Les systèmes de stockage d'énergie (ESS) sont apparus comme un facteur essentiel pour surmonter ces défis, ce qui permet de libérer tout le potentiel de production d'énergie renouvelable. En stockant l'énergie excédentaire pendant les périodes de production élevée et en la libérant lorsque la demande ou les prix sont élevés, le SESS permet aux producteurs d'énergie renouvelable de changer de génération dans le temps, de participer aux marchés de gros et de services auxiliaires et, en fin de compte, d'améliorer l'économie des projets tout en soutenant la stabilité des réseaux.

Qu'est-ce que les systèmes de stockage de l'énergie?

Dans le contexte des énergies renouvelables, le SSE stocke généralement l'électricité excédentaire produite pendant les périodes de forte production solaire ou éolienne. L'énergie stockée est déchargée lorsque la production diminue ou lorsque les prix de l'électricité sont plus favorables. Les types communs de stockage d'énergie comprennent:

  • Piles à ions de lithium – La technologie dominante pour le stockage de courte durée (2-4 heures), largement déployée dans les applications de l'utilitaire et du compteur arrière. Leur coût décroissant et l'amélioration de la durée de vie du cycle en ont fait le choix par défaut pour l'intégration renouvelable.
  • Piles à écoulement – Comme le vanadium redox et le zinc-bromine, offrant une durée plus longue (4-12 heures) et une plus grande évolutivité pour les applications de grille, bien qu'actuellement à un coût en capital plus élevé.
  • Stockage hydro-électrique en vrac – La technologie de stockage à grande échelle la plus mature, qui représente plus de 90 % de la capacité installée mondiale. Il utilise deux réservoirs à différentes altitudes; l'eau est pompée en montée lorsque l'électricité est bon marché et libérée par des turbines au besoin.
  • Stockage d'énergie d'air comprimé (CAES)[ – Entrepose l'énergie en comprimant l'air dans les cavernes souterraines; lorsqu'il est libéré, l'air se développe par une turbine pour produire de l'électricité.
  • Stockage thermique[ – Entrepose l'énergie comme chaleur ou froide, souvent utilisée dans les centrales à énergie solaire concentrée (CSP) avec du sel fondu pour produire de l'électricité après le coucher du soleil.

Selon l'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA), la capacité de stockage de batteries installée à l'échelle mondiale a atteint environ 28 GW d'ici 2023, avec des projections qui suggèrent qu'elle dépassera 500 GW d'ici 2030 (IRENA – Energy Storage. Cette croissance rapide est largement motivée par la nécessité d'intégrer les énergies renouvelables variables et la baisse du coût des batteries, qui ont chuté de plus de 80 % depuis 2010.

Le concept d'arbitrage énergétique

Dans les marchés traditionnels de l'énergie, les prix fluctuent en fonction de l'offre et de la demande, suivant souvent des modèles quotidiens prévisibles. Par exemple, les réseaux solaires lourds peuvent connaître des prix de gros faibles, voire négatifs, pendant la mi-journée, lorsque la production solaire atteint des sommets, tandis que les prix augmentent au début de la soirée lorsque la production solaire diminue et que la demande demeure élevée.

L'arbitrage sur les énergies renouvelables fait spécifiquement référence à la capacité des producteurs d'énergies renouvelables de temps de leurs ventes d'énergie. Sans stockage, une centrale solaire doit vendre sa production exactement lorsque le soleil brille, indépendamment des conditions du marché. Avec le stockage, l'usine peut passer une partie de sa génération à des heures avec des prix plus élevés, augmentant les revenus.

Comment le SSE permet l'arbitrage sur les énergies renouvelables

Le mécanisme de base est simple : un SSE facture la source renouvelable (ou le réseau) lorsque l'électricité est abondante et bon marché, et décharge lorsque la valeur de cette électricité est la plus élevée. L'opération spécifique dépend de la structure du marché, de la technologie de stockage, et du profil de production renouvelable.

  • Logiciel de prévision et d'optimisation – Les systèmes de contrôle avancés utilisent les prévisions météorologiques, les prévisions des prix du marché et les données de l'état de charge pour décider des délais optimaux de charge et de décharge.
  • Structures tarifaires du temps d'utilisation – De nombreux opérateurs de services publics et de réseau offrent des tarifs du temps d'utilisation qui récompensent explicitement le transfert de la consommation ou de la génération à des périodes hors pointe.
  • Participation aux marchés de l'électricité en temps réel et en temps réel – Dans les marchés de gros de l'électricité restructurés, les opérateurs de stockage peuvent soumissionner leur capacité sur les marchés de l'énergie en temps réel, s'engager à facturer ou à décharger à des heures précises.
  • Co-implantation avec des actifs renouvelables – De nombreux nouveaux projets solaires et éoliens sont construits à côté du stockage de batteries (usines hybrides).Cette configuration permet à la production renouvelable d'être partiellement confirmée, - ce qui signifie que la centrale combinée peut fournir une puissance expéditive qui commande des prix plus élevés.

