Les batteries Lithium-ion, moteurs de la transition énergétique des réseaux électriques

Afin de satisfaire les cahiers des charges exigeants des constructeurs automobiles pour leurs nouveaux véhicules électriques et hybrides, des progrès remarquables ont été enregistrés au cours des dernières années dans le domaine des batteries Lithium-ion, tant en robustesse qu’en réduction des coûts. Les performances en puissance, en densité d’énergie et en durée de vie à des coûts devenant acceptables ainsi que la maturité industrielle de la filière permettent désormais d’envisager le déploiement de ces technologies pour améliorer la gestion des réseaux électriques (régulation en fréquence, stabilisation en tension, secours d’énergie à l’échelle d’une habitation, d’un quartier, voire d’une ville, effacement du réseau aux heures de pointe…), en optimiser les investissements d’entretien et de renforcement et permettre le raccordement massif, sans risque de déstabilisation, de sources renouvelables intermittentes. Ces nouvelles solutions de stockage sur batteries Lithium-ion viennent compléter les solutions traditionnelles comme les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) et les batteries au Plomb et au Nickel utilisées depuis plusieurs dizaines d’années.

Les batteries Lithium-ion entrent en concurrence avec de multiples autres solutions de stockage, que ce soit électrochimiques (batteries NaS, NaNiCl2, Lithium Métal Polymère du groupe Bolloré, systèmes à flux redox…) mécaniques (volants d’inertie, stockage d’air comprimé) ou utilisant le vecteur Hydrogène (électrolyse puis stockage ou utilisation directe) sans lister les technologies encore au stade du laboratoire. Force est pourtant de constater que les technologies Lithium-ion, du fait de leurs performances démontrées, de leur fiabilité et de leur disponibilité industrielle sont aujourd’hui les plus fréquemment utilisées dans les nouvelles installations de stockage. Ce sont sur ces technologies que se focalisera cet article.

Des programmes d’évaluation et de démonstration ont été menés depuis plusieurs années en France et quelques premières réalisations industrielles ont vu le jour. Il nous est apparu intéressant de mettre en perspective ces projets nationaux avec la dynamique rencontrée dans un pays proche ayant une politique énergétique différente, l’Allemagne, et avec la révolution en cours aux États-Unis.

Le cas français : de nombreuses expérimentations et quelques réalisations industrielles prudentes

Plusieurs projets de démonstration intégrant des systèmes de stockage ont été lancés ces dernières années en France : Nice Grid à Carros (06) d’une puissance cumulée de stockage de 2 MW, Millener en Corse et à la Réunion (1 MW), Venteea dans l’Aube (2 MW), Concept Grid sur le site de recherche EDF des Renardières (1 MW)…

A ces programmes expérimentaux viennent s’ajouter quelques premières réalisations industrielles d’intégration au réseau de champs photovoltaïques de grande taille, dont la plus significative est sans doute celle de l’opérateur Akuo Energy en Corse et à la Réunion pour une capacité cumulée de 29 MWh.
Tous ces projets utilisent des systèmes de stockage Lithium-ion fournis par le français Saft.

Le secteur devrait enfin bénéficier des retombées de l’appel d’offres lancé en mai dernier pour la réalisation d’installations photovoltaïques de grande taille avec stockage en Corse et dans les DOM pour un total cumulé de 50 MW. Les lauréats devraient être connus courant 2016.

Le cas allemand : en route vers l’après-nucléaire

L’Allemagne a longtemps bénéficié de la capacité photovoltaïque installée la plus importante au monde, notamment résidentielle. Afin de mieux réguler l’injection de ces sources d’énergie très distribuées ont été mises en place dès 2013 des aides à l’investissement à destination des particuliers afin qu’ils s’équipent de systèmes de stockage domestiques utilisant, dans leur vaste majorité, des batteries Lithium-ion de 2 à 10 kWh associées à des onduleurs de 2 à 10 kW. Le succès a été rapidement au rendez-vous et près de 30 000 systèmes de stockage associés à des installations photovoltaïques résidentielles seront opérationnels fin 2015, faisant de l’Allemagne le premier pays au monde pour ce type d’installations. En estimant la puissance moyenne de ces installations à 4 kW / 4 kWh, ce sont plus de 75 MW de stockage installés fin 2015 dans les foyers allemands, et cette tendance devrait s’accélérer dans les prochaines années. Certaines estimations annoncent 70 000 systèmes supplémentaires d’ici à fin 2018 !

