Le stockage d'énergie offshore est devenu un facteur essentiel pour l'expansion mondiale de l'énergie marine renouvelable. Comme les parcs éoliens flottants et les réseaux d'énergie des vagues se déplacent dans les eaux plus profondes, la nature intermittente de ces sources exige des systèmes de stockage qui peuvent fonctionner de façon fiable dans des conditions de pulvérisation de sel, de haute pression et de corrosivité.Sans stockage efficace en mer, la réduction de l'énergie propre pendant les périodes de faible demande ou de forte production augmente fortement, ce qui compromet l'économie des installations offshore.

Progrès dans les technologies de piles pour les environnements offshore

Le stockage de batteries est la technologie la plus mature pour les applications offshore, mais les systèmes terrestres standard échouent rapidement dans les milieux marins. Les récents développements mettent l'accent sur les adaptations chimiques, la conception de boîtiers et de nouvelles méthodes de refroidissement qui prolongent la vie et améliorent la sécurité dans les conditions offshore.

Systèmes lithium-ion adaptés à l'usage maritime

Le projet Batwind, par exemple, a démontré une batterie lithium-ion de 1 MW intégrée dans une éolienne flottante, prouvant que les groupes de transport de mer peuvent gérer le mouvement induit par les vagues et le brouillard de sel. Les nouveaux modèles utilisent des boucles de refroidissement liquides qui circulent un fluide diélectrique, éliminant le risque d'entrée en eau de mer tout en maintenant un contrôle thermique serré. U. Department of Energy=1 Offshore Wind Program note que les systèmes lithium-ion adaptés peuvent atteindre une durée de vie de 6 000 à 10 000 cycles lorsque l'état de charge est maintenu entre 20 et 80 %, une gamme qui convient aux cycles de service en mer.

Batteries à l'état solide pour une sécurité accrue

Les batteries à l'état solide remplacent l'électrolyte liquide par une céramique ou un polymère solide, éliminant ainsi pratiquement le risque d'incendie qui concerne les opérateurs offshore. Des entreprises comme Blue Solutions et QuantumScape ont démontré des prototypes qui résistent à des pressions équivalant à 500 mètres de profondeur d'eau. La densité énergétique plus élevée des chimies à l'état solide – pouvant atteindre 500 Wh/kg – pourrait réduire de moitié l'empreinte d'un conteneur de stockage sur une plateforme, libérant ainsi de l'espace pour d'autres équipements.

Batteries à base de sodium et d'ions

Bien que les emballages d'ions sodium aient une densité énergétique plus faible, soit environ 150 Wh/kg, ils offrent une excellente capacité de débit et peuvent tolérer des rejets profonds sans endommager. Pour les plates-formes offshore où le poids est moins critique que le coût et la longévité, l'ion sodium pourrait devenir une option convaincante. Les tests au Centre européen de l'énergie marine (EMEC) à Orkney ont montré des modules d'ions sodium fonctionnant pendant plus de 5 000 cycles à 80 % de profondeur de rejet.

Innovations en matière de stockage de l'hydrogène

L'hydrogène vert produit par le vent offshore est un support de stockage polyvalent qui peut être conservé pendant des semaines ou des mois, ce qui le rend idéal pour l'équilibre saisonnier. Les principaux obstacles sont l'efficacité de l'électrolyse dans un environnement de plate-forme mobile et le stockage sûr et compact de l'hydrogène gazeux ou liquide.

Électrolyse extracôtière

Le projet de production offshore d'hydrogène (HOP) en mer du Nord a démontré un électrolyte de 10 MW monté sur une structure semi-submersible, produisant de l'hydrogène à 30 bars avec une efficacité de 72 %. L'innovation clé est l'utilisation d'eau de mer désionisée, prétraitée à bord, pour éviter le transport d'eau douce en mer. Les électrolyseurs à oxyde solide, qui fonctionnent à des températures plus élevées (700–900°C), offrent des rendements encore plus élevés – jusqu'à 85 % – et peuvent produire directement un mélange hydrogène-steam qui est plus facile à compresser. Toutefois, le cycle thermique dans des conditions de vagues demeure un défi de conception.

Stockage sous-marin de l'hydrogène

Le stockage de l'hydrogène dans des réservoirs à haute pression sur une plate-forme est une option qui nécessite beaucoup d'espace; une meilleure option est de comprimer le gaz et de le stocker dans des accumulateurs sous-marins. Divers concepts utilisent la pression hydrostatique de l'océan pour faciliter la compression. Par exemple, les vessies caoutchoutées flexibles ancrées au fond marin sont remplies d'hydrogène à une pression légèrement supérieure à la pression ambiante, de sorte que l'eau environnante fait le travail de compression. Ces vessies peuvent être fabriquées en modules de 500 m3, formant un grand champ de stockage sur le fond marin.

E‐Fuels comme stockage secondaire

L'hydrogène peut également être combiné avec le dioxyde de carbone capturé sur une plate-forme offshore pour produire du méthane synthétique ou du méthanol, connu sous le nom de carburants électroniques. Bien que cela réduit l'efficacité des voyages aller-retour (généralement 30 à 40 %), le combustible peut être stocké dans des réservoirs ordinaires et utilisé dans des turbines à gaz existantes ou expédié à terre. Le projet Carbon Recycling International en Islande a démontré que la synthèse du méthanol en mer est possible avec un réacteur relativement compact.

Hydro pompe et stockage d'énergie à air comprimé

Ces technologies de stockage en vrac dépendent de l'eau ou de l'air comme fluide de travail, et les adaptations en mer exploitent l'océan profond pour remplacer les réservoirs ou les cavernes terrestres coûteux.

