À l'arrière d'un atelier de la taille d'un entrepôt, une douzaine d'ingénieurs en casques construisent une machine bleue géante. Six cylindres, chacun plus grand qu'une personne, et un fourré de tubes, de tuyaux et de vannes s'étendent vers le haut depuis un moteur diesel marin entouré d'un échafaudage à trois étages.
Conçue par la startup SustainX à Seabrook, dans le New Hampshire, la machine est conçue pour stocker de l'énergie en comprimant de l'air. Un moteur électrique fait tourner le vilebrequin du moteur pour entraîner les pistons dans les cylindres ci-dessus. Les pistons pressent un mélange d’air et d’eau mousseuse et pompent l’air sous pression dans de grands réservoirs en acier où il peut être maintenu comme un ressort enroulé. Lorsqu'un service public d'électricité a besoin d'électricité, les réservoirs sont non bouchés, ce qui permet à l'air de sortir, alimenter le moteur et générer de l'électricité pour les clients du service public.
Les enjeux sont élevés. Si une entreprise telle que SustainX est en mesure de fournir un système capable de stocker de l’énergie à moindre coût même quelques heures à la fois, le vent et l’énergie solaire deviendraient des fournisseurs d’énergie fiables, plutôt des centrales à combustibles fossiles. Les fluctuations de la production éolienne et solaire pourraient être atténuées et l'excédent de puissance dû aux vents nocturnes, par exemple, pourrait être expédié plus tard lorsque la demande serait plus forte.
La machine SustainX et d’autres machines similaires sont à la pointe d’une course technologique dans le stockage de l’énergie. Les travaux de la société, financés par des fonds privés et publics de plus de 30 millions de dollars, représentent un pari évident: des ingénieurs ingénieux utilisant des matériaux peu coûteux et facilement disponibles, comme l'air et l'eau, l'emporteront sur les légions de scientifiques qui cherchent une percée dans le domaine des batteries.
La machine SustainX, illustrée ici en mai 2013, utilise la technologie à air comprimé isotherme pour stocker de l'énergie. (Photo: SustainX) Le stockage de l'énergie attire beaucoup d'attention, car une avancée spectaculaire en termes de coûts et de performances pourrait rendre le réseau électrique plus propre et plus fiable. Chaque jour, les services publics opèrent un exercice d’équilibre constant: pour assurer un service fiable, la quantité d’énergie générée dans les centrales électriques doit correspondre à celle consommée par les particuliers et les entreprises. Par exemple, en cas de forte demande des climatiseurs par une chaude journée d’été, les centrales électriques doivent produire plus d’électricité et la réduire à nouveau lorsque la demande diminue la nuit.
Le stockage d'énergie sert de réserve ou de compte bancaire d'énergie. En période de pointe, le stockage peut fournir de l’énergie à la place des centrales à combustible fossile les plus performantes. La technologie peut raffermir la production variable des parcs éoliens et solaires ou augmenter la capacité des sous-stations à capacité maximale alimentant les quartiers locaux. Lorsqu'il est placé dans ou à proximité de bâtiments, le stockage d'énergie peut fournir une sauvegarde en cas de panne de courant. Cependant, bon nombre de ces applications nécessitent un périphérique capable de fonctionner pendant quelques heures, voire une demi-journée. Et cela doit être fait en toute sécurité et à faible coût.
Selon les dirigeants du secteur, il existe des raisons impérieuses de rechercher des systèmes de stockage mécaniques sur des batteries électrochimiques. Les batteries nécessitent des matériaux plus coûteux, tels que le lithium ou le cobalt, qui peuvent être soumis à des contraintes d'approvisionnement. Contrairement à un système mécanique, la capacité de stockage d'une batterie rechargeable diminue avec le temps, comme le savent la plupart des utilisateurs d'ordinateurs portables.
Ensuite, il y a le rythme de l'innovation. En général, la recherche sur les batteries évolue lentement - mesurée en années plutôt qu'en mois - et l'amélioration des performances est souvent progressive. En outre, la fabrication de nouveaux types de batteries en grande quantité nécessite d'importants investissements initiaux dans les usines. En revanche, un système mécanique innovant pourrait être assemblé à partir de moteurs légèrement modifiés, de réservoirs de gaz industriels et d’autres équipements déjà bien compris et fabriqués à grande échelle.
«C’est une sorte de défi d’intégration de systèmes, plutôt que de devoir inventer et construire un dispositif particulier pour que tout fonctionne, a déclaré Gareth Brett, PDG de Highview Power Storage, basé à Londres, qui utilise de l’air liquéfié, de l’air sous pression. et refroidi jusqu'à ce qu'il devienne liquide - pour stocker de l'énergie sur le réseau. "Notre propriété intellectuelle réside dans la manière dont le système est conçu et mis en place de manière efficace et à faible coût."
