Les batteries jouent un rôle crucial dans l'infrastructure énergétique mondiale actuelle. En outre, elles représentent la technologie de stockage d'énergie qui connaît la croissance la plus rapide dans le secteur. En 2023, les déploiements ont plus que doublé par rapport à 2022, faisant du stockage par batterie la première technologie énergétique disponible sur le marché dans le secteur de l'énergie. Une croissance significative a été observée dans les batteries à l'échelle des services publics et derrière le compteur (spécifiques au site), ainsi que dans les réseaux locaux et les systèmes d'énergie solaire résidentiels (qui sont souvent associés à des batteries résidentielles). Tout cela a contribué à une augmentation globale de 42 GW de la capacité de stockage des batteries en 2023. Le déploiement de batteries dans les véhicules électriques (VE) a augmenté à lui seul de 40% au cours de la même année, grâce aux 14 millions de nouvelles voitures électriques mises en circulation.

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), il est nécessaire de multiplier par six la capacité mondiale de stockage des batteries pour atteindre les objectifs climatiques ambitieux fixés par la COP28 pour 2030. Cette augmentation est essentielle pour faciliter le triplement de la capacité mondiale d'énergie renouvelable et l'élimination progressive des combustibles fossiles d'ici la fin de la décennie. En effet, pour stabiliser l'intégration des sources renouvelables telles que le solaire et l'éolien dans le réseau énergétique, environ 1 500 GW de capacité de stockage d'énergie seront nécessaires d'ici 2030, dont 1 200 GW devraient être fournis par des batteries.

 

Figure 1 - Augmentation de la capacité mondiale de stockage en batterie entre 2013 et 2023

Source : Solar Power Europe

Les technologies des batteries présentent différentes compositions chimiques, chacune adaptée à des applications spécifiques. Par exemple, les accumulateurs au plomb sont privilégiés pour leur rentabilité, tandis que les accumulateurs au nickel-cadmium sont appréciés pour leur durabilité et leurs taux de décharge élevés en milieu industriel. Les batteries nickel-hydrure métallique offrent une densité énergétique élevée. Les alternatives émergentes promettent une plus grande durabilité et une meilleure sécurité que les variétés traditionnelles. Les batteries lithium-ion sont les plus répandues de ces technologies émergentes, occupant plus de 50% du marché en 2023 grâce à leur densité énergétique et à leur efficacité supérieures. Cela les rend indispensables dans une large gamme d'applications, en particulier pour l'électronique mobile et les véhicules électriques.

Alors que les batteries lithium-ion continuent d'alimenter des milliards d'appareils personnels dans le monde, la production annuelle de batteries lithium-ion représente 50%, soit une augmentation significative par rapport à 2016, année où le marché ne représentait qu'un dixième de sa taille actuelle. Grâce à la baisse des coûts et à l'amélioration des performances, ces batteries sont devenues la pierre angulaire des économies modernes, non seulement en stimulant la croissance du secteur de l'énergie, mais aussi en réduisant les coûts. Pour vous donner une idée de la taille du marché,

Cet article vise à donner un aperçu des dernières avancées dans le domaine des technologies de stockage de l'énergie, en soulignant leur croissance rapide et leur importance croissante dans le secteur mondial de l'énergie. Il explore également la manière dont ces développements façonnent l'avenir des systèmes énergétiques, notamment par l'adoption du stockage par batterie dans diverses applications.

Croissance rapide du stockage par batterie : principaux marchés européens et perspectives

L'année 2023 a marqué une avancée significative pour les systèmes de stockage par batterie en Europe, car leur rôle essentiel pour assurer une transition énergétique propre sûre et rentable a été reconnu. Les batteries sont désormais entrées dans une nouvelle phase de leur développement, la courbe de croissance exponentielle commençant à s'infléchir. En 2023, 17,2 GWh de capacité de stockage ont été installés, ce qui a presque doublé la taille du marché (+94%) par rapport à 2022 et dépassé la barre des 10 GWh pour la première fois. C'est la troisième année consécutive que le marché européen double de taille, après une croissance record en 2021 et 2022 de 94% et 102% respectivement. La taille du marché en 2023 était 115 fois plus importante qu'il y a dix ans, lorsque seulement 150 MWh étaient installés.

