Les réservoirs sous-marins bouleversent le stockage de l’énergie

Le stockage hydraulique par pompage est l’une des technologies de stockage en réseau les plus anciennes et l’une des plus largement déployées. Le concept est simple : utilisez l’énergie excédentaire pour pomper beaucoup d’eau en hauteur, puis faites-la revenir dans une turbine lorsque vous souhaitez récupérer l’énergie plus tard.

Avec l’augmentation des déploiements d’énergies renouvelables dans le monde, il existe un grand intérêt à trouver des moyens de stocker l’énergie à partir de ces sources souvent intermittentes. L’hydroélectricité à pompe traditionnelle peut aider, mais il n’y a pas beaucoup de terres convenables pour travailler.

Cependant, il pourrait y avoir une solution, et elle se cache profondément sous les vagues. Oui, nous parlons de stockage hydroélectrique pompé sous-marin !

Tout est en bas

La plupart des concepts de stockage hydroélectrique pompé sous-marin reposent sur des sphères de béton comme récipients sous pression, pour leur construction simple et leurs bonnes propriétés de résistance à la pression. Crédit : Fraunhofer IEE

Le concept de base d’un système de stockage hydroélectrique pompé sous-marin n’est pas différent de celui de son cousin terrestre. La différence réside dans les détails de la façon dont vous fabriquez de l’électricité en pompant de l’eau lorsque vous êtes déjà sous la mer.

L’idée générale est d’avoir un navire fermé assis sur le fond marin. L’énergie excédentaire est ensuite utilisée pour pomper l’eau hors de ce récipient, laissant l’intérieur presque sous vide. Lorsque l’on souhaite récupérer l’énergie du système, l’eau peut être autorisée à refluer dans le navire sous la pression générée par l’eau de mer au-dessus. Au fur et à mesure que le navire est rempli, l’eau qui coule tourne dans une turbine, générant de l’électricité de la même manière qu’un système hydroélectrique à pompe traditionnel.

L’utilité d’une telle conception peut ne pas être évidente au premier abord. Cependant, un tel système présente plusieurs avantages. Le principal d’entre eux est que ces systèmes peuvent facilement être colocalisés avec des parcs éoliens offshore, prisés pour leur production d’électricité, mais avec une production sporadique. Courir sous l’eau permet également au système de profiter de la grande pression exercée par la mer au-dessus. Pour chaque 10 mètres de profondeur, la pression augmente d’environ une atmosphère (1 bar), et avec un système conçu pour fonctionner avec des navires à quasi-vide lorsqu’ils sont complètement « chargés », il y a un énorme différentiel à exploiter. Certaines conceptions proposent de fonctionner à des pressions supérieures à 75 bars. L’efficacité de ces systèmes devrait se situer autour de 70 à 80 %, à peu près la même que celle du stockage hydraulique par pompage traditionnel.

La sphère d’essai de 3 mètres de diamètre du projet StEnSea.

La conception sous-marine élimine également le problème de l’évaporation, qui sape l’eau, et donc l’énergie, des réservoirs hydrauliques pompés. L’installation est également facilement évolutive. Chaque réservoir sous-marin n’a besoin que d’une connexion électrique au réseau, et rien de plus. Le simple fait d’installer plus de réservoirs sous l’eau avec l’infrastructure électrique appropriée augmentera facilement la capacité d’une telle installation.

Il y a aussi le simple avantage qu’il n’y a pas besoin de trouver de grandes montagnes ou vallées dans lesquelles construire des réservoirs, et aucun risque que ces réservoirs éclatent et détruisent les villes locales dans les environs. Au lieu de cela, des zones rarement utilisées du fond marin sont facilement disponibles, avec très peu de lotissements ou d’entreprises existantes là-bas pour frustrer le processus d’approbation des constructions.

Les premiers jours encore

L’effort le plus notable dans ce domaine est le projet Stored Energy at Sea, également connu sous le nom de StEnSea. L’idée originale du Dr Horst Schmidt-Böcking et du Dr Gerhard Luther en 2011, l’idée de base a conduit à un grand concept de sphères de 30 mètres de diamètre au fond de l’océan. Ceux-ci seraient complets avec des pompes à turbine intégrées pour les vider de l’eau, tout en générant de l’électricité lors de son retour.

