Économie du stockage d'énergie : une perspective mondiale

Le stockage d'énergie transforme rapidement le paysage énergétique mondial, offrant des solutions aux défis d'intermittence associés aux sources d'énergie renouvelables et améliorant la fiabilité du réseau. Comprendre l'économie du stockage d'énergie est crucial pour les investisseurs, les décideurs politiques et les entreprises. Cet article offre un aperçu complet de l'économie du stockage d'énergie d'un point de vue mondial, couvrant les technologies clés, les facteurs de coût, les modèles économiques et les implications politiques.

Qu'est-ce que le stockage d'énergie et pourquoi est-il important ?

Le stockage d'énergie englobe un éventail de technologies capables de capturer l'énergie produite à un moment donné et de la stocker pour une utilisation ultérieure. Cela comprend :

Stockage par batterie : Utilisation de batteries électrochimiques comme le lithium-ion, le plomb-acide et les batteries à flux.
Stockage hydraulique par pompage (SHP) : Pompage de l'eau vers un réservoir supérieur et son relâchement pour produire de l'électricité en cas de besoin.
Stockage d'énergie thermique (SET) : Stockage de l'énergie sous forme de chaleur ou de froid, souvent en utilisant de l'eau, du sel fondu ou d'autres matériaux.
Stockage d'énergie par air comprimé (CAES) : Compression de l'air et son stockage dans des cavernes souterraines, puis son relâchement pour entraîner des turbines.
Stockage mécanique : Autres mécanismes comme les volants d'inertie qui stockent l'énergie par le mouvement.

L'importance du stockage d'énergie découle de sa capacité à :

Permettre une plus grande intégration des énergies renouvelables : Surmonter la nature intermittente de l'énergie solaire et éolienne, les rendant plus fiables.
Améliorer la stabilité du réseau : Fournir une réponse rapide aux fluctuations de fréquence et aux chutes de tension, prévenant les pannes.
Réduire la demande de pointe : Déplacer la consommation d'électricité des périodes de pointe vers les périodes creuses, réduisant ainsi les coûts globaux.
Améliorer la sécurité énergétique : Fournir une alimentation de secours en cas d'urgence et réduire la dépendance aux combustibles importés.
Permettre les microréseaux et les systèmes hors réseau : Alimenter les communautés isolées et les infrastructures critiques indépendamment du réseau principal.

Technologies clés et leur économie

Stockage par batterie

Le stockage par batterie est actuellement la technologie de stockage d'énergie la plus déployée, en particulier les batteries lithium-ion. Ses avantages comprennent une densité énergétique élevée, un temps de réponse rapide et la modularité. Cependant, le stockage par batterie présente également des limites telles que des coûts initiaux relativement élevés, une durée de vie limitée et des problèmes de sécurité.

Batteries Lithium-ion

Les batteries lithium-ion dominent le marché en raison de leurs hautes performances. Le coût des batteries lithium-ion a considérablement baissé au cours de la dernière décennie, grâce aux avancées dans la fabrication et la science des matériaux. Cette réduction des coûts a rendu le stockage par batterie économiquement viable pour un éventail croissant d'applications.

Facteurs de coût :

Fabrication de cellules : Coût des matières premières (lithium, cobalt, nickel), des processus de fabrication et du contrôle qualité.
Système de gestion de batterie (BMS) : Coût de l'électronique et des logiciels pour surveiller et contrôler les performances de la batterie.
Onduleur et système de conversion de puissance (PCS) : Coût de la conversion de la puissance CC de la batterie en puissance CA pour l'utilisation du réseau.
Coûts d'installation : Main-d'œuvre, permis et préparation du site.
Opération et maintenance (O&M) : Coûts liés à la surveillance, à la maintenance et au remplacement des batteries.

Coût de stockage nivelé (LCOS) : Le LCOS est une métrique couramment utilisée pour comparer l'économie de différentes technologies de stockage d'énergie. Il représente le coût total de durée de vie d'un système de stockage divisé par l'énergie totale déchargée sur sa durée de vie. Le LCOS des batteries lithium-ion varie considérablement en fonction de la taille du projet, de l'emplacement et des conditions d'exploitation. Cependant, il est généralement en baisse à mesure que la technologie s'améliore et que les coûts diminuent.

Exemple : Un projet de stockage par batterie lithium-ion de 100 MW en Californie pourrait avoir un LCOS de 150 à 250 dollars par MWh, en fonction des détails spécifiques du projet.

