Source: The Conversation – France in French (2) – By Vera Moerbeek, Doctorante en physique, Centre national de la recherche scientifique (CNRS); Université de Perpignan Via Domitia
L’énergie solaire est associée à des problèmes d’intermittence, car elle ne génère d’électricité que quand le soleil brille. Certains dispositifs photovoltaïques pourraient permettre de stocker le rayonnement solaire sous forme de chaleur, puis de récupérer l’énergie sous forme d’électricité.
Il est devenu courant de voir des panneaux solaires sur les toits des maisons et des hangars, grâce à la baisse du prix des cellules en silicium et à leur taille compacte. Cependant, l’énergie solaire est intermittente, comme beaucoup d’autres types d’énergie renouvelable. Lors des périodes de production maximale, comme les journées estivales ensoleillées, le réseau d’électricité sature d’énergie, tandis que lors des périodes de faible production, comme le soir et en hiver, l’offre diminue alors même que la demande est la plus élevée. C’est pourquoi, afin de garantir la disponibilité de l’énergie à la demande, des solutions de stockage doivent être intégrées au réseau.
La technologie la plus utilisée pour le stockage à l’échelle du réseau électrique est le stockage hydroélectrique par pompage, mais le nombre de sites favorables en France est limité et déjà largement exploité, du fait des contraintes géographiques.
Une autre technologie courante est la batterie électrochimique : l’exemple le plus commun est celui des batteries lithium-ion des téléphones portables et des voitures. À plus grande échelle, des entreprises, par exemple Enedis, commencent à investir dans de grands parcs de batteries pour soutenir le réseau électrique. La technologie dominante pour ces très grandes batteries est la technologie lithium-fer-phosphate.
En grande partie pour cette raison, l’Agence internationale de l’énergie (IEA) dans un report récent prévoit une croissance de 42 % de la demande de lithium en 2040 par rapport à 2020. Or, l’extraction du lithium soulève des enjeux géopolitiques et humanitaires. Récemment, la possibilité d’ouvrir d’une mine dans l’Allier a intensifié le débat en France : si ces mines ont des impacts négatifs sur l’eau potable, la biodiversité et les sols, peut-on réellement soutenir qu’elles nous aideraient vers un futur durable ?
Peut-on stocker l’énergie autrement et assurer la stabilité du réseau électrique ?
Le stockage thermique : une alternative aux batteries électrochimiques
Les barrages hydroélectriques et les batteries électrochimiques ne constituent pas la seule solution pour le stockage de l’énergie. Une alternative est le stockage thermique, où l’énergie est stockée sous forme de chaleur.
C’est par exemple le principe des chauffe-eau solaires. À plus grande échelle, le stockage thermique est surtout appliqué en combinaison avec des centrales solaires à concentration (CSP), comme le Crescent Dunes Solar Energy Project aux États-Unis ou l’Andasol Solar Power Station en Espagne. Cependant, le CSP reste une technologie marginale, car ces grandes centrales nécessitent un investissement initial très important et les coûts de maintenance sont élevés.
Dans ce type d’installations, la première étape est la conversion d’énergie solaire en chaleur au moyen de grands miroirs – soit paraboliques, soit petits, plats et suivant le soleil – qui concentrent le rayonnement solaire pour chauffer un fluide (conventionnellement du sel fondu). La chaleur est convertie en électricité lors de la deuxième étape, où la chaleur stockée dans le fluide entraîne une turbine.
Malheureusement, la conversion de la chaleur en énergie utile, comme l’électricité, est particulièrement difficile : l’efficacité de la conversion est limitée fondamentalement par ce qu’on appelle « la loi de Carnot ». Par exemple : à 300 °C, le maximum théorique de l’efficacité est environ 50 %, ce qui signifie que l’efficacité réelle est encore plus basse. En comparaison, l’efficacité des batteries lithium-ion, qui ne passent pas par la case « chaleur », peut surpasser 90 %.
« Détourner » les cellules photovoltaïques pour convertir le rayonnement de la chaleur en électricité
Mais il existe une autre façon de convertir la chaleur en électricité : en utilisant le rayonnement émis par tout objet chaud (qui dépend de la température).
Vera Moerbeek, Fourni par l’auteur
Tandis que les cellules photovoltaïques traditionnelles que l’on voit sur les toits et dans les fermes solaires convertissent le rayonnement solaire lui-même, l’idée de ce qu’on appelle les systèmes thermophotovoltaïques (abréviés TPV) est de récupérer le rayonnement infrarouge émis par n’importe quel objet chauffé – et qui stocke donc l’énergie sous forme de chaleur – et de la convertir en électricité.
Par exemple, le silicium fond à 1 414 °C et le graphite peut être chauffé jusqu’à plus de 2 000 °C. Ces matériaux émettent alors un rayonnement infrarouge, que l’on peut collecter grâce à des cellules photovoltaïques spéciales (comme des cellules en indium-gallium-arséniure). À de telles températures, la limite de Carnot est repoussée jusqu’à 83 % et 87 % respectivement. En pratique, les expériences réalisées au MIT, aux États-Unis, ont démontré une efficacité de plus de 40 %.
Vera Moerbeek, Fourni par l’auteur
Différents dispositifs thermophotovoltaïques
Le dispositif le plus mature à ce jour n’utilise pas le rayonnement solaire pour chauffer le milieu de stockage, mais simplement l’électricité. Il est donc similaire à une batterie lithium-ion, mais effectue des conversions d’énergie successives « électricité → chaleur → électricité » au lieu de « électricité → énergie chimique → électricité ». De tels dispositifs promettent d’être compétitifs en raison de leurs coûts relativement faibles et aujourd’hui commencent à être commercialisés à l’échelle industrielle.
Il serait encore plus intéressant de chauffer le milieu de stockage directement avec le rayonnement solaire, comme pour le CSP conventionnel, afin que le système devienne une source d’énergie renouvelable non intermittente.
Vera Moerbeek, Fourni par l’auteur
Pour cette raison, nous avons réalisé le premier prototype expérimental de ce dispositif, dont le milieu de stockage est chauffé à l’aide d’un rayonnement solaire concentré, et suit donc une conversion « solaire → chaleur → électricité ». Un avantage important de notre dispositif est qu’il pourrait être rentable à une échelle beaucoup plus réduite que les systèmes CSP actuels, du fait du remplacement de la turbine par les cellules thermophotovoltaïques (TPV).
Cependant, l’efficacité globale de ce nouveau type de batterie thermique (soleil → chaleur → électricité) — et notamment l’efficacité des cellules thermophotovoltaïques elles-mêmes (pour la conversion finale de chaleur en électricité) — doit encore être améliorée au laboratoire, afin que cette technologie devienne plus compétitive.
Vera Moerbeek a reçu des financements de l’École doctorale “énergie et environnement” (ED305).
– ref. Une nouvelle piste pour stocker l’énergie solaire… et fournir de l’électricité quand le soleil s’absente – https://theconversation.com/une-nouvelle-piste-pour-stocker-lenergie-solaire-et-fournir-de-lelectricite-quand-le-soleil-sabsente-279710