 

Figure 2 - Projection des installations annuelles de stockage par batterie en Europe 2024-2028

Source : AIE AIE

 

En termes de nouvelles capacités, trois pays sont apparus en 2023 comme les marchés les plus performants de l'UE (voir figure 3). L'Allemagne a ouvert la voie en déployant 5,9 GWh supplémentaires (+152% par rapport à 2022), suivie par l'Italie, qui a connecté un record de 3,7 GWh au réseau (+86%) et l'Autriche, qui a poursuivi sa forte trajectoire de croissance en ajoutant plus de 1 GWh de capacité de stockage par batterie (+95%). La Tchécoslovaquie mérite également d'être mentionnée pour sa remarquable montée en puissance : elle a triplé son marché annuel avec plus de 900 MWh installés en 2023, sous l'impulsion de son robuste secteur résidentiel. Ailleurs en Europe, nous voyons le Royaume-Uni, qui a ajouté 2,7 GWh à son réseau (+91% par rapport à 2022).

 

Figure 3 - Le stockage est concentré dans quelques pays de l'UE 2023

Source : Ember

 

L'importance du stockage de l'énergie

Le stockage de l'énergie se résume à la capture de l'énergie produite en vue d'une utilisation ultérieure, jouant ainsi un rôle essentiel dans le maintien d'une alimentation électrique fiable et stable. Cela est particulièrement important pour compenser la nature intermittente des sources d'énergie renouvelables telles que le soleil et le vent, qui ne produisent de l'électricité que lorsque le soleil brille ou que le vent souffle. En effet, les systèmes de stockage d'énergie sont indispensables pour gérer l'offre et la demande ; ils optimisent l'utilisation des énergies renouvelables et renforcent la stabilité du réseau.

Parmi les différentes technologies de stockage disponibles, les batteries ont gagné en importance en raison de leur flexibilité et de leur fiabilité. En remédiant rapidement aux déséquilibres du réseau et en fournissant des services auxiliaires essentiels tels que la régulation de la fréquence et le maintien de la tension, les batteries jouent un rôle clé dans l'avènement d'un avenir énergétique plus efficace et plus durable.

 

Figure 4 - Emplacement de la batterie dans le système électrique

Source : Accuracy

Le besoin d'innovation

Bien que le secteur se soit considérablement développé et ait connu de nombreux progrès, l'innovation dans le domaine du stockage de l'énergie reste essentielle pour répondre à la demande d'énergie future et atteindre les objectifs de durabilité. À mesure que le monde évolue vers une économie à faible émission de carbone, la dépendance à l'égard des sources d'énergie renouvelables continuera de croître, ce qui rend plus pressant que jamais le besoin de solutions de stockage de l'énergie efficaces et rentables. Sans innovation dans le domaine du stockage de l'énergie, le potentiel des énergies renouvelables pour remplacer les combustibles fossiles pourrait être sérieusement limité.

De nouvelles solutions sont nécessaires pour relever les défis actuels en matière de stockage de l'énergie. Le développement de nouvelles chimies de batteries offrant une durée de vie plus longue, des densités énergétiques plus élevées et des impacts environnementaux moindres pourrait révolutionner l'industrie. En outre, des percées dans la science des matériaux, les processus de fabrication et les techniques de recyclage pourraient contribuer à réduire les coûts et à améliorer la durabilité.

D'autres technologies de stockage sont également nécessaires. Les batteries à semi-conducteurs, les batteries à flux et le stockage de l'hydrogène devraient tous offrir de meilleures performances et moins de problèmes environnementaux que les options actuelles. L'innovation dans le domaine du stockage de l'énergie ne consiste pas seulement à améliorer les technologies existantes, mais aussi à trouver des moyens entièrement nouveaux de stocker et de gérer l'énergie.

 

Figure 5 - Europe - Les plus grands projets par type de technologie

Source : ENTEC

Les défis actuels

Le stockage de l'énergie, en particulier sous forme de batteries, est devenu un élément essentiel des systèmes énergétiques modernes, d'autant plus que les sources d'énergie renouvelables telles que le solaire et l'éolien représentent une part de plus en plus importante de la production totale d'énergie. Cependant, malgré son importance, le stockage de l'énergie est toujours confronté à divers défis qui entravent son adoption à grande échelle.

• Densité énergétique

Il est essentiel d'obtenir une densité énergétique élevée pour stocker de grandes quantités d'énergie dans un espace réduit. Néanmoins, cette caractéristique des technologies de batteries actuelles est limitée par rapport à l'énergie requise pour des applications telles que les véhicules électriques et le stockage en réseau. Il en résulte que les batteries doivent être plus grandes et plus lourdes, et rechargées plus fréquemment, ce qui réduit leur efficacité et augmente leur coût.

• Coût

Le coût de production des batteries lithium-ion est relativement élevé (126 euros par kWh), en particulier pour les technologies de pointe nécessaires au stockage de longue durée et aux applications à haute capacité. Les coûts élevés rendent le stockage de l'énergie moins viable sur le plan économique, un problème qui est exacerbé dans les applications de réseau à grande échelle. Par comparaison, sur certains des marchés les plus efficaces, le coût nivelé de l'énergie pour l'énergie solaire et l'énergie éolienne en mer peut être aussi bas que 0,05 € et 0,08 € par kWh respectivement.

• Disponibilité des ressources

Les batteries dépendent de matières premières essentielles telles que le lithium, le cobalt et le nickel. Cependant, ces éléments sont rares et proviennent souvent de régions géopolitiquement sensibles. Les contraintes de la chaîne d'approvisionnement et les préoccupations environnementales pourraient donc limiter l'évolutivité et la durabilité des technologies de batteries actuelles.

• Durée de vie et dégradation

Les batteries se dégradent avec le temps. Ce processus naturel réduit leur capacité et leur efficacité, ce qui se traduit par des durées de vie plus courtes, des déchets plus importants et des coûts de remplacement plus élevés. Il s'agit d'un facteur limitant la durabilité globale des systèmes de batteries.

• Sécurité

Bien qu'elles soient utilisées dans des objets courants, les batteries lithium-ion peuvent présenter des risques de sécurité en raison de leur surchauffe. Les problèmes de sécurité peuvent limiter le déploiement des batteries pour certaines applications, en particulier dans les zones densément peuplées ou à haut risque.

•  Impact sur l'environnement

Le cycle de vie des piles, de l'extraction à l'élimination, pose des problèmes environnementaux considérables, notamment en ce qui concerne les émissions de carbone et les déchets toxiques. En l'absence de méthodes de recyclage améliorées et d'utilisation de matériaux plus durables, les piles pourraient être considérées comme un obstacle plutôt qu'une aide en matière d'environnement.

• Évolutivité du stockage en réseau

Le stockage de l'énergie à l'échelle du réseau nécessite des batteries capables de stocker et de décharger de grandes quantités d'énergie sur de longues périodes. Pourtant, les technologies actuelles ont du mal à atteindre le coût, l'échelle et la durée nécessaires à une telle utilisation. Un stockage inadéquat peut entraîner des inefficacités dans le système et limiter l'intégration des sources d'énergie renouvelables en amont.

• Diversification technologique

Il y a un risque de trop dépendre d'une seule technologie de batterie, comme le lithium-ion. Il est important de diversifier les technologies de stockage en y incluant des batteries à semi-conducteurs, des batteries à flux ou des chimies alternatives afin d'éviter les ruptures de la chaîne d'approvisionnement ou les limitations technologiques.

 

Les technologies de stockage de l'énergie progressent rapidement sur plusieurs fronts. Les batteries lithium-ion continuent d'améliorer leur capacité, leur vitesse de charge et leur longévité, tandis que les batteries à semi-conducteurs promettent des améliorations significatives en matière de sécurité et de densité énergétique. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des dernières avancées et des principaux développements dans les différentes technologies de stockage de l'énergie :

Batteries au lithium-ion

• Les chercheurs développent de nouveaux matériaux d'électrode, tels que les anodes en silicium et les cathodes à forte teneur en nickel, qui augmentent considérablement la densité énergétique. Les anodes en silicium, par exemple, peuvent contenir jusqu'à 10 fois plus de charge que les anodes traditionnelles en graphite.
• Les progrès réalisés dans la formulation des électrolytes et les systèmes de gestion des batteries ont permis d'accélérer les vitesses de charge sans compromettre la durée de vie de la batterie. Certaines nouvelles conceptions permettent de charger la capacité de 80% en moins de 10 minutes.
• De nouveaux additifs dans les électrolytes, associés à des améliorations dans la conception des cellules, réduisent la dégradation des batteries et prolongent leur durée de vie. Des technologies telles que les conceptions "sans anode" sont également étudiées pour augmenter la durée de vie.

 

Figure 6 - Prix des batteries et des cellules au lithium-ion 2013-2023

Source : AIE AIE

Batteries à semi-conducteurs

• Les batteries à l'état solide remplacent l'électrolyte liquide inflammable des batteries lithium-ion par un électrolyte solide, ce qui réduit considérablement le risque d'incendie et d'emballement thermique.
• L'électrolyte solide permet d'utiliser des anodes en lithium métal, qui ont une densité énergétique beaucoup plus élevée que les anodes traditionnelles.
• Des entreprises comme QuantumScape et Toyota font des progrès considérables dans ce domaine, avec des prototypes qui présentent une densité énergétique et une durée de vie prometteuses. Toutefois, il reste des défis à relever en matière d'évolutivité et de coût, ainsi que pour résoudre des problèmes tels que la formation de dendrites, qui peuvent court-circuiter la batterie.

Batteries d'écoulement

• Les batteries à flux stockent l'énergie dans des électrolytes liquides contenus dans des réservoirs externes. Pendant la charge et la décharge, les électrolytes sont pompés à travers une pile de cellules où se produisent les réactions chimiques.
• La capacité des batteries d'écoulement peut être facilement augmentée en augmentant la taille des réservoirs, ce qui les rend idéales pour le stockage en réseau à grande échelle. Les batteries à flux ont une longue durée de vie, souvent supérieure à 10 000 cycles, avec une dégradation minimale. Elles sont particulièrement adaptées aux applications qui nécessitent un stockage d'énergie de longue durée, par exemple pour stabiliser les sources d'énergie renouvelables.
• Les piles à flux de vanadium sont les plus abouties, mais des recherches sur des produits chimiques alternatifs comme le zinc-brome et le fer-chrome sont en cours afin de réduire les coûts et d'améliorer les performances.

Supercondensateurs

• Les supercondensateurs peuvent se charger et se décharger beaucoup plus rapidement que les batteries grâce à leur mécanisme de stockage physique, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant des bouffées d'énergie rapides.
• Ils peuvent fournir une puissance élevée sur de courtes périodes, ce qui est particulièrement utile pour des applications telles que le freinage par récupération dans les véhicules électriques et les réseaux électriques à réponse rapide. Les supercondensateurs sont utilisés en combinaison avec des batteries pour créer des systèmes hybrides qui bénéficient à la fois de la haute densité énergétique des batteries et de la haute densité de puissance des supercondensateurs.
• Les progrès réalisés dans le domaine des matériaux, tels que le graphène et les nanotubes de carbone, augmentent la densité énergétique des supercondensateurs, réduisant ainsi l'écart avec les batteries.

Les différentes technologies de stockage de l'énergie offrent des gammes de puissance et d'énergie variées pour répondre aux divers besoins du secteur de l'énergie. Par exemple, l'accumulation par pompage, l'une des méthodes les mieux établies à ce jour, fournit généralement une capacité énergétique élevée avec des puissances allant du mégawatt au gigawatt. Il convient donc au stockage à grande échelle et de longue durée. En revanche, les batteries lithium-ion, connues pour leurs temps de réponse rapides et leur densité énergétique élevée, offrent généralement des puissances de quelques kilowatts à quelques mégawatts, avec des capacités énergétiques adaptées à la fois aux applications de réseau et aux VE. Les volants d'inertie fournissent une puissance élevée avec un stockage d'énergie de courte durée, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant une libération rapide d'énergie et une régulation rapide de la fréquence. Les supercondensateurs, avec leur capacité à fournir des salves d'énergie sur de courtes périodes, sont bien adaptés aux applications nécessitant des cycles de charge et de décharge rapides. Les capacités de puissance et d'énergie de chaque technologie s'alignent sur des exigences opérationnelles spécifiques, ce qui fait qu'il est essentiel de choisir la bonne solution en fonction de la durée, du temps de réponse et de l'échelle de l'application.