Ces systèmes très distribués sont complétés par des infrastructures de stockage massif dont la plus grande est une installation de stabilisation en fréquence de 10 MW fruit de la coopération entre le constructeur d’éoliennes Enercon et le développeur Energiequelle et utilisant des batteries Lithium-ion d’origine coréenne (LG Chem). Citons également les réalisations de l’intégrateur de système de stockage Younicos avec 2 MW pour le compte de l’opérateur Drewag en Saxe (batteries LG Chem), 5 MW pour WEMAG en Mecklembourg-Poméranie-Occidentale (batteries Samsung SDI, autre coréen). Pour finir, le très beau projet annoncé début novembre 2015 par l’opérateur STEAG qui prévoit l’installation cumulée de 90 MW de batteries Lithium-ion, également d’origine LG Chem, qui permettront de stabiliser en temps réel l’équilibre production/consommation de ses réseaux suite à la fermeture de l’ensemble du parc nucléaire en 2022 et au déploiement de sources éoliennes et photovoltaïques.

Les constructeurs automobiles allemands, particulièrement actifs dans le domaine des véhicules électriques et hybrides avec des dizaines de modèles attendus dans les prochaines années, le sont aussi dans le domaine du stockage réseau. Ainsi, en prévision de la fin de vie des batteries automobiles décrétée lorsqu’elles auront perdu de 20 à 30% de leur performance initiale, des programmes d’évaluation « de deuxième vie » ont été lancés afin d’utiliser ces batteries encore en état de fonctionner pour gérer les réseaux de distribution. Ainsi, Daimler vient d’inaugurer le plus grand système de stockage réseau au monde utilisant des batteries de deuxième vie avec une capacité de 13 MWh, quelques mois après l’annonce par BMW d’un système similaire de 2 MWh.

Le cas américain : le stockage d’énergie, « nouvelle frontière » des réseaux électriques aux Etats-Unis

Portés par une forte volonté politique concrétisée par une réglementation favorable et des incitations financières efficaces, les Etats-Unis concentrent un nombre impressionnant de réalisations et de projets de stockage sur batteries Lithium-ion qui en font le leader mondial dans le domaine.

La Californie est certainement l’Etat le plus dyna-mique grâce à une législation imposant aux trois opérateurs locaux la mise en service d’une puissance minimale de stockage de 1 325 MW avant 2024, toutes technologies confondues. En réponse à cette exigence, l’opérateur Southern California Edison (SCE) a ainsi attribué fin 2014 des contrats de fourniture de systèmes de stockage totalisant 250 MW qui seront mis en service avant 2022, faisant de cette opération la plus importante jamais réalisée dans le monde. Auparavant, le même SCE avait déjà connecté au réseau un système de stockage Lithium-ion de 8 MW / 32 MWh fourni par ABB en partenariat avec LG Chem. De son côté et toujours en Californie, General Electric vient d’annoncer la mise en service en 2016 d’un système de stockage Lithium-ion de 30 MW pour le compte de l’opérateur Imperial Irrigation District.

La forte taxation californienne des puissances appelées aux heures de pointe pour les clients professionnels (peak demand charges) associée à l’amplification des modulations horaires pour les particuliers (Time Of Use Tariffs) a également permis le développement de business models gagnants pour les systèmes de stockage de petite taille « en aval du compteur ». Ainsi, via l’installation à coûts réduits voire gratuite de systèmes de stockage Lithium-ion chez les utilisateurs, des start-up comme Green Charge Networks (61 systèmes de stockage sur batteries Lithium-ion actuellement connectés au réseau pour un cumul de 13 MWh) ou Stem et ses 85 MW de stockage remportés dans le cadre de l’appel d’offres de SCE de 2014, connaissent une croissance remarquable. Cet environnement réglementaire favorable est également à l’origine du lancement voici quelques mois de l’activité Systèmes de stockage du fabricant de voitures électriques Tesla Motors.

Si la Californie a été le premier Etat à montrer la voie du stockage, de très nombreuses installations sont également recensées à travers les Etats-Unis. Parmi les exemples récents, citons deux systèmes de stockage Lithium-ion totalisant 39,6 MW connectés voici quelques semaines dans la région de Chicago par Renewable Energy Systems (RES) qui porte ainsi son parc installé à 77 MW ou encore le groupement NEC Energy (Japon) - Amergin (USA) qui connectera au réseau en 2016 une puissance cumulée de 60 MW de stockage Lithium-ion pour le compte de l’opérateur PJM Interconnection, qui bénéficie déjà de 31,5 MW fournis par Invenergy et de 52 MW fournis par AES Energy Storage, leader du marché américain avec 86 MW en fonctionnement et 260 MW en construction. L’allemand Younicos n’est pas en reste avec un système de stockage de 36 MW (batteries Samsung SDI) qui va permettre à l’opérateur Duke Energy d’intégrer à son réseau texan un champ éolien de 153 MW.

Conclusion

Ce rapide éclairage montre l’effervescence mondiale que suscitent les systèmes de stockage sur batteries Lithium-ion pour mieux gérer les réseaux électriques, permettre le déploiement massif des énergies photovoltaïques et éoliennes et créer de très nombreux emplois porteurs d’avenir. En quelque sorte, une illustration concrète hors de nos frontières de la transition énergétique pour la croissance verte.

Retrouvez également cet article dans le Flash n°47.