Un ballon géant plane au-dessus de l’île italienne de Sardaigne. Il est rempli de dioxyde de carbone, l’un des principaux gaz à effet de serre responsables de dangereux changements climatiques. Baptisé le « dôme », il forme l’élément clé de la « super-batterie » mise au point par la start-up milanaise Energy Dome. La jeune pousse estime que le même gaz responsable du réchauffement climatique pourrait jouer un rôle central dans la lutte contre ce phénomène.

« Aujourd’hui, les énergies renouvelables gagnent du terrain dans la production d’électricité, mais elles présentent un bémol : le soleil ne brille pas tout le temps et le vent ne souffle pas constamment », explique Paolo Cavallini, chef du personnel chez Energy Dome. « Or, nous avons besoin d’électricité renouvelable jour et nuit. C’est pourquoi nous devons pouvoir stocker l’énergie sur de longues durées. »

La batterie sous forme de ballon d’Energy Dome exploite le fait que, contrairement à l’air, le dioxyde de carbone peut être liquéfié sous haute pression sans avoir besoin d’un refroidissement énergivore. Elle récupère l’énergie excédentaire du réseau local produite pendant la journée, généralement grâce à l’énergie solaire, pour comprimer et liquéfier le gaz, avant de le stocker dans des réservoirs en acier. La chaleur générée comme sous-produit au cours du processus est stockée dans des unités spéciales de stockage de l’énergie thermique.

Lorsqu’un besoin d’électricité se fait sentir, le processus est inversé. Le dioxyde de carbone liquide est chauffé par les unités de stockage pour être de nouveau transformé en gaz. Le gaz passe à travers une turbine, générant de l’électricité, avant de retourner dans le « dôme ».

« L’ensemble du processus se déroule en circuit fermé, qui restitue au réseau 75 % de l’énergie initialement utilisée lors de la recharge, ce qui lui confère une grande efficacité », explique Paolo Cavallini. « Il peut fonctionner 30 ans sans aucune dégradation, contrairement à d’autres technologies électrochimiques qui se détériorent rapidement. »

La technique permet de stocker de l’énergie pendant une durée pouvant aller jusqu’à dix heures, pour environ la moitié du coût des batteries lithium-ion.

La centrale de démonstration d’Energy Dome, la première du genre, est en service depuis deux ans. La jeune pousse construit une usine à grande échelle à Ottana, en Sardaigne, qui sera capable de produire 200 MWh d’électricité en une seule décharge. Cela équivaut à 2 439 batteries de la Tesla Model 3 grande autonomie.

La Banque européenne d’investissement et Breakthrough Energy Catalyst, fondé par Bill Gates, appuient Energy Dome en lui accordant un prêt de 60 millions d’euros. En effet, les solutions de stockage d’énergie sont essentielles si nous voulons que l’Europe atteigne ses objectifs climatiques. Tout comme la météo, l’énergie sans émissions, générée par le soleil ou le vent, est instable. Par conséquent, nous devons la stocker quelque part afin de pouvoir l’utiliser aux moments où la nature se montre moins généreuse.

Pour lutter contre les changements climatiques, l’Union européenne dispose d’un plan ambitieux de transition vers une économie neutre en carbone à l’horizon 2050. Pour réaliser cet objectif, l’Europe devra à terme fermer toutes ses centrales au charbon et au gaz émettrices de carbone et remplacer la capacité de production perdue par des sources sans émissions, notamment grâce aux énergies renouvelables comme l’éolien ou le solaire. Poussée par l’impératif stratégique consistant à se sevrer du gaz russe, l’Union européenne vise à porter à 42,5 % d’ici à 2030 la part des énergies renouvelables dans son système énergétique, qui était à 23 % en 2022. Pour la Commission européenne, cela signifie que plus des deux tiers de la production d’électricité de l’UE devront provenir de sources d’énergie renouvelables.

