Stockage d'énergie par gravité : exploiter la hauteur pour un avenir durable

Alors que le monde opère une transition urgente vers des sources d'énergie durables, des solutions de stockage innovantes sont cruciales pour un fonctionnement fiable du réseau. Parmi les diverses technologies en lice, le stockage d'énergie par gravité (GES) s'impose comme une option potentiellement viable et respectueuse de l'environnement. Cet article explore les principes, les types, les avantages, les défis et les applications mondiales du GES, offrant un aperçu complet de ce domaine passionnant.

Qu'est-ce que le stockage d'énergie par gravité (GES) ?

Le stockage d'énergie par gravité, souvent appelé « batterie gravitationnelle », est un type de système de stockage d'énergie mécanique qui utilise l'énergie potentielle d'objets surélevés pour stocker et libérer de l'électricité. Le principe fondamental est simple : lorsqu'un surplus d'énergie est disponible (par exemple, lors des pics de production solaire ou éolienne), il est utilisé pour soulever une masse lourde à une altitude plus élevée. L'énergie est alors stockée sous forme d'énergie potentielle de gravitation. Lorsque la demande d'énergie augmente, la masse est abaissée, et le mouvement descendant entraîne un générateur, reconvertissant l'énergie potentielle en électricité.

Le concept est analogue au pompage-turbinage (STEP), qui est la forme la plus mature de GES. Cependant, contrairement au STEP qui nécessite des caractéristiques géographiques spécifiques comme des montagnes et de grands réservoirs, le GES vise à être plus flexible en termes d'emplacement et d'échelle. Cette adaptabilité inhérente permet de déployer le GES dans une plus grande variété d'environnements, ce qui en fait une solution de stockage d'énergie plus polyvalente.

Types de systèmes de stockage d'énergie par gravité

Diverses conceptions de GES sont développées et testées dans le monde, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Ces systèmes peuvent être globalement classés en fonction de la méthode utilisée pour soulever et abaisser la masse et du type de masse employée :

1. Pompage-turbinage (STEP)

Le pompage-turbinage (STEP) est la forme la plus établie de GES. Il consiste à pomper l'eau d'un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur en utilisant l'électricité excédentaire. Lorsque de l'énergie est nécessaire, l'eau est relâchée vers le bas, entraînant des turbines pour produire de l'électricité.

Exemple : La centrale de pompage-turbinage du comté de Bath en Virginie, États-Unis, est l'une des plus grandes installations de STEP au monde. Elle dispose d'une capacité de plus de 3 GW et fournit des services essentiels de stabilisation du réseau.

Bien que très efficace, le pompage-turbinage est limité géographiquement, nécessitant une superficie importante, des dénivelés adéquats, ainsi qu'un accès à de grandes quantités d'eau.

2. Stockage d'énergie par gravité souterrain avancé (AUGES)

Les systèmes AUGES (Advanced Underground Gravity Energy Storage) utilisent des puits souterrains et des grues pour soulever et abaisser des poids lourds, généralement composés de matériaux comme du sable, du gravier ou des blocs de béton spécialement conçus. Ces systèmes sont conçus pour surmonter les limitations géographiques du pompage-turbinage.

Plusieurs entreprises développent activement les technologies AUGES. Energy Vault, par exemple, utilise des blocs composites et des grues sur mesure pour soulever et abaisser les blocs, stockant et libérant de l'énergie selon les besoins. Une approche similaire est adoptée par Gravitricity, qui utilise des poids lourds suspendus par des câbles dans des puits de mine désaffectés.

Exemple : Le projet de démonstration de Gravitricity à Édimbourg, en Écosse, a mis en évidence les capacités de réponse rapide de son système, soulignant son potentiel pour la stabilisation du réseau.

3. Stockage par gravité basé sur des tours

Cette approche consiste à construire de hautes tours et à utiliser des grues ou d'autres mécanismes de levage pour élever et abaisser des objets lourds verticalement. La hauteur de la tour détermine la quantité d'énergie potentielle qui peut être stockée.

ARES (Advanced Rail Energy Storage) a proposé un système utilisant des wagons chargés de matériaux lourds se déplaçant sur une voie en pente. Lorsque les wagons descendent, ils produisent de l'électricité via un freinage régénératif.