Une étude réalisée en 2022 par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a révélé qu'une centrale solaire de 100 MW jumelée à une batterie de 4 heures pourrait augmenter son revenu net de 15 à 30 % par rapport à une centrale solaire seulement, selon les conditions du marché (NREL – Analyse de stockage.

Avantages de l'arbitrage avec le SSE

Élargir les prestations énumérées dans l'article original :

Augmente la rentabilité des projets d'énergie renouvelable. En captant des prix plus élevés pendant les heures de pointe, le SSE améliore le taux de rendement interne (IRR) des centrales solaires, éoliennes et hybrides.Cette amélioration financière peut rendre les projets viables sur les marchés où les subventions sont éliminées progressivement et les projets doivent dépendre des revenus des marchands.

Renforce la stabilité et la fiabilité du réseau Le stockage d'énergie agit comme un amortisseur sur le réseau. Lorsque la production renouvelable est élevée, le stockage absorbe l'excès de puissance qui pourrait autrement causer une congestion du réseau ou nécessiter une réduction.

Réduit la dépendance à l'égard des centrales de pointe à base de combustibles fossiles. Les centrales de Peaker, généralement alimentées au gaz naturel, ne sont mises en service que pendant les heures de pointe. Elles sont coûteuses pour fonctionner et émettre d'importants polluants atmosphériques et CO2. En déplaçant l'énergie renouvelable vers ces heures, le SSE peut déplacer le fonctionnement de la centrale, réduire les émissions et réduire les coûts du système.

Supporte l'intégration de niveaux plus élevés d'énergie renouvelable dans le réseau. Les réseaux à forte pénétration d'énergie renouvelable sont confrontés à des défis liés à la surgénération (pendant les périodes ensoleillées, venteuses) et à la montée rapide (lorsque le soleil se couche ou que le vent tombe).

Participation au marché et services de réseau

Au-delà de l'arbitrage, les systèmes de stockage de l'énergie fournissent des services essentiels de réseau qui contribuent à maintenir une offre d'électricité stable et fiable.

  • Régulation de fréquence – Le stockage peut réagir aux écarts de fréquence en millisecondes en injectant ou en absorbant de la puissance. Ce service aide à maintenir la fréquence du réseau à des limites étroites (p. ex. 60 Hz ± 0,05 Hz aux États-Unis).
  • Support de tension et puissance réactive – Les systèmes de stockage avancés à base d'onduleurs peuvent fournir ou absorber de l'énergie réactive pour maintenir les niveaux de tension, aidant à prévenir l'effondrement de tension et améliorant la qualité de l'alimentation.
  • Réserves de capacité et adéquation des ressources[ – Le stockage peut être contracté pour fournir une capacité ferme pendant les périodes de pointe de la demande.
  • Réaction de la demande et rasage de pointe – Le SSE peut réduire la demande maximale d'un client commercial ou industriel, réduire les frais de demande sur leur facture de services publics. Le stockage réparti agrégé peut également participer à des programmes de réponse de la demande, réduisant la charge à des moments critiques.
  • Restauration de grille et démarrage noir[ – Certains systèmes de stockage sont équipés pour redémarrer le réseau après une panne d'électricité sans alimentation externe, offrant un service de restauration de réseau précieux.

L'accumulation de ces services, qui combine l'arbitrage énergétique avec les services auxiliaires et la valeur de la capacité, est essentielle à la viabilité économique de nombreux projets de stockage. Un seul MW de capacité de batterie peut générer des revenus de plusieurs flux tant que les horaires opérationnels ne sont pas en conflit. Par exemple, une batterie peut participer à la régulation de fréquence pendant une partie de la journée et être ensuite envoyée pour le rasage de pointe le soir.

Cadres réglementaires et de marché

La participation efficace au marché dépend de cadres réglementaires favorables qui reconnaissent les capacités uniques du SSE. Historiquement, le stockage a souvent été classé comme production, transmission ou charge, mais de nombreuses administrations ont créé des catégories de marché spécifiques pour permettre au stockage de monétiser toute sa gamme de services.

  • FERC Order 841 (US) – Émis en 2018, cette ordonnance exigeait que tous les exploitants de systèmes indépendants (ISO) et les organismes de transport régionaux (OTR) éliminent les obstacles à la participation des ressources de stockage électrique aux marchés de gros de l'énergie, de la capacité et des services auxiliaires.
  • Paquet énergie propre de l'Union européenne[ – La législation adoptée en 2018-2019 a introduit des règles permettant au stockage de participer à l'équilibre des marchés et de posséder et d'exploiter le stockage sans discrimination.
  • Conception du marché de la capacité[ – Les ISO telles que PJM, NYISO et CAISO ont élaboré des règles spécifiques pour les ressources de stockage pour les qualifier de capacité, y compris les exigences de durée (p. ex., 4 heures de décharge continue à puissance nominale).
  • Réforme tarifaire de détail – Pour encourager le stockage de l'arrière-mètre, les organismes de réglementation de nombreux États (p. ex., Californie, Hawaï, New York) ont adopté des structures de facturation nette, de calcul du temps d'utilisation et de gestion des frais de demande qui récompensent l'autoconsommation et le rasage maximal.

