Le stockage d'énergie, technologie clef de la transition énergétique/ Energy storage, a key technology for ensuring the energy transition

Energy storage is a key technology in the energy transition. Since wind and solar energy are intermittent, it is necessary either to associate with them an easily adaptable fossil energy, or an energy storage system. For the time being the share of these energies is small and it is therefore relatively easy to cover the intermittency by a modulation of the other sources of energy. It should be noted, however, that this leads to poorer economic use of other types of plants. From the moment when the share of renewable energies reaches a significant level, energy storage is required. However, there are no easily applicable solutions in this area. The most common solution for achieving significant storage capacity, which currently provides 99% of stationary storage needs, is to pump water at high altitude (storage phase) and then to recover power when needed, by sending the water back through a turbine. It is a well proven solution that leads to good overall yields (of the order of 80%) and which allows a very long life of the facilities. However, it is necessary to have adapted sites. In France, these sites are, for the most part already exploited. In addition, they are frequently far from the production sites, for example offshore wind turbines. Much progress has been made in the field of batteries, but they are not suited to large capacities or long storage times. For example, in the case of a wind turbine, storing the equivalent of the average production for 8 hours leads to an investment in batteries equivalent to the investment required for a wind turbine (Li-ion battery, with a 700 € / kWh of investment for the battery ). However, we can observe a lack of wind for several days. In addition, there is a lack of perspective regarding the life of batteries in such conditions. It is also envisaged to store electricity by producing hydrogen by electrolysis and then generating electricity in a fuel cell. However, the overall yield remains low (between 35 and 45%) and the storage of hydrogen in large quantities is not easy to ensure. Underground storage is possible, but it is imperative to guard against any risk of leakage, which leads to a problem of acceptability. Finally, the costs are high and all the more difficult to make profitable that the operation is intermittent. It is therefore imperative to study and develop innovative solutions in this field: mini hydraulic storage, seawater pumping, new batteries (such as Redox-flow batteries), other physicochemical systems? Many tracks can be envisaged, but none of them has yet been imposed on a large scale. It is therefore essential to identify new storage routes and to test them up to an industrial stage, in particular to have information concerning transient operation.

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Le stockage d'énergie est une technologie clef de la transition énergétique. Comme les énergies éoliennes et solaires sont intermittentes, il faut soit leur associer une énergie fossile facilement modulable, soit un système de stockage d’énergie. Pour le moment la part de ces énergies est faible et il est donc relativement facile de couvrir l'intermittence par une modulation des autres sources d'énergie. Il faut noter toutefois que cela conduit à une moins bonne utilisation économique des autres types de centrales. 

   A partir du moment où la part des énergies renouvelables va atteindre un niveau significatif, le stockage d'énergie devient indispensable. Or, on ne dispose pas de solutions vraiment satisfaisantes dans ce domaine. La solution la plus répandue pour réaliser des capacités de stockage importantes, qui assure actuellement 99% des besoins de stockage stationnaire,  consiste à pomper de l'eau en altitude (phase de stockage) puis à la turbiner (déstockage).  C'est une solution éprouvée qui conduit à de bons rendements globaux (de l'ordre de 80%) et qui permet une très longue durée de vie des installations. Toutefois, il faut disposer de sites adaptés. En France, ces sites sont, pour la plupart déjà exploités. En outre, ils sont fréquemment éloignés des sites de production, s'il s'agit par exemple d'éoliennes en mer. 

    De grands progrès ont été accomplis dans le domaine des batteries, mais celles-ci ne sont pas adaptées aux grandes capacités ni à des temps longs de stockage. Ainsi par exemple dans le cas d'une éolienne, stocker l'équivalent de la production moyenne pendant 8 h entraîne un investissement en batteries équivalent à l'investissement nécessaire pour une l'éolienne (batterie Li-ion, avec l'hypothèse 700 € d'investissement batterie  /kWh). Or, on peut observer une absence de vent pendant plusieurs jours. En outre, on manque de recul concernant la durée de vie des batteries dans de telles conditions.

   Il est également envisagé de stocker l'électricité en produisant de l'hydrogène par électrolyse, puis en générant de l'électricité dans une pile à combustible. Toutefois, le rendement global reste faible (entre 35 et 45%) et le stockage de l'hydrogène en grandes quantités n'est pas facile à assurer. Le stockage souterrain est possible, mais il faut impérativement se prémunir de tout risque de fuite, ce qui entraîne un problème d'acceptabilité.  Enfin les coûts sont élevés et d'autant plus difficiles à rentabiliser que le fonctionnement  est intermittent.

