Stockage de l'énergie à long terme : est-ce la prochaine technologie révolutionnaire dans le domaine de l'énergie ?

Récemment, le dernier rapport du GIEC sur le changement climatique mondial a été publié, lançant une fois de plus un signal d'alarme au monde entier. En tant qu'élément clé de la construction d'un réseau électrique sans carbone dans le contexte du "double carbone", le stockage de l'énergie a finalement ouvert une opportunité de développement explosif.

Dans l'esprit de la plupart des gens, le stockage de l'énergie est principalement un stockage d'énergie par pompage avec un temps de décharge court (<10 heures) ou des systèmes de stockage d'énergie électrochimique dominés par les batteries au lithium, qui représentent 93% de la capacité totale de stockage de l'énergie installée dans le monde. Voici quelques exemples Les 5 premières entreprises de batteries au lithium pour le stockage de l'énergie électrique pour référence.

Avec l'innovation continue de la structure de l'énergie, s'agira-t-il de la prochaine technologie perturbatrice de stockage de l'énergie ? Examinons-la de plus près sous l'angle de la définition, de l'application et du processus de commercialisation.

Qu'est-ce que le stockage d'énergie à long terme ?

À ce jour, la durée du stockage d'énergie à long terme n'a pas été clairement définie, et le ministère américain de l'énergie la considère comme égale à 10 heures ou plus de décharge continue à la puissance nominale.

Cependant, il est inutile de se concentrer uniquement sur le temps de charge et de décharge, loin de la scène d'utilisation. Un système de stockage d'énergie capable de réaliser des cycles de charge et de décharge à travers le ciel, à travers le mois, et même à travers les saisons, est une affirmation relativement acceptée dans l'industrie.

Dans le domaine le plus animé du stockage électrochimique de l'énergie, l'entreprise vedette de stockage d'énergie à long terme Form Energy a récemment lancé des batteries fer-air et a conclu une coopération stratégique avec ArcelorMittal, le plus grand fabricant d'acier au monde. Le premier projet sera mis en service dans le Minnesota en 2023.

Le professeur Cui Yi, de l'université de Stanford, a également créé EnergyVenue en 2020, qui se concentre sur les batteries métal-hydrogène largement utilisées dans le domaine aérospatial, et prévoit de mener un projet pilote avec la Hong Kong and China Gas Company.

Les batteries à flux constituent également une voie technologique commerciale de stockage d'énergie à long terme. Zinc8, Primus, Invinity et d'autres start-ups européennes et américaines se concentrent principalement sur les batteries à flux de zinc. Les entreprises énergétiques asiatiques telles que Sumitomo Electric, Rongke et Puneng utilisent les batteries à flux de vanadium comme technologie principale et ont déjà commencé à concurrencer les principaux fabricants de batteries au lithium dans les projets de stockage d'énergie de 4 à 8 heures.

Bien entendu, le stockage d'énergie à long terme couvre diverses méthodes de stockage d'énergie autres que l'électrochimie. Dans le domaine du stockage mécanique de l'énergie, outre le stockage par pompage traditionnel le plus rentable, un certain nombre de nouvelles technologies de stockage de l'énergie axées sur l'air comprimé et le stockage de l'énergie par gravité ont vu le jour, et des démonstrations au niveau de 100 mégawatts seront lancées dans les deux ou trois prochaines années Des projets comme Hydrostor, Highview, Energy Vault, etc.

En outre, le stockage de l'énergie thermique (comme le stockage de l'énergie par sels fondus à Malte), le stockage de l'énergie chimique (hydrogène, ammoniac) et d'autres technologies sont progressivement entrés dans le champ de vision des gens.

Le stockage de l'énergie à long terme en est encore au stade de la démonstration de la R&D, où une centaine d'écoles de pensée s'affrontent, et le vainqueur n'a pas encore été désigné. À l'heure actuelle, le stockage électrochimique de l'énergie se trouve dans une position concurrentielle relativement favorable en raison de la promotion de l'industrie des batteries d'énergie et n'est pas limité par l'environnement géographique.

Pourquoi avons-nous besoin d'un stockage à long terme ?

Tout d'abord, pour atteindre les objectifs de neutralité carbone, les centrales thermiques se retireront progressivement de la phase historique et devraient représenter 10% de la production totale d'électricité, voire moins.

