Stockage de l’énergie et autres technologies complémentaires
Compte tenu du très large éventail de sources d'énergie renouvelables, il est nécessaire de multiplier les efforts d'innovation dans le domaine du stockage de l'énergie et des autres technologies complémentaires qui aideront à réaliser la transition énergétique, notamment en assurant l'équilibre entre l'offre et la demande d'énergie. Parmi ces technologies complémentaires, citons l'électrolyse dédiée à la production d'hydrogène utilisable comme moyen de stockage chimique de l'énergie ou en tant que carburant alternatif.
Les technologies de stockage mécanique, électrochimique et thermique de l'énergie sont disponibles sous de nombreuses formes. Divers scénarios d'avenir intègrent l'une ou l'autre des technologies présentées ci-dessous, en fonction de l'utilisation et de l'environnement économique cibles.
À noter :
pour les recherches "smart search" ci-dessous qui génèrent un nombre de résultats particulièrement élevé, vous avez la possibilité d'afficher uniquement les résultats les plus récents ou tous les résultats. Vous souhaitez peut-être en savoir plus sur la fonctionnalité de filtrage d'Espacenet qui rend possible cet affichage. Nous proposons également des formations en ligne sur l'utilisation et l'optimisation d'Espacenet.
- Électrolyseurs pour la production d'hydrogène
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Le rapport Trajectoire vers l'objectif de 1,5°C publié par l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) prévoit que l'hydrogène et ses dérivés devront représenter 12 % de la consommation d'énergie finale d'ici 2050. L'hydrogène vert issu de l'électrolyse de l'eau réalisée à l'aide d'énergies renouvelables devrait s'imposer à la fois comme une source d'énergie stratégique et un milieu de stockage majeur.
Plusieurs pays incluent déjà des objectifs liés aux capacités des électrolyseurs dans leurs stratégies nationales d'hydrogène. Les futurs électrolyseurs seront de préférence bâtis à partir de matières premières bon marché et abondantes, et consommeront de l'électricité renouvelable. Selon une étude commune récemment publiée par l'OEB et l'IRENA sur les tendances d'innovation dans la technologie des électrolyseurs de production d'hydrogène, les coûts d'investissement dans des installations d'électrolyse peuvent être réduits de 40 % à court terme et de 80 % à long terme simplement en améliorant leur conception et leur construction, en réalisant des économies d'échelle, en remplaçant les matières rares par des métaux abondants et en maximisant le rendement opérationnel et la flexibilité. Ce faisant, la capacité mondiale d'électrolyse explosera, passant de 0,5 GW à l'heure actuelle aux 5 000 GW d'ici 2050 proposés dans le rapport Trajectoire vers l'objectif de 1,5°C de l'IRENA.
Pour réduire les coûts de l’électrolyse, cinq grands groupes de sous-technologies présentent une importance capitale[1] :
Conditions d'utilisation et structure des cellules
L'exploitation des cellules à une température et une pression plus élevées accroît le rendement de l'électrolyse sans en compromettre la durabilité, tout en réduisant les coûts. Les électrolyseurs doivent toutefois être conçus pour supporter ces conditions d'utilisation :
Conditions de haute température dans les cellules d’électrolyse - tous les résultats
Conditions de haute pression dans les cellules d’électrolyse
Dans un souci d’optimisation du rendement des cellules, il convient notamment de se pencher sur la surface de contact entre la membrane et l’électrode, afin de réduire la résistance électrique et la production de chaleur :
Assemblage membrane électrode (AME)
Matériaux d'électrocatalyseur
La rareté des matériaux, notamment des métaux nobles, est l'un des principaux freins aux efforts de réduction des coûts des électrolyseurs et de hausse de la production. Il est donc nécessaire de développer des alternatives utilisant des matériaux non nobles, par exemple. Certaines avancées se proposent d'employer des métaux nobles (oxydes, etc.), des métaux non nobles, des alliages et des céramiques, ainsi que des matériaux organiques, diamants et non-diamants.
