L'énergie solaire offre un potentiel immense pour répondre aux besoins énergétiques croissants de manière durable. Cependant, son intermittence pose un défi majeur : comment garantir une alimentation constante lorsque le soleil ne brille pas ? Le stockage de l'énergie solaire apparaît comme la clé pour surmonter cet obstacle et maximiser l'utilisation de cette ressource renouvelable. Des technologies innovantes émergent, promettant de révolutionner notre capacité à capturer et utiliser efficacement l'énergie du soleil. Explorons les systèmes les plus performants qui façonnent l'avenir du stockage solaire.
Technologies de stockage par batteries pour l'énergie solaire
Les batteries constituent la pierre angulaire du stockage de l'énergie solaire, offrant une solution de stockage de l'énergie solaire flexible et efficace. Plusieurs technologies se démarquent, chacune présentant des caractéristiques uniques adaptées à différents besoins et échelles d'application.
Batteries lithium-ion : performances et applications dans le solaire résidentiel
Les batteries lithium-ion dominent actuellement le marché du stockage solaire résidentiel, et pour cause. Leur densité énergétique élevée, leur longue durée de vie et leur efficacité remarquable en font la solution de prédilection pour les installations domestiques. Avec une capacité de stockage typique allant de 5 à 13 kWh, ces batteries peuvent alimenter une maison moyenne pendant plusieurs heures après le coucher du soleil.
L'un des principaux avantages des batteries lithium-ion réside dans leur polyvalence. Elles peuvent être facilement intégrées aux systèmes photovoltaïques existants, offrant une solution plug-and-play pour les propriétaires souhaitant maximiser leur autoconsommation solaire. De plus, leur faible taux d'autodécharge (généralement moins de 5% par mois) garantit que l'énergie stockée reste disponible sur de longues périodes.
Batteries à flux redox : stockage à grande échelle pour centrales photovoltaïques
Pour les applications à grande échelle, les batteries à flux redox émergent comme une solution prometteuse. Ces systèmes utilisent deux réservoirs d'électrolytes liquides qui circulent à travers une cellule électrochimique pour stocker et libérer l'énergie. Leur principale force réside dans leur capacité à découpler la puissance (déterminée par la taille de la cellule) de la capacité de stockage (déterminée par le volume des réservoirs).
Cette flexibilité permet de concevoir des systèmes de stockage massifs, capables d'absorber et de restituer de grandes quantités d'énergie sur de longues périodes. Par exemple, la centrale solaire de Dalian en Chine utilise une batterie à flux vanadium de 200 MW/800 MWh, démontrant le potentiel de cette technologie pour stabiliser le réseau électrique et intégrer une part croissante d'énergie solaire.
Batteries sodium-soufre : solution prometteuse pour le stockage longue durée
Les batteries sodium-soufre (NaS) se distinguent par leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie sur de longues périodes. Fonctionnant à haute température (environ 300°C), ces batteries offrent une densité énergétique élevée et une durée de vie exceptionnelle, pouvant atteindre 15 ans ou 4500 cycles.
Leur principal atout réside dans leur aptitude au stockage saisonnier. Dans les régions où la production solaire varie fortement entre l'été et l'hiver, les batteries NaS peuvent accumuler l'excédent estival pour le restituer pendant les mois moins ensoleillés. Le Japon, pionnier de cette technologie, a déployé plusieurs installations de grande envergure, dont une unité de 50 MW/300 MWh à Buzen, démontrant la viabilité des batteries sodium-soufre pour le stockage massif d'énergie renouvelable.
Batteries zinc-air : alternative économique pour applications hors réseau
Les batteries zinc-air représentent une option intéressante pour les systèmes solaires hors réseau, en particulier dans les régions éloignées ou les pays en développement. Leur principal avantage réside dans leur coût relativement faible et l'abondance des matériaux nécessaires à leur fabrication.
Ces batteries utilisent l'oxygène de l'air comme cathode, réduisant ainsi la quantité de matériaux actifs nécessaires. Bien que leur densité énergétique soit inférieure à celle des batteries lithium-ion, les batteries zinc-air compensent par une durée de vie plus longue et une meilleure tolérance aux conditions extrêmes. Des entreprises comme Eos Energy Storage développent des systèmes zinc-air capables de fournir jusqu'à 6 heures de stockage, idéaux pour les micro-réseaux solaires dans les zones rurales.
Stockage thermique de l'énergie solaire
Le stockage thermique offre une approche alternative au stockage électrochimique, particulièrement adaptée aux centrales solaires à concentration (CSP). Ces systèmes permettent de conserver l'énergie sous forme de chaleur, offrant une solution efficace pour le stockage à grande échelle.
Systèmes à sels fondus : technologie andasol en espagne
La technologie des sels fondus s'est imposée comme la méthode de stockage thermique la plus mature pour les centrales solaires à concentration. Le principe est simple mais efficace : l'énergie solaire est utilisée pour chauffer un mélange de nitrates (généralement 60% de nitrate de sodium et 40% de nitrate de potassium) à des températures avoisinant les 565°C. Ce sel fondu est ensuite stocké dans des réservoirs isolés, conservant la chaleur pendant plusieurs heures.
