Accélérer la transition énergétique avec un meilleur stockage

Accélérer la transition énergétique avec un meilleur stockage

En explorant différents scénarios et variables dans l’espace de conception du stockage, les chercheurs trouvent les combinaisons de paramètres pour un stockage d’énergie innovant et à faible coût de longue durée pour potentiellement avoir un impact important dans une transition énergétique plus abordable et plus fiable. Crédit: Bumper DeJesus / Andlinger Center for Energy and the Environment

«La question générale pour moi est de savoir comment décarboner la société de la manière la plus abordable», déclare Nestor Sepulveda SM ’16, Ph.D. «20. En tant que post-doctorant au MIT et chercheur au MIT Energy Initiative (MITEI), il a travaillé avec une équipe pendant plusieurs années pour déterminer quel mélange de sources d’énergie pourrait le mieux atteindre cet objectif. Les études initiales du groupe ont suggéré la «nécessité de développer des technologies de stockage d’énergie qui peuvent être déployées de manière rentable pendant des durées beaucoup plus longues que les batteries lithium-ion», déclare Dharik Mallapragada, chercheur scientifique chez MITEI.

Dans un nouvel article publié dans Énergie de la nature, Sepulveda, Mallapragada et leurs collègues du MIT et de l’Université de Princeton proposent une évaluation complète des coûts et des performances du rôle des technologies de stockage d’énergie de longue durée (LDES) dans la transformation des systèmes énergétiques. LDES, un terme qui couvre une classe de technologies diverses et émergentes, peut répondre à la production variable d’énergies renouvelables, déchargeant des électrons pendant des jours, voire des semaines, offrant une résilience à un réseau électrique prêt à déployer l’énergie solaire et éolienne à grande échelle.

«Si nous voulons dépendre massivement de l’énergie éolienne et solaire pour l’électricité – de plus en plus le moyen le plus abordable de réduire les émissions de carbone – nous devons faire face à leur intermittence», déclare Jesse Jenkins, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial et Andlinger Center pour l’énergie et l’environnement à l’Université de Princeton et ancien chercheur au MITEI.

Dans leur article, les chercheurs ont analysé si le LDES, associé à des sources d’énergie renouvelables et à des options de stockage d’énergie de courte durée comme les batteries lithium-ion, pouvait effectivement alimenter une transition massive et rentable vers un réseau décarboné. Ils ont également cherché à savoir si le LDES pouvait même éliminer le besoin de sources d’énergie disponibles à la demande ou fermes à faible émission de carbone telles que l’énergie nucléaire et le gaz naturel avec captage et séquestration du carbone.

«Le message ici est que les technologies LDES innovantes et à faible coût pourraient potentiellement avoir un impact important, rendant un système électrique profondément décarboné plus abordable et plus fiable», déclare l’auteur principal Sepulveda, qui travaille maintenant en tant que consultant chez McKinsey and Company. Mais, note-t-il, «nous serons toujours mieux de conserver des sources d’énergie à faible émission de carbone parmi nos options».

En plus de Jenkins et Mallapragada, les coauteurs de l’article comprennent Aurora Edington SM ’19, assistante de recherche MITEI au moment de cette recherche et maintenant consultante au Cadmus Group; et Richard K. Lester, professeur de l’industrie sidérurgique au Japon et prévôt associé au MIT, et ancien chef du Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires.

«Alors que le monde commence à se concentrer plus sérieusement sur la manière d’atteindre les objectifs de décarbonation en profondeur dans les décennies à venir, les informations issues de ces études au niveau du système sont essentielles», déclare Lester. “Les chercheurs, les innovateurs, les investisseurs et les décideurs bénéficieront tous de la connaissance des objectifs de coût et de performance technique suggérés par ce travail.”

