Stockage stationnaire d’énergie : les batteries à flux continu d’EnerVault

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Le stockage stationnaire d’énergie, pierre angulaire du Smart Grid

Le stockage énergétique stationnaire désigne l’ensemble des moyens permettant de stocker à un endroit donné de l’énergie, sous quelque forme que ce soit, pour la récupérer ensuite sous forme d’électricité. Il se différencie du stockage énergétique embarqué, destiné par exemple à faire avancer nos futures voitures - électriques. Comme le réseau électrique représente un marché particulier où l’offre et la demande doivent être égales à chaque instant, les intérêts du stockage stationnaire sont multiples. En effet, l’introduction de "réservoirs d’électricité" permet une plus grande flexibilité dans la gestion de ce système, car ils peuvent endosser des fonctions traditionnellement assumées par les outils de production (centrales) ou de transmission (réseau) mais également fournir de nouveaux services.

L’un des défis principaux des réseaux électriques modernes est d’intégrer massivement des sources disséminées, intermittentes et de puissances limitées dans un système historiquement arborescent, centralisé et organisé de façon descendante. En réponse à ces problématiques, les technologies de stockage stationnaire peuvent être déployées à différentes échelles allant du stockage chez le particulier jusqu’aux grandes unités centralisées, et à des échelles temporelles à même de répondre à la régulation de fréquence en temps réel et au report de consommation sur plusieurs heures voir plusieurs jours [1].

Une régulation californienne ambitieuse grâce à la loi AB2514

Le processus d’intégration de technologies de stockage stationnaire au réseau électrique s’est accéléré dans certains états, et notamment en Californie. Résultant d’un travail de fond engagé depuis bientôt cinq ans, le régulateur californien a voté en 2013 une loi phare connue sous le nom d’AB2514 : le texte impose que les trois principaux énergéticiens locaux - PG&E, SDG&E et SC&E - raccordent au réseau une capacité agrégée de stockage d’1,325 GW d’ici 2020 (à noter que les STEP - Stations de transfert d’Energie par Pompage - dont la puissance dépasse 50 MW ne sont pas éligibles) [2]. Le régulateur fixe à chacun des trois électriciens des objectifs biannuels (le taux annuel moyen de croissance étant de 30%). Les énergéticiens concernés n’ont pas accueilli d’un bon oeil cette directive jugée trop ambitieuse. En particulier, la loi précise la puissance totale à installer mais également la localisation des unités de stockage sur le réseau (transport, distribution et chez les clients, c’est-à-dire en aval du compteur). C’est notamment ce dernier choix que les énergéticiens contestent car les retours d’expériences sont encore insuffisants pour valider la viabilité économique et technique du stockage résidentiel.

Un exemple de technologie : les batteries à flux continu

Une batterie permet de stocker et déstocker de l’énergie électrochimique par le biais de réactions d’oxydo-réduction au cours desquelles des électrons sont échangés. De manière simplifiée, les batteries sont composées de trois grandes catégories d’éléments : les électrodes, l’électrolyte et le circuit électrique extérieur. Les électrodes (anode et cathode) sont constituées de matériaux de travail qui libèrent ou acceptent les électrons selon leur état de charge ou de décharge. L’électrolyte, placé entre les deux électrodes, bloque les électrons mais autorise le passage des ions afin d’assurer l’équilibre de charge du système. Enfin, le circuit électrique extérieur connecté aux électrodes amène les électrons de l’anode à la cathode (décharge) et utilise l’énergie sous forme de travail électrique. Les batteries à flux continu ont la particularité d’avoir des électrodes liquides et un électrolyte polymère (membrane échangeuse d’ions). Dans la cellule où a lieu la réaction d’oxydo-réduction, un feutre en graphite qui est imprégné des électrodes liquides permet la conduction électronique vers des collecteurs en graphite puis vers le circuit extérieur [3]. Les liquides contenant les éléments réactifs des deux demi-piles sont stockés dans des réservoirs séparés. Ils traversent les cellules pour l’oxydo-réduction puis sont évacués par un système de pompage. Ainsi, un grand avantage de cette technologie est de dissocier la puissance et la capacité énergétique du système, qui dépendent respectivement du nombre de cellules utilisées et du dimensionnement des réservoirs. L’un des avantages des batteries à flux continu est qu’il n’y a pas de perte de performance par déformation de l’électrode au cours des cycles de charge-décharge, et les systèmes ont une durée de vie assez longue (plusieurs milliers de cycles).

D’après le département de l’énergie américain [4], les technologies de stockage d’énergie en fonctionnement aux Etats-Unis ont une puissance cumulée de 24,6 GW. En comparaison, 28,8 MW de batteries à flux continu sont dans le pipeline de projets, pour seulement 1 MW déjà commissionné. Pour donner une idée plus précise, seuls 13 MW de batteries à flux continu sont aujourd’hui en fonctionnement à travers le monde. Ces technologies doivent donc convaincre aux niveaux techniques et économiques avant que l’on puisse envisager un déploiement à grande échelle.

