Stocker une solution énergétique durable

La transformation de l’énergie propre semble bien engagée. Jouissant des ressources illimitées de l’énergie éolienne et solaire, la capacité d’énergie renouvelable mondiale a atteint 3 372 GW fin 2022 ; une année record au cours de laquelle 83 % de toutes les nouvelles capacités ajoutées étaient renouvelables.^[1] Pourtant, ces chiffres masquent un défi obstinément persistant : comment contenir, distribuer et déployer cette énergie propre une fois qu’elle est produite.

La société moderne a besoin d’électricité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 pour chauffer les habitations, faire fonctionner les usines et recharger les technologies. Mais les rayons du soleil, tout comme les courants d’air qui tourbillonnent dans l’atmosphère, ne suivent pas les horaires humains. Que se passe-t-il lorsque le soleil ne brille pas ou que les pales des turbines restent en sommeil dans un ciel sans vent ?

La meilleure (voire la seule) réponse consiste à trouver un moyen de stocker cette énergie verte, et on la trouve aujourd’hui sous forme de batteries.

En l’absence d’une technologie de batteries adéquate, la société ne se défera jamais complètement des combustibles fossiles. Elle continuera au contraire à dépendre des générateurs de pétrole et de charbon « de pointe » pour couvrir les périodes creuses de l’offre ou répondre aux pics de la demande. Les batteries sont le « chaînon manquant » de la chaîne entre l’approvisionnement en énergie verte et les demandes variables et multiformes en électricité. Elles sont le pont qui peut nous guider vers un avenir sans émission nette et nous permettrait d’éviter les pires effets du changement climatique.

Elles pourraient également donner aux factures d’énergie un « électrochoc » qui n’a que trop tardé. Rien qu’au Royaume-Uni, un réseau sophistiqué de stockage de batteries englobant des systèmes d’électricité, de chauffage et de transport à faible émission de carbone pourrait permettre d’économiser jusqu’à 40 milliards de livres sterling d’ici 2050 ; une bonne nouvelle non seulement pour les écologistes, mais aussi pour les familles qui ont du mal à joindre les deux bouts.^[2]

Le lithium au service d’un avenir plus propre

Les technologies de batterie utilisées pour stocker des quantités importantes d’énergie verte reposent généralement sur des batteries lithium-ion. Pour les appareils de petite taille (téléphones portables), de taille moyenne (automobiles) ou de très grande taille (réseaux électriques), les unités lithium-ion sont généralement considérées comme le support actuel par défaut.

C’est toutefois à l’échelle du réseau qu’elles ont le plus de chances de réduire considérablement l’empreinte carbone du secteur de l’énergie, qui représente actuellement plus de 40 % de l’ensemble des émissions mondiales de CO₂.^[3]

À la fois économiques et durables, les batteries lithium-ion peuvent être utilisées et rechargées des milliers de fois, peuvent être fabriquées dans presque n’importe quelle capacité et représentent une solution relativement sûre et peu coûteuse pour presque tous les scénarios. Leur supériorité est attestée par leur position purement et simplement dominante : les batteries lithium-ion représentent 95 % des systèmes réseau sur le marché à l’heure actuelle.^[4]

Bien que la technologie fondamentale du lithium-ion date maintenant d’un demi-siècle, les itérations modernes utilisent un logiciel piloté par algorithme pour coordonner un modèle optimal de stockage et de libération de l’énergie dans le réseau.

D’un point de vue technique, elles chargent et déchargent de l’énergie en transférant des ions lithium entre les électrodes. Des oxydes métalliques lithiés sont généralement utilisés comme cathode pour le stockage, et le carbone comme anode pour l’extraction.

Les conceptions précises et les compositions chimiques varient d’un modèle à l’autre, mais les ions lithium sont largement considérés comme ayant une densité énergétique et une rentabilité supérieures à celles de tout autre dispositif de stockage d’énergie. Les capacités peuvent aller de quelques KW avec quelques minutes de stockage à des variantes de plusieurs mégawatts adaptées aux sous-stations de services publics.

