Obstacles à la mise en œuvre du stockage sur batterie aux États-Unis : prix et produits

Même si les États-Unis disposent actuellement d’une variété de technologies susceptibles de décarboner le réseau, des barrières sociales, financières et politiques pourraient empêcher le déploiement de ces technologies modernes dans les délais requis pour supprimer le changement environnemental. Cette perspective met en évidence deux des plus grands obstacles au déploiement de l'espace de stockage sur batterie : le prix et également les produits. Les dépenses liées à la technologie moderne de stockage de batteries grand public, en particulier, restent généralement beaucoup trop élevées. Un groupe d'étude du Massachusetts Institute of Modern Technology a exploré un ensemble de stratégies politiques et financières développées et proposées par le gouvernement des États-Unis pour accélérer la libération de l'espace de stockage d'énergie et minimiser les prix. Un facteur essentiel de la hausse des prix est la valeur relativement élevée des matériaux des batteries, garde à l'esprit le rapport. Et une chaîne d’approvisionnement plus petite et rationalisée met en évidence l’urgence des produits de batteries, augmentant les tarifs et rendant difficile une mise à l’échelle rapide. Il existe des facteurs à cela en plus des services technologiques et économiques, dont certains sont analysés par le MIT. Il existe souvent un partenariat contrasté entre l'avantage compétitif d'une entreprise (c'est-à-dire l'agencement et la fabrication exclusifs) et la production extra-économique (c'est-à-dire la centralisation, la standardisation, etc.) qui devrait être surmontée par des récompenses politiques et économiques. En fin de compte, une plus grande urgence est requise de la part du public ainsi que des domaines d'investissement exclusifs pour aborder la modification de l'environnement avec une croissance rapide et également la mise en œuvre des solutions les plus efficaces.

Parmi les solutions les plus cruciales pour empêcher une modification supplémentaire du climat figure la décarbonisation du secteur de l’énergie électrique. Selon les données publiées par l’Energy Details Administration (EIA) des États-Unis, en 2020, les émissions totales de carbone générées par le marché de l’électricité représentaient environ 32 % du total des émissions de carbone aux États-Unis. En utilisant des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire, il est possible de produire de l’énergie sans rejeter de dioxyde de carbone, le principal polluant à l’origine du réchauffement climatique. Néanmoins, les énergies renouvelables rencontrent des problèmes de production récurrents car leur approvisionnement dépend de conditions climatiques incertaines ainsi que d’un contrôle humain passé, ce qui constitue une différence substantielle par rapport aux installations de production de combustibles fossiles qui peuvent fournir plus d’électricité à tout moment. Il existe différentes solutions pour faire face à l'intermittence et garantir que la demande soit toujours satisfaite : par exemple, les installations de production d'énergie renouvelable peuvent être surconstruites de sorte que lorsque le soleil ou le vent sont insuffisants, l'énergie électrique créée puisse toujours répondre à la demande d'approvisionnement. Cependant, cette approche est coûteuse et entraîne des réductions. Un autre service consiste à utiliser une quantité minimale d'énergie gérable (comme l'hydrogène écologique et l'énergie nucléaire, etc.), idéalement une énergie propre qui ne crée pas de CO2 (comme l'hydrogène vert, l'ammoniac, le carburant biologique, etc.). Néanmoins, ces innovations émergentes ont encore du mal à obtenir des mesures de coûts et d’efficacité viables lorsqu’elles sont générées à l’aide de procédures neutres en carbone. Bien que plusieurs méthodes soient nécessaires, les systèmes spatiaux de stockage d’énergie constituent une solution extrêmement prometteuse et offrent un large éventail de choix de conception.

