Stocker l’energie solaire et l’energie éolienne : un problème

Les énergies renouvelables représentent la promesse de réduire les émissions de dioxyde de carbone. Mais il y a des moments où les fermes solaires et éoliennes produisent plus d’électricité que nécessaire pour les consommateurs. Le stockage du surplus d’énergie dans les batteries pour une utilisation ultérieure apparaît comme une solution évidente, mais une nouvelle étude de l’Université de Stanford aux Etats-Unis, suggère que ce n’est pas toujours le cas.

«Nous avons examiné le système des batteries et d’autres technologies prometteuses pour le stockage de l’énergie solaire et éolienne sur le réseau électrique », a déclaré Charles Barnhart, le principal auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au projet d’énergie (PEGC ).

 » Notre principal objectif était de calculer le coût énergétique global, c’est à dire la quantité totale de combustible et d’électricité nécessaire pour construire et exploiter ces technologies de stockage. »

La plupart de l’électricité aux États-Unis est produite dans des centrales fonctionnant au charbon et gaz naturel, des combustibles fossiles qui contribuent de façon significative au réchauffement climatique en émettant de grandes quantités de dioxyde de carbone. Les énergies solaires et éoliennes sont sans émission et renouvelables, mais dépendent de la lumière du soleil ou du vent pour fonctionner.

Mais dans la pratique, pour un fonctionnement optimal, l’alimentation doit correspondre à la demande d’électricité en tout temps et avec des énergies renouvelables, ce n’est pas toujours le cas. Par exemple, les éoliennes produisent parfois trop d’électricité la nuit, le moment où la demande est faible. L’excès d’énergie doit donc être stockée ou utilisée ailleurs. Sinon, il sera perdu. Cependant, le réseau américain a une capacité de stockage très limitée.

Une grande variété de technologies sont développées pour remédier au manque de stockage à grande échelle. L’équipe de Stanford a étudié plusieurs technologies émergentes, y compris les cinq types de batteries : plomb, lithium-ion , sodium- soufre, vanadium redox et zinc-brome.

Dans une étude précédente, Barnhart a calculé le coût énergétique de la construction et l’entretien de chacun des cinq systèmes de batteries pour le stockage à grande échelle. Les batteries au plomb avaient le coût énergétique le plus élevé et le lithium-ion le plus bas.

«Nous avons calculé combien d’énergie est utilisée sur l’ensemble du cycle de vie de la batterie, à partir de l’extraction des matières premières jusqu’à l’installation du dispositif fini « , a déclaré Barnhart.  » Des piles au coût énergétique élevé consomment plus de combustibles fossiles et donc libèrent plus de dioxyde de carbone au cours de leur vie. Si le coût énergétique d’une batterie est trop élevée, sa contribution globale au réchauffement climatique pourrait annuler les avantages environnementaux du vent ou de la ferme solaire.

Pour cette étude, lui et ses collègues ont calculé le coût énergétique des cellules photovoltaïques et des éoliennes.

« Les éoliennes et les panneaux photovoltaïques fournissent plus d’énergie qu’il n’en faut pour les construire et les entretenir « , a déclaré Michael Dale, un coauteur de l’étude.  » Cependant, nos calculs ont montré que le coût énergétique global des éoliennes est beaucoup plus faible que celui des panneaux solaires classiques qui nécessitent beaucoup d’énergie, principalement à partir de combustibles fossiles pour le traitement de silicium et la fabrication d’autres composants ».

Stocker ou réduire ?

Ensuite, les scientifiques ont étudié le cas de l’arrêt du fonctionnement d’un certain nombre de panneaux solaires et d’éoliennes pour réduire la production de surplus d’électricité sur le réseau.

« l’Interruption des ressources renouvelables semble inutile « , a déclaré Barnhart.  » Mais les opérateurs de réseau réduisent systématiquement les éoliennes pour éviter une augmentation soudaine de l’électricité excédentaire qui pourraient surcharger les lignes de transmission et causer des pannes d’électricité.

Arrêter une source d’électricité propre semble être contreproductif mais d’une autre coté, stocker l’énergie excédentaires dans des batteries, est-ce une alternative raisonnable ?

Pour le savoir, les chercheurs ont comparé le coût énergétique de l’énergie solaire et éolienne restreintes avec le coût énergétique de leurs stockages à grande échelle. Leurs calculs ont été basés sur une formule dite « retour énergétique sur investissement », c’est à dire la quantité d’énergie produite par une technologie, divisée par la quantité d’énergie qu’il faut pour la construire et l’entretenir.

En utilisant cette formule, les chercheurs ont constaté que la quantité d’énergie nécessaire pour créer une ferme solaire était comparable à l’énergie utilisée pour construire chacune des cinq technologies de batteries.  » L’utilisation de batteries pour stocker l’énergie solaire pendant les périodes de faible demande serait, par conséquent, énergétiquement favorable « , a déclaré Dale.

Les résultats ont été tout à fait différents pour les parcs éoliens. Les scientifiques ont constaté que la suppression d’éoliennes réduit le rendement énergétique sur investissement de 10 pour cent. Mais le stockage des surplus d’électricité d’origine éolienne dans les batteries est encore plus importants (environ 20 pour cent pour les batteries lithium-ion et à plus de 50 pour cent pour le plomb-acide).

L’augmentation de la durée de vie d’une batterie serait le moyen le plus efficace pour améliorer sa performance énergétique. Les batteries classiques au lithium-ion durent environ quatre ans ou 6000 cycles de charge-décharge . Les batteries au plomb acide ne durent environ que 700 cycles. Pour stocker efficacement l’énergie sur le réseau, les batteries doivent supporter entre 10.000 à 18.000 cycles..

En plus des batteries, les chercheurs ont considéré d’autres technologies de stockage d’énergie renouvelables, telles que le stockage par pompage hydraulique, qui utilise le surplus d’électricité pour pomper l’eau d’un réservoir derrière un barrage. Et si la demande en énergie est élevée, l’eau stockée est libérée à travers des turbines dans le barrage pour produire de l’électricité.

 » Pumped hydro est utilisé dans 99% pour cent des stockage de réseau aujourd’hui « , a déclaré Barnhart.  » Il fonctionne superbement d’un point de vue énergétique pour les énergies éoliennes et solaires. Son retour sur investissement est 10 fois mieux que pour les batteries classiques. Mais il y a des contraintes géologiques et environnementales sur les zones où pomped hydro peut être déployée.

Le stockage n’est pas la seule façon d’améliorer la fiabilité du réseau. L’énergie qui serait perdue pendant les périodes d’excès pourrait être utilisée pour pomper de l’eau pour l’irrigation ou pour charger une flotte de véhicules électriques, par exemple.

Il est important pour la société de miser sur de nouvelles technologies. Les politiciens et les investisseurs doivent tenir compte du coût énergétique ainsi que du coût financier des nouvelles technologies. Si l’économie est le seul point de mire, alors les technologies moins coûteuses qui nécessitent des quantités importantes d’énergie pour leur fabrication, leur entretien et leur remplacement pourraient l’emporter au final, même si elles augmentent les quantités de gaz à effet de serre.