Grâce au réseau électrique moderne, vous avez accès à l’électricité quand vous le souhaitez. Mais le réseau ne fonctionne que lorsque l’électricité est produite dans les mêmes quantités qu’elle est consommée. Cela dit, il est impossible de toujours trouver le bon équilibre. Les opérateurs rendent donc les réseaux plus flexibles en ajoutant des moyens de stocker l’électricité excédentaire en prévision d’une baisse de production ou d’une hausse de la consommation.
Environ 96 % de la capacité mondiale de stockage de l’énergie se présente sous la forme d’une seule technologie : l’hydroélectricité pompée. Lorsque la production dépasse la demande, l’électricité excédentaire est utilisée pour pomper l’eau d’un barrage vers un réservoir en hauteur. Lorsque la demande dépasse la production, on laisse l’eau tomber – grâce à la gravité – et l’énergie potentielle fait tourner les turbines pour produire de l’électricité.
Mais l’accumulation par pompage nécessite des géographies particulières, avec accès à l’eau et à des réservoirs à différentes altitudes. C’est la raison pour laquelle environ les trois quarts des centrales hydroélectriques à accumulation par pompage ont été construites dans seulement 10 pays. Le problème, c’est que le monde a besoin d’ajouter beaucoup plus de stockage d’énergie, si nous voulons continuer à ajouter l’énergie solaire et éolienne intermittente nécessaire pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles.
Une start-up baptisée Energy Vault pense qu’elle a une alternative viable à l’hydroélectricité pompée: Au lieu d’utiliser de l’eau et des barrages, elle utilise des blocs de béton et des grues. Energy Vault a construit une usine de démonstration en Biasca en Suisse à environ un dixième de la taille d’une opération à grande échelle.
Le tout – de l’idée à l’unité fonctionnelle – a pris environ neuf mois et moins de 2 millions de dollars pour s’accomplir. Si ce type d’innovation à faible coût et à faible coût pouvait aider à résoudre ne serait-ce que quelques parties de l’énorme problème du stockage de l’énergie, la transition énergétique dont le monde a besoin ne serait peut-être pas si difficile après tout.
Un plan béton
La science qui sous-tend la technologie d’Energy Vault est simple. Quand vous soulevez quelque chose contre la gravité, vous stockez de l’énergie en elle. Lorsque vous la laisserez tomber plus tard, vous pourrez récupérer cette énergie. Parce que le béton est beaucoup plus dense que l’eau, soulever un bloc de béton nécessite – et peut donc stocker – beaucoup plus d’énergie qu’un réservoir d’eau de taille égale.
Bill Gross, un entrepreneur américain de longue date, et Andrea Pedretti, un serial inventeur suisse, ont développé le système Energy Vault qui applique cette science. Voici comment ça marche : Une grue à six bras de 120 mètres de haut se dresse au milieu. A l’état déchargé, des cylindres en béton de 35 tonnes chacun sont soigneusement empilés autour de la grue, bien en dessous des bras de la grue. Lorsqu’il y a un excès d’énergie solaire ou éolienne, un algorithme informatique ordonne à un ou plusieurs bras de grue de localiser un bloc de béton, à l’aide d’une caméra fixée sur le chariot du bras de grue.
Une fois que le bras de la grue se positionne et s’accroche à un bloc de béton, un moteur démarre, alimenté par l’électricité excédentaire sur le réseau, et soulève le bloc du sol. Le vent peut faire bouger le bloc comme un pendule, mais le chariot de la grue est programmé pour contrer le mouvement. Par conséquent, il peut soulever le bloc en douceur, puis le placer au-dessus d’une autre pile de blocs – plus haut, au-dessus du sol.
Le système est « complètement chargé » lorsque la grue a créé autour d’elle une tour de blocs de béton. L’énergie totale qui peut être stockée dans la tour est de 20 mégawattheures (MWh), soit assez pour alimenter 2 000 foyers suisses pendant une journée entière.
Lorsque le réseau est à court d’énergie, les moteurs reviennent à l’action, sauf qu’au lieu de consommer de l’électricité, le moteur est entraîné en sens inverse par l’énergie gravitationnelle, et produit ainsi de l’électricité.
Un grand projet
L’innovation dans l’usine d’Energy Vault n’est pas le matériel. Les grues et les moteurs existent depuis des décennies et des entreprises comme ABB et Siemens les ont optimisés pour une efficacité maximale. L’efficacité aller-retour du système, qui correspond à la quantité d’énergie récupérée pour chaque unité d’énergie utilisée pour soulever les blocs, est d’environ 85 %, comparativement aux batteries au lithium-ion qui offrent jusqu’à 90 %.
Le travail principal d’Andrea Pedretti en tant que directeur de la technologie a été de trouver comment concevoir un logiciel pour automatiser des opérations contextuellement pertinentes, comme accrocher et décrocher des blocs de béton, et pour contrecarrer les mouvements pendulaires pendant le levage et la descente de ces blocs.
Energy Vault maintient les coûts à un bas niveau parce qu’il utilise du matériel commercial prêt à l’emploi. Étonnamment, les blocs de béton pourraient s’avérer être la partie la plus coûteuse de la tour d’énergie. Le béton est beaucoup moins cher que, disons, une batterie lithium-ion, mais Energy Vault aurait besoin de beaucoup de béton pour construire des centaines de blocs de 35 tonnes métriques.
Andrea Pedretti a donc trouvé une autre solution. Il a mis au point une machine qui peut mélanger des substances que les villes paient souvent pour s’en débarrasser, comme le gravier ou les déchets de construction, avec du ciment pour créer des blocs de béton à faible coût. L’économie provient de l’utilisation d’un sixième seulement de la quantité de ciment qui aurait autrement été nécessaire si le béton avait été utilisé pour la construction du bâtiment.
