Approches novatrices du stockage du gaz naturel pour la flexibilité et la sécurité des centrales électriques

Le gaz naturel demeure la pierre angulaire de la production d'électricité à l'échelle mondiale, fournissant de l'électricité expéditable qui complète les sources renouvelables variables comme l'énergie éolienne et solaire.À mesure que le paysage énergétique évolue vers une plus grande décarbonisation et une plus grande complexité du réseau, la capacité de stocker le gaz naturel de façon efficace, souple et sûre est devenue une priorité stratégique.Les solutions de stockage permettent aux centrales électriques de répondre aux pics de demande, de maintenir l'offre pendant les perturbations des pipelines et de soutenir les possibilités d'arbitrage du marché.

Méthodes traditionnelles de stockage

Pendant la majeure partie du XXe siècle, le stockage du gaz naturel s'est appuyé sur trois principales formations souterraines : les réservoirs de pétrole et de gaz appauvris, les aquifères salins et les cavernes salines.

Réservoirs épuisés

Les réservoirs épuisés sont le type de stockage le plus courant de gaz naturel à l'échelle mondiale, représentant environ 80 % de la capacité totale de stockage souterrain.Ces formations sont des structures rocheuses poreuses qui détenaient auparavant du pétrole ou du gaz; après la cessation de la production, elles peuvent être réutilisées pour le stockage du gaz. Leurs principaux avantages comprennent une grande capacité et des données géologiques existantes qui réduisent le risque d'exploration.

Aquifères salines

Les aquifères salins sont des formations rocheuses portant de l'eau qui peuvent être adaptées au stockage du gaz. Elles offrent un potentiel de capacité important, souvent situé à proximité des principaux centres de consommation. Leur développement nécessite toutefois une évaluation géologique approfondie pour assurer l'intégrité du caprock et prévenir le déplacement de la saumure.Les taux d'injection et de retrait sont généralement inférieurs à ceux des cavernes salines, mais peuvent être améliorés grâce à la conception de puits.

Cavernes de sel

Les cavernes de sel sont des cavités artificielles créées par l'extraction de solutions de gisements de sel souterrains. Elles offrent les taux de livraison les plus élevés parmi les types de stockage en raison de leur géométrie et de leur capacité à résister à des changements de pression rapides. Elles sont idéales pour les applications de pointe où le gaz doit être fourni en quelques heures. Le stockage de cavernes permet également de multiples cycles d'injection-retrait par an, offrant une flexibilité opérationnelle que les réservoirs épuisés ne peuvent pas correspondre.

Bien que les méthodes traditionnelles demeurent essentielles pour le stockage saisonnier en vrac, leurs limites, qui sont des délais longs, une souplesse modérée et des préoccupations environnementales, ont stimulé l'élaboration d'approches novatrices conçues pour répondre aux exigences d'un système d'alimentation plus dynamique.

Nouvelles technologies de stockage innovantes

Les progrès de la science des matériaux, de la cryogénie et de l'électrochimie ont donné naissance à plusieurs nouvelles technologies de stockage du gaz naturel qui complètent ou remplacent les installations souterraines classiques.

Stockage du gaz naturel comprimé (GNC)

Les systèmes GNC sont généralement déployés sur place dans les centrales électriques ou à des points de distribution plus petits. L'avantage principal est la vitesse : le gaz peut être injecté et retiré presque instantanément, ce qui permet aux centrales de pointe de se produire en quelques minutes. Ceci est particulièrement utile pour équilibrer les réseaux avec des pénétrations élevées de l'énergie solaire et éolienne, où la production peut fluctuer de façon imprévisible.

Les réservoirs modernes de GNC sont construits à partir de matériaux composites tels que la fibre de carbone enveloppée autour d'un revêtement en polymères, offrant une réduction du poids et une résistance à la corrosion. Les réservoirs de bouteilles peuvent être disposés en réseaux modulaires, permettant une augmentation de la capacité. La densité énergétique est inférieure à GNL, ce qui signifie que les empreintes physiques pour des volumes de stockage équivalents sont plus grandes. La sécurité est abordée par des disques d'éclatement, des soupapes de décompression et des systèmes d'arrêt automatique.