Lorsque ces ressources stables de production d'électricité de base diminueront de jour en jour, le stockage d'énergie à long terme + les projets éoliens et solaires à grande échelle remplaceront probablement les sources d'énergie fossiles en tant que centrales électriques de base, ce qui aura un impact profond sur la construction, à mi-parcours et en fin de parcours, d'un système électrique sans carbone.

Deuxièmement, avec le développement continu de l'énergie solaire et de l'énergie éolienne, l'intermittence de leur production d'électricité a des effets négatifs de plus en plus graves sur le réseau électrique. Après la destruction de l'écosystème, certaines centrales hydroélectriques sont également confrontées à des saisons sèches de plus en plus longues et ne peuvent plus garantir leur production.

Le stockage d'énergie à long terme permet d'ajuster les fluctuations de la production d'électricité à partir de nouvelles énergies à plus long terme grâce à sa grande capacité et à son long cycle, d'éviter la congestion du réseau lorsque l'énergie propre est excédentaire et d'augmenter la consommation d'énergie propre lors des pics de charge.

Les catastrophes naturelles fréquentes (comme le grand froid au Texas, les incendies de forêt en Californie, les tempêtes de pluie à Zhengzhou, etc.) provoqueront non seulement des pannes d'électricité à grande échelle qui affecteront la vie quotidienne, mais accéléreront également le vieillissement des équipements de transmission et de distribution d'électricité et augmenteront les coûts d'exploitation du réseau.

D'autres facteurs externes de force majeure, tels que le blocage du transport par gazoduc et la pénurie d'approvisionnement en charbon, entraîneront également une hausse des prix de l'électricité en raison de la pénurie d'approvisionnement en ressources énergétiques sur plusieurs jours, voire sur une base saisonnière. Une autre application majeure du stockage d'énergie à long terme est de garantir l'approvisionnement en électricité dans des conditions météorologiques extrêmes et de réduire les coûts sociaux de l'électricité.

Quelle est la distance entre le stockage d'énergie à long terme et la commercialisation ?

Bien que la demande à long terme soit considérable, le bilan économique du stockage de l'énergie à long terme est encore difficile à calculer.

Si le stockage de l'énergie à long terme suit simplement le modèle de profit du stockage de l'énergie à court terme, les avantages économiques seront limités.

Le principal avantage du stockage d'énergie à long terme par rapport au stockage d'énergie à court terme est son coût marginal de capacité (coût marginal par kWh). La puissance et la capacité peuvent être augmentées de manière relativement indépendante, ce qui permet d'éviter le coût supplémentaire de la puissance inutilisée. Grande flexibilité dans la commutation des superpositions.

La majeure partie du marché des services auxiliaires électriques est fondamentalement suffisante pour les systèmes à court terme d'une durée de 2 à 4 heures. Si le stockage d'énergie à long terme veut franchir les barrières commerciales du stockage d'énergie à court terme, il est nécessaire de résoudre les difficultés actuelles de la technologie à court terme et de démontrer sa valeur économique dans la dimension d'une durée plus longue.

Il n'est pas facile de mesurer intuitivement et avec précision la valeur économique du stockage d'énergie à long terme dans une dimension temporelle plus longue.

Le modèle actuel de planification de l'expansion de la capacité du réseau électrique est le produit du mode d'exploitation traditionnel du réseau électrique au siècle dernier, et seules quelques périodes représentatives sont extraites de l'année entière pour l'analyse de simulation du réseau électrique.

Il calcule ensuite la fiabilité du système en fonction de différents ratios énergétiques, ne tient pas compte des conditions météorologiques extrêmes et de la flexibilité, et ne peut naturellement pas refléter la valeur à long terme du stockage de l'énergie à long terme.

Prenons l'exemple du modèle RESOLVE de planification à long terme de l'expansion des nouvelles énergies utilisé par la California Public Utilities Commission (CPUC). Le modèle échantillonne 37 jours types pour simuler la production du système électrique un par un. Chaque échantillon d'une journée n'a pas de continuité temporelle. La décharge ne peut se faire que dans les 24 heures,

Il est impossible de quantifier avec précision l'impact des climats extrêmes sur le réseau électrique. Ce sont précisément ces événements "cygne noir" à faible probabilité qui déterminent directement les décisions d'investissement pour les grands projets.