Toutefois, le simple remplacement des centrales à combustibles fossiles ne suffira pas. L’Europe doit aussi produire davantage d’électricité. En effet, la demande devrait monter en flèche, au fur et à mesure que de nouveaux secteurs se tourneront vers l’électrification afin d’atteindre leurs propres objectifs de décarbonation et que les véhicules à moteur à combustion seront remplacés par des modèles électriques. Dans l’ensemble, la part des énergies renouvelables dans la production d’électricité devra augmenter de 60 % à 70 % d’ici à la fin de la décennie, selon le laboratoire d’idées Bruegel.  

« Stocker l’énergie permet de stabiliser les prix, de gérer la variabilité des énergies renouvelables et d’encourager les investissements. »

Andrea Alessi

Ingénieur spécialiste des énergies renouvelables à la Banque européenne d’investissement

La transition est déjà bien engagée. Selon Ember, laboratoire d’idées sur l’énergie, plus de 30 % de l’énergie mondiale provient désormais de sources renouvelables et nous sommes arrivés à un moment clé où l’électricité produite à partir de combustibles fossiles devrait commencer à diminuer. L’énergie solaire et l’énergie éolienne se développent beaucoup plus rapidement dans l’Union européenne que dans le reste du monde. En 2023, les nouvelles capacités solaires et éoliennes en Europe représentaient 17 % du total mondial et l’Union européenne produisait 44 % de son énergie à partir de sources renouvelables, selon le laboratoire d’idées.

Cependant, pour répondre à la demande croissante d’électricité et remédier au décalage entre la structure de la demande et les conditions météorologiques, l’Europe doit investir massivement non seulement dans de nouvelles capacités de production, mais aussi dans deux autres domaines essentiels : le stockage de l’énergie et les réseaux électriques. Bruegel estime que les seuls investissements dans la production et le stockage d’électricité pourraient devoir doubler pour atteindre environ 1 % du produit intérieur brut annuel de l’Union européenne, tandis que la Commission européenne évalue à 584 milliards d’euros le coût des investissements dans les réseaux électriques uniquement.

Dans cet article, nous examinons un certain nombre de technologies innovantes de stockage de l’énergie actuellement développées en Europe, ainsi que les défis liés à la modernisation des réseaux électriques afin qu’ils puissent desservir un système électrique décarboné.

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• En savoir plus sur la petite histoire des énergies renouvelables.

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Pour fournir de l’électricité stable par tous les temps et chaque fois que nécessaire, un système électrique reposant en grande partie sur des énergies renouvelables intermittentes, comme l’énergie éolienne ou solaire, doit pouvoir mettre en réserve des quantités importantes d’énergie pour les jours sans vent ou sans soleil.

Les batteries chimiques, telles les batteries lithium-ion utilisées dans les téléphones mobiles et les véhicules électriques, offrent une piste prometteuse.

Dans le département français de la Gironde, Amarenco Solar développe de grandes batteries lithium-ion afin de renforcer la stabilité de l’approvisionnement en énergie renouvelable. L’entreprise construit une batterie lithium-ion d’une capacité de 105 MW capable d’alimenter jusqu’à 2 490 véhicules électriques. Parmi les plus puissantes d’Europe, cette batterie aidera RTE, le gestionnaire du réseau de transport d’électricité français, à stabiliser le réseau en stockant l’énergie provenant de sources renouvelables lorsqu’elle dépasse les besoins et en la libérant lorsque la demande est importante. 

La Banque européenne d’investissement prête 16,5 millions d’euros à Amarenco Solar pour l’aider à financer la commercialisation et le déploiement de son projet. Le financement s’inscrit dans le cadre du mandat de la Banque au titre du volet « Projets de démonstration liés à l’énergie » du dispositif Innovfin, qui est appuyé par la Commission européenne et soutient des projets de démonstration innovants et inédits en phase précommerciale contribuant à la transition énergétique.

Pendant ce temps, en Norvège, une initiative révolutionnaire est en cours avec la construction d’une grande usine de production industrielle de cellules de batterie lithium-ion propres destinées aux systèmes de stockage d’énergie par batterie. Grâce à des procédés de fabrication innovants et à l’énergie renouvelable, Freyr Battery Norway vise à produire des cellules de batteries ayant la plus faible empreinte carbone possible, en recourant à des matériaux issus de sources durables et traçables. L’entreprise a bénéficié d’une assistance au développement de projets de la part de la Banque européenne d’investissement, puis d’une subvention de la Commission européenne au titre du Fonds pour l’innovation, l’un des plus grands programmes de financement au monde pour le déploiement de technologies « zéro net » et innovantes. Ce fonds vise à décarboner l’industrie européenne, à soutenir la neutralité climatique et à renforcer la compétitivité. Les projets soutenus bénéficient d’une assistance au développement de projets et d’un soutien consultatif spécialisé de la part de la Banque européenne d’investissement.