Stockage du gaz naturel liquéfié (GNL)

Le stockage de GNL consiste à refroidir le gaz naturel à environ -162°C, réduisant ainsi son volume de 600. Le liquide est stocké dans des réservoirs à double paroi, à isolation sous vide, pouvant aller de petites unités satellites de quelques centaines de mètres cubes à de grands terminaux terrestres de plus de 200 000 mètres cubes. Le GNL offre la densité volumétrique la plus élevée de toute forme de stockage de gaz naturel, ce qui le rend idéal pour le stockage à longue durée et le transport intercontinental.

Pour la flexibilité de la centrale, le stockage du GNL fournit un tampon qui découple les activités de l'usine des contraintes de pipeline. Une centrale peut puiser du GNL vaporisé pendant la demande maximale et reconstituer son réservoir pendant les heures creuses ou lorsque les prix sont favorables. Cette capacité est particulièrement utile dans les régions où la capacité de pipeline est limitée ou où l'offre de gaz est sujette à des variations saisonnières par rapport à la demande de chauffage résidentiel.

Systèmes de puissance à gaz (P2G)

La technologie de l'électricité au gaz transforme l'électricité excédentaire, souvent à partir de sources renouvelables, en hydrogène ou en gaz naturel synthétique (GSN) par électrolyse et méthanisation. Le gaz qui en résulte peut être injecté dans le réseau de gaz naturel ou stocké pour une utilisation ultérieure dans la production d'électricité.

Deux voies principales existent : la production d'hydrogène par membrane d'échange de protons (PEM) ou électrolyseurs alcalins, et la méthanisation subséquente pour produire du GSN à l'aide de dioxyde de carbone capté à partir de sources industrielles. L'efficacité de la production de l'hydrogène par rapport à la puissance est actuellement de l'ordre de 30 à 40 %, ce qui est inférieur à l'hydropompe (70 à 80 %) ou au stockage de batteries (85 à 95 %). Toutefois, la capacité de stockage est pratiquement illimitée lorsque l'infrastructure gazière existante est utilisée, et la valeur de la flexibilité et de la décarbonisation peut compenser les pertes d'efficacité.

Innovations supplémentaires : Entreposage d'hydrates et oléoducs de qualité supérieure

Des recherches émergentes portent sur le stockage des hydrates de gaz, où le gaz naturel est piégé dans des structures cristallines de type glacial.Cette méthode pourrait stocker le gaz à des pressions modérées (20 à 50 bars) et des températures légèrement supérieures au gel, ce qui pourrait réduire la pénalité énergétique de compression ou de liquéfaction.Des projets pilotes sont en cours au Japon et au Canada, mais la viabilité commerciale reste à plusieurs années.

Avantages des solutions de stockage innovantes

Le passage à des technologies de stockage novatrices est motivé par des besoins opérationnels et commerciaux spécifiques que les méthodes traditionnelles ne peuvent pas pleinement satisfaire. Les avantages suivants sont particulièrement pertinents pour les exploitants de centrales électriques et les planificateurs de réseau.

Flexibilité et soutien du réseau améliorés

Les systèmes GNC et GNL peuvent fournir du gaz à pleine capacité en quelques minutes, en soutenant des installations de pointe qui doivent suivre les changements de charge. Cette capacité est de plus en plus critique à mesure que la pénétration des énergies renouvelables augmente; les services publics de Californie et d'Allemagne ont déjà connu des périodes où la production de gaz doit passer du taux de rotation minimum à la production totale en moins de 15 minutes grâce à la couverture solaire du nuage. De plus, le stockage à cycle multiple (injections et retraits multiples par saison) permet aux centrales électriques d'arbitrer les écarts de prix quotidiens ou de réagir à des pannes inattendues sur d'autres actifs de production.

Amélioration de la sécurité énergétique et de la résilience de l'approvisionnement

Le stockage de GNL, par exemple, peut être situé le long des côtes avec accès aux marchés mondiaux, isolant une région des perturbations des pipelines nationaux. Lors des événements du vortex polaire aux États-Unis en 2014 et 2021, les usines de gaz naturel avec stockage sur place de GNL ou de GNC ont pu continuer à fonctionner lorsque les réserves de gaz des pipelines ont été réduites en raison du gel des têtes de puits ou des compresseurs. De même, les systèmes P2G peuvent convertir l'électricité renouvelable en gaz stocké, créant une voie d'approvisionnement supplémentaire qui est à l'abri des contraintes de production de gaz naturel en amont.