La possibilité de prendre en charge l'espace de stockage d'énergie consiste à convertir l'énergie électrique fournie par une ressource renouvelable en d'autres types d'énergie, tels que l'énergie thermique, l'énergie électrochimique, l'énergie, etc., lorsque l'alimentation électrique est suffisante, qui peut être stockée ainsi que libérée pour répondre à la demande pendant la durée de l'approvisionnement. Les installations de production d’énergie hydraulique par pompage constituent en fait un type d’espace de stockage d’énergie efficace et bien documenté depuis plus de 100 ans ; Selon le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), l'hydroélectricité pompée représente actuellement tous les systèmes de stockage d'énergie à l'échelle des services publics aux États-Unis, soit 95 % de la capacité d'espace de stockage d'énergie. Néanmoins, une plus grande capacité d'espace de stockage d'énergie est nécessaire pour décarboner le réseau à un niveau plus élevé : selon le rapport d'étude de la Power Information Administration (EIA) des États-Unis, les États-Unis disposent actuellement de moins de 2 GW de systèmes spatiaux de stockage d'énergie à l'échelle commerciale déployés, ainsi que des centaines de gigawatts d'espace de stockage d'énergie pourraient être nécessaires en 2050 pour contribuer à une décarbonisation en profondeur. L'hydroélectricité par pompage est difficile à mettre à l'échelle car elle n'est généralement lucrative que pour les grands projets d'espace de stockage d'énergie à forte intensité de capital, et les emplacements de mise en œuvre sont limités par des contraintes géographiques et autorisées. En outre, le réseau est un ensemble de services, dont chacun dépend de diverses caractéristiques de puissance ainsi que de demandes de puissance, de temps de réaction, etc., nécessitant une variété de services d'espace de stockage d'énergie. Les statistiques les plus couramment utilisées pour déterminer si une technologie moderne de stockage d'énergie est idéale sur le plan pratique et économique pour une application est la « période », qui représente également le moment nécessaire pour charger complètement ou remettre sous tension une batterie. Par conséquent, des choix permettant de fonctionner sur de nombreuses durées peuvent être explorés. En raison du grand espace de conception qu'elles offrent pour réaliser une série de périodes et également des divers autres avantages évoqués dans cet article, les batteries utilisent une série de technologies d'espace de stockage d'énergie attrayantes pour les tâches de stockage d'énergie.

Une batterie est un dispositif de stockage électrochimique qui utilise la différence d'énergie entre les réactions « redox » pour transformer l'énergie électrique, économisant ainsi l'énergie électrique sous forme d'énergie chimique ou économisant de l'énergie électrique à partir de l'énergie chimique. Les batteries présentent de nombreux avantages potentiels par rapport à divers autres types de technologies de stockage d’énergie. Par exemple, les réactions électrochimiques sont généralement beaucoup plus fiables que les réponses thermochimiques dans un réseau décarboné (et aussi, généralement, un réseau sous tension) en raison de la libération directe d’énergie électrique (généralement à un niveau de température et une pression communs).

En outre, il existe différents plans de stockage d'énergie par réaction redox parmi lesquels choisir, offrant un large espace d'aménagement pour les technologies modernes de stockage d'énergie basées sur les applications. À titre d'exemple, considérons la variété de batteries professionnelles utilisées dans l'électronique client, qui ne représentent qu'une petite partie des systèmes d'espace de stockage d'énergie par batterie à l'échelle du réseau disponibles pour une utilisation dans diverses conceptions : batterie lithium-ion, plomb-acide, nickel-cadmium, zinc-carbone, etc. De plus, les batteries peuvent être déployées pratiquement n'importe où, contrairement au stockage thermique ou par gravité, qui nécessitent généralement des emplacements de stockage géographiquement détaillés. Ces avantages permettent aux batteries d'être utilisées non seulement pour les opérations du réseau après la décarbonation, mais également d'offrir une valeur ajoutée en tant que services secondaires ; par exemple, les batteries contribuent à accroître l’indépendance énergétique et la fiabilité. Tenez compte de l'effondrement du réseau électrique de Porto Rico lors de la tempête Maria en 2017. Des conceptions de micro-réseaux dispersées, comprenant des installations de production de ressources renouvelables et des systèmes d'espace de stockage d'énergie, peuvent éviter de tragiques pannes de courant importantes. En effet, la production dispersée réduit la construction et la modernisation des structures de transmission (telles que les lignes électriques et les poteaux électriques) qui dispersent l'énergie, mais sont exposées à des risques de conditions météorologiques extrêmes.

