Le rôle essentiel du stockage par batterie dans la transition énergétique

Quelles sont les possibilités des différents matériaux de batterie ? Quelles tendances émergentes observer ? M. Safari et A. Hardy (EnergyVille/UHasselt) dressent un état des lieux précis des technologies de batterie actuelles.

Système électrique et transition énergétique : de nouveaux défis

Les consommateurs attendent une électricité disponible à tout moment via leurs prises. Autrement dit, ils exigent une alimentation fiable. Maintenir un équilibre délicat entre production des centrales et consommation est crucial pour la qualité et la fiabilité du système énergétique. Cet équilibre est perturbé par la variabilité de la demande : elle fluctue fortement au fil de la journée et de l'année. Par exemple, les pics matinaux et vespéraux contrastent avec une consommation plus faible en milieu de journée.

La transition énergétique accentue ces défis. L'intégration massive d'énergies renouvelables éoliennes et solaires, couplée à l'électrification croissante (TIC, véhicules électriques, pompes à chaleur), modifie profondément le paysage. L'intermittence de la production et l'augmentation de la consommation risquent de déséquilibrer le système, tant en temporalité qu'en intensité.

Pour évaluer la fiabilité des systèmes énergétiques pendant et après cette transition, une analyse technico-économique approfondie s'impose, tenant compte de multiples facteurs. Nous nous concentrons ici sur un scénario simplifié : un réseau existant complété par des panneaux solaires résidentiels.

Le rôle clé du stockage par batterie

L'écart typique entre production photovoltaïque (PV) et consommation résidentielle est illustré ci-dessus. Le surplus PV (zone verte ombrée) peut être injecté dans le réseau contre rémunération. Mais si le réseau refuse (capacité insuffisante), faut-il curtailler cette énergie verte ? Certainement pas.

Les systèmes de stockage par batterie (BESS pour Battery Energy Storage Systems) boostent la flexibilité du système en optimisant l'usage du réseau. Ils stockent le surplus PV pour une autoconsommation ultérieure (heures de pointe) ou une injection opportuniste. Les BESS reposent sur des cellules électrochimiques rechargeables (EC) qui stockent et restituent l'électricité. Diverses technologies EC existent, à maturités variées, avec des combinaisons uniques d'anode, cathode et électrolyte. Leurs performances dépendent de la chimie et s'évaluent via ces paramètres clés :

1. Énergie spécifique (Wh/kg ou Wh/L) : Pour éviter le curtailement, la capacité minimale (Wh) doit couvrir le surplus total (zone verte, Fig. 1 : 4 kWh). Exemples : plomb-acide (100 kg, 70 L), redox flow (200 kg, 250 L), lithium-ion (35 kg, 38 L). Les lithium-ion excellent par leur densité énergétique, idéaux pour un encombrement réduit en résidentiel.
2. Puissance spécifique (W/kg ou W/L) : Les cellules opèrent dans une fenêtre de tension stricte, gérée par le BMS (Battery Management System). Une puissance élevée accélère les changements de tension, limitant charge/décharge. Les BESS doivent matcher production PV et charge résidentielle. Les lithium-ion surpassent plomb-acide, Ni-MH, Ni-Cd et redox flow.
3. Efficacité : Rapport énergie sortante/entrante par cycle. Idéalement 100 %, mais typiquement 90 % pour lithium-ion sains (vs ~80 % pour plomb-acide/redox). Dépend de puissance, température et âge ; pertes thermiques inévitables.
4. Durée de vie : Fin de vie (EOL) à 80 % de capacité initiale. Dépend de cycles, température et dégradation. Garanties : 10 ans ou milliers de cycles. Remplacement inévitable après 10-15 ans en résidentiel.

État des technologies de batterie : où en sommes-nous ?

Contrairement aux mobiles ou VE, le stockage résidentiel est émergent. Options matures limitées.

Le coût s'exprime en $/kWh, influencé par chimie, maturité (production cumulée CP en Wh, courbe d'expérience) et échelle. Sensible à matières premières, procédés et recyclage.

1. Matures (CP > 1 TWh) : Plomb-acide (>10 TWh, SLI) <500 $/kWh ; lithium-ion (>1 TWh, portables) 400-1500 $/kWh.
2. Émergentes (CP <100 GWh) : Lithium-ion VE (10-100 kWh) : 250-600 $/kWh.
3. Émergentes (CP <1 GWh) : Résidentiel Li-ion/plomb (1-20 kWh) ~1 GWh installé ; redox flow en essor. Coûts : 500-2000 $/kWh.
4. R&D : Nouvelles générations : électrolytes solides/composites ; électrodes Na/Si/S/O2 pour plus d'énergie, durabilité, sécurité.

Faisabilité et perspectives

Période de retour sur investissement : 8-15 ans actuellement (prix électricité, subventions, coûts batteries). Bientôt 5-6 ans grâce à hausse tarifs et chute prix (courbe d'expérience : -12-15 % par doublement CP). Objectif mature : 250-400 $/kWh (CP >1 TWh).

Conclusion

• Les batteries accélèrent l'intégration des renouvelables dans un mix durable.
• Lithium-ion domine par efficacité, densité énergétique/puissance.
• Stockage résidentiel viable grâce à la baisse des coûts.

Références

1. M. Safari. "Véhicules électriques à batterie : regarder derrière pour aller de l'avant", Politique énergétique 2018 (115) :54-65.
2. B. Joos et al. "Eutectogels : une nouvelle classe d'électrolytes composites solides pour les batteries Li/Li-ion", Chemistry of Materials, 2018 (30):655-66.
3. O. Schmidt et al. "Le coût futur du stockage d'énergie électrique sur la base des taux d'expérience", Nature Energy, 2017(2):17110.
4. V. Muenzel et al. "Production photovoltaïque et inadéquation de la demande : évaluer le potentiel du stockage résidentiel", IEEE ISGT, 2015 :1-5.