Avantages pour l'environnement et l'utilisation des terres

Les systèmes P2G offrent un avantage environnemental supplémentaire d'intégrer l'énergie renouvelable tout en produisant un combustible carboné neutre lorsqu'il est alimenté par de l'électricité propre. Une évaluation du cycle de vie par le Laboratoire national de l'énergie renouvelable (NREL) a révélé que le P2G avec méthanisation utilisant du CO2 capturé peut produire des émissions de cycle de vie moins élevées que la production et le stockage de gaz naturel classiques.

Perspectives et défis futurs

Malgré leurs promesses, les technologies novatrices de stockage du gaz naturel sont confrontées à plusieurs obstacles qui doivent être abordés pour parvenir à une adoption généralisée.

Priorités de recherche et de développement

Pour le GNC, la réduction des coûts est axée sur les composites avancés et l'automatisation de la fabrication pour réduire les coûts des réservoirs de moins de 500 $ par kilowatt-heure. Pour le GNL, les innovations dans les modules de liquéfaction à petite échelle et les échangeurs de chaleur de regazification efficaces peuvent réduire les dépenses en capital pour le stockage distribué. Les centres de recherche P2G sur les catalyseurs de durabilité et de méthanisation des électrolysers; les durées de vie actuelles des cheminées de 40 000 à 60 000 heures doivent doubler pour atteindre la viabilité à l'échelle du réseau.

Cadres de politique et de réglementation

La Stratégie de l'Union européenne pour l'hydrogène et la loi américaine sur la réduction de l'inflation comprennent tous deux des crédits d'impôt et des subventions pour le captage propre de l'hydrogène et du carbone, qui bénéficient directement aux projets P2G. Pour le GNL et le GNC, il faut simplifier les voies de stockage hors sol sans compromettre la sécurité; les administrations ayant des approbations de conception normalisées, comme celles du Texas et de l'Ontario, ont vu leur déploiement plus rapide.Les cadres réglementaires doivent également reconnaître la souplesse de stockage comme un service distinct qui peut être compensé sur les marchés de capacité ou par des tarifs de services auxiliaires.

Sécurité et acceptation publique

Les systèmes de stockage hors sol, en particulier le GNL et le GNC, soulèvent des préoccupations au sujet des risques d'explosion ou de rejet dans les zones peuplées. Toutefois, les dossiers de sécurité de l'industrie sont robustes : les installations de GNL fonctionnent depuis des décennies avec très peu d'incidents et les codes de conception modernes (NFPA 59A, EN 1473) exigent de multiples couches de protection, notamment des digues de retenue, des systèmes de détection de gaz et des vannes d'arrêt d'urgence.

Intégration avec les chemins de décarbonation

Dans les scénarios zéro net, le gaz naturel non diminué doit être progressivement réduit, mais l'infrastructure de stockage peut encore servir de point d'appui pour la capacité saisonnière des entreprises.Les installations de stockage améliorées pour manipuler les mélanges d'hydrogène ou le biométhane constituent un domaine de recherche actif. Des cavernes de sel ont déjà été utilisées pour le stockage d'hydrogène pur au Royaume-Uni (Middlesbrough) et aux États-Unis (Texas), démontrant que les actifs souterrains existants peuvent passer à un avenir à faible teneur en carbone. Pour les réservoirs en surface, les études de compatibilité des matériaux montrent que les navires en acier peuvent accepter jusqu'à 20 % de mélanges d'hydrogène sans embrouillement significatif, tandis que les bouteilles composites peuvent avoir besoin de doublures ou de revêtements de barrière.

Conclusion

Chaque innovation vise à combler les lacunes spécifiques en matière de flexibilité, de sécurité et de performance environnementale que le stockage souterrain traditionnel ne peut combler. Pour les exploitants de centrales électriques, l'adoption de ces solutions signifie une meilleure capacité de réaction aux conditions du réseau en temps réel, une meilleure résilience contre les interruptions d'approvisionnement et une voie vers une réduction des émissions du cycle de vie. Les défis liés au coût, à la réglementation et à l'intégration demeurent importants, mais la recherche continue et les politiques de soutien réduisent constamment les obstacles.

Références externes:[
U.S. Energy Information Administration, «The Basics of Underground Natural Gas Storage» – https://www.eia.gov/naturalgas/storage/basics/
] Agence internationale de l'énergie, «Power-to-Gas: A Key Facilitator for Seasonal Energy Storage» – https://www.iea.org/reports/innovation-in-saisonalonal-energy-stockage
] Laboratoire national des énergies renouvelables, «Lifecycle Assessment of Power-to-Gas Systems» – https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/77738.pdf