Les ions lithium ne sont toutefois pas l’idéal. Les taux de décharge et même les conditions climatiques ont un impact sur les niveaux d’efficacité. La dégradation est inévitable, bien sûr, et le grand nombre de composants des ions lithium requiert un système de gestion de la batterie plus rigoureux que les équivalents hybrides au zinc.

Pourtant, la confiance dans la technologie reste élevée et le potentiel d’investissement considérable. Compte tenu de la croissance dynamique, on estime que 120 à 150 nouvelles usines de batteries seront nécessaires d’ici la fin de la décennie pour satisfaire l’appétit de l’industrie en matière de solutions de stockage vertes.^[5] Une étude réalisée l’année dernière suggère que la chaîne des batteries lithium-ion (de l’extraction du minerai au recyclage) augmentera de 30 % d’ici à 2030, pour atteindre une taille de marché de 4,7 TWh et une valeur financière de plus de 400 millions de dollars américains.

Même si les unités lithium-ion restent le leader incontesté de l’industrie, des recherches sont en cours sur des alternatives qui pourraient donner un coup de fouet au secteur du stockage de l’énergie.

Une batterie de technologies révolutionnaires

Les recherches menées sur les technologies de batteries de substitution (qui pourraient égaler, voire dépasser l’efficacité des ions lithium) ont donné des résultats plutôt fascinants.

• Batteries sodium-ion: si les réserves de lithium s’amenuisent ou si le marché doit se diversifier, le sodium-ion constitue une alternative intéressante. Les unités sodium-ion ont une densité énergétique inférieure à leurs équivalents au lithium (120 à 160 wattheures/kg contre 170 à 190 wattheures/kg) et des cycles de vie plus courts (2 000 à 4 000 recharges contre 4 000 à 8 000), mais elles sont jusqu’à 20 % moins chères à produire.^[6] Moins sujettes à l’emballement thermique (échauffement incontrôlable des électrolytes inflammables), elles peuvent également être considérées comme potentiellement plus sûres. Rien qu’en 2023, au moins six nouveaux fabricants ont commencé à produire des batteries sodium-ion.
• Batteries à flux (piles d’oxydoréduction): ces piles à combustible géantes rechargeables produisent de l’énergie via une paire de composants chimiques dissous dans un liquide et divisés par une membrane. Lorsqu’ils sont opérationnels, les électrolytes sont pompés des réservoirs à travers les électrodes pour extraire les électrons, avant d’être rechargés et renvoyés dans le réservoir de stockage. Si les premières batteries à flux nécessitaient du vanadium, certaines versions ultérieures remplacent ce métal rare et coûteux par des composés organiques plus durables qui captent et libèrent également les électrons. Ces dispositifs pourraient un jour alimenter des milliers de foyers pendant de nombreuses heures. Bien que les batteries à flux aient des densités énergétiques et des taux de décharge inférieurs à ceux de nombreux matériaux électroactifs solides, elles sont en train de devenir rapidement viables à l’échelle des services publics. L’année dernière, la ville portuaire chinoise de Dalian a commencé à exploiter une batterie à flux de 400 MWh et 100 MW, permettant aux habitants de tirer largement parti de l’énergie éolienne et solaire.