La centrale Andasol en Espagne illustre parfaitement le potentiel de cette technologie. Avec une capacité de stockage de 7,5 heures à pleine puissance, elle peut continuer à produire de l'électricité bien après le coucher du soleil. Ce système permet d'atteindre un facteur de capacité de près de 40%, nettement supérieur aux centrales solaires sans stockage.
Stockage par chaleur latente : matériaux à changement de phase
Les matériaux à changement de phase (MCP) offrent une approche innovante pour le stockage thermique. Ces substances absorbent ou libèrent de grandes quantités d'énergie lors de leur transition de phase (généralement de solide à liquide), permettant de stocker la chaleur de manière plus compacte que les systèmes à chaleur sensible traditionnels.
Des recherches menées par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis explorent l'utilisation de MCP à base de chlorures métalliques pour le stockage à haute température (>700°C). Ces systèmes promettent une densité énergétique jusqu'à 10 fois supérieure à celle des sels fondus, ouvrant la voie à des unités de stockage plus compactes et économiques pour les futures centrales CSP.
Stockage thermochimique : réactions réversibles à haute densité énergétique
Le stockage thermochimique représente la frontière la plus avancée du stockage thermique solaire. Cette approche utilise l'énergie solaire pour déclencher des réactions chimiques réversibles, stockant ainsi l'énergie sous forme de liaisons chimiques. L'avantage majeur de cette technique réside dans sa capacité à stocker de grandes quantités d'énergie sur de longues périodes avec des pertes minimales.
Un exemple prometteur est le cycle calcium-looping, où l'oxyde de calcium (CaO) est décomposé en calcium et oxygène à haute température. Cette réaction peut stocker jusqu'à 3,2 MJ/kg, une densité énergétique nettement supérieure aux autres formes de stockage thermique. Des projets pilotes, comme celui mené par l'Institut allemand DLR, explorent le potentiel de cette technologie pour le stockage saisonnier d'énergie solaire.
Stockage mécanique pour l'énergie solaire
Les systèmes de stockage mécanique offrent des solutions robustes et éprouvées pour équilibrer la production solaire intermittente. Ces technologies convertissent l'excédent d'énergie électrique en énergie potentielle ou cinétique, qui peut être reconvertie en électricité à la demande.
Stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) : l'exemple d'okinawa yanbaru
Les STEP représentent la forme la plus mature et la plus répandue de stockage d'énergie à grande échelle. Ces systèmes utilisent l'excédent d'électricité pour pomper de l'eau vers un réservoir supérieur, stockant ainsi l'énergie sous forme potentielle. En période de forte demande, l'eau est relâchée à travers des turbines pour générer de l'électricité.
La centrale d'Okinawa Yanbaru au Japon illustre l'adaptation innovante de cette technologie au contexte solaire. Cette installation de 30 MW utilise l'eau de mer, surmontant ainsi les contraintes géographiques et hydriques. Couplée à une centrale photovoltaïque, elle permet de stabiliser la production solaire et d'assurer une alimentation fiable sur l'île.
Stockage par air comprimé : projet CAES d'huntorf en allemagne
Le stockage par air comprimé (CAES) offre une alternative intéressante pour les régions dépourvues de sites adaptés aux STEP. Cette technologie utilise l'électricité excédentaire pour comprimer de l'air dans des cavernes souterraines ou des réservoirs. Lors des pics de demande, cet air est relâché et chauffé pour entraîner des turbines à gaz, produisant ainsi de l'électricité.
La centrale d'Huntorf en Allemagne, opérationnelle depuis 1978, démontre la fiabilité à long terme de cette technologie. Avec une capacité de 290 MW, elle joue un rôle crucial dans l'intégration des énergies renouvelables intermittentes, dont le solaire, dans le réseau électrique allemand. Des projets de CAES adiabatiques, qui récupèrent et stockent la chaleur de compression, promettent d'améliorer encore l'efficacité de cette technologie.
Volants d'inertie : stabilisation du réseau pour l'intégration du solaire
Les volants d'inertie représentent une solution de stockage à court terme particulièrement adaptée à la stabilisation du réseau face aux fluctuations rapides de la production solaire. Ces dispositifs stockent l'énergie sous forme cinétique dans un rotor tournant à très haute vitesse (jusqu'à 50 000 tr/min) dans un environnement à faible friction.
Leur principal avantage réside dans leur capacité à répondre extrêmement rapidement aux variations de charge, avec des temps de réaction de l'ordre de la milliseconde. Une installation de volants d'inertie de 20 MW à Stephentown, New York, démontre l'efficacité de cette technologie pour lisser les fluctuations de fréquence du réseau, facilitant ainsi l'intégration d'une part croissante d'énergie solaire variable.
Stockage chimique et conversion de l'énergie solaire
Le stockage chimique offre des perspectives fascinantes pour le stockage à long terme et la valorisation de l'énergie solaire excédentaire. Ces technologies permettent de convertir l'électricité solaire en vecteurs énergétiques chimiques, ouvrant la voie à de nouvelles applications et à une flexibilité accrue dans l'utilisation de l'énergie renouvelable.
