans avoir à mettre en œuvre des moyens de pointe onéreux et forte- ment dissipateurs en CO2 . Il peut prendre différentes formes : - des consommations vers les heures creuses. En outre ce lissage dans le temps peut être à dominante « énergie » ou à dominante « puissance » ou une combinaison des deux. Le besoin peut en être récurrent ou exceptionnel. Le lissage dans l’espace vise à éviter d’avoir à transporter l’énergie électrique pour pallier la non concordance géogra- phique entre les lieux de production et de consommation. Le bénéfice recherché est alors l’économie dans les infrastruc- tures et les coûts de transport et de distribution mais aussi 6 Le lecteur pourra se référer sur ce thème aux « Libres propos » de Jean Bergougnoux parus dans la REE 2013-2. la sécurisation du réseau, sachant que la construction de nouvelles lignes pose des problèmes de compatibilité envi- ronnementale et d’acceptabilité par les populations de plus en plus aigus. Cet aspect du lissage prend une importance croissante du fait notamment du développement des éner- gies décentralisées. Il conduit naturellement vers la notion de zones d’équilibre, les réseaux d’interconnexion venant alors en appui à une certaine autosuffisance locale. A un niveau de granularité encore plus fin, il conduit à encourager l’autocon- sommation sur laquelle nous reviendrons plus loin. Le lissage relève de l’exploitation normale des réseaux. La fonctionnalité « secours » vise à permettre de faire face à des situations exceptionnelles résultant notamment de la défaillance de certains composants. L’existence de moyens de secours permet de disposer du temps nécessaire pour réagir face à une telle défaillance en évitant au maximum les délestages. Les moyens de stockage peuvent être implantés à différents niveaux de la chaîne électrique : ils seront mas- sifs s’il s’agit de sécuriser l’alimentation de presqu’îles élec- triques, ils seront répartis s’il s’agit de sécuriser l’alimentation de clients finaux. La fonctionnalité « qualité » se recoupe avec la précédente dans la mesure où les coupures sont les facteurs premiers de non qualité. Mais la qualité du courant s’apprécie également au travers de la stabilité de la tension et de la fréquence, des microcoupures et des harmoniques injectées sur le réseau. On comprend que le développement intensif des énergies décen- tralisées, associées à des systèmes d’électronique de puissance qui engendrent une certaine pollution du réseau, soit à l’origine de préoccupations croissantes. Les limites de responsabilité entre fournisseur et utilisateur sont établies par l’arrêté tech- nique en ce qui concerne tension, fréquence et microcoupures. Elles sont moins nettes lorsque l’on parle d’harmoniques. Quoi qu’il en soit, le stockage, sous forme de batteries ou de piles à combustible insérées dans des unités « ininterruptibles » (UPS), peut constituer une réponse à ce problème d’importance pri- mordiale pour des industries de pointe. Une diversité de solutions Face à cette diversité de besoins, il existe une diversité de solutions. Elles sont décrites dans le dossier ci-joint et viennent démentir le vieil adage selon lequel l’électricité ne se stocke pas. La panoplie des solutions inclut les stations de pompage/turbinage (STEP), les stockages thermody- namiques (CAES à air comprimé et systèmes dérivés), les batteries, les super-condensateurs, les piles à combustible rechargeables, les bobines supraconductrices (SMES), les volants d’inertie, etc. sans oublier les modes de stockage indirects et hybrides : chauffe-eau à accumulation et autres stockages thermiques, hydrogène, lingots d’aluminium ou autres produits finis ou semi-finis. 28 REE N°3/2013 LES GRANDS DOSSIERS Introduction Une analyse technico-économique est primordiale Le choix de la bonne solution face à un besoin reconnu de stockage ne peut résulter que d’une analyse précise de ce besoin et en particulier de la fréquence à laquelle le stockage devra être utilisé. Le surcoût introduit par le stockage dans le prix de revient du kWh restitué dépend fortement du nombre de cycles sur lesquels pourra être amorti l’investissement. Ce nombre de cycles dépend du besoin mais aussi de la durée de vie du mode de stockage7 . Les modes de stockage traditionnels restent à cet égard privilégiés par rapport aux solutions émergentes. D’une façon générale, eu égard à l’état de la technique et aux besoins tels qu’ils sont aujourd’hui perçus, il nous semble qu’il y a trois catégories de couples besoins-solutions qui se dessinent : 8 , pour lesquels il est difficile d’imaginer des percées technolo- giques majeures. Ces modes de stockage ont un marché établi. On pourrait penser que celui-ci irait en s’élargissant du fait du développement des énergies alternatives. Il en va actuellement tout autrement car le développement des apports photovoltaïques pendant la journée tend à réduire l’écart de valorisation entre heures pleines de jour et heures peuvent s’accommoder d’un surcoût du kWh élevé et pour- ront donc accepter des solutions locales onéreuses mais à dynamique élevée (batteries, SMES, piles à combustible rechargeables, volants d’application qui bénéficiera des progrès encore attendus sur les batteries Li-ion, progrès techniques et économiques liés au développement du véhicule électrique, mais aussi sur les batteries à sel fondu (NaS notamment). Une évolution du type « panneaux photovoltaïques » est probable compte tenu de l’accroissement de la de- mande et de la pléthore de fabricants dans le monde9 . Cette « démocratisation » des 7 Laquelle dépend, pour les batteries, de la profon- deur des déstockages. 8 La filière STEP semble économiquement la plus efficiente et est préférée en France par EDF et ses filiales. Toutefois, certains considèrent que le choix entre STEP et CAES relève de la culture d’entreprise. 