• Stockage d’énergie à air comprimé: dans ce système, l’énergie excédentaire est utilisée pour comprimer l’air et le stocker dans un grand conteneur pressurisé, avant de le libérer progressivement par le biais d’une turbine tournante pour produire de l’électricité. Pour limiter les coûts, l’air comprimé peut parfois être stocké dans des installations existantes telles que des mines de sel désaffectées. Bien que la technologie ne soit pas nouvelle, des recherches sont en cours sur les méthodes de stockage de la chaleur générée lors de la compression, afin de la réutiliser comme catalyseur d’expansion lorsque le moment est venu de décharger de l’énergie. Au Royaume-Uni, un projet universitaire étudie l’utilisation de « sacs d’énergie » en haute mer comme réservoirs de stockage. Grâce à cette méthode, le coût par unité d’énergie stockée pourrait tomber à 1-10 GBP/kWh, ce qui est nettement moins cher que le stockage par pompage (50 GBP/kWh) ou le stockage électrochimique (500 GBP/kWh).^[7]
• Batteries gravitaires mécaniques: ces systèmes utilisent des blocs lestés qui sont hissés le long d’une tour, puis redescendus pendant les périodes de déficit énergétique pour produire de l’électricité grâce à la force gravitationnelle naturelle. C’est logique : ce qui monte doit, après tout, redescendre. La masse d’une batterie gravitationnelle, combinée à sa descente progressive, crée un couple considérable, générant instantanément une puissance maximale. De telles batteries gravitaires mécaniques peuvent également contribuer à maintenir l’équilibre du réseau, en éliminant les fluctuations risquant de provoquer des pannes d’électricité et d’endommager les infrastructures. La société suisse Energy Vault finalise cette année deux projets de batteries gravitaires, chacun conçu pour démontrer la polyvalence de la technologie. L’un, près de Shanghai (Chine), aura une capacité de stockage d’énergie de 100 MWh et pourra alimenter 3 400 foyers. Le second, au Texas (États-Unis), présente une structure de 140 mètres de haut et une capacité énergétique totale de 36 MWh.^[8]
• Batteries au sable:  ces dispositifs en cours de développement utilisent le sable (ou un substitut similaire) comme moyen de stockage de la chaleur à haute température, généralement pour l’énergie produite à partir de sources éoliennes ou solaires. Une fois déployée, l’énergie peut être utilisée pour chauffer directement les bâtiments ou pour fournir de la vapeur aux processus industriels qui dépendent généralement des combustibles fossiles. Bien que la technologie attende d’être adoptée à grande échelle, un premier exemple de fonctionnement existe déjà en Finlande. Exploitée par la société de services publics Vatajankoski, la batterie au sable située dans la ville de Kankaanpää chauffe plusieurs bâtiments commerciaux et domestiques. Le kit, composé d’un silo en acier isolé rempli de sable et de tuyaux de transfert de chaleur, peut atteindre 600 degrés Celsius et contenir jusqu’à 8 MWh d’énergie thermique lorsqu’il est plein. Grâce à sa tolérance aux températures élevées, le sable peut contenir plusieurs fois la quantité d’énergie qui pourrait être contenue dans un réservoir d’eau équivalent ; bien que la conversion de cette chaleur en électricité n’ait actuellement un taux d’efficacité que de 30 %. Les batteries au sable pourraient s’avérer une solution durable ; l’absence de réaction chimique leur épargnant le processus d’usure et de détérioration des batteries ordinaires. L’équipe à l’origine du projet finlandais fonde de grands espoirs sur cette technologie, estimant que les batteries au sable pourraient un jour être viables dans n’importe quel site doté d’un système de chauffage urbain dans le monde.[9]

Pour optimiser le potentiel des technologies de stockage par batterie, les parties prenantes doivent maintenant concentrer les fonds vers les domaines de recherche appropriés et assurer une industrialisation à grande échelle. Pour bénéficier à l’environnement et améliorer les résultats, le secteur doit se concentrer sur la durabilité, la transparence et la résilience tout au long de la chaîne de valeur.

Court-circuiter les problèmes liés à l’adoption des batteries

Certains défis (tous épineux, mais aucun insurmontable) sont à prévoir sur la voie d’un avenir alimenté par batteries.

L’exploitation minière et le raffinage des minéraux de terres rares épuisent les ressources naturelles, dégradent les terres, créent des déchets, contaminent le sol et l’eau et entraînent une perte de biodiversité. Dans les marchés émergents, d’où proviennent un grand nombre de nos composants de batterie essentiels, des problèmes peuvent surgir sur des questions telles que les droits des populations autochtones et le travail forcé.