De plus, la production d’énergie dispersée élimine la possibilité d’un point de défaillance unique. Certes, les préoccupations du quartier en matière de liberté politique et financière doivent également être prises en considération. De nombreux pays ne possèdent pas d’importantes ressources en combustibles non renouvelables économiquement pratiques, de sorte qu’un changement vers le marché des énergies renouvelables pourrait améliorer la production nationale d’électricité, diminuer le besoin d’importations d’électricité et, par conséquent, renforcer la liberté géopolitique. Les États-Unis reconnaissent spécifiquement les défis financiers que peut présenter la dépendance énergétique, après avoir connu des pénuries de pétrole d’origine géopolitique dans les années 1970 et 1980.

Il existe aujourd’hui de nombreux types de technologies de batteries, chacune avec différents modèles, dont beaucoup peuvent s’adapter à une série de produits chimiques ainsi qu’utiliser une sélection d’alternatives. Les batteries lithium-ion (LIB) sont considérées comme la technologie de batterie dominante ; dans les années 1990 et plus tard, les batteries lithium-ion étaient principalement utilisées dans les appareils électroniques et mobiles, tandis que ces dernières années, les batteries lithium-ion sont principalement utilisées dans les systèmes de stockage d'énergie stationnaires ainsi que dans l'automobile électrique (VE), ces 2 marchés à grande échelle. La majorité des innovations en matière de batteries envisagées pour une utilisation dans le secteur de l'énergie sont encore relativement prématurées et pourraient nécessiter une étude approfondie de recherche par essais et erreurs, mais les travaux réalisés jusqu'à présent ont en réalité consisté en de petits déploiements ou de procédures commerciales minimes, souvent en raison du fait qu'ils sont encore sous-performants ou uniquement adaptés à une application sur le réseau. Des exemples de telles innovations comprennent les batteries à circulation redox (RFB) et également les batteries métal-air (MAB).

Selon l'Agence internationale de l'énergie, d'ici 2030, la majorité de la réduction des rejets de CO2 proviendra certainement des technologies modernes actuellement disponibles ou sur le marché aujourd'hui, et d'ici 2050, environ cinquante pour cent de la réduction des émissions de carbone dépendront d'innovations énergétiques actuellement au stade de démonstration ou de prototype. Les gouvernements fédéraux ainsi que les cultures sont donc pratiquement sur la bonne voie pour s’attaquer à la modification de l’environnement. Néanmoins, il existe de nombreux autres obstacles sociaux, financiers et politiques potentiels qui doivent être surmontés pour garantir que les technologies modernes d'énergie idéale soient déployées suffisamment rapidement pour que ces diminutions soient suffisamment importantes pour éviter des dommages à plus grande échelle (Figure 1). Même si ces facteurs à prendre en compte ne sont pas indépendants des aspects techniques, ils peuvent nécessiter des approches et des solutions différentes. Ce travail examine deux défis cruciaux dans une mise en œuvre plus large des batteries : le prix des batteries et les restrictions sur les produits. Il existe actuellement une série de technologies de batteries présentant des attributs d’efficacité appropriés, mais des coûts initiaux élevés pourraient retarder ou arrêter une promotion plus large, en particulier aux faibles échelles de production actuelles. Enfin, même si une certaine technologie de batterie satisfait aux critères essentiels de prix et de performances, l’accessibilité et la chaîne d’approvisionnement de ses composants vitaux peuvent entraver une intégration rapide et approfondie. Par conséquent, ces préoccupations doivent être résolues le plus rapidement possible pour atteindre les principaux objectifs de décarbonation. Ce travail découvre des techniques financières et politiques pour surmonter ou contourner ces barrières.
Obstacle clé 1 : coût de la batterie