9 Ce qui représente un challenge considérable pour l’industrie française, comme souligné dans le dos- sier de la REE 2013-1 consacré au véhicule élec- trique. batteries, couplée à des progrès constants sur l’électro- nique de puissance, ouvre la voie à des applications très diverses, en règle générale décentralisées, qui permettront sur le plan technique d’accueillir plus facilement les éner- gies renouvelables et d’éviter d’avoir à transporter le courant sur de longues distances. Il faut ajouter à ces trois axes de développement celui des systèmes électriques isolés ou faiblement connectés qui intéressent au premier chef les composantes insulaires du ré- seau français. Un article spécifique leur est consacré. Le prix très élevé de production du kWh dans ces territoires facilite l’éclosion de technologies innovantes qui pourront ensuite être transférées sur le territoire métropolitain. Il faut toutefois raison garder et ne pas voir dans le stoc- kage une potion magique ou une corne d’abondance. A titre d’exemple, on peut se référer au cas des éoliennes “2.5-120 Brilliant turbines storage ready” dont la commercialisation a été annoncée en mai 2013 par General Electric et dont trois pilotes ont été vendus à Invenergy (Mills County – Texas). Ces éoliennes sont équipées de batteries à sel fondu Dura- thon, Na-NaCl2 , réputées avoir une durée de vie de 20 ans. Chacune est reliée à un réseau Internet industriel (du type Internet des objets) qui permet d’assurer leur pilotage à dis- tance. Peu d’éléments technico-économiques sont dispo- nibles sur cette approche a priori séduisante qui permet de lisser la production des éoliennes. Toutefois, un calcul rapide, admettant un investissement de 300 /kWh, ce qui est très optimiste, et une durée de vie de 4 000 cycles, répartis par exemple sur 20 ans, conduit à un surcoût du MWh restitué d’au moins 75 /MWh, c’est- à-dire au doublement du coût de produc- tion. L’investissement initial dépend quant à lui de la capacité donnée au stockage mais peut également rapidement conduire à un doublement du prix de l’éolienne. On comprend mieux les réserves formulées au début de cet article et dans l’article d’Olivier Grabette de RTE sur le stockage en tant que solution miracle à l’intermittence. Changer le modèle d’affaires Les travaux de recherche-développe- ment sur le stockage doivent être poursui- vis en parallèle à ceux sur les moyens de production alternatifs afin que le couplage de l’un avec l’autre conduise à des solutions économiquement viables. Mais en paral- lèle, il faut repenser le modèle d’affaires du stockage qui ne peut pas se dévelop- per dans le cadre législatif et réglementaire actuel. Celui-ci est en effet essentiellement Jean-Pierre Hauet est ancien élève de l’Ecole Polytechnique et Ingénieur du corps des mines. Il a occupé différentes positions dans l’Administration, en particu- lier celle de rapporteur général de la Commission de l’Energie du Plan. Il a dirigé le centre de recherches de Marcoussis d’Alcatel avant d’être nommé directeur Produits et Techniques de Cégélec puis Chief Technology Officer d’ALSTOM. Depuis 2003, il est Associate Partner de KB Intel- ligence, spécialisé dans les ques- tions d’énergie, d’automatismes industriels et de développement durable. Il préside l’ISA-France, section française de l’ISA (Ins- trumentation, Systems & Auto- mation Society). Il est membre émérite de la SEE et membre du comité de rédaction de la REE. REE N°3/2013 29 LES GRANDS DOSSIERSIntroduction axé sur la rémunération de l’énergie, livrée ou fournie, sans que soient convenablement rémunérés les services associés au stockage ni même que soient structurellement intéres- sés les opérateurs à son développement. Le tarif de rachat de l’électricité en provenance des énergies alternatives, in- dépendant de la période et des besoins à satisfaire, en est une illustration. Le stockage et l’autoconsommation n’ont aucune chance de se développer dans un tel contexte. Un producteur d’énergie alternative a toujours intérêt à vendre son courant à EDF, même si ce dernier n’en a pas besoin, et à le racheter éventuellement en tant que consommateur à un prix inférieur, plutôt que de le stocker en supportant les coûts correspondants. L’ouverture des marchés de capacité en 2015 apportera une réponse à certaines préoccupations mais pas à toutes. Le degré de maturité atteint à la fois par les énergies alter- natives et les systèmes de stockage justifie que soient remis à plat un certain nombre de principes et que des fournitures viennent accompagner une juste rémunération du stockage de l'électricité. Figure 1 : Aménagement d’une STEP entre deux barrages de retenue dans le canton suisse du valais. Crédit photo : Nant de drance 2013. Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies Par Henri Boyé ................................................................................................................................................................................. p. 30 Le stockage, un enjeu pour l’intégration des énergies renouvelables Par Olivier Grabette ...................................................................................................................................................................... p. 42 Le stockage des énergies intermittentes. De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque Par Nicolas Martin, Marion Perrin ......................................................................................................................................... p. 48 Stocker l’électricité en pompant des gaz. Une introduction aux procédés thermodynamiques de stockage Par Jacques Ruer ............................................................................................................................................................................ p. 56 Stockage d’énergie : une solution dont l’intérêt augmente pour les systèmes électriques Par Bernard Delpech .................................................................................................................................................................... p. 63 Le stockage de l’électricité dans les systèmes insulaires Par Bernard Mahiou ..................................................................................................................................................................... p. 69 Lithium-ion : état de l’art Par Romain Tessard, Marion Perrin ........................................................................................................................................ p. 77 LES ARTICLES