La demande en carbonate de lithium devrait dépasser 3 000 kilotonnes d’ici 2030, dépassant de loin les 600 kilotonnes produites en 2021 et les 1 500 kilotonnes prévues d’ici 2030, dans le cadre des accords miniers actuels.^[10]

Des réglementations plus strictes, une transparence accrue et une meilleure planification peuvent aider les parties prenantes des secteurs public et privé à éviter les pièges potentiels liés à l’ESG (environnement, social et gouvernance).

Historiquement, la chaîne de valeur des batteries a également été entravée par la volatilité des prix. En cas de crise mondiale du coût de la vie, la décarbonisation pourrait être fatalement retardée par les coûts élevés des batteries. Dans ce contexte, on ne voit pas comment l’industrie pourrait s’adapter suffisamment pour répondre aux besoins futurs.

Il faut également tenir compte de l’évolution des politiques nationales. Une plus grande cohésion est nécessaire pour faire face aux défis posés par la perturbation des chaînes d’approvisionnement, la pénurie de main-d’œuvre qualifiée et la désunion en matière de protection internationale de la propriété intellectuelle.

Les stratégies d’atténuation peuvent être utiles si elles sont introduites rapidement. Les contrats à long terme et l’intégration verticale de la chaîne d’approvisionnement pourraient contribuer à lever les doutes et renforcer la confiance des investisseurs. Pour gagner les cœurs et les esprits, l’exploitation disruptive des minerais de terres rares doit être liée à un mouvement social et à un programme de croissance plus larges.

Les batteries ayant démontré à maintes reprises leur valeur environnementale tout au long de leur cycle de production et d’élimination, l’industrie n’a pas l’intention de rester inactive. Mais par quoi se traduirait la réussite ? Selon les experts, un écosystème de batteries sain et durable à l’horizon 2030 devra présenter trois caractéristiques obligatoires :^[11]

• Un solide réseau d’approvisionnement: dans l’idéal, les régions s’approvisionneraient largement en matériaux disponibles sur place pour satisfaire la demande intérieure
• Durabilité : pour décarboniser notre société, les industries du stockage d’énergie doivent se décarboniser activement, en garantissant une baisse de 90 % des émissions liées aux matériaux et à la fabrication d’ici la fin de la décennie.
• Une chaîne de valeur circulaire : Les matériaux arrivant en fin de vie doivent être rigoureusement retraités et réintégrés dans le système. Une telle culture limiterait les déchets tout en extrayant le maximum de valeur économique, ce qui devrait représenter un bénéfice supplémentaire de 6 milliards de dollars d’ici à 2040.

L’harmonisation de l’écosystème du stockage de l’énergie nécessitera un soutien enthousiaste des législateurs, doublé d’une vision audacieuse du secteur privé. Les meneurs et les innovateurs comme Abdul Latif Jameel peuvent contribuer à l’avènement d’un avenir meilleur.

Le secteur privé dynamise les consciences

Entreprise phare d’Abdul Latif Jameel dans le domaine des énergies renouvelables, Fotowatio Renewable Ventures (FRV) se concentre non seulement sur la production d’électricité verte à partir de l’énergie éolienne et solaire, mais aussi sur des projets pionniers de stockage de l’énergie.

En 2022, elle a obtenu le financement de son dernier système de stockage d’énergie par batterie (BESS), une centrale lithium-ion de 250 MW à Gnarwarre, dans l’État de Victoria (Australie). Cet accord fait suite à celui conclu pour la construction du système BESS de Terang, d’une capacité de 100 MW, également situé dans l’État de Victoria.

FRV-X, la branche innovation de FRV, est en train de se forger une réputation dans le monde entier avec ses systèmes BESS à grande échelle garantissant une alimentation électrique 24 heures sur 24 pour les foyers et les industries.

