Depuis le second semestre 2020, les grandes économies du monde entier ont proposé des objectifs de neutralité carbone à long terme, et la réduction des émissions est devenue un consensus mondial.
Comment pouvons-nous réduire les émissions de manière spécifique ?
Selon les statistiques de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), en 2019, les énergies fossiles traditionnelles telles que le pétrole, le charbon et le gaz naturel représentaient encore 85 % de la consommation mondiale d’énergie primaire, et les énergies renouvelables ne représentaient que 10 %. Par conséquent, pour bien atteindre les objectifs de réduction et d’émissions de carbone à long terme, la transition énergétique est la seule voie pour toutes les économies.
Comment réaliser la transition énergétique?
Utiliser moins de charbon et moins de gaz, mais plus d’énergies renouvelables, ce qui signifie plus d’électricité.
Dans ce processus, avec l’augmentation progressive de l’électrification mondiale, le stockage de l’énergie jouera un rôle crucial dans le système électrique. Contrairement aux sources d’énergie fossiles traditionnelles telles que le pétrole et le charbon, la production et la consommation d’électricité doivent être effectuées en même temps, et l’énergie ne peut être stockée directement sous forme d’énergie électrique. Par conséquent, lorsque la production d’électricité ne correspond pas à la charge électrique, la stabilité du système électrique est mise à mal. À ce moment-là, le système de stockage d’énergie (ESS) doit ajuster le système électrique en le chargeant ou en le déchargeant.
Système électrique (Source: Essence Securities)
I. Définition et classification du stockage de l’énergie
Le stockage de l’énergie fait référence au stockage de l’énergie électrique, qui est une technologie et une mesure connexe qui utilise des moyens chimiques ou physiques pour stocker l’énergie électrique et la libérer en cas de besoin.
Selon la méthode de stockage, le stockage d’énergie peut être divisé en stockage d’énergie mécanique, électromagnétique, électrochimique, thermique et chimique.
Parmi eux, l’accumulation par pompage du stockage d’énergie mécanique est le système le plus mature dans les applications commerciales actuelles, généralement utilisé dans l’énergie thermique et nucléaire. Le principe de fonctionnement de l’accumulation par pompage est très simple. Il consiste à pomper de l’eau d’un point bas à un point haut, à la stocker, puis à la libérer pour produire de l’électricité en cas de besoin.
Stockage par pompage(Image: Drax)
Le stockage d’énergie électrochimique représenté par les batteries lithium-ion (LIBs) et les batteries plomb-acide en est au stade de la démonstration et du déploiement. Cependant, le stockage électrochimique de l’énergie présente un grand potentiel en raison de sa grande applicabilité à la production d’énergie photovoltaïque (PV) et éolienne.
D’autres SSE en sont encore au stade de la recherche et du développement et n’ont pas encore été industrialisés, comme le stockage de l’énergie mécanique par air comprimé et par volant d’inertie, le stockage de l’énergie électromagnétique par supraconducteurs et super-condensateurs et le stockage de l’énergie chimique.
Système de stockage de l’énergie
II.Données sur le marché du stockage de l’énergie en 2020
Le stockage par pompage a représenté la plus grande part, tandis que le stockage d’énergie électrochimique a rapidement rattrapé son retard.
Selon l’Alliance chinoise pour le stockage de l’énergie (CNESA), à la fin de 2020, la capacité installée cumulée du stockage de l’énergie dans le monde a atteint 191,1 GW, avec une augmentation de 3,4 % en glissement annuel.
Sur le marché mondial du stockage de l’énergie, la capacité installée cumulée de l’accumulation par pompage est la plus importante, représentant 90,3 %, suivie par l’accumulation d’énergie électrochimique qui représente 7,5 %. La capacité installée du stockage de chaleur à sel fondu représente 1,8 %, tandis que le stockage d’énergie par air comprimé et le stockage d’énergie par volant d’inertie représentent moins de 1 %.
Le stockage électrochimique de l’énergie est la technologie la plus répandue et celle qui présente le plus grand potentiel de développement. Par conséquent, le développement actuel de la technologie de stockage de l’énergie au niveau mondial est principalement concentré dans le domaine du stockage de l’énergie électrochimique. À la fin de 2020, la capacité installée cumulée du stockage d’énergie électrochimique a atteint 14,2 GW avec une croissance annuelle de 49,6 %. Parmi elles, la capacité installée cumulée des batteries lithium-ion est la plus importante, atteignant 13,1 GW.
Capacité installée cumulée du marché mondial du stockage de l’énergie(Source: CNESA)
Comme le montrent les données ci-dessus, le stockage par pompage occupe actuellement la majorité du marché, et le stockage d’énergie par pile à combustible se classe deuxième. Les autres technologies de stockage d’énergie ne représentent qu’une faible part du marché du stockage d’énergie pour diverses raisons, telles que le coût élevé, le faible rendement, les scénarios d’application limités, les pertes d’auto-décharge importantes. Par conséquent, les paragraphes suivants se concentrent sur la comparaison des avantages et des inconvénients du stockage par pompage et du stockage d’énergie par la technologie LIB, et expliquent pourquoi le stockage d’énergie par la technologie LIB a un grand potentiel pour l’avenir.
III. Le stockage de l’énergie libérale – un grand potentiel
|
|
LIB Energy Storage |
Pumped Storage |
|
Advantages |
|
|
|
Disadvantages |
|
|
|
Applications |
|
|
Stockage par pompage présente de nombreux avantages incomparables par rapport aux autres technologies de stockage d’énergie. En tant que technologie centenaire, l’accumulation par pompage s’est développée de manière très mature par rapport aux autres technologies de stockage d’énergie. En outre, l’accumulation par pompage a une durée de vie de 80, voire 100 ans. L’accumulation par pompage d’aujourd’hui a également un rendement de stockage extrêmement élevé, qui peut atteindre un rendement global de 80 %. Outre la perte d’énergie pendant la charge et la décharge, la perte d’auto-décharge est très faible.
Il est vrai que les inconvénients du stockage par pompage sont évidents. La construction de l’accumulation par pompage est soumise à de grandes restrictions géographiques. En effet, les réservoirs supérieur et inférieur doivent être situés à une distance relativement courte et présenter une grande différence de hauteur. Et sous la condition d’une différence de hauteur limitée, la densité d’énergie atteinte par le stockage par pompage est également très limitée. En outre, la plus grande limitation au développement de cette technologie est son économie extrêmement faible. Le stockage par pompage a des coûts d’investissement élevés et un long délai de récupération, souvent plus de 30 ans, et certains ne sont pas du tout rentables.
Le stockage par pompage (Image: iStock)
Par rapport à l’accumulation par pompage, le stockage d’énergie LIB présente des caractéristiques plus remarquables, telles qu’une technologie mature, une longue durée de vie, une densité énergétique élevée et la protection de l’environnement. Plus important encore, le stockage de l’énergie LIB est très adapté à la production d’énergie photovoltaïque et éolienne.
Le rapport annuel « Renewable Energy Statistics for 2021 » de l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) montre que la part des énergies renouvelables dans l’ensemble des nouvelles capacités de production a fortement augmenté pendant deux années consécutives. Plus de 80 % de toutes les nouvelles capacités de production ajoutées en 2020 seront des énergies renouvelables, le solaire et l’éolien représentant 91 % des nouvelles énergies renouvelables. Selon le rapport de l’AIE, à la fin de 2020, la capacité photovoltaïque installée cumulée mondiale était de 760,4GW. Vingt pays ont ajouté plus de 1 GW de nouvelle capacité photovoltaïque. Parmi eux, la Chine, l’Union européenne et les États-Unis se classent aux trois premiers rangs mondiaux, avec des capacités respectives de 48,2 GW, 19,6 GW et 19,2 GW. La capacité installée cumulée de l’énergie éolienne est de 743 GW.
Cependant, en raison de la volatilité, de l’intermittence et du caractère aléatoire du PV et du vent, la puissance est instable, ce qui intensifie le phénomène d’abandon du vent et de la lumière, et pose des problèmes pour le fonctionnement stable du réseau électrique.