Dans la ville de Douai, en France, la giga-usine d’AESC s’apprête à fabriquer une quantité importante de batteries lithium-ion destinées aux véhicules électriques. L’entreprise a obtenu un financement de 449 millions d’euros de la Banque européenne d’investissement.

« Compte tenu des variations dans la production d’énergie de source renouvelable, une solution est nécessaire pour stabiliser la production et l’offre d’énergie sur le marché afin de répondre à des besoins différents. Les batteries peuvent aider à stocker l’énergie à court et à long terme. »

Andrea Alessi

Ingénieur spécialiste du stockage de l’énergie à la Banque européenne d’investissement

« À l’heure actuelle, la présence des énergies renouvelables sur le marché européen est proche de 40 %. Pour passer de 40 % à 90 %, nous avons besoin d’un stockage d’une durée comprise entre 10 et 24 heures. »

Paolo Cavallini

Chef du personnel, Energy Dome © Freyr

Si les batteries chimiques offrent une solution prometteuse dans de nombreuses situations, elles n’en présentent pas moins certaines lacunes pour une application à grande échelle. L’intégration des batteries dans le réseau électrique peut s’avérer coûteuse, d’autant que celles-ci ne fournissent de l’énergie que pendant quelques heures. Cette contrainte devient particulièrement problématique les jours dépourvus d’ensoleillement, car l’absence de génération d’électricité peut alors durer plusieurs heures. Un autre inconvénient concernant les batteries est qu’elles nécessitent des matières premières (comme le lithium) peu abondantes en Europe et dont le processus d’exploitation et d’extraction minière peut être dommageable pour l’environnement. 

Pour relever le défi de l’intermittence, les systèmes électriques nécessitent des solutions plus durables, capables de fournir une alimentation de secours pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours.

S’appuyant sur l’énergie cinétique de rotation ou l’énergie potentielle gravitationnelle pour stocker l’énergie, les systèmes de stockage mécanique sont sans doute les plus simples. Ils utilisent souvent des mécanismes tels que des volants d’inertie ou des charges suspendues afin d’exploiter l’énergie potentielle stockée à l’intérieur d’une masse surélevée.

Basée en Écosse, la jeune pousse Gravitricity développe un projet de stockage mécanique d’énergie de 4 à 8 mégawatts à l’intérieur d’un puits de mine désaffecté. Sa technologie fonctionne à l’instar d’un ascenseur, utilisant l’excès d’électricité provenant d’énergies renouvelables pour soulever un matériau solide et dense. Plus le matériau est dense, plus la capacité de stockage d’énergie est importante. Lorsqu’il faut libérer de l’énergie, le poids descend progressivement sous l’influence de la gravité. Au fur et à mesure qu’il s’abaisse, il entraîne une série de moteurs grâce aux câbles renforcés qui lui sont attachés, générant de l’électricité.

Pouvant atteindre huit heures, la durée de libération de l’énergie des batteries Gravitricity les rend idéales pour stocker l’énergie solaire. Elles peuvent absorber le surplus d’énergie solaire pendant la journée et le restituer pendant la nuit, équilibrant efficacement l’offre et la demande d’énergie.

Gravitricity prévoit qu’une fois pleinement mise en œuvre, chaque batterie sera à même de libérer entre 1 et 20 mégawatts à la puissance de crête, fournissant ainsi jusqu’à huit heures d’électricité. Un système d’alimentation de 20 MW pourrait desservir 63 000 foyers pour chaque heure de débit.

À la suite du succès d’un projet de démonstration de 250 kilowatts à Édimbourg, la Banque européenne d’investissement a fourni à la jeune entreprise une aide au développement de projets par l’intermédiaire du Fonds pour l’innovation.