  Il est donc impératif d'étudier et développer des solutions innovantes dans ce domaine: mini stockages hydrauliques, pompage/turbinage d'eau de mer, nouvelles batteries (telles que les batteries Redox-flow), autres systèmes physico-chimiques? De nombreuses pistes peuvent être envisagées, mais aucune d'entre elles ne s'est encore imposée à grande échelle. Il est donc essentiel d'identifier des voies nouvelles de stockage et de les tester jusqu'à un stade industriel, notamment pour disposer d'informations concernant un fonctionnement en régime transitoire.

Complémentarité des sources d'énergie / Complementarity of energy sources

Are the energy sources complementary? This could be considered to be the case in that a diversified energy mix is ​​a guarantee of resilience and a security against the particular risks of each energy source. However, for complementarity to play out, energy sources must be flexible. This is the case for fossil fuels, hydroelectricity and ex-biomass energy. This is not the case for solar energy and wind energy that are produced according to the weather conditions. Nuclear power, for its part, can be qualified as semi-modular, because on the one hand the operating flexibility of nuclear power plants is limited, but on the other hand and especially the variable cost of production is low (not exceeding 10% the cost per kWh produced) a temporary reduction in consumption leads to very little reduction in consumption costs. Thus, when solar or wind-generated kWh are substituted for nuclear generation, the cost of renewable energy power generation is added without significant savings on the production of electricity from nuclear sources. In contrast to fossil fuels, wind and solar power cannot be allocated to variable consumption and necessarily also concern baseload consumption. In addition, as the share of nuclear power increases, the share of demand remaining to be filled becomes variable. Thus, in France, the power demand in 2015 varied between 29 and 91 GW. In this case, if the share of wind and solar energy increases significantly, there will be only two solutions. The first is to provide fossil fuel back-up by using natural gas in preference, given the limited availability of hydraulics and biomass, but necessarily increasing CO2 emissions. The second is to massively increase energy storage capacity. This storage should be able to accommodate very variable durations ranging from a few hours to a few months. As gravity storage capacity in France remains limited, it remains the option of hydrogen storage, but it has many disadvantages (overall low efficiency of the order of 35%, high fixed costs especially if the durations of use remain limited, storage enclosure issues). However in the French context with a significant share of nuclear energy (77% in 2015), such a development of the storage is essential so that the investments in wind and solar are not engaged in pure loss.

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Les sources d'énergie sont-elles complémentaires? On pourrait considérer que c'est le cas dans la mesure où un mix énergétique diversifié est un gage de résilience et une sécurité vis-à-vis des risques particuliers que comporte chaque source d'énergie. Toutefois, pour que la complémentarité puisse jouer, il faut que les sources d'énergie soient modulables. C'est le cas des énergies fossiles, de l'hydroélectricité et de l'énergie ex-biomasse. Ce n'est pas le cas de l'énergie solaire et de l'énergie éolienne qui sont produites en fonction des conditions météorologiques. Le nucléaire pour sa part peut-être qualifié de semi-modulable, car d'une part la souplesse de fonctionnement des centrales nucléaires est limitée, mais d'autre part et surtout le coût variable de la production étant faible (ne dépassant pas 10% du coût du kWh produit) une réduction temporaire de consommation n'entraîne que très peu de réduction sur les coûts de consommation. Ainsi lorsque des kWh d'origine solaire ou éolienne viennent se substituer à une production nucléaire, le coût lié aux renouvelables vient s'ajouter sans économie appréciable sur la production d'électricité d'origine nucléaire. Contrairement à ce qui se passe avec les énergies fossiles, l'électricité d'origine éolienne et solaire ne peut pas en effet être affectée à la consommation variable et concerne nécessairement également la consommation de base. En outre, plus la part de nucléaire augmente, plus la part de la demande restant à combler devint variable. Ainsi, en France, la puissance appelée en 2015 a varié entre 29 et 91 GW. Dans ce cas, si la part d'énergie éolienne et d'énergie solaire augmentent sensiblement, il n'y aura que deux solutions. La première est d'assurer un back-up par de l'énergie fossile, en utilisant de préférance du gaz naturel, étant donné les disponibilités limitées en hydraulique et en biomasse mais en augmentant nécessairement dans ce cas les émissions de CO2. La deuxième est d'augmenter massivement les capacités de stockage d'énergie. Ce stockage devrait pouvoir accommoder des durées très variables allant de quelques heures à quelques mois. Les capacités de stockage gravitaire en France restant limitées, il reste l'option du stockage d'hydrogène, mais celui-ci présente de nombreux inconvénients (faible rendement global de l'ordre de 35%, coûts fixes élevés surtout si les durées d'utilisation restent limitées, problèmes de l'enceinte de stockage). Toutefois dans le contexte français avec une part du nucléaire importante (de 77% en 2015), un tel développement du stockage est indispensable pour que les investissements en matière d'éolien et de solaire ne soient pas engagés en pure perte.