Les sujets de recherche suivants incluent des électrodes utilisant des matériaux catalyseurs basés sur :
Des métaux non nobles et alliagess
Des céramiques (ne contenant aucun métal noble)
Des composés organiques
Des catalyseurs à base de diamant - tous les résultats
Empilabilité des électrolyseurs (piles)
Les électrodes, les plaques bipolaires et les couches de transport poreuses ont un impact considérable sur le coût de la pile. Toute amélioration de ces composants, notamment de leur fabrication, peut donc réduire les frais d'investissement et renforcer leur évolutivité. Si les éléments bipolaires contenant des piles restent le principal domaine de développement, l'optimisation de leur combinaison avec les assemblages membrane électrode présente une importance capitale :
Piles comprenant des éléments bipolaires et des assemblages membrane électrode - tous les résultats
Photoélectrolyse
La photoélectrolyse utilisant des cellules photovoltaïques comme source d'énergie peut réunir la production d'électricité et d'hydrogène au sein d'un unique élément, ce qui peut avoir pour effet d'accroître le rendement. Bien que peu mature technologiquement et en phase d'optimisation, ce procédé laisse entrevoir de grandes promesses :
Photo-électrodes avec photo-absorbeur et photo-électrocatalyseur - tous les résultats
Photo-électrodes avec photo-électrocatalyste monocouche - tous les résultats
Co-électrolyse
L'hydrogène produit par la seule électrolyse de l'eau est difficile à stocker. C'est pourquoi la co-électrolyse, qui produit de l'hydrogène sous la forme d'un composé plus facile à stocker, tend à s'imposer comme un domaine de développement émergent. Elle permet notamment de produire des composés contenant de l'azote, comme l'ammoniac (voir ci-dessous), des gaz de synthèse (CO/H2), voire des carburants organiques (méthane, alcools).
Co-électrolyse visant à produire de l’ammoniac - tous les résultats
[1] IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5⁰C Climate Goal, Agence internationale pour les énergies renouvelables, Abu Dhabi.
- Stockage de l’énergie
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L'électricité que nous utilisons est généralement produite juste avant d'être consommée. Mais pour le secteur de l'énergie, il est particulièrement difficile de prévoir les demandes d'énergie, par nature variables et incontrôlables. En effet, la demande d'énergie gagne en complexité parallèlement à la hausse de la mobilité électrique et des énergies renouvelables provenant de sources dépendant des conditions météorologiques (vent, soleil, vagues, etc.). Équilibrer l'offre et la demande est ainsi devenu l'un des principaux défis rencontrés par le secteur.
L'avènement de technologies de stockage plus performantes permet de maximiser la part des énergies renouvelables dans le système énergétique, dans une optique de remplacement des combustibles fossiles dans une multitude d'applications. Il existe aujourd'hui de nombreuses technologies de stockage de l'énergie, parvenues à divers stades de développement. Parmi les grandes catégories technologiques dans ce domaine, citons le stockage mécanique (ex. : pompage-turbinage, gaz comprimé), le stockage thermique (accumulateurs à eau, solides ou vapeur) et des solutions électrochimiques incluant les batteries, qui peuvent être associées à des technologies comme les supercondensateurs.
Stockage électrochimique de l'énergie (batteries et supercondensateurs)
Les inventions électrochimiques (comme les batteries) représentent 88 % de l'ensemble de l'activité brevets dans le domaine du stockage de l'électricité, loin devant les solutions électriques (9 %), thermiques (5 %) et mécaniques (3 %). La croissance des marchés des véhicules électriques et du stockage stationnaire de l'électricité renforce l'importance des solutions électrochimiques pour l'avenir.
Selon le scénario de développement durable établi par l'Agence internationale de l'énergie (AIE) en 2020, près de 10 000 GWh de batteries et autres formes de stockage d'énergie seront nécessaires d'ici 2040, contre environ 200 GWh aujourd'hui.
Les activités brevet ont augmenté pour un large éventail d'inventions, dont les batteries au plomb-acide, à flux redox et à base de nickel. Les batteries au lithium-ion (Li-ion) continuent toutefois de dominer l'innovation dans le domaine : elles représentent 45 % des efforts en ce sens, contre 7,3 % pour les autres chimies et le reste pour les aspects liés à la fabrication et à l'ingénierie.