Autres technologies de batteries

D'autres technologies de batteries, telles que les batteries plomb-acide, les batteries à flux et les batteries sodium-ion, sont également en concurrence sur le marché du stockage d'énergie. Chaque technologie a ses propres avantages et inconvénients en termes de coût, de performance et de durée de vie.

Batteries Plomb-acide : Technologie mature avec des coûts initiaux inférieurs à ceux du lithium-ion, mais une densité énergétique plus faible et une durée de vie plus courte.
Batteries à flux : Longue durée de vie et bonne évolutivité, mais densité énergétique plus faible et coûts initiaux plus élevés. Les batteries à flux de vanadium-redox (VRFB) sont un type courant de batterie à flux.
Batteries Sodium-ion : Potentiellement moins chères que le lithium-ion en raison de l'abondance du sodium, mais toujours aux premiers stades de développement.

Stockage hydraulique par pompage (SHP)

Le stockage hydraulique par pompage est la technologie de stockage d'énergie la plus ancienne et la plus mature, représentant la majorité de la capacité de stockage installée dans le monde. Le SHP implique le pompage de l'eau d'un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur pendant les périodes de faible demande, puis le relâchement de l'eau pour produire de l'électricité pendant les périodes de forte demande.

Avantages :

Grande échelle : Peut stocker de grandes quantités d'énergie pendant de longues durées.
Longue durée de vie : Peut durer 50 ans ou plus.
Technologie mature : Technologie bien établie avec un long historique.

Inconvénients :

Spécifique au site : Nécessite une topographie et des ressources en eau appropriées.
Coûts initiaux élevés : La construction de réservoirs et d'installations de pompage peut être coûteuse.
Impacts environnementaux : Peut avoir un impact sur les écosystèmes aquatiques et la qualité de l'eau.

Facteurs de coût :

Coûts de construction : Excavation, construction de barrages, installation de pipelines et construction de centrales électriques.
Équipement de pompage : Coût des pompes, des turbines et des générateurs.
Acquisition de terrains : Coût d'acquisition de terrains pour les réservoirs et les installations.
Atténuation environnementale : Coûts liés à l'atténuation des impacts environnementaux.

LCOS : Le LCOS pour le SHP est généralement inférieur à celui du stockage par batterie, en particulier pour les projets à grande échelle. Cependant, les coûts initiaux élevés et les exigences spécifiques au site peuvent limiter son déploiement.

Exemple : Un projet de stockage hydraulique par pompage de 1 GW dans les Alpes suisses pourrait avoir un LCOS de 50 à 100 dollars par MWh.

Stockage d'énergie thermique (SET)

Le stockage d'énergie thermique stocke l'énergie sous forme de chaleur ou de froid. Le SET peut être utilisé pour une variété d'applications, y compris le chauffage et le refroidissement urbains, les processus industriels et les systèmes CVC des bâtiments.

Types de SET :

Stockage de chaleur sensible : Stockage d'énergie par changement de température d'un matériau (par exemple, eau, roches ou sol).
Stockage de chaleur latente : Stockage d'énergie par changement de phase d'un matériau (par exemple, fusion de glace ou solidification de sel).
Stockage thermochimique : Stockage d'énergie par rupture et formation de liaisons chimiques.

Avantages :

Coût inférieur : Peut être moins cher que le stockage par batterie, surtout pour les applications à grande échelle.
Haute efficacité : Peut atteindre une efficacité de stockage d'énergie élevée.
Polyvalent : Peut être utilisé pour une variété d'applications.

Inconvénients :

Densité énergétique plus faible : Nécessite des volumes de stockage plus importants que le stockage par batterie.
Applicabilité géographique limitée : Certaines technologies SET conviennent mieux aux climats spécifiques.

Facteurs de coût :

Milieu de stockage : Coût du matériau utilisé pour stocker l'énergie (par exemple, eau, sel fondu ou matériaux à changement de phase).
Réservoir ou conteneur de stockage : Coût du réservoir ou du conteneur utilisé pour contenir le milieu de stockage.
Échangeurs de chaleur : Coût des échangeurs de chaleur utilisés pour transférer la chaleur dans et hors du système de stockage.
Isolation : Coût de l'isolation pour minimiser les pertes de chaleur.

LCOS : Le LCOS pour le SET varie considérablement en fonction de la technologie et de l'application. Cependant, il peut être compétitif avec d'autres technologies de stockage d'énergie, en particulier pour les projets à grande échelle.

Exemple : Un système de chauffage urbain utilisant un stockage d'eau chaude en Scandinavie pourrait avoir un LCOS de 40 à 80 dollars par MWh.