Le stockage par pompage, en tant que système de stockage d’énergie le plus largement utilisé à l’heure actuelle, ne convient qu’à la demande de stockage d’énergie à cycle mensuel à grande échelle, mais il est difficile de répondre aux besoins de stockage d’énergie à cycle quotidien. De plus, il est limité par l’environnement géographique et ne peut être construit et exploité dans les zones non aquatiques.
Au contraire, le stockage d’énergie LIB a un temps de réponse rapide, qui peut s’adapter aux multiples fluctuations de la production d’énergie éolienne et photovoltaïque en une journée. Il peut fournir un certain degré de tampon pour l’accès de nouvelles énergies au réseau électrique, et jouer un rôle dans le lissage des fluctuations, la réduction des pics et le remplissage des vallées, et la programmation de l’énergie. En outre, le stockage de l’énergie par LIB n’est pas limité par la topographie et a un large éventail d’applications.
LIBs (Image: Drax)
Le stockage d’énergie LIB combiné à l’énergie photovoltaïque et éolienne peut rapidement promouvoir la transformation énergétique mondiale. Cependant, elle s’accompagne également d’un problème important : le coût élevé des LIB.
Ⅳ.Tendance des coûts pour les LIB
Le système de stockage d’énergie est constitué de nombreux composants. Le plus élémentaire est la cellule, qui est composée de matériaux d’électrode positive et négative, d’un film d’isolation, d’un électrolyte et d’une feuille de métal. Après avoir connecté un grand nombre de cellules en série et en parallèle, puis les avoir ajoutées au BMS, elles forment le pack de batteries. Plusieurs packs de batteries sont connectés à des systèmes de gestion de batteries tels que BOS et EMS par le biais d’alimentations, puis convertissent le courant continu en courant alternatif par le biais de transformateurs et de PCS pour former un système de stockage d’énergie complet, qui peut être connecté au réseau pour fonctionner. Prenons l’exemple du système de stockage d’énergie de type boîte utilisant des batteries au phosphate de fer et de lithium(lifepo4). Dans un système de stockage d’énergie complet, le coût de lifepo4 représente environ 58,6%, PCS 15,5%, BMS 12,6%, EMS 5,0% et autres équipements 8,3%.
Le système de stockage LIB(Image: InfoLink)
Les technologies LIB étaient limitées sur certains marchés en raison de leur coût élevé et de leur faible durée de vie. Mais au cours des deux dernières années, elles ont bénéficié de l’essor rapide du marché des véhicules électriques. Après le retrait des LIB des véhicules électriques, elles peuvent être utilisées dans le domaine du stockage d’énergie en cascade, ce qui réduit considérablement le coût des LIB et ouvre une porte au stockage d’énergie. L’évolution des prix des technologies LIB peut être divisée en deux étapes d’ici 2020. Le coût des cellules de batterie a fortement baissé au cours de la dernière décennie, et la concentration de l’industrie s’est accrue, tandis que la baisse des coûts des dix années suivantes va ralentir et la concurrence mondiale va s’intensifier. Selon Bloomberg New Energy Finance, le coût des systèmes de stockage d’énergie devrait tomber à 165 $/kWh d’ici 2030.
Tendance des coûts de LIBs(Source: InfoLink)
Afin de réaliser la transition énergétique, la technologie de stockage de l’énergie est la clé du développement des nouvelles énergies. Cependant, la question de savoir si le stockage de l’énergie peut devenir la dernière pièce du puzzle dans le futur système énergétique ne dépend pas seulement de l’innovation technologique mais nécessite également un environnement politique proactif, un marché et une planification minutieuse.
Référence
[1] Energy Storage, Wikipedia
[2] Hongbo Tang, Overview of China’s Electrochemical Energy Storage Industry in 2020, Lead Leo Research Institute, 2020
[3] Lithium Battery Prices Have Slowed Down, But There Is Still About 50% Room Under The Leadership Of Major Manufacturers, InfoLink, 2021
[4] Report On 2020 Global Photovoltaic, International Energy Agency, 2020