Malgré ces progrès, des obstacles réglementaires persistent.Par exemple, certains marchés limitent encore le nombre maximal d'heures de stockage peut exiger ou décharger, imposent des tailles d'offre minimales qui excluent les ressources plus petites ou manquent de règles claires pour l'agrégation du stockage distribué.

Défis et perspectives d'avenir

Si la promesse de stockage d'énergie pour permettre l'arbitrage des énergies renouvelables et la participation au marché est immense, plusieurs défis demeurent à relever, qui seront essentiels pour l'échelle mondiale du déploiement du SSE.

Défis technologiques

Limitations de la durée – La plupart des batteries au lithium-ion offrent 2 à 4 heures de stockage à pleine puissance. Bien que cela couvre de nombreux pics quotidiens, un stockage de plus longue durée (8 à 100 heures+) peut être nécessaire pour gérer des accalmies renouvelables ou des variations saisonnières de plusieurs jours.

La durée de vie et la dégradation du cycle[ – Le stockage de la batterie se dégrade avec chaque cycle de charge/décharge, surtout si elle est fortement cyclique. Les systèmes soumis à un cycle de régulation de fréquence peuvent nécessiter un remplacement plus fréquent que ceux utilisés pour l'arbitrage seul.

Conformité sécuritaire et réglementaire[ – Les grandes installations de batteries exigent des mesures rigoureuses de sécurité incendie.Les incidents récents de fuite thermique ont soulevé des préoccupations, provoquant des codes et des normes plus stricts.Les fabricants investissent dans des systèmes de chimie plus sûrs (p. ex., les systèmes de refroidissement à faible intensité de carbone) et robustes.

Défis économiques et commerciaux

Coûts initiaux élevés – Malgré la baisse des prix des batteries, le coût total installé d'un SSE à échelle de service peut encore varier de 200 $ à 500 $/kWh (selon la durée et la configuration), ce qui peut ne pas encore se faire sentir sur les marchés à faible écart de prix.

Incertitude de recettes – Les revenus des services d'arbitrage et des services auxiliaires peuvent être volatils et dépendent des règles du marché et de la pénétration des énergies renouvelables.

Retards de l'interconnexion et des autorisations[ – Les files d'attente pour l'interconnexion du réseau pour les projets de stockage et les projets hybrides ont augmenté de façon spectaculaire dans de nombreuses régions, ce qui a entraîné des retards qui peuvent retarder les projets de plusieurs années.

Perspectives d'avenir

BloombergNEF prévoit que les déploiements mondiaux de stockage d'énergie atteindraient 1 000 GWh d'ici 2030, contre environ 200 GWh en 2023 (BloombergNEF – Energy Storage Outlook. Les principaux moteurs sont les suivants :

  • Baisse continue du coût des batteries[ – Les prix des batteries au lithium-ion devraient baisser en dessous de 60 $/kWh d'ici 2030, ce qui rendra le stockage concurrentiel avec les pics de gaz pendant 4 heures.
  • Croissance des projets hybrides de stockage de sources renouvelables et de stockage – Sur de nombreux marchés américains, plus de 50 % de la nouvelle capacité solaire est co-localisée avec le stockage, une tendance qui se répand à l'échelle mondiale.
  • Les technologies de stockage à longue durée d'exploitation [ – L'air de fer, le zinc et le stockage mécanique (gravité, air comprimé) entrent dans la phase de démonstration et pourraient débloquer l'entreposage saisonnier.
  • Digestisation et optimisation de l'IA – Les algorithmes d'apprentissage automatique améliorent les prévisions de prix et les stratégies d'expédition des batteries, captant plus de valeur sur les marchés volatils.
  • Politiques de soutien et tarification du carbone[ – À mesure que de plus en plus de régions mettent en œuvre des taxes sur le carbone ou des plafonds et des échanges, l'avantage économique de déplacer la production de fossiles avec les énergies renouvelables stockées va croître.

Conclusion

Les systèmes de stockage d'énergie ne sont plus un complément facultatif pour les projets d'énergie renouvelable; ils sont essentiels pour maximiser la valeur de la production d'énergie solaire et éolienne tout en permettant une participation active aux marchés de gros de l'électricité. Par l'arbitrage énergétique, le SSE permet aux producteurs d'énergies renouvelables de capter des prix plus élevés en passant de la génération à la période de pointe de la demande. Au-delà de l'arbitrage, le stockage fournit des services de réseau essentiels — régulation des fréquences, réserves de capacité, soutien de la tension — qui créent des revenus supplémentaires et améliorent la fiabilité globale du système.