FRV participe déjà à des projets BESS au Royaume-Uni à Clay Tye , dans l’Essex (99 MW/198 MWh), à Holes Bay, dans le Dorset (7,5 MW/15 MWh) et à Contego, dans le Sussex de l’Ouest (34 MW/68 MWh).

Elle exploite également une centrale solaire hybride et une centrale BESS à Dalby, dans le Queensland, en Australie.

En 2022, FRV a fait l’acquisition de deux autres projets BESS au Royaume-Uni, sans compter ses intérêts majoritaires dans un projet BESS en Grèce. FRV-X possède plus de 500 MW de projets opérationnels de stockage par batterie sur un large éventail de marchés clés.

« Nous sommes fiers d’être les leaders de l’innovation en matière de stockage d’énergie durable, contribuant ainsi à un avenir plus viable pour nous tous », a commenté Fady Jameel, vice-président et vice-président d’Abdul Latif Jameel.

« D’un point de vue technologique, nous maîtrisons l’art de produire de l’énergie verte de manière propre et économique. Les systèmes de stockage électrique efficaces sont le chaînon manquant sur la voie d’une société véritablement durable. L’évolution actuelle de la technologie des batteries suscite un grand enthousiasme au sein de l’industrie, et nous sommes fiers de participer à cet effort concerté. »

Ces données inspirent une grande confiance. Les marchés mondiaux des batteries pourraient préserver jusqu’à 18 millions d’emplois d’ici à 2030, en créant de nouveaux postes et en sécurisant les emplois existants.^[12] Dans le seul secteur du transport routier, la révolution des batteries à venir pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre de 70 gigatonnes d’équivalent CO₂ (GtCO2e) d’ici à 2050.

La recherche d’une énergie verte fiable et polyvalente n’est pas l’apanage d’un climat ou d’une culture en particulier. Au contraire, elle fait l’objet d’un financement agressif dans le monde entier. Depuis la loi sur la réduction de l’inflation de 2022 aux États-Unis, les parties prenantes se disputent une part des 370 milliards de dollars destinés aux investissements dans les énergies propres. En Europe, la crise énergétique provoquée par la situation entre la Russie et l’Ukraine encourage une réévaluation de l’approvisionnement et du stockage dans une optique d’innovation. Le Pacte vert pour l’Europe vise à mobiliser 1 000 milliards d’euros d’investissements environnementaux dans les énergies propres et le développement durable au cours de la prochaine décennie.^[13]

Il n’est donc pas surprenant que le secteur des BESS doive croître en moyenne de 29 % par an d’ici 2030.

D’ici là, les 450 à 620 GWh d’installations annuelles à grande échelle devraient permettre d’atteindre une part de marché de 90 %.^[14] Trop ambitieux ? En aucun cas ! La mise en place d’un réseau significatif d’installations de stockage par batterie à cette échelle revient à desserrer le frein à main, une fois pour toutes, de notre impérative transition écologique.

[1] https://www.irena.org/News/pressreleases/2023/Mar/Record-9-point-6-Percentage-Growth-in-Renewables-Achieved-Despite-Energy-Crisis

[2] https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/what-is-battery-storage

[3] https://documents.worldbank.org/en/publication/documents-reports/documentdetail/873091468155720710/Understanding-CO2-emissions-from-the-global-energy-sector

[4] https://www.windpowerengineering.com/how-three-battery-types-work-in-grid-scale-energy-storage-systems/

[5] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[6] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems

[7] https://www.thegreenage.co.uk/tech/compressed-air-energy-storage/

[8] https://interestingengineering.com/innovation/two-massive-gravity-batteries-are-nearing-completion-in-the-us-and-china

[9] https://www.bbc.com/future/article/20221102-how-a-sand-battery-could-transform-clean-energy

[10] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[11] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[12] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[13] https://eucalls.net/blog/the-basics-of-the-european-green-deal

[14] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems