De la lumière solaire à l'énergie stockée: et si l’air chaud levait le principal frein à l’énergie solaire ?

Alors que le monde se tourne vers les énergies renouvelables, l'un des principaux obstacles à leur utilisation reste le stockage efficace de l'énergie. Une équipe de chercheurs financée par l'UE explore le potentiel de l'air comprimé comme moyen de stocker le surplus d'énergie généré par les panneaux solaires.

Un projet pilote de la Plataforma Solar de Almería, un centre d'étude des technologies solaires situé dans le sud de l'Espagne, va faire la démonstration d'un concept appelé «énergie solaire thermique», qui pourrait offrir une alternative durable et économique au traditionnel stockage de l'énergie sur batterie.

En capturant et en stockant l'énergie sous forme thermique (chaleur), cette méthode novatrice permet d’accéder à l'énergie solaire même en l'absence de soleil, aidant ainsi à stabiliser le réseau électrique et à accélérer la transition de l'Europe vers un avenir énergétique propre.

Équilibrer l'offre et la demande

D'après le professeur David Sánchez, spécialiste en systèmes énergétiques à l'Université de Séville, le problème réside dans le fait que l'accroissement du nombre de panneaux photovoltaïques n'assure pas la fourniture d'énergie la nuit, ni la disponibilité d’électricité en période de pic de demande.

En théorie, le soleil peut offrir une quantité d'énergie colossale. Selon la Commission, l'énergie solaire joue déjà un rôle majeur dans le mix énergétique européen et pourrait, selon les tendances actuelles du marché, répondre à 20 % des besoins en électricité de l'UE d'ici 2040.

Malheureusement, la production électrique des panneaux solaires est maximale lorsque la demande est la plus faible, en milieu de journée. Et, quand arrive le soir et que le soleil se couche, la demande d'électricité atteint son pic alors que l'énergie solaire n'est plus disponible.

«L'énergie renouvelable est gaspillée car notre capacité de stockage est insuffisante», a déclaré Fritz Zaversky, ingénieur de recherche au Centre national des énergies renouvelables en Espagne.

Un stockage mécanique

MM. Zaversky et Sánchez font partie d’un programme de recherche de quatre ans, financé par l’Union européenne, intitulé ASTERIx-CAESar. Ce projet a pour objectif de concevoir une centrale solaire thermique innovante à haut rendement, reposant sur l’intégration de deux concepts complémentaires: la production d’énergie solaire concentrée et le stockage par air comprimé.

«Le stockage par air comprimé n'est pas une nouveauté et a déjà fait ses preuves à l'échelle commerciale», a précisé M. Zaversky.

Actuellement, trois installations de stockage d'énergie par air comprimé sont en service dans le monde: en Allemagne, aux États-Unis et en Chine. D'autres sites sont en cours de prospection et de développement.

Le processus consiste à utiliser l'électricité excédentaire, obtenue à bas coût, pour compresser l'air à des pressions élevées. Cet air est alors stocké puis utilisé pour actionner des turbines qui produisent de l'électricité en cas de besoin.

À la différence des batteries, cette technique ne dépend pas de matières premières critiques, qui sont en compétition avec d'autres technologies dépendant des batteries, telles que les véhicules électriques.

Si, de plus, il est possible d'utiliser un réservoir souterrain tel qu'une caverne ou une ancienne mine pour le stockage, cela permet de diminuer encore les coûts, a précisé M. Sánchez. Mais cette technique présente un inconvénient.

Le défaut du fossile

Lorsqu'il est stocké, l'air comprimé refroidit et doit être réchauffé avant d’être utilisé. Généralement, cette étape utilise des combustibles fossiles, ce qui contrevient au principe écologique du système.

«Le procédé n'est pas neutre en carbone puisqu'il implique la combustion de gaz naturel», a déclaré M. Zaversky.

Pour résoudre ce problème, l'équipe ASTERIx-CAESar, composée de spécialistes en énergie et d'universitaires de huit pays de l'UE, de Suisse et du Royaume-Uni, envisage d'associer le stockage par air comprimé avec une autre source d'énergie renouvelable appelée «énergie solaire concentrée».

«L'énergie solaire concentrée utilise un grand nombre de miroirs pour faire converger les rayons du soleil en un seul point, le plus souvent au sommet d'une tour», a-t-il précisé.

Dans les centrales classiques à énergie solaire concentrée, l'énergie thermique produite chauffe un fluide, généralement des sels fondus, qui sert ensuite à stocker l'énergie thermique. Lorsqu'on a besoin d'énergie, le liquide surchauffé est utilisé pour générer de la vapeur qui actionne une turbine, produisant ainsi de l'électricité.

Toutefois, M. Zaversky considère que les centrales solaires thermodynamiques traditionnelles sont trop coûteuses pour rivaliser avec d'autres sources d'énergies renouvelables. C'est pourquoi les chercheurs suggèrent d'associer l’énergie solaire concentrée au stockage par air comprimé, en utilisant la chaleur solaire pour chauffer l’air avant sa détente dans la turbine.

«Notre approche consiste à utiliser la chaleur de soleil plutôt que le gaz naturel, afin de rendre le stockage d'énergie par air comprimé neutre en carbone,» a déclaré M. Zaversky.

Le système qu'ils sont en train de développer utilise, pendant la journée, une électricité bon marché pour comprimer l'air à stocker, tandis que l'énergie solaire concentrée alimente un dispositif de stockage de l'énergie thermique.

Quand les besoins en énergie augmentent, la chaleur stockée est utilisée pour chauffer l'air comprimé qui est ensuite libéré pour faire fonctionner les turbines.

Des températures élevées

Selon M. Sánchez, le principal défi est de développer une technologie capable de convertir et de stocker l'énergie solaire concentrée en chaleur à des températures avoisinant les 800 °C.

Ce point est important, a-t-il précisé, car ces températures correspondent à celles utilisées lors de la combustion du gaz naturel. D'autre part, des températures plus élevées améliorent la puissance et l'efficacité du processus.

La centrale pilote espagnole va mettre ces idées en pratique. Les chercheurs prévoient de moderniser une tour solaire à concentration existante en ajoutant un dispositif de stockage par air comprimé utilisant des réservoirs à haute pression, afin de créer un système hybride.

L'objectif de l'équipe est de démontrer que son concept hybride fonctionne à petite échelle. Par la suite, M. Zaversky pense qu'il faudra développer une centrale de démonstration à échelle intermédiaire. En cas de réussite, cette technologie pourrait être mise en application.

La performance du solaire

L’objectif est de construire une centrale solaire thermique à haut rendement, capable d'assurer en continu la disponibilité d'une énergie renouvelable. Grâce à une capacité de stockage suffisante, elle sera en mesure d'assurer l'indispensable stabilisation du réseau électrique et de favoriser le développement des énergies renouvelables.

Le système devrait assurer un taux de conversion de l'énergie solaire en électricité d'environ 40 %, ce qui est le double de celui des panneaux solaires disponibles actuellement, dont le rendement varie entre 15 et 24 %.

Selon M. Zaversky, plusieurs sites en Europe, notamment dans des pays du sud comme la France, la Grèce, l'Italie et l'Espagne, seraient parfaitement adaptés au fonctionnement de ce concept.

«Les îles grecques présentent des conditions particulièrement propices, car elles jouissent d'un potentiel élevé d'énergie solaire et possèdent des sites où l'air comprimé pourrait être stocké en sous-sol.»

Les recherches présentées dans le cadre de cet article ont été financées par le biais du programme Horizon de l’UE. Les opinions des personnes interrogées ne reflètent pas nécessairement celles de la Commission européenne.

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