Deuxièmement, le modèle RESOLVE ne prend en charge que la conception de trois systèmes de stockage d'énergie : le stockage d'énergie au lithium-ion, le stockage d'énergie à flux liquide et le stockage d'énergie hydraulique par pompage, et ne prend pas pleinement en compte d'autres nouvelles sources d'énergie, ce qui se traduit par des estimations de coûts élevées.

Pour résoudre ce problème, de plus en plus d'entreprises et d'instituts de recherche ont lancé leurs propres modèles, tels que Formware de Form Energy, WIS:dom de Vibrant Energy, Plexos d'Energy Exemplar, GenX, le logiciel open source de MIT-Princeton, etc.

Outre les avantages économiques incertains, le coût du stockage de l'énergie à long terme constitue également un obstacle à sa commercialisation.

Une équipe de recherche du MIT a récemment publié un article dans Nature Energy sur l'impact du coût du stockage de l'énergie à long terme et d'autres caractéristiques techniques sur le coût global de la production d'électricité dans un réseau à zéro émission de carbone. La recherche suggère que le prix du stockage d'énergie à long terme devra être d'au moins $50/kWh avant que son utilisation ne se généralise ;

Pour réduire de manière significative le coût global de la production d'électricité (>10%), le coût doit se situer dans une fourchette de $1/kWh - $10/kWh. Outre l'efficacité de la charge et de la décharge et le coût du stockage d'énergie à long terme lui-même, il existe de nombreuses combinaisons énergétiques (énergie nucléaire, énergie fossile + technologie de piégeage et de stockage du carbone, énergie hydrogène, etc. Le développement futur de ces technologies et leur coût influencent également la place que le stockage d'énergie à long terme peut occuper dans le réseau.

Comme d'autres technologies difficiles, le stockage de l'énergie à long terme sera confronté à des défis en matière de capacité de production, de chaîne d'approvisionnement, de construction, d'exploitation et d'autres aspects tout au long du processus de R&D, de démonstration, de mise en œuvre et de passage à l'échelle. Les risques à chaque étape doivent être strictement contrôlés pour atteindre les objectifs fixés en matière de coûts.

Le stockage de l'énergie à long terme est également confronté à d'importants problèmes de financement. Pour obtenir le financement d'un projet, la performance et la fiabilité de l'actif de stockage de l'énergie doivent être démontrées aux investisseurs.

La pratique courante actuelle consiste à réaliser un rapport d'ingénierie par un tiers et à délivrer un accord de garantie à long terme (O&M) et un accord d'assurance de la capacité (Capacity Maintenance).

Toutefois, la technologie de stockage de l'énergie à long terme n'a pas encore été étayée par des données d'exploitation réelles à grande échelle, et il est difficile de fournir des garanties complètes. Même si l'entreprise fait une promesse, les investisseurs auront toujours des doutes : qui reprendra le cycle de projet de 30 ans une fois que l'entreprise aura fait faillite ?

De nombreuses start-ups spécialisées dans les nouvelles énergies, telles que LightSail Energy et Nikola, sont tombées de l'autel en raison de fraudes techniques, ce qui a renforcé les doutes des investisseurs à l'égard des technologies inconnues et augmentera inévitablement la difficulté du stockage de l'énergie à long terme.

Les gouvernements multinationaux, sous la houlette des États-Unis, ont commencé à renforcer leur soutien à la technologie de stockage de l'énergie à long terme. La Californie, qui est la girouette de la nouvelle politique énergétique mondiale, a récemment annoncé un plan d'expansion du stockage de l'énergie à long terme allant jusqu'à 50 GW pour atteindre l'objectif de neutralité carbone en 2060.

Huit agences communautaires californiennes de gestion conjointe de l'énergie ont lancé des appels d'offres dès la fin de 2020 pour acheter 500 MW/4GWh de systèmes de stockage d'énergie qui dépassent clairement les 8 heures. Le ministère américain de l'énergie a commencé à proposer des prêts à faible taux d'intérêt afin de réduire le coût du stockage de l'énergie à long terme de 90 % au cours de la prochaine décennie.

Breakthrough Energy Venture, dirigé par Bill Gates, a également dépensé $1,5 milliard avec le ministère de l'énergie pour accélérer la commercialisation du stockage de l'énergie à long terme dans le cadre d'un partenariat public-privé.