Le coût est un facteur essentiel à prendre en compte pour savoir si les batteries peuvent être utilisées dans les applications de stockage d’énergie sur réseau. Contrairement à d’autres marchés de batteries tels que les appareils cliniques, les appareils électroniques grand public, les camions électriques, etc., les applications réseau nécessitent des services d’énergie propre bien moins coûteux pour rivaliser avec les installations de production de combustibles fossiles abordables. Parce que la libération du réseau nécessite des investissements importants, nécessitant souvent un accès au financement (par exemple, des financements), le coût des ressources a en fait traditionnellement été un obstacle important à l'adoption des ressources renouvelables et donc également une indication centrale de leur faisabilité technico-économique. Pour les batteries, le coût dépend généralement du prix des matériaux ainsi que de la gamme de fabrication. Le Département de l’énergie des États-Unis fixe généralement entre 100 $/kWh et 150 $/kWh comme plafond des dépenses de financement d’un système de stockage d’électricité sur réseau financièrement pratique.

Les batteries lithium-ion constituent actuellement l’une des technologies de stockage d’énergie par batterie les plus déployées dans les applications de réseau. Les batteries lithium-ion ont eu la capacité d'accélérer leur développement depuis les années 1990, car elles ont été utilisées pour la première fois en masse sur des marchés à forte valeur ajoutée tels que les appareils électroniques grand public et les camions électriques. Sur ces marchés, les fournisseurs de batteries peuvent commercialiser des produits de batteries beaucoup moins améliorés et à un prix plus élevé puisqu'ils constituent le seul choix. Cela permet de créer des batteries lithium-ion à grande échelle et également à un prix abordable, tout en maximisant davantage les performances. Ainsi, lorsque cette technologie est prise en compte pour les systèmes spatiaux de stockage d'énergie, les batteries lithium-ion ont en fait montré une forte efficacité, les performances de charge et de décharge de cette batterie sont désormais très élevées, généralement jusqu'à 95 %, et la chaîne d'approvisionnement est établie pour garantir que le prix est plus bas. En particulier, avec le développement des automobiles électriques, le prix des batteries lithium-ion a considérablement baissé ces dernières années ; Les batteries lithium-ion, composées de cellules de batterie assemblées et de systèmes d'administration et de sécurité, sont tombées dans la fourchette possible définie par le Département américain de l'énergie (environ 140 USD/kWh), elles devraient tomber en dessous de 100 USD/kWh à l'avenir. La capacité de production internationale de batteries lithium-ion devrait dépasser 700 GWh par an et représente aujourd’hui un secteur de près de 50 milliards de dollars. Bien qu’il s’agisse d’une excellente évolution, une série de solutions sont encore nécessaires pour permettre tous les services de réseau et parvenir à une décarbonisation profonde. En outre, les problèmes de chaîne d’approvisionnement examinés dans la section suivante pourraient entraver la gamme de déploiement des systèmes de stockage d’énergie par batterie lithium-ion. Plusieurs autres technologies modernes de batteries offrent des services encore plus économiques, notamment sur des périodes plus longues (plus de 4 heures), mais elles ne profitent pas des mêmes problèmes de marché que le Li-ion et ont du mal à rivaliser.

De nombreuses conceptions de batteries alternatives ainsi que des produits présentent des avantages de prix fondamentaux par rapport aux batteries Li-ion. Les batteries à circulation, par exemple, utilisent une conception de système qui divise de manière unique la puissance et la puissance, ce qui indique que les deux peuvent évoluer indépendamment l'une de l'autre. Cela permet une croissance abordable de la capacité d’espace de stockage d’énergie, rendant ces batteries beaucoup plus compétitives pour des durées plus longues. D’un autre côté, un système fermé comme une batterie lithium-ion associe puissance et puissance, faisant du coût de son unité de stockage d’énergie un critère raisonnablement fixe. Bien qu'il ait été souligné que le coût à long terme est moins un facteur à prendre en compte que les coûts initiaux, le style ouvert d'une batterie à flux (RFB) ou d'une batterie métal-air (MAB) facilite également les économies financières à long terme en permettant un entretien ciblé des composants. On peut directement le reconstituer ou le remplacer avec l'électrolyte (le composant dérogatoire le plus rapide de la batterie), alors que les systèmes fermés typiques comme les batteries lithium-ion nécessitent d'améliorer ou de remplacer l'ensemble de la batterie, ce qui génère une certaine quantité de déchets. En fin de compte, il existe également des batteries qui utilisent des produits moins coûteux et à plus forte teneur que les batteries lithium-ion, réduisant ainsi les dépenses potentielles.