Matériaux de cathode des batteries lithium-ion
Le choix du matériau de cathode est essentiel. Si l'on employait traditionnellement du dioxyde de cobalt et de lithium, les obstacles liés au coût et à l'approvisionnement de ce matériau ont détourné l'attention vers des matériaux contenant du nickel et/ou du manganèse (ainsi que vers le lithium-fer-phosphate ou LFP).
Les technologies de cathode suivantes jouent un rôle majeur dans cette tendance :
Nickel-manganèse-cobalt (NMC) - tous les résultats
Oxyde de lithium nickel cobalt avec aluminium ou magnésium (NCA-Mg)
Batteries sodium-ion
Les technologies potentiellement en mesure de satisfaire les exigences de hautes performances incluent les batteries solides lithium-métal, lithium-soufre, sodium-ion et même lithium-air, qui peuvent constituer une amélioration par rapport aux batteries Li-ion, plus conventionnelles, en termes de coût, de densité, de cycle de vie et de disponibilité.
Parce que les batteries sodium-ion emploient des matériaux de base aisément disponibles, leur capacité est potentiellement illimitée.
Supercondensateurs
Les supercondensateurs répondent à des besoins spécifiques et peuvent donc s'imposer en complément des batteries Li-ion. Chargeables et déchargeables en quelques secondes, ils ne sont toutefois pas capables de stocker autant d'électricité que les batteries. Leur capacité à fournir des salves d'énergie démontre toute son utilité en combinaison avec d'autres types de batteries à haute capacité, par exemple dans les voitures électriques.
Batteries solides inorganiques
Une grande partie des efforts actuels d'innovation dans le domaine des électrolytes solides s'intéresse à la recherche d'alternatives aux électrolytes liquides ou aux gels polymères utilisés dans les batteries Li-ion actuelles, pour réduire le risque d'inflammabilité. Outre une amélioration du niveau de sécurité, les électrolytes solides peuvent offrir un haut niveau d'énergie spécifique et un degré élevé de stabilité et de durabilité. C’est donc sans surprise que l’évolution dans ce domaine technique est très rapide.
Batteries à flux redox
Dans certaines applications, les batteries à flux redox constituent une alternative sûre, durable et évolutive aux batteries Li-ion. Elles emploient des électrodes poreuses, dans lesquelles une membrane échangeuse d'ions sépare les matériaux actifs sous forme de solutions liquides positive et négative contenant des espèces redox actives.
Les batteries à flux redox peuvent s'appuyer sur des chimies différentes, le vanadium étant le cation redox actif le plus utilisé. Leur évolutivité fait tout leur intérêt pour les applications stationnaires résidentielles et de grande envergure.
Stockage mécanique de l'énergie
L'énergie électrique peut être convertie en diverses formes d'énergie mécanique, comme l'énergie potentielle gravitationnelle et l'énergie cinétique, et peut également être employée pour comprimer un gaz comme l'air. Certaines de ces formes autorisent le stockage d'importants volumes d'énergie sur une longue durée. Les systèmes à énergie mécanique étant souvent caractérisés par leur grande empreinte environnementale, leur viabilité peut dépendre de conditions géologiques favorables.
Le pompage-turbinage (PSH) est un type de stockage gravitationnel de l'énergie : de l'eau est pompée d'un réservoir bas vers un réservoir situé plus en hauteur. Lorsque de l'électricité est demandée, par exemple pour équilibrer la charge, l'eau stockée est relâchée et traverse des turbines afin de produire de l'énergie électrique. Environ 90 % des installations de stockage actuelles du réseau électrique emploient cette technique, qui pourrait également être associée à d'autres technologies de production d'énergies renouvelables afin d'équilibrer l'offre et la demande.
Le stockage de l'énergie à air liquide (LAES) est un type de stockage cryogénique de l'énergie : il consiste à stocker l'air sous forme liquide à très basse température mais à pression quasi ambiante. Pour générer de l'électricité, l'air liquide est chauffé jusqu'à la phase gazeuse, puis utilisé pour entraîner une turbine.
