Plusieurs types de stockage actuellement étudié dans la recherche française

Les batteries électrochimiques et le stockage à air comprimé de l’IFPEN

– Les batteries REDOX à circulation pour un stockage de longue durée

L’IFP Énergies nouvelles étudie la solution de stockage des batteries à circulation RedOx. Des électrolytes liquides stockent l’énergie sous forme électrochimique et circulent à travers des membranes échangeuses d’ions, générant ainsi de l’électricité par une réaction d’oxydoréduction. Ces batteries présentent l’avantage de pouvoir être dimensionnées en puissance et en énergie en fonction des besoins. Elles sont également d’une grande durabilité.

L’enjeu majeur de cette recherche concerne la mise au point de nouveaux électrolytes moins coûteux et plus performant sur le plan énergétique. Le laboratoire s’intéresse donc à l’identification et la qualification d’électrolytes organiques innovants. Les travaux de l’IFPEN incluent la compréhension des mécanismes et la modélisation multiphysique et multiéchelle de la technologie, en vue de son optimisation. Un système permettant la qualification de nouvelles technologies est actuellement en test sur un microgrid installé sur le site « laboratoire » à Lyon, (Un microgrid est un réseau d’énergie intégré comprenant des charges (point de consommation) interconnectées, des points de ressources énérgétiques ainsi qu’un système de gestion de ces ressources distribuées. Ce réseau local peut fonctionner en étant connecté au réseau électrique traditionnel ou en régime « isolé »).

– L’air comprimé pour donner un nouveau souffle au stockage

Il est acquis aujourd’hui pour les grands acteurs publics internationaux, que cette évolution est une nécessité, un enjeu aussi bien pour l’humanité que pour la sauvegarde de la nature et de la planète. Pour preuves, la récente loi pour la transition énergétique et la croissance verte, le Paquet Energie-Climat de la Commission européenne, les Accords de Paris…

L’IFPEN s’intéresse également au stockage d’énergie par air comprimé, qui permet de stocker de grandes quantités d’énergie. L’enjeu est notamment de stocker efficacement la chaleur générée par la compression de l’air, afin d’obtenir de bon rendement énergétique, et d’optimiser l’économie du système. Ces travaux s’articulent autour de trois axes :

• L’optimisation économique du procédé s’appuyant sur des technologies de machine tournantes existantes.
• Le développement de technologies pour le stockage de la chaleur et l’optimisation des échanges thermiques dans les faces de compression et détente du gaz.
• La conception de réservoir d’air sous pression à bas coût, qui permet l’utilisation de la technologie sans stockage souterrain.

L’hydrogène utilisé à des fins énergétiques : un secteur en plein essor

L’hydrogène est un gaz très léger (11 fois plus léger que l’air); pour en stocker des quantités significatives au regard de l’énergie qu’on peut « en tirer » il faut réduire son volume de façon considérable.

Trois  façons de régler ce problème sont connues à ce jour :

• Le stockage sous forme gazeuse à très haute pression (700 bar environ)
• Le stockage sous forme liquide donc à très basse température (cryogénie -250°C environ)
• Le stockage sous forme solide (hydrures métalliques)

Les 2 premières formes sont bien maitrisées mais la forme cryogénique nécessite de réservoir isolé de très haute technologie et toute la chaine « cryo » bien que maîtrisée confine cette méthode à des applications à très haute valeur ajoutée comme le spatial par exemple.

La haute pression est la plus simple et celle qui convient bien aux transports terrestres (automobile entre-autre). Un réservoir de 75 litres contient environ 3 kg d’hydrogène soit une autonomie d’environ 400 km pour un véhicule léger.

La troisième la plus prometteuse est aussi la moins avancée ; elle est basée sur le fait qu’on utilise un peu certains métaux comme le magnésium comme une « éponge » à hydrogène. Les atomes d’hydrogène s’y « collent » (adsorption) ou se combinent intimement de façon réversible en hydrures. Le problème majeur est la faible quantité qu’on peut actuellement stocker (3% du poids de « l’éponge » environ actuellement). La recherche progresse assez vite et y consacre énormément de moyens, en particulier pour trouver un matériau capable d’adsorber et d’absorber une masse bien plus grande.

Le stockage souterrain de la chaleur pour la décarbonation des bâtiments

Le projet ABC Storage du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) constitue une réponse efficace pour optimiser le processus d’autoconsommation / autoproduction des énergies renouvelables intermittentes : ce qui n’est pas utilisé immédiatement est stocké en profondeur sous forme de chaleur.

Il s’agit d’un premier système de stockage multi-énergie maximisant l’autoproduction et l’autoconsommation de l’énergie solaire à un coût compétitif. Ce système associe dans une combinaison innovante un stockage d’énergie thermique et un stockage d’énergie électrique.

Le sous-système de stockage thermique d’électricité intègre la production d’énergie par panneaux solaires photovoltaïques, la transformation de cette énergie électrique en énergie thermique par  pompe à chaleur et le stockage inter-saisonnier de l’énergie thermique par sondes géothermiques. Ce fonctionnement est basé sur la maîtrise des températures injectées dans le sous-sol pour optimiser le rendement de l’installation et doit permettre une gestion dynamique de l’injection de chaleur dans les sondes, en fonction des capacités de production d’énergie renouvelable et des besoins du bâtiment. Les taux de CO2 émis par électricité du réseau sont également pris en compte.  Le démonstrateur est en cours de réalisation sur la plate-forme géothermique du BRGM. Les forages sont en voie d’achèvement.

Le développement d’outils numériques

Le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives déploie un important programme de recherche sur le stockage pour les applications stationnaires et mobiles. Il conduit en parallèle des travaux sur le développement des technologies batteries, hydrogène thermique, et sur des outils de simulation permettant de modéliser le fonctionnement de systèmes énergétiques complexes associant source de production renouvelable et systèmes de stockages. Dans le cadre de systèmes insulaires, le déploiement massif des énergies renouvelables est d’autant plus pertinent que les systèmes de production d’électricité existants sont largement basés sur des ressources fossiles carbonées coûteuses. Toutefois, ces systèmes insulaires sont caractérisés par une étendue géographique limitée, qui accentue la variabilité de la production et son impact sur la fiabilité du système électrique. Ainsi, dans ce contexte, le couplage des systèmes de stockage à cette production ENR est indispensable à leur déploiement.

Par exemple, un outil logiciel est actuellement déployé sur quatre installations en Corse, en Guyane et à La Réunion. Celui-ci collecte et analyse des données des différents composants de systèmes de stockage opérés avec une centrale photovoltaïque pour en suivre les performances au quotidien et prévoir ses éventuelles évolutions, aussi bien le vieillissement des composants que la modélisation d’amélioration dans le pilotage des installations. Un potentiel d’amélioration de 20 % de la performance globale du système « énergie renouvelable – stockage » a d’ores et déjà été démontré via l’optimisation de ce système.