Géopolitique des énergies renouvelables/ Renewable energy geopolitics

The geopolitics of renewable energies differs considerably from the geopolitics of hydrocarbons. Oil is easily transportable and the whole problem of energy production is to exploit oil where it is widely available, i.e. mainly in the Middle East. Technology, however, can change the geopolitical situation, making it possible to produce oil in places where it is difficult to access. Thus, thanks to technology, it has been possible to produce oil in the North Sea or source rock hydrocarbons in the United States through hydraulic fracturing, thus considerably altering the previous equilibrium. In any case, however, because oil is inexpensive to transport, the important thing is to be able to dispose of the deposits, irrespective of where the oil is later used. This is the reason why military actions have frequently been taken to control a place of production and sometimes also to ensure freedom of transit. In the case of renewable energy sources, the situation is very different since in general the energy produced must be used in a region close to the production site, because of the high cost of electrical energy transportation, especially if the power transported varies. considerably throughout the year. This situation is generally considered an advantage since it is not necessary to import energy from regions that may pose security of supply problems. However, by reasoning this way, it is overlooked that in most cases the available resources vary considerably from one region to another. Thus, geothermal energy is only really advantageous in regions benefiting, like Iceland, from a high geothermal gradient (in Iceland 100% of electricity is produced from renewable energy, of which 30% by geothermal energy and 70% by hydraulics in 2016). Water resources vary considerably from one country to another. In Europe, for example, Norway (where 96% of the electricity was hydro-electric in 2016) or Switzerland are abundantly supplied with hydraulic power, while the situation is quite different for the countries of the South. The same is true for biomass. Significant wood resources are available in Sweden or Finland (where biomass accounted for 26% of the energy consumed in 2016), but not in Greece and given the fact that wood is solid and its energy density is relatively low, it is also expensive to carry. In the case of solar energy, the situation also varies considerably depending on the latitude (the mean irradiation energy varies between 700 and 2700 kWh / m²). At low latitude, the solar irradiation is much more important and the radiation much more regular during the year, whereas in the northern latitudes the duration of sunshine can vary between 0% in winter and 100% in summer. As a result, the exploitation of solar energy in a country like Norway, where it is almost constantly dark in winter, is obviously problematic, while the countries close to the equator have a strong advantage over the production of solar energy. There remains the case of wind energy. In this case too, the differences are significant between coastal regions and those located further inland (the average available power varies between 50 and 400 W / m² depending on the point of the globe. Wind energy, because of its extreme intermittency, the quantity of materials it requires and the small margin of progress that can be envisaged, poses other problems that require a more detailed analysis. From this brief reminder, two consequences can be drawn. The first is that there must be significant differences in the availability of renewable energy and it would be illusory to consider all regions as equivalent. Northern countries, such as Norway, Sweden, Canada, have a clear advantage in terms of energy ex-biomass and hydro, the countries of the South, in terms of solar energy. The second is that technology plays a vital role. Mastering a technological sector (or the materials it requires, such as rare earths) provides a considerable geopolitical advantage. This is what China is aiming at in the case of photovoltaics or Germany in the case of wind power.

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La géopolitique des énergies renouvelables diffère considérablement de la géopolitique des hydrocarbures.  Le pétrole est facilement transportable et toute la problématique de la production d'énergie revient à exploiter le pétrole là où il est largement disponible, c'est à dire majoritairement au Moyen-Orient. La technologie permet toutefois de modifier la situation géopolitique, en rendant possible la production de pétrole dans des lieux où il est difficilement accessible. C'est ainsi que grâce à la technologie, il a été possible de produire du pétrole en mer du Nord ou des hydrocarbures de roche-mère aux Etats-Unis grâce à la fracturation hydraulique, modifiant ainsi considérablement l'équilibre antérieur. Dans tous les cas néanmoins, du fait que le pétrole est peu coûteux à transporter, ce qui compte est de pouvoir disposer des gisements, quel que soit le lieu d'utilisation ultérieure du pétrole. C'est la raison pour laquelle, des actions militaires ont été fréquemment engagées pour contrôler un lieu de production et parfois aussi pour assurer une liberté de transit.

