Cet article fait partie des 112 cas de l’économie bleue.

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Cas 71 : Stockage de l’électricité par la gravité

Mar 8, 2013 | 100 Innovations, Autre

Le marché

Le marché mondial du pompage-turbinage a atteint un peu plus de 127 GW en 2010. L’hydroélectricité, y compris l’accumulation par pompage, est la technologie de production d’énergie renouvelable la plus largement utilisée aujourd’hui. Le pompage-turbinage est la cogénération de l’hydroélectricité, tout comme la vapeur pour les centrales au charbon. Le pompage-turbinage utilise de l’électricité à faible coût et hors pointe pour pomper l’eau d’un réservoir inférieur à une altitude plus élevée. Pendant les périodes de forte demande, l’eau circule dans des turbines pour produire de l’électricité. Même si le pompage implique une perte d’énergie, les revenus augmentent en vendant de l’électricité à des prix plus élevés en période de pointe. L’Union européenne disposait d’une capacité nette d’un peu moins de 40 GW, ce qui représente plus d’un tiers de la capacité mondiale, soit 5% de la capacité de production d’électricité de base de l’UE. L’Europe est la plus active pour accroître des capacités de stockage. Le Japon a investi au fil des ans et dispose de 26 GW, ce qui représente le quart de la capacité mondiale. Les États-Unis disposent de 22 GW, soit environ un cinquième du stockage mondial, et 2,5% de la capacité de production d’énergie de base des États-Unis, soit 1088 GW. Le marché de l’accumulation par pompage devrait croître de 60% au cours des quatre prochaines années, pour atteindre 203 GW d’ici 2014. Les investissements supplémentaires représentent un peu moins de 60 milliards de dollars de dépenses en capital. La Banque mondiale et la Banque européenne d’investissement sont proactives en fournissant des fonds pour l’expansion du pompage-turbinage du Portugal, de la Suisse, de l’Espagne et du Royaume-Uni vers la Russie, l’Indonésie, la Chine et le Vietnam. La coopération entre RWE, l’un des principaux fournisseurs d’électricité d’Europe, et RAG, l’exploitant allemand de mines de charbon, en vue de développer conjointement un projet intégré de pompage-turbinage et d’éolien dans les montagnes de scories de charbon, constitue une nouvelle avancée intéressante. Le concept intègre l’énergie éolienne intermittente à l’énergie hydroélectrique qui pourrait être fournie en moins d’une minute. Le système utilisera l’énergie éolienne en période de forts courants d’air et de faible demande pour pomper l’eau 50 mètres plus haut au sommet de la montagne de déchets. Il devrait être opérationnel d’ici 2016. Voith Hydro (Allemagne) est leader sur le marché de la fourniture de générateurs et de turbines, avec plus de 40.000 unités installées. L’année dernière, cette société a connu une forte concurrence de la part de Toshiba, Mitsubishi et Sumitomo (Japon) et d’Alstom (France).

L’innovation

Étant donné que l’énergie renouvelable est produite de façon intermittente, elle doit être sauvegardée par le stockage de l’énergie. La technologie traditionnelle de stockage a été les batteries, mais cette solution chimique n’est viable que pour les petites installations. La batterie sodium-soufre n’atteint qu’une capacité de 200 MW. Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES) comme alternative a du mal à s’imposer sur le marché, avec seulement 2 applications à l’échelle commerciale dans le monde. Un volant d’inertie à friction extrêmement faible, placé dans une chambre à vide, stocke l’énergie produite par les matériaux composites pour fournir des forces centripètes. L’hydrogène, comprimé ou liquéfié, est stocké pour être reconverti en énergie et/ou en chaleur. Ainsi, bien que le pompage-turbinage soit le système le plus utilisé aujourd’hui, l’un de ses principaux obstacles est son impact sur l’environnement et la délivrance des permis, qui prend en moyenne une décennie. James Fiske, spécialiste de la lévitation magnétique (maglev), a obtenu son diplôme en génie électrique et informatique du Massachusetts Institute of Technology en 1978. Il a travaillé pour Hughes Aircraft avec les systèmes de traitement du signal, il est l’architecte principal d’un mini-super-ordinateur et il a conçu des logiciels de pointe d’ingénierie assistée par ordinateur. Il détient six brevets. Alors qu’il imaginait une nouvelle classe de transport de marchandises par maglev, il a été attiré par l’utilisation de la gravité comme système de stockage d’électricité à l’échelle du réseau. Il s’est penché sur le pompage-turbinage et a décidé de pousser cette technologie éprouvée dans une nouvelle direction : vers le bas. Il s’est rendu compte que les deux grands réservoirs et la perturbation de l’environnement pourraient être surmontés en installant un module d’énergie gravitaire (GPM) sous terre. Ce système modulaire a une faible empreinte écologique et peut être installé presque partout où un stockage d’énergie est nécessaire. James a ensuite créé Gravity Power en tant que dérivé de LaunchPoint Technologies, où il occupe le poste de vice-président des systèmes avancés.