Un test à l’échelle 1:10 du concept à grande échelle a eu lieu en 2016. Cela impliquait la construction d’une sphère en béton de 3 m de diamètre, qui servirait de cuve de stockage principale. Coulé à une profondeur de 100 mètres dans le lac de Constance, en Allemagne, le navire a été testé de manière approfondie pendant quatre semaines pour déterminer la viabilité du stockage hydroélectrique pompé sous-marin. Le test a été globalement réussi, l’équipe d’ingénieurs étant capable de faire fonctionner la sphère, de stocker de l’énergie et de la récupérer plus tard.

Les résultats de l’étude, combinés à d’autres recherches, ont indiqué à l’équipe que l’idée était réalisable à des profondeurs d’environ 700 mètres. Les pressions à cette profondeur sont de l’ordre de 70 bars et servent à aider le système à générer de grandes quantités d’énergie tout en restant dans une zone sûre en ce qui concerne la résistance des matériaux et la praticité de l’installation. On s’attend à ce qu’à cette profondeur, une seule sphère puisse stocker 20 MWh d’électricité, à côté d’une turbine capable de générer 5 MW pour un temps de décharge de quatre heures.

Avec plusieurs sphères regroupées dans une installation offshore, les coûts de stockage estimés lors de la mise en service seraient réduits à quelques centimes par kWh, probablement moins chers que les solutions d’air comprimé comparables, avec des coûts de construction d’environ 1 300 $ à 1 600 $ par kW de puissance de sortie. La viabilité financière réelle d’une telle opération dépend cependant du prix d’arbitrage de l’énergie sur le marché ; une étude suggère qu’un système de 80 de ces sphères géantes, fonctionnant avec une puissance combinée de 400 MW, serait viable dans des gammes de 4 à 20 centimes d’euro par kWh.

D’autres efforts existent aussi. Le MIT et une startup connue sous le nom de Subhydro ont également exploré l’idée, basée de la même manière sur des sphères de béton creuses au fond de l’océan. Les chiffres auxquels sont parvenues ces équipes, concernant les profondeurs, les rendements et les puissances de sortie, se situent dans la fourchette approximative de ceux cités par StEnSea, ce qui suggère que l’ingénierie de base derrière le concept est solide.

Le concept Ocean Grazer utilise une vessie couplée à un récipient en béton enterré afin de faire fonctionner un système fermé. Crédit : Ocean Grazer

Pendant ce temps, une start-up néerlandaise du nom d’Ocean Grazer explore une variante du concept StEnSea. Au lieu de sphères géantes, un tube en béton enterré dans le fond marin doit être utilisé comme récipient sous pression. De plus, plutôt que de pomper l’eau du navire vers l’océan, il pompera plutôt son eau dans une vessie scellée. Cela permet toujours au système de profiter de la différence de pression au niveau du fond marin, mais annule les problèmes potentiels d’une pompe encrassée par la flore et la faune marines, car elle fonctionne comme un système scellé. Ocean Grazer s’est tourné vers la conception après avoir exploré d’autres technologies d’énergie renouvelable telles que la production d’énergie houlomotrice dans le passé. L’entreprise s’attend à ce qu’un réservoir, d’une capacité de 20 millions de litres d’eau, puisse stocker jusqu’à 10 MWh d’énergie.

Le projet Ocean Grazer, qui a remporté un prix au CES 2022, reçoit peut-être la plus grande presse pour l’hydroélectricité sous-marine pompée en ce moment. Malgré cela, et les autres projets qui ont bouillonné au cours de la dernière décennie, la technologie vit encore largement sur le papier et une installation à grande échelle semble être encore loin. Quoi qu’il en soit, les fondamentaux sont là, donc si le stockage de l’énergie devient soudainement plus important, ou, soyons honnêtes – beaucoup plus rentable – une grande partie de l’ingénierie de base requise a déjà été réalisée. La mise en œuvre d’une installation majeure peut simplement nécessiter les bonnes conditions économiques pour se produire en quelques années seulement !