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• En savoir plus sur l’avenir de l’énergie éolienne.

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« En 2023, la Banque européenne d’investissement a accordé 20 milliards d’euros à l’appui de projets ayant trait à l’efficacité énergétique, aux énergies renouvelables, aux réseaux électriques et au stockage dans l’Union européenne. »

Le stockage de l’énergie hydroélectrique par pompage est l’une des technologies de stockage d’énergie à grande échelle les plus anciennes et les plus utilisées. Voici comment cela fonctionne :

• l’eau est stockée dans deux bassins situés à différentes altitudes ;
• lorsqu’il y a un surplus d’énergie, l’eau est pompée du bassin inférieur vers le bassin supérieur ;
• lorsque l’énergie stockée est nécessaire pour répondre à la demande de pointe, l’eau est relâchée vers le bassin inférieur, alimentant des turbines à mesure qu’elle descend et produisant de l’électricité. 

Il s’agit d’un processus simple, efficace, peu coûteux et économe en énergie. Son fonctionnement ne génère pas d’émissions de gaz à effet de serre.

Dans le nord du Portugal, Iberdrola a construit trois nouveaux grands barrages hydroélectriques, comprenant une centrale de pompage-turbinage, sur les rivières Tâmega et Torno. L’installation, qui est la plus grande centrale hydroélectrique construite en Europe au cours des 25 dernières années, génère une puissance totale de 1 158 mégawatts.

Doté d’une capacité de production annuelle de 1 766 GWh, le complexe de Tâmega est en mesure de fournir suffisamment d’énergie aux villes voisines, dont Braga et Guimarães, qui comptent à elles deux plus de 440 000 foyers. Il peut également stocker 40 millions de kilowatts-heures d’énergie, ce qui équivaut à la consommation quotidienne d’électricité de 11 millions de personnes.

 

En diversifiant la production d’électricité du Portugal, ce projet devrait diminuer les émissions de carbone de 1,2 million de tonnes par an et réduire les importations de pétrole de plus de 160 000 tonnes. Il contribuera également à l’activité économique et à l’emploi dans la région : la phase de construction du projet devrait permettre de créer 3 500 emplois directs et 10 000 emplois indirects.

Iberdrola prévoit également de construire deux parcs éoliens d’une puissance combinée de 300 mégawatts, qui transformeront le complexe de Tâmega en une centrale électrique hybride. La Banque européenne d’investissement a appuyé le projet en accordant à Iberdrola un prêt de 650 millions d’euros signé en 2018.

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• En savoir plus sur les sources d’énergie renouvelable autres que l’éolien et le solaire.

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« En 2023, la Banque européenne d’investissement a accordé 20 milliards d’euros à l’appui de projets ayant trait à l’efficacité énergétique, aux énergies renouvelables, aux réseaux électriques et au stockage dans l’Union européenne. »

Pour être en mesure d’intégrer les énergies renouvelables, les réseaux électriques ne requièrent pas uniquement des investissements dans la capacité de stockage. Ils font également face à un certain nombre d’autres défis.

• Typique de l’électricité provenant du soleil et du vent, l’approvisionnement intermittent et tributaire des conditions météorologiques complique la tâche des gestionnaires de réseau qui doivent prévoir et gérer l’offre et la demande d’électricité. Par moments, la quantité d’électricité produite peut dépasser la demande. En l’absence d’une capacité de stockage adéquate, les parcs éoliens pourraient notamment être contraints d’arrêter leurs turbines afin de réduire leur production.
• Souvent situés loin des consommateurs citadins ou des sites industriels, les parcs éoliens et solaires pourraient avoir besoin de nouvelles lignes de transport et de distribution.
• Le recours aux énergies renouvelables peut rendre le maintien d’une fréquence électrique stable plus difficile pour les réseaux. Un risque pour leur stabilité se pose, car le système devient alors moins capable de résister à des perturbations soudaines, comme la perte d’un grand générateur ou un affaiblissement soudain du vent.