Stockage d'énergie par air comprimé (CAES)

Le stockage d'énergie par air comprimé (CAES) stocke l'énergie en comprimant l'air et en le stockant dans des cavernes souterraines ou des réservoirs. Lorsque l'énergie est nécessaire, l'air comprimé est libéré pour entraîner des turbines et produire de l'électricité.

Types de CAES :

CAES adiabatique : La chaleur générée lors de la compression est stockée et réutilisée pour chauffer l'air avant la détente, augmentant ainsi l'efficacité.
CAES diabatique : La chaleur générée lors de la compression est libérée dans l'atmosphère, nécessitant du combustible pour chauffer l'air avant la détente.
CAES isotherme : La chaleur est retirée pendant la compression et ajoutée pendant la détente, minimisant les changements de température et améliorant l'efficacité.

Avantages :

Capacité à grande échelle : Convient pour stocker de vastes quantités d'énergie.
Longue durée de vie : Peut fonctionner pendant plusieurs décennies.

Inconvénients :

Contraintes géographiques : Nécessite des formations géologiques appropriées pour le stockage souterrain (par exemple, cavernes de sel, champs de gaz épuisés).
Le CAES diabatique a une efficacité plus faible en raison des pertes de chaleur.
Coûts de capital initiaux élevés.

Facteurs de coût :

Étude et développement géologiques : Identification et préparation de sites de stockage souterrain appropriés.
Compresseurs et turbines : Compresseurs d'air et turbines de détente de haute capacité.
Échangeurs de chaleur (pour CAES adiabatique et isotherme) : Dispositifs pour stocker et transférer la chaleur efficacement.
Construction et infrastructure : Construction de la centrale électrique et connexion au réseau.

LCOS : Le LCOS pour le CAES varie considérablement en fonction du type de CAES, des conditions géologiques et de l'échelle du projet. Le CAES adiabatique et isotherme a tendance à avoir un LCOS inférieur à celui du CAES diabatique en raison d'une efficacité plus élevée.

Exemple : Un projet CAES adiabatique proposé au Royaume-Uni pourrait avoir un LCOS de 80 à 120 dollars par MWh.

Modèles économiques pour le stockage d'énergie

Plusieurs modèles économiques ont émergé pour le stockage d'énergie, chacun ciblant différentes opportunités de marché et besoins clients.

Services réseau : Fourniture de services au réseau électrique, tels que la régulation de fréquence, le support de tension et les réserves de capacité.
Réduction de la pointe : Réduction de la demande d'électricité de pointe pour les clients commerciaux et industriels, diminuant leurs coûts énergétiques.
Stockage derrière le compteur : Combinaison du stockage avec la génération d'énergie renouvelable sur site (par exemple, PV solaire) pour fournir une alimentation de secours et réduire les factures d'énergie.
Microréseaux : Alimentation des communautés isolées et des infrastructures critiques avec une combinaison d'énergies renouvelables et de stockage.
Arbitrage d'énergie : Achat d'électricité à bas prix pendant les heures creuses et vente à prix élevé pendant les heures de pointe.
Support de recharge de véhicules électriques (VE) : Déploiement du stockage d'énergie pour soutenir l'infrastructure de recharge rapide des VE et atténuer les impacts sur le réseau.

Exemple : En Australie, le stockage d'énergie est souvent associé au solaire sur les toits pour offrir aux ménages une plus grande indépendance énergétique et réduire leur dépendance au réseau. Ce modèle économique est motivé par des prix élevés de l'électricité et des incitations gouvernementales généreuses.

Cadres politiques et réglementaires

Les politiques et réglementations gouvernementales jouent un rôle crucial dans la formation de l'économie du stockage d'énergie. Les politiques qui soutiennent le stockage d'énergie comprennent :

Crédits d'impôt à l'investissement (ITC) : Fourniture de crédits d'impôt pour les investissements dans les projets de stockage d'énergie.
Tarifs d'achat garantis (FIT) : Garantie d'un prix fixe pour l'électricité produite à partir du stockage d'énergie.
Mandats de stockage d'énergie : Obligation pour les services publics d'acquérir une certaine capacité de stockage d'énergie.
Initiatives de modernisation du réseau : Investissement dans l'infrastructure du réseau pour soutenir l'intégration du stockage d'énergie.
Tarification du carbone : Instauration d'un prix sur les émissions de carbone, rendant les énergies renouvelables et le stockage plus compétitifs.