Performance et coût

L’équipe a entrepris d’évaluer les impacts des solutions LDES dans des systèmes électriques hypothétiques qui reflètent les conditions du monde réel, où les technologies sont examinées non seulement par leurs attributs autonomes, mais par leur valeur relative lorsqu’ils sont comparés à d’autres sources d’énergie.

«Nous devons décarboner à un coût abordable pour la société, et nous voulions savoir si LDES pouvait augmenter nos chances de succès tout en réduisant le coût global du système, étant donné les autres technologies concurrentes dans l’espace», déclare Sepulveda.

Dans la poursuite de cet objectif, l’équipe a déployé un modèle d’expansion de la capacité du système électrique, GenX, précédemment développé par Jenkins et Sepulveda au MIT. Cet outil de simulation a permis d’évaluer l’impact potentiel sur le système de l’utilisation des technologies LDES, y compris les technologies en cours de développement et d’autres susceptibles d’être développées, pour différents futurs scénarios de réseau électrique à faible émission de carbone caractérisés par des attributs de coût et de performance de la production renouvelable, différents types de production d’entreprise, ainsi que d’autres projections de la demande d’électricité. L’étude, dit Jenkins, était “la première utilisation extensive de ce type de méthode expérimentale d’application de l’incertitude paramétrique à grande échelle et de l’analyse à long terme au niveau des systèmes pour évaluer et identifier les objectifs cibles concernant le coût et les performances pour le stockage d’énergie de longue durée émergent les technologies.”

Pour leur étude, les chercheurs ont étudié une gamme de technologies de longue durée – certaines soutenues par le programme Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) du Département américain de l’énergie – pour définir les attributs de coût et de performance plausibles des futurs systèmes LDES basés sur cinq paramètres clés qui englobent une gamme d’approches mécaniques, chimiques, électrochimiques et thermiques. Il s’agit notamment du stockage hydroélectrique pompé, des batteries à flux redox au vanadium, des batteries à flux de soufre aqueux et du stockage thermique chauffé par résistance de briques réfractaires, entre autres.

«Pensez à une baignoire, où le paramètre de capacité de stockage d’énergie est analogue au volume de la baignoire», explique Jenkins. Poursuivant l’analogie, un autre paramètre important, la capacité de puissance de charge, est la taille du robinet remplissant la baignoire, et la capacité de puissance de décharge, la taille du drain. Dans la version la plus généralisée d’une technologie LDES, chaque attribut du système peut être dimensionné indépendamment. En optimisant un système énergétique où la technologie LDES fonctionne comme «un contributeur économiquement attractif à un réseau moins coûteux et sans carbone», explique Jenkins, les chercheurs ont constaté que le paramètre qui compte le plus est le coût de la capacité de stockage d’énergie.

«Pour une évaluation complète de la conception de la technologie LDES et de sa valeur économique pour les réseaux décarbonisés, nous avons évalué près de 18 000 cas distinctifs», explique Edington, «couvrant les variations de la charge et de la disponibilité des ressources renouvelables, les climats des latitudes nord et sud, différentes combinaisons de technologies LDES et Paramètres de conception LDES et choix des ressources de production à faible émission de carbone des entreprises concurrentes. “

Voici quelques-uns des principaux points à retenir de l’analyse rigoureuse des chercheurs:

  • Les technologies LDES peuvent offrir une réduction de plus de 10% des coûts des systèmes électriques profondément décarbonés si le coût de la capacité de stockage d’énergie (le coût pour augmenter la taille de la baignoire) reste sous le seuil de 20 $ / kilowattheure. Cette valeur pourrait augmenter à 40 pour cent si le coût de la capacité énergétique des technologies futures est réduit à 1 $ / kWh et jusqu’à 50 pour cent pour les meilleures combinaisons de paramètres modélisés dans l’espace. À des fins de comparaison, le coût actuel de la capacité énergétique de stockage des batteries est d’environ 200 $ / kWh.
  • Compte tenu des tendances actuelles de la demande d’électricité, le coût de la capacité énergétique du LDES doit tomber en dessous de 10 $ / kWh pour remplacer l’énergie nucléaire; pour que LDES remplace entièrement toutes les options d’alimentation fermes, le coût doit être inférieur à 1 $ / kWh.
  • Dans les scénarios avec une électrification étendue des transports et d’autres utilisations finales pour atteindre les objectifs de décarbonation profonde à l’échelle de l’économie, il sera plus difficile dans les latitudes nordiques de déplacer la production d’entreprise sous toute combinaison future probable de coûts et de plage de performances d’efficacité pour les technologies LDES connues. Cela est principalement dû à une demande d’électricité de pointe plus élevée résultant des besoins de chauffage dans les climats plus froids.