Malgré ces avantages inhérents, les solutions de stockage d’énergie qui émergent ont du mal à être mises en œuvre pour diverses raisons. Initialement, même si le style optimal d’un réseau profondément décarboné intègre une série de services de stockage par batterie, ce scénario est très éloigné des faits existants. Étant donné que ces toutes nouvelles innovations en matière de batteries sont en réalité tout simplement rentables pour les applications à l'échelle du réseau et ne peuvent pas non plus être présentes sur des marchés à plus forte valeur ajoutée, on ne sait pas exactement comment réduire les prix et améliorer l'efficacité afin qu'elles puissent rivaliser avec les batteries lithium-ion lorsqu'elles peuvent enfin fournir des services de stockage d'énergie de longue durée ou le remplacement des installations de production de combustibles fossiles à un coût réduit.

L’aggravation de ce problème de la poule et de l’œuf est une autre énigme similaire : ces innovations qui émergent sont naturellement plus risquées. Cela les rend moins accrocheurs aux yeux des superviseurs de projet, des sponsors ou d’autres décideurs, ce qui rend ces technologies modernes beaucoup moins couramment adoptées et présentées, et par conséquent, elles sont constamment considérées comme risquées. En raison de ces obstacles, de nombreux projets proposant d'utiliser ces technologies émergentes en matière de batteries se sont battus pour garantir le financement des investissements financiers des entreprises, du financement de l'emploi, etc. Ces problèmes pourraient ne pas être résolus par le secteur privé seul, et la réponse du gouvernement fédéral pourrait diminuer le risque technologique et également réduire le coût des solutions émergentes en matière d’espace de stockage d’énergie qui ne sont qu’accrocheuses pour le réseau mais peuvent contribuer à une décarbonisation profonde. Généralement, les démonstrations à grande échelle devront certainement être testées et soutenues par des achats directs. Une façon d’y parvenir consiste à financer par le gouvernement fédéral des tâches de présentation d’entreprise, comme cela a été fait auparavant avec l’American Recovery and Reinvestment Act. Actuellement, la Division américaine de l'énergie fournit un financement considérable pour des projets d'espace de stockage d'énergie de démonstration. Néanmoins, ce financement a historiquement été accordé aux laboratoires de recherche nationaux des États-Unis, sans sollicitation publique, ce qui impliquerait le secteur privé et pourrait également accélérer la progression. En outre, le gouvernement américain peut développer un programme spécialisé pour les présentations sur le stockage d’électricité sur réseau, ce qui s’est révélé prometteur dans bon nombre de ses projets de développement à un stade précoce. Ce besoin a été récemment partiellement satisfait par le programme de recherche avancée de l'Agence pour l'énergie (ARPA-E) de la Division américaine de l'énergie pour des avancées importantes dans les technologies énergétiques avec des possibilités inexploitées. De même, l'Office of Clean Energy Demo des États-Unis est un autre pas dans la meilleure direction : la société a été créée en 2021 dans le but de présenter de grands projets de stockage d'énergie (même d'un milliard de dollars), et également de travailler avec le secteur privé pour accélérer l'adoption et le déploiement de technologies modernes d'énergie propre.

Il existe aujourd’hui des technologies qui peuvent contribuer à la décarbonation du secteur énergétique. Cependant, des inquiétudes subsistent quant à la capacité de créer et de déployer ces technologies modernes de manière rapide et rentable, une tâche qui n’est pas encore réalisée. Avec les incitations appropriées, le traitement gouvernemental peut aider à atteindre et à accélérer les résultats souhaités. En outre, diverses approches et procédures peuvent aider à surmonter certains de ces obstacles si elles sont utilisées judicieusement et rapidement. Malgré cette approche, du temps est nécessaire et l'accessibilité au public et les investissements exclusifs sont également essentiels.