Lorsqu'il s'agit de stocker de l'électricité destinée à être utilisée sur le réseau électrique, l'hydroélectricité à réserve de pompage est considérée comme la norme de référence - une technologie relativement peu coûteuse qui livre de l'énergie aux États-Unis depuis plus de 80 ans. Comme son nom l’indique, l’eau est pompée jusqu’à un réservoir lorsque la demande en électricité est faible et rejetée en cas de besoin pour produire de l’électricité au moyen d’une turbine hydroélectrique. Les centrales hydroélectriques à pompe peuvent fournir de grandes quantités d'électricité pendant plusieurs heures, permettant ainsi aux opérateurs de réseaux de combler les lacunes dans l'approvisionnement en électricité sans avoir à exploiter les centrales à combustibles fossiles. Cependant, ils sont généralement limités aux terrains montagneux, ce qui fournit le gain d'altitude nécessaire entre les réservoirs, et les études environnementales prennent de nombreuses années.
L’autre méthode éprouvée et peu coûteuse de stockage en vrac est le stockage d’énergie par air comprimé, ou CAES, dans lequel les compresseurs pompent l’air dans des cavernes souterraines. Lorsque le courant est nécessaire, de l'air sous pression est libéré et chauffé en brûlant du gaz naturel. Cet air est ensuite soufflé dans une turbine pour générer de l'électricité. Il existe deux centrales de stockage d'énergie à air comprimé géologiques dans le monde, l'une en Allemagne en 1978 et l'autre en Alabama en 1991. Les deux unités fonctionnent toujours et sont considérées comme performantes. Mais aucun autre n'a été construit car il est difficile de trouver des sites avec une formation géologique appropriée et de financer ces projets. Une troisième centrale pourrait rejoindre leurs rangs au Texas, avec des projets prévoyant un projet de 200 millions de dollars pour stocker jusqu'à 317 mégawatts - comparable à la production d'une centrale électrique de taille moyenne.
Les innovateurs de jeunes entreprises du secteur de l’énergie se sont inspirés de ces deux techniques et se sont diversifiés. SustainX et la société californienne LightSail Energy, basée à Berkeley, proposent de comprimer l'air pour le stocker, mais le conservent dans des réservoirs hors sol, ce qui signifie qu'ils ne se limitent pas aux emplacements avec des cavernes souterraines. La société General Compression, basée à Newton, dans le Massachusetts, a mis au point un système de stockage d’air comprimé qui se fixe directement aux éoliennes.
La différence principale par rapport au système CAES traditionnel dans ces approches, appelée stockage d'énergie isotherme à air comprimé, est qu'aucun combustible ne doit être brûlé sur le site. Au lieu de cela, ces sociétés CAES de deuxième génération capturent et réutilisent la chaleur générée lorsque l'air est soumis à une pression élevée. LightSail Energy a l'intention de pulvériser un fin brouillard d'eau au fur et à mesure que l'air est comprimé et de stocker cette eau chaude plus tard. Lorsque de l'air sous pression est libéré pour générer de l'électricité, l'eau chaude, plutôt qu'un brûleur à gaz naturel, chauffe l'air à travers un échangeur de chaleur.
Une approche potentiellement moins chère de la CAES consiste à stocker de l'air comprimé dans des sacs en tissu sous l'eau. Lors du stockage de l'air dans des réservoirs en acier, l'acier doit être suffisamment épais pour contenir de l'air sous haute pression. Mais la pression de l'eau pourrait faire le travail gratuitement. Lorsqu’il travaillait dans une entreprise solaire, l’ancien ingénieur des fusées Scott Frazier prévoyait la nécessité d’un système de stockage peu coûteux pouvant être placé presque n’importe où. Et en 2010, il a cofondé une société, Bright Energy Storage Technologies, pour poursuivre l’idée de stocker l’air comprimé dans de grandes vessies ancrées au fond de l’océan ou au fond des réservoirs d’eau douce.
"Si j'ai un réservoir au-dessus du sol, vous devez payer plus pour une pression plus élevée. Plus je pompe d'air, plus j'ai besoin d'acier, c'est plutôt linéaire", déclare Frazier. Le premier prototype de la société, construit pour la marine américaine à Hawaii, utilisera un moteur de camion modifié pour pressuriser l'air dans les réservoirs hors sol. Si la mécanique de cette machine s'avère pratique, la compagnie et la marine envisagent de construire un deuxième prototype qui stockera l'air sous l'eau.
Même des systèmes de stockage en vrac plus simples exploiteraient la gravité de la même manière que les centrales hydroélectriques à pompe. Advanced Rail Energy Storage, basé à Santa Barbara en Californie, cherche à construire des projets dans lesquels l’énergie provenant de parcs solaires ou éoliens pousserait un train de wagons sur une colline lorsque la demande d’énergie sur le réseau est faible. Lorsque le besoin de puissance est le plus criant, les wagons se déplacent en descente et génèrent de l'énergie. Les moteurs de traction électriques qui poussent les voitures en montée fonctionnent en marche arrière en descente et fonctionnent comme des générateurs, de la même manière qu'une voiture hybride charge une batterie pendant le freinage. Dans un concept similaire, EnergyCache, fondé par un ingénieur en mécanique du MIT et financé par Bill Gates, a construit un système de stockage de démonstration dans lequel le gravier est transporté en montée et en descente à l'aide d'un équipement de remontée mécanique modifié.