Le premier flux de trésorerie

James s’est rendu compte que nous ne devrions pas seulement nous concentrer sur la façon de capter l’énergie du soleil, du vent et des vagues, mais que nous devrions aussi avoir la capacité de la conserver pendant de nombreuses heures après le coucher du soleil et la fin du vent. Il a évalué le coût d’investissement total par KW et s’est rendu compte que les batteries varient entre 1 750 et 3 640 dollars par kW, alors que le pompage-turbinage pourrait atteindre la limite inférieure de 1 500 dollars – comparable aux batteries les moins chères, mais pour plus du double des heures de stockage (10 heures). Avec un vaste accès à la conception et aux simulations assistées par ordinateur, James a conclu qu’une installation de stockage de 2 GW nécessite moins de 2 hectares. Comme la technologie repose sur un puits profond, rempli d’eau et renforcé de béton, elle résistera aux tremblements de terre. Le GPM est une colonne verticale creusée à quelques centaines de mètres dans le sol et remplie d’eau. Un énorme piston, composé de crêpes massives en béton et minerai de fer pour une haute densité et un faible coût, repose sur la colonne d’eau avec des joints coulissants pour éviter les fuites, pour stocker l’énergie et il est abaissé pour évacuer l’énergie par un tuyau de retour. Lorsque l’énergie est abondante, l’eau est pompée vers le bas et déplace le poids et la colonne d’eau vers le haut. La libération du poids entraîne l’eau à travers une turbine et produit de l’énergie au besoin. Un puits pourrait stocker plus de 50 MW d’énergie pendant quatre heures, soit 200 MW d’heures de stockage. Gravity Power collabore avec Robbins Co, l’inventeur de la taupe mécanique, pour adapter sa technologie au tunnelage vertical capable de creuser 100 mètres de profondeur en 24 heures. La rapidité, le faible coût et la construction à partir de matériaux bon marché facilement disponibles devraient permettre de réduire les coûts d’investissement d’au moins la moitié et le temps entre la décision et la mise en œuvre en termes de quelques années au lieu d’une décennie. La première unité est installée au Texas en 2011.

L’opportunité

L’introduction des énergies renouvelables nécessite un stockage d’énergie à des fins commerciales, ce qui représente une échelle gigantesque. L’une des possibilités est donc de travailler avec les puits disponibles, dont des milliers ont été creusés au cours des derniers siècles par des sociétés minières partout dans le monde. Le projet MineWater à Heerlen, aux Pays-Bas, utilise déjà la différence thermique des mines profondes pour le refroidissement et le chauffage des zones résidentielles. Aujourd’hui, on n’utilise pas seulement la température, qui est une technologie éprouvée dans le cas des Pays-Bas, mais on utilise la présence d’eau, on localise les puits idéaux, on installe des scellants et on exploite l’eau largement disponible dans les mines désaffectées et abandonnées, qui doit très souvent être pompée, au cœur du GPM. Dans un pays comme l’Afrique du Sud, où l’industrie minière pompe des millions de litres d’eau, ce qui représente jusqu’à 25% de toute la consommation d’énergie des mines autour de Johannesburg, la percée offerte par James et son équipe assurerait une alimentation électrique permanente. Avec les puits qui descendent jusqu’à 4000 mètres, les compagnies minières commencent à peine à saisir l’énorme potentiel qu’ils recèlent.

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