« Nous nous attendons à une augmentation massive des besoins en énergies renouvelables. Le défi consiste à comprendre où auront lieu les flux futurs et quelles seront les voies les plus utilisées. »

Mike Karaschinsky

Directeur de division, TEAG © TEAG

TEAG, le gestionnaire du réseau de distribution de la région allemande de Thuringe, est l’un des nombreux acteurs européens à investir aujourd’hui pour surmonter ces obstacles sur la voie de la décarbonation. Surnommé le « cœur vert de l’Allemagne » en raison de ses forêts denses, le Land de Thuringe produit plus de 57 % de son électricité à partir d’énergies renouvelables, dont 22,4 % grâce à l’énergie éolienne.

En avril 2024, TEAG a bénéficié d’un prêt de 400 millions d’euros octroyé par la Banque européenne d’investissement, à l’appui d’un programme d’investissement de 600 millions d’euros visant à moderniser son vaste réseau régional. TAEG dessert 620 municipalités, dont de nombreuses petites communes comptant de 10 000 à 20 000 habitants seulement.

« Nous nous attendons à une augmentation massive des besoins en énergies renouvelables », déclare Mike Karaschinsky, directeur de division chez TEAG. « L’Allemagne est passée d’un système très centralisé, basé sur les centrales nucléaires et à charbon situées à proximité des centres de consommation, à un système très décentralisé où la production a lieu là où les conditions météorologiques sont les meilleures. Le défi consiste à comprendre où auront lieu les flux futurs et quelles seront les voies les plus utilisées. »

Le gestionnaire du réseau de distribution régional investit non seulement dans de nouveaux câbles et sous-stations durables et de haute capacité, mais également de manière massive dans les technologies numériques, notamment dans les compteurs intelligents et la sécurité informatique.

« Avec l’augmentation de l’électromobilité, et la disponibilité de batteries et de systèmes de recharge automobiles capables de redistribuer l’énergie vers le réseau, il est temps d’investir dans un réseau bien plus intelligent », note Mike Karaschinsky.

Entre 2013 et 2023, la Banque européenne d’investissement a prêté plus de 30 milliards d’euros à l’appui de plus de 74 milliards d’euros d’investissements dans la modernisation des réseaux dans l’Union européenne. Toutefois, pour que les réseaux deviennent un catalyseur de la transition écologique et non un goulet d’étranglement, il reste encore beaucoup à faire.

Dans sa communication de novembre 2023 intitulée « Un plan d’action de l’UE pour les réseaux », la Commission européenne indiquait que les procédures d’autorisation pour le renforcement des réseaux prennent actuellement de 4 à 10 ans et de 8 à 10 ans pour les nouvelles lignes à haute tension. Ces délais doivent être considérablement raccourcis afin de maintenir la transition écologique sur la bonne voie.

Au total, la Commission estime que 584 milliards d’euros d’investissements seront nécessaires pour les réseaux électriques d’ici à 2030. Ces investissements devraient concerner en grande majorité les réseaux de distribution locaux afin de « les faire passer au numérique, les surveiller en temps réel, les rendre contrôlables à distance et cybersécurisés ».

Pour remédier à cette situation, la Commission propose un plan d’action en 14 points visant à : améliorer la planification à long terme des réseaux ; accélérer les procédures d’octroi des permis ; et améliorer l’accès au financement pour les projets en matière de réseau, tant au niveau du transport que de la distribution.

Une meilleure intégration entre les réseaux nationaux pourrait également améliorer l’efficacité et potentiellement réduire la consommation de carburant de 21 %, selon le laboratoire d’idées Bruegel.

Des changements législatifs sont également essentiels. En mars 2023, la Commission européenne a proposé une vaste réforme du marché de l’électricité de l’UE, qui vise à réduire la volatilité des prix pour les consommateurs et à créer des conditions plus favorables pour les investisseurs dans les solutions d’énergie et de stockage d’énergie à faible intensité de carbone.

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• En savoir plus sur les panneaux solaires que l’on retrouvera bientôt partout.

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« Nous nous attendons à une augmentation massive des besoins en énergies renouvelables. Le défi consiste à comprendre où les flux futurs auront lieu et quelles seront les voies les plus utilisées. »

Mike Karaschinsky

Chef de division, TEAG