Exemple : Bien que les systèmes GES à grande échelle basés sur des tours ne soient pas encore largement déployés, plusieurs projets pilotes sont en cours pour démontrer leur faisabilité et leurs performances.

4. Stockage d'énergie par gravité sous-marin

Ce concept implique l'utilisation de la flottabilité d'objets immergés pour stocker et libérer de l'énergie. Des sphères creuses ou d'autres structures flottantes sont ancrées au fond de la mer. Pendant les surplus d'énergie, l'eau est pompée dans les sphères, les faisant couler et stocker de l'énergie potentielle. Pour libérer l'énergie, l'eau est pompée hors des sphères, et la force de flottabilité les soulève, entraînant un générateur.

Cette technologie en est encore aux premiers stades de développement, mais elle offre le potentiel d'un stockage d'énergie à grande échelle dans des environnements offshore.

Avantages du stockage d'énergie par gravité

Le GES offre plusieurs avantages convaincants par rapport aux autres technologies de stockage d'énergie :

• Scalabilité : Les systèmes GES peuvent être adaptés pour répondre à un large éventail de besoins de stockage d'énergie, du stockage d'énergie distribué à petite échelle à la stabilisation du réseau à grande échelle.
• Longue durée de vie : Les composants mécaniques utilisés dans les systèmes GES sont généralement robustes et durables, ce qui leur confère une longue durée de vie opérationnelle, dépassant souvent 50 ans.
• Respect de l'environnement : Les systèmes GES ont un impact environnemental relativement faible par rapport à d'autres technologies de stockage d'énergie. Ils ne dépendent pas de matériaux rares comme le lithium ou le cobalt, et ne produisent pas d'émissions nocives pendant leur fonctionnement.
• Rendement élevé : Les systèmes GES peuvent atteindre des rendements aller-retour comparables à d'autres technologies de stockage, généralement de l'ordre de 70 à 85 %.
• Temps de réponse rapide : Certaines conceptions de GES, comme celles utilisant des grues ou des mécanismes de levage rapides, peuvent répondre rapidement aux changements de la demande d'énergie, ce qui les rend aptes à fournir des services de stabilisation du réseau.
• Flexibilité d'emplacement : Alors que le pompage-turbinage est géographiquement limité, les conceptions avancées de GES peuvent être déployées dans une plus grande variété d'endroits, y compris les zones urbaines et les friches industrielles.
• Simplicité de démantèlement : À la fin de leur vie opérationnelle, les systèmes GES peuvent être démantelés assez facilement, la majorité des composants étant recyclables ou réutilisables.

Défis et considérations

Malgré son potentiel, le GES fait également face à plusieurs défis qui doivent être relevés pour une adoption généralisée :

• Coûts d'investissement initiaux élevés : La construction d'installations GES peut être très capitalistique, en particulier pour les systèmes à grande échelle.
• Utilisation des sols : Selon la conception, les systèmes GES peuvent nécessiter une superficie importante, en particulier les systèmes basés sur des tours et les systèmes ARES. Même les systèmes AUGES nécessitent une emprise au sol pour le puits et l'infrastructure associée.
• Évaluation de l'impact environnemental : Bien que le GES soit généralement considéré comme respectueux de l'environnement, des évaluations d'impact environnemental approfondies sont nécessaires pour minimiser les impacts potentiels sur les écosystèmes et les communautés locales. Les considérations incluent la pollution sonore pendant la construction et l'exploitation, l'impact visuel et la perturbation potentielle des habitats.
• Considérations géotechniques : Les systèmes AUGES nécessitent des formations géologiques stables pour garantir l'intégrité des puits souterrains. Des études géotechniques détaillées sont nécessaires pour évaluer l'adéquation des sites potentiels.
• Connexion au réseau : L'intégration des systèmes GES dans le réseau électrique existant nécessite une infrastructure de réseau robuste et des systèmes de contrôle sophistiqués.
• Pertes de rendement : Des pertes d'énergie se produisent pendant le processus de levage et d'abaissement, ainsi que lors de la conversion entre l'énergie électrique et mécanique. La minimisation de ces pertes est cruciale pour maximiser le rendement global des systèmes GES.
• Perception du public : L'acceptation du public est essentielle pour le déploiement réussi de tout projet d'infrastructure énergétique. Il est crucial de répondre aux préoccupations concernant l'impact visuel, la pollution sonore et les risques potentiels pour la sécurité afin d'obtenir le soutien du public.