Stockage d'énergie à long terme en Chine - situation actuelle et perspectives

L'industrie chinoise du stockage de l'énergie a enfin trouvé des opportunités de croissance après des années de dur labeur et d'exploration. L'économie du stockage de l'énergie à court terme vient de s'inverser grâce à des politiques favorables telles que les prix de l'électricité en fonction de l'heure de consommation et les marchés de l'électricité.

L'appel à la réalisation de l'objectif "dual carbon" vient de retentir, et il faudra du temps pour construire un réseau électrique à faible teneur en carbone (2030-2050). N'est-il pas un peu "trop ambitieux" de parler de stockage d'énergie à long terme à ce stade ?

À mon avis, le moment est venu d'accroître les investissements dans le stockage de l'énergie à long terme.

Actuellement, l'énergie thermique représente 68% de la production totale d'électricité du pays. En 2030, la part de la production d'électricité d'origine thermique devra diminuer de près de 20%. La totalité de la nouvelle production d'électricité sera assurée par des énergies propres. En outre, le démantèlement des centrales thermiques et la transformation de la séquestration du carbone aggraveront les conditions météorologiques extrêmes.

Cela signifie qu'au cours des trois à cinq prochaines années, il y aura des fluctuations continues dans l'approvisionnement des réseaux électriques régionaux. La commercialisation du stockage de l'énergie à long terme d'ici cinq ans sera d'une grande importance pour le pic de carbone de la Chine en 2030.

Comment mesurer raisonnablement les avantages économiques du stockage de l'énergie à long terme est également un défi auquel la Chine est confrontée. À l'heure actuelle, les instituts de recherche sur l'énergie électrique, tels que l'Electric Power Research Institute, disposent de leur propre logiciel de simulation de la production. Les résultats de ces analyses de planification de l'énergie auront une incidence directe sur l'ampleur du stockage d'énergie à long terme en Chine.

Nous sommes déjà confrontés à un système électrique complexe avec des types de production d'énergie interrégionaux et multiples, un marché et un plan parallèles à double voie, des hybrides distribués et centralisés. Il est donc nécessaire d'accélérer la modernisation et la transformation de la planification de l'énergie et de prendre en compte des conditions météorologiques extrêmes plus persistantes dans le modèle. Définir des paramètres économiques et techniques raisonnables pour le stockage de l'énergie.

Contrôler strictement la qualité des données massives du réseau électrique, effectuer 8760 heures de simulation continue tout au long de l'année, et utiliser des données de modèles open source, l'intégration académique-industrielle, etc. pour réfléchir au schéma de configuration de stockage d'énergie le plus économique et le plus fiable.

En outre, il est également nécessaire de promouvoir régulièrement le mécanisme du marché et le soutien politique à la technologie de stockage de l'énergie à long terme. La technologie nationale de stockage de l'énergie à long terme est dominée par les batteries d'écoulement, et il y a très peu d'entreprises de stockage de l'énergie à long terme avec des voies technologiques non électrochimiques.

Alors que le jeu géopolitique s'intensifie, nous devons être plus optimistes et plus patients avec nos propres start-ups. Sur la base d'une diligence raisonnable, nous pouvons aider la technologie de stockage de l'énergie à long terme à sortir du dilemme du financement sous diverses formes, telles que la coopération public-privé et la conception au plus haut niveau du marché politique. En ce qui concerne le stockage de l'énergie à long terme, la Commission devrait mettre en œuvre des normes techniques de stockage de l'énergie, encourager davantage de compagnies d'électricité à élaborer des plans plus scientifiques et systématiques pour les besoins de stockage de l'énergie à long terme et clarifier l'utilisation et les besoins à long terme du stockage de l'énergie dans l'appel d'offres.

Le futur système électrique sera multi-énergies complémentaires. Le nouveau modèle énergie + stockage de l'énergie ouvrira une opportunité historique, et le stockage de l'énergie à long terme deviendra également un élément indispensable de la stratégie de neutralité carbone.

Au cours des dix dernières années, CATL, en tant qu'entreprise chef de file pour Les 10 premières entreprises de batteries de stockage d'énergie et Les 10 premières entreprises de batteries d'énergie a pris la première place dans les domaines du stockage de l'énergie et des batteries d'alimentation en s'appuyant sur l'innovation technologique et le travail acharné. Au cours des dix prochaines années, dans le domaine du stockage de l'énergie à long terme, les leaders chinois pourraient également se hisser à l'avant-garde.