Dans la zone de stockage hydroélectrique pompée vieille de plusieurs décennies, de nouvelles idées sont également proposées, notamment le stockage de l’eau dans les aquifères ou l’implantation d’installations au bord de l’océan, comme l’a déjà fait une entreprise japonaise. Ces approches utilisent la même configuration de base (un réservoir artificiel situé en hauteur près d'un réservoir plus bas), mais pourraient éventuellement être construites dans plusieurs emplacements. Les propositions les plus ambitieuses sont de construire une «île énergétique» en mer du Nord au large des côtes néerlandaises ou belges. L'idée est de construire une île artificielle avec un réservoir et d'utiliser l'excès d'énergie généré par les éoliennes à des périodes de faible demande pour pomper de l'eau pour la stocker.
Toutes ces innovations commencent avec des matériaux bon marché, mais se heurtent au même défi technique: efficacité. Si vous perdez beaucoup d’énergie en convertissant l’électricité en air comprimé ou en eau stockée, le coût augmente. Dans ce domaine, les batteries se concurrencent très bien: certains types sont efficaces à plus de 90% en charge et en décharge.
Le truc, pour le stockage mécanique, est donc de gagner en efficacité de toutes les manières possibles. Avec le stockage de l'air, cela signifie souvent qu'il faut mieux utiliser la chaleur. Tandis que les développeurs CAES isothermiques comme LightSail capturent la chaleur générée par la compression de l'air, d'autres innovateurs récupèrent la chaleur de sources extérieures qui sinon serait gaspillée. Lors de son projet de démonstration près de Londres, Highview Power Storage utilise la chaleur résiduelle d'une centrale électrique située à proximité pour convertir l'air liquide stocké en gaz à haute pression, qui fait tourner une turbine pour produire de l'électricité. En utilisant diverses techniques, même en stockant de l'air froid dans du gravier pour faciliter le processus de refroidissement, Highview Power Storage peut obtenir un rendement de conversion d'énergie supérieur à 70%, explique-t-il.
L'usine pilote de stockage d'énergie de 300 kilowatts (LAES) de Highview à Slough, au Royaume-Uni. (Photo: Highview Power Storage) Un système mécanique ne peut rivaliser avec les meilleures batteries en termes d'efficacité, mais cela passe à côté de l'essentiel, explique Richard Brody, ancien vice-président du développement commercial chez SustainX. Plus important, en particulier pour les applications de stockage de plusieurs heures, est le coût initial relativement faible et le fait que les systèmes mécaniques peuvent fonctionner pendant des décennies sans perte de capacité de stockage. Une machine bien réglée avec des ingrédients de base - acier, air, eau et gravier - ne détériorera pas la façon dont les composés chimiques des électrodes de batterie se dégradent au fil du temps, affirment les défenseurs du stockage mécanique. «Nous n'avons pas encore vu de technologie électrochimique [de batterie] capable de faire ce que nous pouvons faire à l'échelle et à la vie du système dont nous parlons», déclare Brody. "Nous pensons qu'il n'est pas pratique de créer des équipements à la taille d'un mégawatt avec l'un de ces systèmes de batterie à base de cellules."
Étant donné le potentiel de stockage d'énergie généralisé sur le réseau, les approches utilisant des matériaux à faible coût continuent d'attirer l'attention. Outre de nombreuses startups, de nombreux chercheurs travaillent sur l’air comprimé ou liquéfié. L'Université de Birmingham au Royaume-Uni, par exemple, a créé un centre de recherche sur le stockage d'énergie cryogénique et un consortium dirigé par l'entreprise allemande RWE a engagé 40 millions d'euros (53 millions USD) sur trois ans et demi pour développer un système CAES à haute efficacité. système qui stockera la chaleur du processus de compression dans de grands récipients similaires à des thermos remplis de céramique.
Cette branche de la technologie de stockage pourrait également faciliter le transport. La société d'ingénierie Ricardo a deux projets pour explorer comment l'air liquéfié peut améliorer l'efficacité des moteurs à combustion interne. Peugeot Citroën, parmi d'autres constructeurs automobiles, étudie une méthode d'utilisation d'un réservoir de stockage d'air comprimé pour agir efficacement comme une batterie dans une voiture de tourisme hybride. Andrew Atkins, ingénieur en chef de la technologie chez Ricardo, explique en grande partie l’attractivité de l’appel. «Vous n’avez aucun problème de chaîne d’approvisionnement», dit-il. "Après tout, l'air est tout autour de nous."