Applications et projets mondiaux

Le GES gagne du terrain en tant que solution de stockage d'énergie viable dans divers pays du monde. Voici quelques exemples notables :

• États-Unis : Plusieurs entreprises explorent le développement de systèmes AUGES et ARES aux États-Unis, visant la stabilisation du réseau et l'intégration des énergies renouvelables.
• Royaume-Uni : Gravitricity développe activement sa technologie de stockage par gravité souterrain au Royaume-Uni, avec des projets de déploiements à échelle commerciale dans des puits de mine désaffectés.
• Suisse : Energy Vault, une entreprise suisse, a mis en service des systèmes de stockage d'énergie par gravité dans le monde entier, démontrant la viabilité de sa technologie.
• Chine : La Chine, leader mondial du déploiement des énergies renouvelables, explore diverses technologies de stockage d'énergie, y compris le GES, pour soutenir ses ambitieux objectifs de décarbonation.
• Australie : La vaste infrastructure minière de l'Australie offre des opportunités pour la reconversion de sites miniers abandonnés en systèmes AUGES.
• Inde : L'Inde investit activement dans le stockage d'énergie pour soutenir sa capacité en énergies renouvelables en croissance rapide. Le GES pourrait jouer un rôle important dans l'équilibrage du réseau et la garantie d'un approvisionnement électrique fiable.

Ce ne sont là que quelques exemples, et le paysage mondial des projets GES évolue rapidement.

L'avenir du stockage d'énergie par gravité

L'avenir du GES semble prometteur à mesure que la technologie progresse et que les coûts diminuent. Plusieurs tendances clés façonnent le développement de cette technologie :

• Matériaux avancés : L'utilisation de matériaux avancés, tels que les composites à haute résistance et le béton léger, peut réduire le poids et le coût des systèmes GES.
• Automatisation et robotique : L'automatisation et la robotique peuvent améliorer l'efficacité et réduire les coûts opérationnels des systèmes GES.
• Intelligence artificielle et apprentissage automatique : L'IA et l'apprentissage automatique peuvent optimiser le fonctionnement des systèmes GES, améliorant leur rendement et leur réactivité.
• Normalisation et modularisation : La normalisation de la conception et de la fabrication des composants GES peut réduire les coûts et faciliter le déploiement.
• Soutien politique : Les politiques gouvernementales, telles que les incitations fiscales et les subventions, peuvent accélérer le déploiement des systèmes GES.
• Recherche et développement : La recherche et le développement continus sont cruciaux pour améliorer les performances et réduire le coût des technologies GES.

Alors que la demande de stockage d'énergie continue de croître, le GES est appelé à jouer un rôle de plus en plus important dans la transition vers un avenir énergétique durable.

Conclusion

Le stockage d'énergie par gravité représente une contribution potentiellement significative au paysage du stockage d'énergie. En tirant parti de la force de la gravité, ces systèmes offrent une alternative durable, évolutive et respectueuse de l'environnement aux méthodes de stockage d'énergie traditionnelles. Bien que des défis subsistent, les progrès technologiques continus, les politiques de soutien et la demande mondiale croissante d'énergie propre stimulent le développement et le déploiement des systèmes GES dans le monde entier. Alors que le monde s'efforce d'atteindre un avenir neutre en carbone, le GES deviendra probablement un composant indispensable d'une infrastructure énergétique résiliente et durable, fournissant un stockage d'énergie fiable et abordable pour les générations à venir.

L'adaptabilité du GES, en particulier avec les conceptions souterraines et à base de tours, permet une mise en œuvre dans des régions auparavant inadaptées au stockage hydraulique traditionnel. Cette flexibilité est la clé d'une adoption plus large et d'une intégration dans divers réseaux énergétiques à travers le globe. Des recherches et des investissements supplémentaires sont essentiels pour libérer tout le potentiel du GES et garantir sa contribution à un avenir énergétique plus propre et plus durable pour tous.