Stockage de l'énergie à air liquide - tous les résultats
Les systèmes de stockage de l'énergie par air comprimé (CAES) stockent l'air sous pression dans une cavité souterraine ou dans des réservoirs hors sol. Certains systèmes CAES emmagasinent également la chaleur produite en comprimant l'air. Le CAES a fait l'objet de longs débats quant à son utilité pour stocker de l'énergie au niveau du réseau, mais son déploiement à grande échelle se heurte à d'importants obstacles, notamment en matière de coût.
Le stockage de l'électricité par pompage thermique (PTES) fait appel à une pompe à chaleur pour transformer l'électricité en chaleur. Celle-ci est ensuite stockée dans un milieu (eau, gravier ou sable, par exemple) contenu dans un réservoir isolé thermiquement. Un moteur thermique permet de retransformer la chaleur en électricité lorsque nécessaire.
Stockage de l’électricité par pompage thermique - tous les résultats
Le stockage de l'énergie par gravité sèche (GES) utilise un moteur électrique pour lever une masse, par exemple une masse rocheuse très lourde, acquérant ainsi de l'énergie potentielle. Cette énergie est ensuite libérée en abaissant la masse et en utilisant le moteur comme générateur d'électricité.
Stockage de l'énergie par gravité sèche - tous les résultats
Les systèmes de stockage de l'énergie par volant d'inertie (FES) font accélérer un rotor (volant d'inertie) jusqu'à une vitesse élevée à l'aide d'un moteur, de manière à emmagasiner de l'énergie cinétique rotationnelle dans le système. Ensuite, lorsque nécessaire, de l'électricité est produite en réduisant la vitesse de rotation du volant d'inertie.
Stockage thermique de l'énergie
Les systèmes de stockage thermique de l'énergie (TES) emmagasinent l'énergie sous forme de chaleur afin de la consommer à court terme, au quotidien, ou à plus long terme, par exemple dans le cadre d'un stockage saisonnier, qui consiste à conserver la chaleur estivale dans un milieu spécifique, puis à la réutiliser pour chauffer les bâtiments en hiver. À l'inverse, il est possible de réaliser une climatisation en stockant des matériaux à basse température.
L'énergie peut également être absorbée ou relâchée lors de la transition de phase de l'eau ou d'un autre milieu (sel, polymère, etc.), dans une optique de stockage ou de libération de la chaleur latente.
Thermochimie (réaction chimique, adsorption, absorption)
Le stockage thermochimique de la chaleur s'appuie sur une réaction chimique exothermique/endothermique réversible faisant appel à des matériaux thermochimiques comme l'oxyde de potassium, l'hydroxyde de calcium ou le chlorure de nitrosyle. Fonction du réactif, la capacité de stockage peut s'avérer bien supérieure à celle de la chaleur latente. L'adsorption exothermique/endothermique, par exemple de la vapeur d'eau par des zéolites, peut constituer une méthode pratique de stockage de la chaleur à durée de vie potentiellement illimitée.
Thermochimie (réaction chimique, adsorption, absorption) - tous les résultats
Liquide (eau chaude, sel fondu)
De par sa capacité calorifique relativement élevée, l'eau est un choix évident pour le stockage liquide de la chaleur. Elle est toutefois concurrencée par le sel fondu qui, à des fins de stockage de l'énergie, peut atteindre une température de 1 400 °C (stockage de l'énergie par sel fondu, MSES). Il peut ensuite être utilisé à la demande, par exemple pour produire de la vapeur très chaude destinée à entraîner des turbogénérateurs produisant de l'électricité. La Smart search suivante se concentre sur les milieux de stockage liquide de la chaleur utilisés pour stocker les énergies renouvelables.
Liquide (eau chaude, sel fondu) - tous les résultats
Solide (gravier, pierre, béton, métal)
Les cailloux, la pierre et le béton chauds, potentiellement sous la forme de lits granulaires tassés, peuvent constituer un outil de stockage de l'énergie à bas coût mais haut volume, et supportant des températures élevées. Ils peuvent même être alliés à des pompes à chaleur chargées de stocker et d'extraire la chaleur. Les métaux et alliages peuvent eux aussi permettre de stocker et de transférer rapidement la chaleur. La Smart search suivante se concentre sur les milieux de stockage de la chaleur utilisés pour stocker les énergies renouvelables.