Les questions réglementaires qui doivent être abordées comprennent :

Définition du stockage d'énergie : Classification du stockage d'énergie comme actifs de production ou de transport, ce qui peut affecter son éligibilité aux incitations et à la participation au marché.
Règles de participation au marché : Assurer que le stockage d'énergie peut participer pleinement aux marchés de gros de l'électricité et recevoir une juste compensation pour ses services.
Normes d'interconnexion : Rationalisation du processus d'interconnexion des projets de stockage d'énergie au réseau.
Normes de sécurité : Élaboration de normes de sécurité pour les systèmes de stockage d'énergie afin de protéger la santé publique et l'environnement.

Exemple : L'Union européenne s'est fixé des objectifs ambitieux pour les énergies renouvelables et le stockage d'énergie, et met en œuvre des politiques pour soutenir leur déploiement. Cela comprend le financement de la recherche et du développement, ainsi que des cadres réglementaires qui encouragent l'intégration du stockage dans le réseau.

Financement des projets de stockage d'énergie

Le financement des projets de stockage d'énergie peut être difficile en raison des coûts initiaux relativement élevés et du paysage réglementaire en évolution. Les mécanismes de financement courants comprennent :

Financement de projet : Financement par emprunt garanti par les actifs et les revenus du projet.
Capital-risque : Investissement en actions dans des entreprises de stockage d'énergie en phase de démarrage.
Capital-investissement : Investissement en actions dans des entreprises de stockage d'énergie plus matures.
Subventions et prêts gouvernementaux : Financement fourni par les agences gouvernementales pour soutenir les projets de stockage d'énergie.
Financement d'entreprise : Financement fourni par de grandes entreprises pour investir dans le stockage d'énergie.

Les facteurs clés qui influencent le coût du capital pour les projets de stockage d'énergie comprennent :

Risque du projet : Le risque perçu associé au projet, y compris le risque technologique, le risque réglementaire et le risque de marché.
Solvabilité de l'emprunteur : La solidité financière de l'entreprise ou de l'organisation qui réalise le projet.
Taux d'intérêt : Taux d'intérêt en vigueur sur le marché.
Durée du prêt : La durée du prêt.

Exemple : Les fonds de pension et les investisseurs institutionnels s'intéressent de plus en plus à l'investissement dans des projets de stockage d'énergie en raison de leur potentiel de rendements stables à long terme. Cette augmentation des investissements contribue à réduire le coût du capital pour le stockage d'énergie.

Tendances futures dans l'économie du stockage d'énergie

L'économie du stockage d'énergie devrait continuer à s'améliorer dans les années à venir, tirée par plusieurs tendances clés :

Baisse des coûts des batteries : Les progrès continus dans la technologie des batteries et la fabrication devraient réduire davantage les coûts des batteries.
Augmentation de l'échelle de déploiement : À mesure que davantage de projets de stockage d'énergie sont déployés, les économies d'échelle réduiront les coûts.
Amélioration des performances : Les efforts continus de recherche et développement visent à améliorer les performances et la durée de vie des systèmes de stockage d'énergie.
Standardisation des produits et services : La standardisation réduira les coûts et améliorera l'interopérabilité.
Modèles économiques innovants : De nouveaux modèles économiques émergent qui peuvent dégager une valeur supplémentaire du stockage d'énergie.

Tendances émergentes :

Batteries à état solide : Offrant une sécurité améliorée et une densité énergétique plus élevée par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles.
Onduleurs formateurs de réseau : Permettant au stockage d'énergie de fournir des services de stabilité du réseau plus efficacement.
Technologie véhicule-à-réseau (V2G) : Utilisation des batteries de véhicules électriques pour fournir des services réseau.
IA et apprentissage automatique : Optimisation des opérations de stockage d'énergie et prévision de la demande d'énergie.

Conclusion

Le stockage d'énergie est un domaine en évolution rapide avec un potentiel important pour transformer le paysage énergétique mondial. Comprendre l'économie du stockage d'énergie est crucial pour prendre des décisions d'investissement éclairées et élaborer des politiques efficaces. Alors que la technologie progresse et que les coûts continuent de baisser, le stockage d'énergie est appelé à jouer un rôle de plus en plus important dans la création d'un avenir énergétique plus propre, plus fiable et plus abordable.

Cet article a fourni un aperçu complet de l'économie du stockage d'énergie, couvrant les technologies clés, les facteurs de coût, les modèles économiques et les implications politiques d'un point de vue mondial. Il est essentiel que les parties prenantes restent informées des derniers développements dans ce domaine dynamique afin de capitaliser sur les opportunités et de relever les défis associés au stockage d'énergie.