   Dans le cas des énergies renouvelables, la situation est très différente puisqu'en général l'énergie produite doit être utilisée dans une région rapprochée du lieu de production, en raison du coût élevé du transport d'énergie électrique, surtout si la puissance transportée varie considérablement tout au long de l'année. Cette situation est généralement considérée comme un avantage, étant donné qu'il n'est pas nécessaire d'importer l'énergie de régions qui peuvent poser des problèmes de sécurité d'approvisionnement. Toutefois, en raisonnant ainsi, on omet de prendre en compte le fait que dans la plupart des cas, les ressources disponibles varient considérablement d'une région à une autre. Ainsi, la géothermie n'est vraiment avantageuse que dans des régions bénéficiant, comme l'Islande d'un gradient géothermique élevé (en Islande 100% de l'électricité est produite à partir d'énergie renouvelable dont 30% par géothermie et 70% par hydraulique en 2016). Les ressources hydrauliques varient considérablement d'un  pays à un autre. Ainsi en Europe, la Norvège (où 96% de l'électricité a été d'origine hydraulique en 2016) ou la Suisse en sont abondamment pourvues, alors que ce n'est pas du tout le cas des pays du Sud. Il en est de même pour la biomasse. Des ressources en bois importantes sont disponibles en Suède ou en Finlande (où la biomasse a représenté 26% de l'énergie consommée en 2016), mais pas en Grèce et compte-tenu du fait que le bois est solide et que sa densité énergétique est relativement faible, il est également coûteux à transporter. Dans le cas du solaire, la situation varie également considérablement en fonction de la latitude (entre 700 et 2700 kWh/m²). A faible latitude, l'irradiation solaire est beaucoup plus importante et le rayonnement beaucoup plus régulier durant l'année, alors qu'aux latitudes septentrionales la durée d'ensoleillement peut varier entre 0% en hiver et 100% en été. De ce fait, l'exploitation de l'énergie solaire dans un pays comme la Norvège où il fait nuit presque constamment en hiver, est évidemment problématique, tandis que les pays proches de l'équateur sont fortement avantagés vis à vis de la production d'énergie solaire. Reste le cas de l'énergie éolienne. Dans ce cas également, les différences sont importantes entre les régions côtières et celles qui sont situées plus à l'intérieur des terres (la puissance moyenne disponible étant comprise entre 50 et 400 W/m² suivant le point du globe considéré. En outre, l'énergie éolienne, en raison de son intermittence extrême, de la quantité de matériaux qu'elle requiert et de la faible marge de progrès envisageable, pose d'autres problèmes, qui nécessitent une analyse plus détaillée.

   De ce bref rappel, on peut tirer deux conséquences. La première est qu'il faut admettre des différences importantes dans les disponibilités en énergie renouvelable et qu'il serait illusoire de considérer toutes les régions comme équivalentes. Les pays du Nord, tels que Norvège, Suède, Canada, disposent d'un clair avantage en termes d'énergie ex-biomasse et hydraulique, les pays du Sud, en termes d'énergie solaire. La deuxième, c'est que la technologie joue un rôle essentiel. Maîtriser une filière technologique (ou les matériaux qu'elle nécessite, tels que les terres rares) permet d'acquérir un avantage géopolitique  considérable. C'est ce que la Chine vise dans le cas du photovoltaïque ou l'Allemagne dans le cas de l'éolien. 

Vers des énergies réparties? / Towards distributed energy systems

The deployment of renewable energy sources will require new technologies for transporting ans storing energy. A high penetration of solar and wind energy sources will require   "smart grids" able to manage the transmission of power, in presence of multiple and intermittent sources of energy.  Even with smart grids, for a high penetration of solar and wind sources, energy storage systems will be needed. It is possible to consider either distributed or centralized energy storage systems. For a local storage, it is possible to use batteries, but this option is expensive and there is also a problem of life time. The life time of a lead battery often does not exceed two years. New options using liquid electrodes (sodium/sulfur) or redox-flow batteries are tested for increasing the life time, but are not yet fully proven and remain expensive. The most widespread storage option is using large capacity  hydro or pumped hydro energy storage systems. The overall efficiency is good  (from 70 to 80%) and such energy storage systems are reliable, but they require specific mountainous sites. Therefore the transport distance to and from the storage can become quite  large and the system cannot be considered any more as truly decentralized.

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La mise en œuvre des énergies renouvelables (solaire, éolien) va nécessiter le recours à de nouvelles technologies de transmission et de stockage d’énergie, pour pouvoir gérer les caractéristiques d’intermittence et de production décentralisée associées aux énergies renouvelables. Le concept d’habitat à énergie positive conduit à envisager une génération d’énergie beaucoup plus répartie, chaque habitation pouvant potentiellement devenir un exportateur net d’électricité. Une forte pénétration des énergies renouvelables et des modes de production décentralisés va rendre nécessaire la mise en œuvre de réseaux d'interconnexion « intelligents » (smart grids), capables de gérer des échanges qui peuvent s’inverser (utilisateurs devenant des producteurs) et de compenser l’intermittence dans la fourniture de la part de certains producteurs d’énergie.