Première installation d’envergure de la startup californienne EnerVault


Installation des cuves pour les électrodes liquides sur le site de Turlock en Californie
Crédits : Courtesy EnerVault, Source : Bret Adams


Fondée en 2008, la startup EnerVault [5-6] est restée plutôt silencieuse sur ses avancées au fil des ans, dans un secteur où les annonces sur les dernières prouesses technologiques (records de rendement par exemple) font à chaque fois grand bruit dans la presse spécialisée. Pourtant, avec plus de 24,5 millions de dollars d’investissements et le soutien de Total, une équipe dirigeante issue de SunPower et Tesla, la société a le profil adéquat pour accoucher de succès notables [7].


Les batteries sont installées à proximité d’une centrale solaire photovoltaïque
Crédits : Courtesy EnerVault, Source : Bret Adams


EnerVault vient de commissionner en début d’année 2014 son premier projet d’envergure sur le réseau électrique américain. Situé à Turlock en Californie, à proximité d’une centrale solaire et de pompes hydrauliques destinées à l’agriculture, les batteries à flux continu installées sont capables de fournir 250 kW de puissance à PG&E pendant quatre heures, soit 1 MWh d’énergie. L’installation a reçu le soutien financier du département de l’énergie américain (DOE) à hauteur de 4,7 millions de dollars dans le cadre du stimulus fédéral de 2009. Nous avons abordé cette installation en détail dans un bulletin électronique il y a quelques semaines [8].


L’ingénierie hydraulique et la tuyauterie sur les batteries à flux continu peuvent être particulièrement complexes
Crédits : Courtesy EnerVault, Source : Bret Adams


L’installation est particulièrement intéressante car EnerVault affirme que le coût en capital des équipements est en-deçà des objectifs fixés par les autorités fédérales en matière de coûts sur les technologies de stockage électrochimique. Les nombres "magiques" du DOE sont un coût en capital de 250 dollars par kWh et un coût moyen actualisé de l’énergie de 0,20 dollar par kWh : Craig Horne, le co-fondateur d’EnerVault, a affirmé être bien en-dessous [9]. Ci-dessous quelques clichés de l’installation californienne.

Notons en conclusion qu’EnerVault est fortement impliquée dans l’écosystème californien du stockage d’énergie : le 17 avril dernier au Clean Energy Manufacturing Initiative (CEMI) Summit à San Francisco, la startup a annoncé son engagement dans l’initiative CalCharge portée par le Berkeley Lab [10]. CalCharge est un consortium rassemblant les institutions de recherche, entreprises et startups californiennes travaillant sur le développement des batteries de demain. L’ambition affichée est de créer un écosystème local du "stockage électrochimique", chargé de stimuler le développement des technologies, d’accélérer leur passage à l’échelle industrielle et d’assurer leur compétitivité sur les différents marchés de l’énergie.

Sources :


- [1] Smart Grids : au-delà du concept, comment rendre les réseaux plus intelligents ? Mastère Spécialisé OSE. Presse des Mines, ISBN 978-2-911256-93-6. Disponible sur : http://amzn.to/1rg0iiY
- [2] PR Newswire Service. California Adopts Historic Energy Storage Targets. 17 octobre 2013. Disponible sur : http://prn.to/RynLzM
- [3] Pauline Caumon. BE Etats-Unis 232 (21/01/2011). Période d’essai pour les systèmes de stockage stationnaire en Californie. Disponible sur : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65629.htm
- [4] DOE Global Energy Storage Database. Disponible sur : http://bit.ly/1iGABW7
- [5] Site web d’EnerVault : http://enervault.com/
- [6] MIT Technology Review (22 mars 2013). Startup EnerVault Rethinks Flow Battery Chemistry. Disponible sur : http://bit.ly/1iHcbMa
- [7] Greentechmedia (22 février 2012). EnerVault Raises $15.5 Million for Grid-Size Energy Storage Systems. Disponible sur : http://bit.ly/RJ9u34
- [8] Pierre Michel. BE Etats-Unis 371 (06/06/2014). Première mondiale en Californie, procédé de stockage de l’énergie solaire grâce à une nouvelle technologie de batterie à flux redox. Disponible sur : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/76070.htm
- [9] Greentechmedia (09 janvier 2014). EnerVault Nears Completion of Its First Commercial-Scale Flow Battery. Disponible sur : http://bit.ly/1cImN9E
- [10] CalCharge (18 avril 2014). CalCharge leads Bay Area’s play to be the battery-tech capital of the U.S. Disponible sur : http://bit.ly/1nEXB8z

Rédacteurs :


- Pierrick Bouffaron (pierrick.bouffaron@consulfrance-sanfrancisco.org) ;
- Retrouvez l’actualité cleantech sur San Francisco, http://frenchsciencesf.wordpress.com/ ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….