de transfert d’énergie par pompage (STEP) et le stockage d’énergie par air comprimé (CAES). Il existe d’autres modes de stockage d’énergie mécanique comme les volants d’inertie, mais ces derniers ne permettent du stockage que sur de courtes périodes de temps. Cette solution de stockage permet surtout d’absorber/délivrer de la puissance électrique davantage que d’absorber/délivrer de l’énergie.
4.3.1 Les stations de transfert d’énergie par pompage
Une station de pompage et turbinage permet de stocker l’énergie électrique sous forme d’énergie potentielle de pesanteur. L’électricité est utilisée pour actionner des pompes faisant remonter une masse d’eau dans un ou plusieurs basins en altitude. Cette masse d’eau sera turbinée pour produire de l’électricité au moment voulu. Le rendement de l’opération est de l’ordre de 80 %.
4.3.1.1 Modélisation des ICV d’une STEP
Une STEP n’étant rien de plus qu’une centrale hydroélectrique ayant la possibilité de faire remonter de l’eau d’un bassin inférieur à un réservoir supérieur, le modèle HYDRO_LCA, que j’ai développé et qui est présenté dans la section3.4, peut être utilisé pour en évaluer les impacts. Dans le cas où l’installation est destinée à stocker de l’énergie, les impacts ne sont plus à normaliser par l’énergie produite par la centrale, mais par sa capacité à stocker de l’énergie. Cette capacité sera déterminée par le volume utilisable du réservoir et la hauteur de chute.
4.3.1.2 Évaluation des impacts environnementaux
En faisant l’hypothèse discutable que les centrales étudiées dans la section3.4sont des STEP et uniquement destinée à cet usage avec un taux de production de 20 % (équivalent à 1750 h de décharge à pleine puissance par an ou près de 5h de décharge à pleine puissance par jour), on obtient l’empreinte carbone présentée sur la figure 4.5. Cette empreinte carbone, hors émissions de GES induites par le réservoir, est proportionnelle au ratio volume du barrage/énergie restituée sur la vie du système. Les empreintes carbone des émissions des réservoirs estimés à partir des facteurs d’émissions de Deemeret al. [40] et des dimensions des réservoirs sont présentées sur la figure4.6.
Une fois encore, les émissions de GES biogénique en provenance du réservoir ont le potentiel d’anéantir les bénéfices attendus en termes de réductions de GES. Ces émissions ont été estimées en supposant que les centrales sont destinées uniquement au stockage d’énergie ce qui est le cas, par exemple, de la centrale d’El Hierro, mais la majorité des STEP contribue à la fois à de la production d’énergie hydroélectrique et du stockage d’énergie électrique. Dans ce cas, l’impact peut être exprimé par unité d’énergie produite par la centrale en tenant compte de la production pure de la centrale et de la production venant d’eau ayant auparavant été pompée.
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
Figure 4.5 – Empreinte carbone du stockage par STEP (hors émissions de GES du réservoir)
Figure 4.6 – Empreinte carbone du stockage par STEP avec une estimation basse et haute des émissions de GES du réservoir
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
4.3.2 Analyse de sensibilité multicritère
La figure4.7représente l’analyse de sensibilité multicritère de l’empreinte environnementale normalisée par la capacité de stockage de la centrale.
En ce qui concerne, les émissions de GES, le niveau d’émissivité en CO2, CH4 ainsi que les
dimensions du réservoir sont déterminants. En effet, la capacité de stockage de l’installation dépend directement du produit du volume du réservoir et de la hauteur de chute. Cette hauteur de chute, qui était déjà un paramètre important de la performance environnementale d’une installation hydroélectrique, elle le devient encore plus dans le cas d’une installation destinée stocker de l’énergie. Le volume du barrage est, quant à lui, le paramètre déterminant pour l’ensemble des catégories d’impacts, à l’exception de l’usage des terres. Le volume du barrage n’est pas directement lié au volume du réservoir, mais dépend très fortement de la topographie locale. Le niveau de sédimentation est également un paramètre pouvant être important si cette sédimentation implique de recourir à des équipements d’excavations fonctionnant au diesel pour récupérer le volume initial du bassin. En l’absence d’entretien, la capacité du réservoir est vouée à décroître du fait de la sédimentation.
CHAPITRE 4. A CV DU STOCKA GE D’ÉNER GIE
Figure 4.7 – Matrice d’analyse de sensibilité multicritère du stockage par STEP
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
4.3.3 Le stockage d’énergie par air comprimé
L’énergie peut également être stockée sous forme d’air comprimé. L’énergie électrique est utilisée pour comprimer de l’air. Le gaz comprimé est ensuite stocké dans des cavités souterraines ou des réservoirs en surface. Le gaz est ensuite détendu dans une turbine restituant, en partie, l’énergie qui avait été utilisée pour comprimer le gaz. Il s’agit d’une partie seulement du fait que, lors de la compression, l’air comprimé chauffe. Si cette chaleur n’est pas stockée, elle sera en bonne partie perdue et lors de la détente le gaz sera refroidi et se retrouvera à une température inférieure à celle d’avant sa compression. Cette chaleur perdue conduit à une dégradation significative du rendement du stockage. Ce dernier se situe autour de 25 − 45 % [45]. Afin d’améliorer ce rendement, il est possible de stocker la chaleur produite lors de la compression et la restituer lors de la décompression. Cela permet d’atteindre des rendements de plus de 70 %. Il est également possible de combiner un tel système à une centrale à gaz et valoriser en partie la chaleur résiduelle produite par la centrale thermique. Cette solution permet, en plus, de mutualiser certains équipements comme c’est le cas à la centrale d’Huntorf en Allemagne.