 

Figure 7 - Plages de puissance et d'énergie des différentes technologies de stockage

Source : Accuracy

Développements récents aux Pays-Bas

Les Pays-Bas intègrent de plus en plus de sources d'énergie renouvelables dans leur réseau. La politique du gouvernement néerlandais en matière de Parc à bestiaux souligne le rôle essentiel du stockage en batterie dans la transition énergétique nationale, en insistant sur son importance pour atteindre l'indépendance énergétique et renforcer la stabilité du réseau. Cela intervient alors que, dans ses derniers plans dévoilés le 13 septembre, le gouvernement néerlandais a annoncé qu'il continuerait à investir dans des solutions de stockage d'énergie par batterie et à en stimuler le développement, tout en réduisant le montant global de ses investissements.

De nombreuses initiatives sont mises en place pour stimuler le développement des technologies de stockage de l'énergie dans le pays.

Stockage GIGA

GIGA Storage et TenneT ont signé le premier contrat à durée limitée des Pays-Bas, marquant ainsi une étape importante dans l'utilisation plus efficace du réseau électrique existant. Cet accord novateur permet à GIGA Storage de prélever de l'électricité sur le réseau ou de la restituer pendant au moins 85%.

Ce nouveau type de contrat, créé dans le cadre du Programme national d'action contre la congestion du réseau, permet à GIGA Storage de connecter son projet de batterie, GIGA Leopard - d'une capacité de 300 MW et d'une capacité de stockage allant jusqu'à 1 200 MW - au réseau électrique. Ce sera la première fois que le stockage de l'énergie sera réalisé dans une installation industrielle du pays. Ce contrat innovant favorise une utilisation plus efficace de l'espace limité du réseau, un besoin qui augmente en raison de la congestion qui empêche les connexions avec des droits de transmission complets et fixes. En outre, il offre aux clients une réduction pouvant aller jusqu'à 65% sur les tarifs de transport.

Pour compléter la loi existante sur le transport ferme, l'Autorité néerlandaise pour les consommateurs et les marchés a approuvé les contrats basés sur le temps et les contrats de blocs de temps en juillet 2024. Les contrats basés sur le temps permettent aux grands consommateurs de se connecter au réseau électrique avec une disponibilité garantie pendant au moins 85% du temps. Ces contrats s'appliquent exclusivement aux grandes entreprises clientes de TenneT, qui bénéficient de tarifs de transport réduits, et libèrent potentiellement de la capacité pour d'autres personnes sur la liste d'attente. Ces nouveaux types de contrats sont particulièrement intéressants pour les entreprises qui ne fonctionnent pas 24 heures sur 24 et sont proposés par les gestionnaires de réseau comme alternative aux droits de transmission fixes.

RWE

L'entreprise énergétique allemande RWE lance son premier projet de stockage en batterie aux Pays-Bas. L'entreprise investira 25 millions d'euros dans un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) de 35 MW / 41 MWh dans sa centrale à biomasse d'Eemshaven. La construction devrait commencer d'ici la fin de l'année et la mise en service est prévue pour le début de l'année 2025.

RWE a déclaré que le BESS est l'un des nombreux "actifs innovants en matière de demande" visant à intégrer l'énergie intermittente du parc éolien offshore OranjeWind dans le réseau énergétique néerlandais. L'entreprise prévoit également d'intégrer la production d'hydrogène vert dans le cadre de cet effort.

Stockage Lion

Le promoteur néerlandais Lion Storage a obtenu un permis de construire pour un projet de stockage d'énergie par batterie situé dans le port de Vlissingen, dans le sud-ouest des Pays-Bas. Après avoir présenté le projet au début de l'année, Lion Storage a annoncé en juin que son projet phare de BESS, Mufasa, avait franchi une étape importante, son permis de construire étant désormais accordé de manière irrévocable.