Des informations exploitables

Alors que les percées dans l’énergie de fusion, l’énergie nucléaire de nouvelle génération ou la capture du carbone pourraient bien bouleverser leurs modèles, les chercheurs estiment que les informations de leur étude peuvent avoir un impact dès maintenant.

«Les personnes qui travaillent avec LDES peuvent voir où leur technologie s’inscrit dans le futur mix électrique et se demander:« Est-ce que cela a un sens économique du point de vue du système? », Déclare Mallapragada.« Et c’est un appel à l’action en matière de politique et d’investissement dans l’innovation, parce que nous montrons où se situent les lacunes technologiques et où nous voyons la plus grande valeur pour les avancées de la recherche dans le développement de la technologie LDES. “

Toutes les technologies LDES ne peuvent pas franchir la barre dans cet espace de conception, et l’on ne peut pas non plus compter sur LDES comme moyen exclusif de développer rapidement l’éolien et le solaire à court terme, ou pour permettre une transition complète vers une économie zéro carbone d’ici 2050.

«Nous montrons à quel point les technologies LDES pourraient être prometteuses», déclare Sepulveda. “Mais nous montrons également que ces technologies ne sont pas la seule solution, et que nous sommes encore mieux avec elles en complément des ressources de l’entreprise.”

Jenkins espionne immédiatement les opportunités de marché de niche pour LDES, telles que les endroits avec beaucoup d’énergie éolienne et solaire déployée et les limites de transmission pour exporter cette énergie. Dans de tels endroits, le stockage pourrait se remplir lorsque la transmission est à sa limite, et exporter de l’énergie plus tard tout en maximisant l’utilisation de la capacité de la ligne électrique. Mais les technologies LDES doivent être prêtes à avoir un impact majeur d’ici la fin des années 2030 et 2040, estime-t-il, date à laquelle les économies devront peut-être être complètement sevrées de la dépendance au gaz naturel si la décarbonation veut réussir.

«Nous devons développer et déployer LDES et améliorer d’autres technologies à faible émission de carbone cette décennie, afin de pouvoir présenter de réelles alternatives aux décideurs politiques et aux exploitants de réseaux électriques», dit-il.

À la lumière de ce besoin urgent, Jenkins à Princeton et Mallapragada au MIT travaillent maintenant à évaluer et à faire progresser les technologies ayant le plus grand potentiel dans les domaines du stockage et de l’énergie pour hâter l’objectif zéro carbone. Avec l’aide d’ARPA-E et de MITEI, ils font du modèle de planification du système électrique GenX de pointe un outil open source à usage public également. Si leur approche de recherche et de modélisation peut montrer aux développeurs et aux décideurs quels types de conceptions ont le plus d’impact, dit Sepulveda, “Nous pourrions avoir un système décarboné moins coûteux que le système actuel si nous faisons les choses correctement.”


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Plus d’information:
Nestor A. Sepulveda et coll. L’espace de conception pour le stockage d’énergie de longue durée dans les systèmes électriques décarbonés, Énergie de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41560-021-00796-8

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.

Citation: Alimenter la transition énergétique avec un meilleur stockage (2021, 30 mars) récupéré le 12 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-03-powering-energy-transition-storage.html

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