Solide (gravier, pierre, béton, métal) - tous les résultats
Latente (matériau à changement de phase)
Les matériaux à changement de phase incluent les sels, les polymères, les gels et les alliages. Parce qu'ils proposent des points de fusion différents, ils permettent d'adapter la solution de stockage de la chaleur en fonction de la demande. Des technologies à base de glace sont également utilisées pour le refroidissement, souvent en combinaison avec des systèmes d'échange par pompe à chaleur. La Smart search suivante se concentre sur les matériaux à changement de phase utilisés en association avec les énergies renouvelables.
Centrales thermiques à vapeur avec accumulateurs de vapeur ou de chaleur
Les accumulateurs de vapeur employant une combinaison d'eau et de vapeur peuvent être utilisés à l'échelle industrielle. La vapeur entraînant les turbines peut également servir au stockage si elle est autorisée à se condenser partiellement afin d'offrir une certaine capacité de chaleur latente. Les centrales thermiques à vapeur peuvent également être associées à un dispositif de stockage local de la chaleur basé sur d'autres technologies. La Smart search suivante se concentre sur le stockage de la chaleur pour les centrales thermiques à vapeur utilisé en combinaison avec les énergies renouvelables.
Centrales thermiques à vapeur avec accumulateurs de vapeur ou de chaleur - tous les résultats
Centrales thermiques solaires avec stockage de la chaleur
Les centrales thermiques solaires peuvent être dotées d'installations de stockage de la chaleur visant à compenser la variabilité de l'énergie solaire (et éolienne). De la vapeur est alors produite et accumulée ou de l'énergie thermique est emmagasinée à l'aide de sel fondu (stockage de l'énergie par sel fondu, MSES). L'électricité peut ensuite être produite sur demande.
- Captage et stockage du dioxyde de carbone (CSC)
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Idéalement, toutes les énergies futures devraient dériver de sources renouvelables comme l'éolien, le solaire ou l'hydro-électricité. Cependant, une transition rapide vers ces sources d'énergie n'est pas toujours possible. Entre-temps, une solution pour atténuer le dérèglement climatique consiste à capter le CO2 (gaz carbonique) formé par les procédés très émetteurs (tels que centrales électriques à combustibles fossiles et industrie lourde), voire à l'extraire directement de l'atmosphère (captage direct dans l'atmosphère), puis à le stocker, généralement dans des sites souterrains ou sous-marins. Ce CO2 reste alors confiné (piégé physiquement ou stocké chimiquement) ou stocké en vue d'une exploitation future dans certains procédés industriels.
Captage du carbone
Il existe plusieurs méthodes physico-chimiques pour extraire le CO2 d'un gaz. Les techniques de sorption semblent plus indiquées pour le captage direct dans l'atmosphère (CDA). En raison de la faible concentration de CO2 dans l'atmosphère, les volumes d'air à traiter sont gigantesques. Par conséquent, les techniques faisant appel à de basses températures ou des pressions élevées sont moins adaptées, car elles consomment de plus grandes quantités d'énergie. Le captage du carbone fait principalement intervenir les techniques suivantes :
Absorption par solvants liquides
Adsorption sur sorbants solides
Séparation biologique
Séparation cryogénique
Séparation par membrane
Séparation chimique / séquestration directe
Captage du carbone
Une fois capté, le CO2 doit être stocké, généralement dans des sites tels que des puits épuisés de pétrole ou de gaz. Comme ils ont déjà prouvé leur capacité à stocker du pétrole ou du gaz pendant des millions d'années, ils sont généralement jugés sûrs pour les besoins actuels en stockage. De plus, l'infrastructure est souvent déjà en place pour l'injection du CO2, car les puits de pétrole sont fréquemment maintenus sous pression par injection de gaz. Une autre méthode consiste à faire réagir le CO2 avec certains gisements minéraux pour former des roches carbonatées de type mafique ou ultramafique (olivine, péridotite, etc.). Dans cet ensemble de données, nous avons tenté de nous limiter aux applications se rapportant réellement au stockage plutôt qu'à la mise sous pression des puits.
Stockage souterrain ou sous-marin du CO2