4.3.3.1 Modélisation des ICV d’une centrale CAES
Si des études relatives à la performance technico-économique de tels systèmes existent, très peu s’intéressent à l’évaluation des impacts environnementaux. Une étude portant sur l’évaluation environnementale de stockage d’énergie par air comprimé adiabatique avancé a été réalisée par Motmans [90] lors d’un stage au PSI et ETH Zurich encadré par Christian Bauer, Dr. Chris Mutel, Dr. Andreas Haselbacher. Les inventaires de cycle de vie réalisé dans le cadre de ce travail ont été réutilisés en paramétrant les éléments suivants :
• la puissance de l’installation,
• l’existence ou non de système de stockage de chaleur permettant d’améliorer le rendement,
• le rendement de la centrale,
• la capacité de stockage d’énergie de la centrale, • les pressions maximales et minimales du réservoir,
• le type de réservoir : en cavité souterraine ou dans des réservoirs en acier, • la distance de raccordement au réseau électrique,
• les durées de vie du réservoir, du raccordement au réseau électrique, des turbomachines et du stockage d’énergie thermique.
La puissance de l’installation détermine la masse des turbomachines (compresseur, détendeur, générateur). Les masses considérées sont estimées en proportion du scénario de référence dont ces équipements ont une puissance de 100 MW. Le volume de cavité à creuser est, quant à lui, calculé à partir de :
• la capacité de stockage renseigné, • du rendement du stockage,
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE Ce volume est calculé, en considérant que la transformation est quasi-isentropique, à partir des formules suivantes :
V olumic_Energy(P ) = P · γ γ − 1· P Patm γ−1γ − 1 ! ·1/3.6e6 (4.1)
V olumic_capacity = (V olumic_Energy(Pmax) − V olumic_Energy(Pmin))· η (4.2)
Reservoir_volume = Energy_storage_capacity
V olumic_capacity (4.3)
• γ représente l’indice adiabatique dont la valeur est fixée à 1.4 pour l’air, • Patmla pression atmosphérique,
• Pmax et Pmin les pressions maximales et minimales admissibles du réservoir, • η le rendement du stockage,
• Energy_storage_capacity la capacité de stockage exprimée en kWh, • Reservoir_volume le volume du réservoir exprimé en m3.
La possibilité de stocker l’air comprimé dans des réservoirs en surface a également été implémentée sur la base des spécifications de réservoir en acier [79].
4.3.3.2 Évaluation des impacts environnementaux
Afin d’évaluer les impacts environnementaux du stockage d’énergie par air comprimé, une installation de référence est considérée. Cette installation présente les caractéristiques suivantes :
• une puissance de 100 MW,
• une capacité de stockage d’environ 1 MWh (correspondant à environ 170000 m3 avec
une plage de variation admissible entre 40 et 70 bars et un rendement de 72.5 %), • un système de stockage de chaleur permettant d’atteindre un rendement de 72.5 %, • un facteur d’utilisation de 20 %.
Le facteur d’utilisation de 20 % correspond à un déstockage d’énergie sur l’équivalent de 1750h/an soit près de 5 heures par jours à pleine puissance. L’évaluation de l’empreinte carbone du stockage d’énergie par une telle installation est présentée sur la figure 4.8. L’empreinte carbone est présentée pour une centrale ayant un réservoir en cavité souterraine, mais également pour une installation qui stockerait l’air comprimé dans des réservoirs en acier ayant une pression maximum admissible de 50 bars et une durée de vie limitée à 50 ans [79]. On remarque que dans le cas d’une installation en cavité souterraine, dont la durée de vie est estimée à 100 ans, l’empreinte carbone par kilowattheure restitué est de seulement quelques grammes de CO2 par kilowattheure. La durée de vie retenue pour
l’estimation est de 25 ans pour les turbomachines, 40 ans pour le réseau électrique et le système de stockage de chaleur.
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
Figure 4.8 – Empreinte carbone du stockage d’énergie par air comprimé
4.3.3.3 Analyse de sensibilité multicritère
La figure 4.9représente l’analyse de sensibilité aux différents paramètres. On remarque que les paramètres les plus déterminants sont :
• le type de réservoir (en caverne ou dans des réservoirs en acier) comme l’illustre déjà la figure 4.8,
• le taux d’utilisation du système de stockage,
• la capacité de stockage ainsi que l’existence d’un système de stockage de chaleur. Si le système de stockage de chaleur augmente l’impact du système de stockage par unité d’énergie restitué, il améliore aussi le rendement du stockage. Ce faisant, il permet de réduire les pertes d’énergie lors du stockage et donc de limiter les impacts provenant de cette énergie perdue. En supposant que de l’énergie éolienne ayant une empreinte carbone de 15 gCO2eq/kWh est stockée par un tel système, pour restituer un kWh, il faudra en consommer près de 2 kWh avec un rendement de 50 % (rendement typique sans stockage de chaleur) et 1.4 kWh avec un rendement de 72.5 % (rendement avec stockage de chaleur). Cela correspond respectivement à 30 et 21 gCO2eq/kWh pour l’énergie entrante dans le système de stockage auquel il faut ajouter environ 2 gCO2eq/kWh pour le système de stockage en tant que tel. La principale source d’augmentation de l’impact est, dans ce cas, les pertes ayant lieu lors du cycle de stockage. La priorité est alors d’augmenter le rendement du système, quitte à augmenter l’impact du système de stockage, tant que le bilan global est positif. La recherche d’une efficacité maximale sera d’autant plus importante que l’énergie entrante dans le système de stockage aura des impacts environnementaux élevés.
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
CHAPITRE 4. ACV DU STOCKAGE D’ÉNERGIE