Le défi du stockage
L’usine de démonstration de Biasca est beaucoup plus petite que la version commerciale prévue. Elle est équipée d’une grue à un bras de 20 mètres de haut qui soulève des blocs de 500 kg chacun. Mais elle fait presque tout que la version à pleine échelle, que l’entreprise cherche activement à vendre en ce moment.
Robert Piconi a passé cet été à visiter des pays d’Afrique et d’Asie. Le PDG d’Energy Vault est enthousiaste à l’idée de trouver des clients pour ses usines dans ces régions du monde. La startup dispose également d’une équipe commerciale aux Etats-Unis et a maintenant des commandes pour la construction de ses premières unités commerciales début 2019. L’entreprise ne partagera pas les détails de ces commandes, mais les caractéristiques uniques de sa solution de stockage d’énergie nous permettent de deviner à quoi ressembleront les projets.
Les experts en matière de stockage de l’énergie classent le stockage de l’énergie en trois grands groupes, qui se distinguent par la quantité d’énergie nécessaire et le coût du stockage de cette énergie.
Tout d’abord, des technologies coûteuses, comme les batteries au lithium-ion, peuvent être utilisées pour stocker quelques heures d’énergie – de l’ordre de dizaines ou de centaines de MWh. Ceux-ci pourraient être chargés pendant la journée, à l’aide de panneaux solaires par exemple, puis déchargés lorsque le soleil n’est pas au rendez-vous. Mais les batteries lithium-ion pour le réseau électrique coûtent actuellement entre 280 $ et 350 $ par kWh.
Des technologies moins coûteuses, comme les batteries de circulation (qui utilisent des produits chimiques liquides à haute énergie pour retenir l’énergie) peuvent être utilisées pour stocker des semaines d’énergie – de l’ordre de centaines ou de milliers de MWh. Cette deuxième catégorie de stockage d’énergie pourrait alors être utilisée, par exemple, lorsqu’il y a une accalmie de l’approvisionnement éolien pendant une semaine ou deux.
La troisième catégorie n’existe pas encore. En théorie, les technologies bon marché qui restent à inventer pourraient stocker des mois d’énergie – de l’ordre de dizaines ou de centaines de milliers de MWh – qui seraient utilisés pour faire face aux demandes intersaisonnières. Par exemple, Mumbai connaît des pointes de consommation en été lorsque les climatiseurs fonctionnent à plein régime, alors que Londres connaît des pointes en hiver en raison du chauffage des habitations. Idéalement, l’énergie captée au cours d’une saison pourrait être stockée pendant des mois pendant les saisons de faible utilisation, puis déployée plus tard pendant les saisons de forte utilisation.
David contre Goliath
Andrea Piconi estime qu’au moment où Energy Vault construira sa 10e centrale d’environ 35 MWh, elle pourra réduire ses coûts à environ 150 dollars par kWh. Cela signifie qu’elle ne peut répondre aux besoins de la troisième catégorie d’utilisation du stockage de l’énergie ; pour ce faire, les coûts devraient être plus près de 10 dollars par kWh. En théorie, à la capacité et au prix actuels, elle pourrait concurrencer dans la deuxième catégorie si elle pouvait trouver un client qui voulait que Energy Vault construise des douzaines d’usines pour un seul réseau. En réalité, le meilleur pari d’Energy Vault est de concourir dans la première catégorie.
Cela dit, certains experts disent que le coût des batteries au lithium-ion, la technologie dominante actuelle des batteries, pourrait tomber à environ 100 dollars le kWh, ce qui les rendrait moins chères même que l’Energy Vault quand il s’agit de stocker des jours ou des semaines d’énergie. Et parce que les batteries sont compactes, elles peuvent être transportées sur de grandes distances. La plupart des batteries lithium-ion des smartphones utilisés dans le monde entier, par exemple, sont fabriquées en Asie de l’Est. Les blocs de béton d’Energy Vault devront être construits sur place, et chaque système de 35 MWh nécessitera un terrain circulaire d’environ 100 mètres de diamètre. Les batteries ont besoin d’une fraction de cet espace pour stocker la même quantité d’énergie.
Les piles ont certaines limites. La durée de vie maximale des batteries lithium-ion, par exemple, est d’environ 20 ans. Ils perdent également leur capacité de stockage de l’énergie avec le temps. Et il n’existe pas encore de moyens fiables de recycler les batteries lithium-ion.
L’usine d’Energy Vault peut fonctionner pendant 30 ans avec peu d’entretien et presque aucune perte de capacité. Ses blocs de béton utilisent également des déchets. Andrea Piconi est donc confiant qu’il y a encore un créneau que Energy Vault peut combler : Des endroits qui ont un accès abondant à la terre et aux matériaux de construction, combinés avec le désir d’avoir des technologies de stockage qui durent des décennies sans que la capacité ne s’effrite.
Entre-temps, que l’Energy Vault réussisse ou non, l’argument selon lequel, alors que tout le monde est à la recherche d’innovations de haute technologie et futuristes dans le domaine des batteries, il pourrait être très utile de réfléchir à la façon d’appliquer des solut de faible technologie.
Mais Energy Vault a annoncé la disponibilité commerciale de sa innovative technologie industrielle pour le stockage d’énergie à usage commercial, qui permette d’offrir énormes avantages économiques à échelle mondiale. Et Tata Power Company devrait déployer en 2019 un premier système Energy Vault de 35 MWh; le partenariat avec CEMEX favorisera l’adoption et le déploiement rapides de la solution de stockage unique d’Energy Vault
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