Production d'hydrogène par électrolyse solaire : projet HySOLAR
L'hydrogène produit à partir d'énergie solaire, souvent appelé hydrogène vert , représente une solution prometteuse pour le stockage à long terme et la décarbonation de secteurs difficiles à électrifier. Le projet HySOLAR, mené par le CEA en France, explore l'intégration directe de l'électrolyse aux systèmes photovoltaïques pour une production d'hydrogène plus efficace.
Cette approche permet de stocker l'excédent d'énergie solaire sous forme d'hydrogène, qui peut ensuite être utilisé dans des piles à combustible pour produire de l'électricité, ou comme matière première dans l'industrie. Avec un rendement global pouvant atteindre 12% (de l'énergie solaire à l'hydrogène), cette technologie ouvre la voie à une économie de l'hydrogène alimentée par le soleil.
Méthanation solaire : technologie Power-to-Gas de sunfire
La méthanation solaire, ou Power-to-Gas, pousse le concept de stockage chimique encore plus loin en convertissant l'hydrogène produit par électrolyse solaire en méthane synthétique. Ce processus, qui utilise du CO2 capturé, permet de produire un gaz renouvelable compatible avec l'infrastructure existante de gaz naturel.
L'entreprise allemande Sunfire a développé une technologie innovante de méthanation à haute température, atteignant des rendements de conversion supérieurs à 80%. Un projet pilote en Italie, utilisant cette technologie, démontre la faisabilité de stocker l'énergie solaire excédentaire sous forme de méthane, offrant ainsi une solution de stockage saisonnier et une alternative renouvelable au gaz naturel fossile.
Synthèse de carburants solaires : réacteurs solaires du CNRS-PROMES
La synthèse de carburants liquides à partir d'énergie solaire représente une approche innovante pour convertir directement l'énergie solaire en carburants liquides à haute densité énergétique. Le laboratoire CNRS-PROMES à Odeillo, en France, est à la pointe de cette recherche avec ses réacteurs solaires à haute température.
Ces réacteurs utilisent des miroirs concentrateurs pour atteindre des températures extrêmes (jusqu'à 1500°C), permettant des réactions thermochimiques qui transforment l'eau et le CO2 en syngas, un précurseur des carburants liquides. Cette technologie promet de produire des carburants solaires compatibles avec les moteurs existants, offrant une solution de stockage à long terme et une alternative renouvelable aux carburants fossiles pour le transport.
Systèmes hybrides et solutions émergentes
L'avenir du stockage de l'énergie solaire réside dans des approches hybrides et des technologies émergentes qui combinent les avantages de différentes méthodes pour répondre aux défis spécifiques de l'intégration solaire à grande échelle.
Couplage solaire-hydraulique : centrale hybride de kidston en australie
Le projet de Kidston en Australie illustre parfaitement le potentiel des systèmes hybrides solaire-hydraulique. Cette installation unique combine une centrale solaire photovoltaïque de 320 MW avec une station de pompage-turbinage de 250 MW, utilisant deux anciennes mines d'or comme réservoirs.
Ce couplage intelligent permet d'optimiser l'utilisation de l'énergie solaire : l'excédent de production photovoltaïque est utilisé pour pomper l'eau vers le réservoir supérieur, créant ainsi une réserve d'énergie potentielle. Lors des pics de demande ou en l'absence de soleil, l'eau est relâchée pour générer de l'électricité. Ce système offre une flexibilité inégalée, assurant une production stable et prévisible à partir d'une source renouvelable intermittente.
Stockage gravitaire : technologie energy vault pour sites isolés
Energy Vault propose une approche novatrice du stockage gravitaire, particulièrement adaptée aux sites isolés ou aux régions disposant de ressources limitées. Leur système utilise des grues automatisées pour empiler des blocs de béton, convertissant l'excédent d'énergie solaire en énergie potentielle gravitationnelle.
Lorsque l'énergie est nécessaire, les blocs sont abaissés, entraînant des générateurs pour produire de l'électricité. Avec une efficacité revendiquée de 80-90% et une durée de vie de plus de 30 ans, cette technologie offre une alternative durable et économique aux batteries chimiques pour le stockage à grande échelle dans des environnements difficiles.
Supercondensateurs : intégration aux onduleurs solaires intelligents
Les supercondensateurs émergent comme une solution complémentaire prometteuse pour le stockage à court terme dans les systèmes solaires. Ces dispositifs, capables de charger et de décharger rapidement de grandes quantités d'énergie, sont particulièrement efficaces pour lisser les fluctuations rapides de la production solaire.
Des entreprises comme SMA Solar Technology intègrent désormais des modules de supercondensateurs directement dans leurs onduleurs solaires intelligents. Cette intégration permet une régulation ultra-rapide de la tension et de la fréquence, améliorant la stabilité du réseau et facilitant l'intégration d'une part plus importante d'énergie solaire variable. De plus, la longue durée de vie des supercondensateurs (plus d'un million de cycles) en fait une solution durable pour améliorer les performances des installations solaires.