Stockage hydro-électrique sous-marin

L'hydroélectricité classique nécessite deux réservoirs à différentes altitudes; au large, la mer elle-même sert de réservoir inférieur. Le concept Ocean Battery, développé par la société néerlandaise Ocean Grazer, utilise une grande vessie flexible sur le fond de la mer. Pendant la génération excédentaire, l'eau est pompée hors de la vessie dans la mer environnante, réduisant la pression intérieure. Lorsque l'énergie est nécessaire, la pression hydrostatique externe force l'eau dans la vessie par une turbine, générant de l'électricité. Un système pilote déployé au large des côtes des Pays-Bas à une profondeur de 200 mètres a démontré une capacité de stockage de 5 MWh et une efficacité de parcours de 70 à 75 %.

Stockage de l'énergie atmosphérique comprimée (SCEA) au large

Les systèmes offshore CAE tirent parti de l'océan profond pour maintenir une pression d'air constante. Dans un modèle typique, l'air est comprimé par des compresseurs électriques et stocké dans des navires en acier rigide ou dans des chambres gonflables sous-marines. La charge hydrostatique de l'eau de mer environnante fournit un confinement naturel, de sorte que les navires n'ont pas besoin d'un renforcement structurel lourd. Lorsque l'électricité est nécessaire, l'air comprimé est libéré dans un turbo-expander pour conduire un générateur. L'un des concepts les plus avancés utilise un piston sous-marin : un grand cylindre en béton avec un piston mobile; la pression d'eau d'un côté compresse l'air de l'autre côté, éliminant entièrement les compresseurs mécaniques.

Technologies émergentes et perspectives d'avenir

Au-delà des solutions de stockage de piles, d'hydrogène et de mécanique, plusieurs concepts nouveaux passent de l'échelle de laboratoire à l'essai de prototypes dans des environnements offshore.

Batteries à flux

Les batteries à flux de vanadium redox (VRFB) séparent le stockage de l'énergie de la conversion de l'énergie en utilisant des électrolytes liquides dans des réservoirs extérieurs. Pour les applications en mer, les réservoirs peuvent être placés sur le fond marin ou sur une barge séparée, réduisant ainsi le poids sur la plate-forme de turbine. Les VRFB sont intrinsèquement sûrs parce que l'électrolyte n'est pas inflammable et peuvent atteindre 20 000 cycles avec une dégradation minimale. Les récents développements comprennent une unité compacte de 5 MW conçue par la société autrichienne Enerox qui s'intègre à un conteneur de transport standard; une version marine avec boîtier résistant à l'eau de mer est en cours d'essai à EMEC. Une limitation est la densité d'énergie relativement faible – environ 30 Wh/L – qui nécessite de grands volumes de réservoir.

Stockage par gravité

En mer, la chute de - , peut être verticale dans l'océan, en utilisant la profondeur comme hauteur de chute. La société Gravitricity a proposé un design où un poids de 500 tonnes est suspendu à une plate-forme flottante et abaissé sur une série de treuils. Lorsqu'elle est libérée, le poids tire les tambours de treuil, tournant un générateur. À une profondeur de 2 000 mètres, l'énergie potentielle stockée pourrait atteindre plusieurs GWh par installation. L'impact environnemental est faible parce que le poids est simplement un bloc de béton. Une variation utilise des ballons flottants qui sont tirés vers le bas par les compresseurs et qui permettent ensuite de monter pour tourner les turbines – un système hydro-pompé sous-marin avec les rôles de l'eau et de l'air inversé. Ce concept, parfois appelé -emmagasinage d'énergie de brouillage, , a été piloté à une petite échelle (1 kWh) dans un fjord norvégien et est maintenant mis à l'échelle de 100-kWh prototypes.

Stockage d'énergie thermique

Le stockage thermique offshore utilise l'électricité pour chauffer un matériau (p. ex. béton, sel fondu ou matériaux de changement de phase) à l'intérieur de conteneurs isolés sur la plate-forme ou sur le fond marin. Lorsqu'il faut de l'énergie, la chaleur entraîne un moteur thermique (cycle de stirling ou cycle de Rankine) pour produire de l'électricité. L'Université d'Édimbourg a conçu un bloc de béton modulaire contenant des éléments chauffants intégrés et des échangeurs de chaleur; le bloc peut être empilé dans des réseaux sur le fond marin. Avec un facteur de capacité de 95 % pour le stockage jusqu'à 12 heures, le système offre un coût extrêmement faible (projecté 5 $/kWh de capacité thermique) mais un rendement de parcours inférieur de 40 à 50 % en raison de pertes de chaleur.

Systèmes de stockage hybrides et intégration

La solution optimale de stockage en mer pour un parc éolien spécifique combinera probablement deux ou plusieurs technologies : les batteries pour une réponse rapide (secondes à minutes), l'hydrogène ou le CASE pour un équilibre quotidien (heures à jours) et les carburants électroniques ou le stockage par gravité pour un stockage saisonnier. Le projet de collaboration UE-Japon Offshore Hybrid Energy Storage (OHES) développe un système de contrôle qui répartit entre un pack lithium-ion, une batterie à flux de vanadium et une petite unité de stockage d'hydrogène sur une plate-forme flottante unique.

Conclusion

Les nouvelles technologies de stockage d'énergie en mer sont en voie de maturité rapide, grâce à la croissance exponentielle de l'énergie éolienne flottante et marine renouvelable. Les batteries à l'ion lithium et à l'état solide offrent une capacité compacte et rapide pour de courtes durées; le stockage d'hydrogène et l'hydro-pompe sous-marine fournissent des solutions à grande échelle et de longue durée; et les batteries à débit, le stockage de gravité et les systèmes thermiques comblent l'écart moyen avec des avantages uniques.