Advanced and Long-Duration Energy Storage: A Review of Emerging Technologies, Applications, and Techno-Economic Assessment

Le réseau électrique est un équilibre délicat. Pendant des décennies, il s'est appuyé sur de grandes centrales électriques qui pouvaient être augmentées ou diminuées à volonté pour correspondre aux besoins exacts, instant par instant, des foyers et des usines. Aujourd'hui, ce système évolue vers l'énergie éolienne et solaire, qui sont propres mais imprévisibles. Le soleil ne brille pas toujours et le vent ne souffle pas toujours, pourtant les lumières doivent rester allumées. Cela crée un nouveau problème : nous devons stocker l'électricité lorsqu'elle est abondante et la restituer lorsqu'elle est rare. Si les batteries sont devenues excellentes pour maintenir la puissance pendant quelques heures — assez pour couvrir le pic du soir après le coucher du soleil — elles peinent lorsque la météo se dégrade pendant plusieurs jours consécutifs. Une semaine nuageuse ou une période de calme éolien peut laisser un réseau avec des batteries à courte durée de stockage vides et vulnérables. La question à laquelle font face les ingénieurs et les planificateurs n'est plus seulement de savoir quelle quantité d'énergie nous pouvons stocker, mais combien de temps nous pouvons la conserver.

Un examen récent mené par des chercheurs de l'Université technologique du Gujarat explore cette frontière du stockage d'énergie de longue durée. Ils ont examiné un large éventail de technologies conçues pour maintenir la puissance pendant des jours, des semaines ou même des saisons, allant bien au-delà des batteries lithium-ion standards qui dominent le marché aujourd'hui. Les auteurs ont combiné des données provenant d'agences mondiales, de rapports industriels et de leurs propres simulations informatiques pour comprendre quelles technologies fonctionnent le mieux pour différentes durées et quel en est le coût. Leur travail révèle une ligne de démarcation claire : si les batteries familières sont le choix le plus économique pour stocker l'énergie pendant quelques heures, elles deviennent prohibitives pour des périodes plus longues. Pour ces durées prolongées, les solutions les plus prometteuses sont souvent des systèmes mécaniques ou chimiques utilisant des matériaux abondants et peu coûteux comme l'air, l'eau, le fer ou la chaleur, même s'ils sont moins efficaces pour convertir l'énergie d'aller et de retour.

Les chercheurs ont commencé par cartographier le paysage du stockage, de la technologie séculaire de l'hydroélectricité par pompage, qui utilise la gravité et des réservoirs d'eau, aux systèmes émergents comme l'air comprimé, l'air liquide et les batteries à flux. Ils ont également étudié les batteries fer-air, qui stockent l'énergie grâce à un processus de rouille réversible, ainsi que les systèmes thermiques qui conservent la chaleur dans des briques ou du sel fondu. Une observation clé de leur analyse est que la structure des coûts de ces technologies change en fonction de la durée de stockage nécessaire. Pour de courtes périodes, le coût est dicté par l'équipement de puissance nécessaire pour charger et décharger rapidement. Mais à mesure que la durée s'étend à des jours ou des semaines, le coût est dominé par le prix du milieu de stockage lui-même — l'eau, l'air ou le fer. Cela signifie qu'une technologie trop coûteuse pour un cycle de quatre heures peut devenir l'option la moins chère pour un cycle de cent heures, simplement parce que son matériau de stockage est très bon marché.

Pour tester ces idées, les auteurs ont construit un modèle pour calculer le coût actualisé du stockage, qui représente le prix moyen par unité d'énergie délivrée sur la durée de vie du système. Ils ont fait tourner ce modèle sur huit technologies différentes, en supposant un schéma d'utilisation standard où le système se décharge complètement une fois tous les quelques jours. Les résultats ont montré un point de croisement net. Les batteries lithium-ion, qui sont actuellement la norme de l'industrie, restent l'option la plus économique jusqu'à environ deux ou trois heures. Au-delà de cela, leur coût grimpe de façon abrupte car chaque heure de stockage supplémentaire nécessite l'ajout de cellules de batterie plus coûteuses. En revanche, des technologies telles que le stockage par air comprimé adiabatique, qui piège la chaleur générée lors de la compression de l'air, et les batteries fer-air, qui utilisent une réaction chimique simple avec l'oxygène, sont restées bien moins chères à mesure que la durée augmentait. Dans leurs calculs, pour une durée de vingt-quatre heures, le coût de l'utilisation du lithium-ion était environ trois fois plus élevé que celui de l'air comprimé. À une durée de cent heures, l'écart s'est creusé pour atteindre près de six fois.

L'étude comprenait également une simulation d'un réseau électrique confronté à un défi météorologique réaliste : une période de quatre jours sans vent. Dans ce scénario, les chercheurs ont modélisé un système d'énergie solaire et éolienne tentant de répondre à une demande constante. Sans aucun stockage, le système ne peut répondre qu'à environ 70 % de la demande. L'ajout d'une batterie standard de quatre heures améliore ce chiffre à 83 %, mais la batterie s'épuiserait dès la première nuit de l'absence de vent et ne s'en remettrait jamais. Pour traverser l'intégralité de l'écart de quatre jours sans défaillance, la simulation a montré que le réseau aurait besoin d'un système de stockage capable de se décharger pendant environ cent heures. Cette conclusion souligne que la valeur du stockage n'est pas linéaire ; les premières heures apportent un gain significatif, mais l'ultime étape de la fiabilité nécessite un type de technologie totalement différent — une technologie capable de contenir une quantité massive d'énergie sur une longue période sans se ruiner.

Les chercheurs ont accordé une attention particulière à la situation en Inde, où l'écart entre la planification et la réalité est frappant. Les plans gouvernementaux prévoient des centaines de gigawattheures de stockage pour soutenir une expansion massive des énergies renouvelables d'ici le début des années 2030, alors que la capacité de stockage par batterie réellement opérationnelle en 2025 était de moins d'un gigawattheure. Le pays a identifié un énorme potentiel pour le stockage par pompage, qui utilise l'eau et la gravité, et a commencé à lancer des appels d'offres pour des projets de ce type. Cependant, l'examen note que la conversion de ces appels d'offres en centrales opérationnelles est un défi majeur, et qu'il existe un besoin pressant de tester des technologies non lithium dans des conditions locales. Les auteurs suggèrent que si l'hydroélectricité par pompage et le lithium-ion sont prêts pour une utilisation à grande échelle immédiate, l'avenir du stockage multi-jours repose probablement sur un mélange d'options émergentes comme le fer-air et l'air comprimé, à condition qu'elles puissent être éprouvées en conditions réelles.

En fin de compte, l'article soutient qu'il n'existe pas de technologie unique « idéale » pour tous les besoins de stockage d'énergie. Au lieu de cela, le réseau nécessite un portefeuille de solutions adaptées à la durée spécifique du problème. Les pics de puissance courts sont mieux gérés par des batteries rapides et efficaces, tandis que les longues périodes de faible production nécessitent des systèmes qui privilégient des matériaux de stockage à bas coût plutôt qu'une haute efficacité. La transition vers un monde alimenté par les énergies renouvelables dépendra du déploiement réussi de ces technologies de longue durée, passant de l'ère actuelle du stockage à court terme à un avenir où le réseau pourra traverser des jours de calme ou de nuages sans interruption. La voie à suivre consiste non seulement à construire davantage de ce que nous possédons déjà, mais aussi à embrasser une gamme diversifiée de systèmes mécaniques et chimiques capables de retenir la puissance du soleil et du vent aussi longtemps que le monde en aura besoin.