Avec une puissance de 364 MW et une capacité de 1 457 MWh, Mufasa est en passe de devenir le plus grand BESS à grande échelle des Pays-Bas. Stratégiquement situé sur la mer du Nord, dans l'un des pôles énergétiques émergents du pays, le projet bénéficiera d'un accès direct au réseau à haute tension de TenneT et de la proximité de plusieurs projets d'électrolyse de l'hydrogène et d'éoliennes en mer de grande envergure actuellement en cours de développement. L'exploitation commerciale devrait débuter en 2026.

Politique et incitations

Les politiques et incitations européennes et néerlandaises sont essentielles pour soutenir le développement et l'adoption de solutions innovantes de stockage de l'énergie. L'approche globale de l'UE comprend un soutien réglementaire, un financement et des initiatives stratégiques telles que le Green Deal et Horizon Europe. Le Green Deal vise à faire de l'Europe le premier continent climatiquement neutre d'ici à 2050, en stimulant des investissements substantiels dans les technologies propres, les énergies renouvelables et les projets d'infrastructure à grande échelle. Le programme Horizon Europe soutient cette vision en finançant la recherche et l'innovation pour développer des solutions avancées de stockage de l'énergie, facilitant ainsi une transition durable et renforçant le leadership technologique de l'Europe dans les technologies nouvelles et émergentes.

Les Pays-Bas progressent vers un modèle énergétique durable grâce à des actions ciblées (par exemple des subventions, des initiatives de recherche et des réformes réglementaires). Ces mesures sont essentielles pour gérer l'intégration des sources d'énergie renouvelables variables telles que le solaire et l'éolien, qui peuvent peser sur le réseau en l'absence de solutions efficaces de stockage de l'énergie. Les incitations financières et réglementaires visent à stimuler l'investissement privé dans le stockage de l'énergie, qui sera essentiel pour atteindre les objectifs climatiques et garantir un système énergétique fiable, conformément aux stratégies de l'UE en matière d'indépendance énergétique et de durabilité.

Cependant, le pays est confronté à d'importants défis pour développer le stockage de l'énergie. La capacité actuelle n'est que de 150 à 200 MW, ce qui est loin des 9 GW estimés nécessaires d'ici 2030, selon TenneT. Les obstacles incluent des coûts initiaux élevés, des évaluations de projets complexes et un manque de financement et de cadres réglementaires favorables. Les opérateurs de batteries néerlandais sont également confrontés à des coûts élevés de transport sur le réseau, qui peuvent représenter plus de 80% des dépenses d'exploitation, ce qui rend les subventions ou les réductions de coûts vitales pour la compétitivité.

En outre, les normes et réglementations relatives à la sécurité, au recyclage et à la cybersécurité des systèmes de batteries doivent être mises à jour. Des normes solides amélioreront l'efficacité et la sécurité des solutions de stockage, ce qui renforcera la confiance du public et des investisseurs dans la durabilité du secteur.

Conclusion

Les Pays-Bas sont confrontés à d'importants défis pour développer le stockage de l'énergie, notamment des coûts initiaux élevés, des cadres réglementaires complexes et un soutien financier insuffisant, autant d'éléments qui entravent son développement rapide. La capacité de stockage actuelle est loin de répondre aux besoins prévus pour 2030, ce qui souligne l'urgence d'agir. Les détails des plans "Schoof 1" du gouvernement, qui devraient être publiés dans les semaines à venir, seront déterminants pour lever ces obstacles et façonner l'avenir du stockage de l'énergie dans le pays.

L'avenir du stockage par batterie semble prometteur, car son expansion s'accélère, alimentée par la transition énergétique en cours : l'augmentation continue des énergies renouvelables est étroitement liée au déploiement de sources flexibles propres comme les batteries, et l'électrification du réseau de transport et du chauffage, ainsi que la modernisation du réseau, dépendront également du stockage par batterie. Des avancées technologiques sont attendues, avec des réductions de coûts significatives susceptibles de stimuler le déploiement des systèmes de stockage d'énergie par batterie. Dans ce contexte, les efforts politiques et réglementaires devraient se concentrer sur la mise en place d'un cadre solide et stable pour les batteries.

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Bianca Van Zijderveld - Gestionnaire principal - Précision