Sous l'impulsion de la production d'énergie renouvelable, des véhicules électriques et de l'industrie de l'automobile, le secteur de l'énergie est en pleine expansion. stockage mondial de l'énergie les différents types de technologies de stockage de l'énergie ont fait de grands progrès ces dernières années.
À la fin de 2018, la capacité installée mondiale de la technologie de stockage d'énergie par batterie était de 6058,9 MW, dont la capacité installée de la Chine était de 1033,7 MW, et les États-Unis, la Chine et la Corée du Sud se classaient aux trois premiers rangs.
Sur la base du développement actuel de l'industrie, cet article analyse les principales technologies de stockage de l'énergie, les applications du marché, les problèmes et les défis.
Technologies typiques de stockage d'énergie par batterie
Les technologies de stockage de l'énergie par batterie comprennent principalement les batteries plomb-acide, les batteries lithium-ion, les batteries à flux, les batteries à base de sodium et d'autres types de technologies de stockage de l'énergie par batterie.
Accumulateur au plomb
Les batteries plomb-acide utilisées dans les projets de stockage d'énergie comprennent les batteries plomb-acide et les batteries plomb-carbone. La batterie plomb-carbone est une amélioration capacitive du matériau de l'électrode négative sur la base de la batterie plomb-acide traditionnelle, ce qui améliore considérablement la durée de vie de la batterie.
Ces dernières années, l'application des batteries plomb-acide dans le domaine du stockage de l'énergie est principalement basée sur les batteries plomb-carbone dont le coût par kilowattheure est moins élevé, en particulier pour Jiangsu, Guangdong, Pékin et d'autres endroits où la différence de prix de l'électricité entre les périodes de pointe et les périodes creuses industrielles et commerciales est relativement élevée.
Batterie à base de sodium
Les batteries à base de sodium utilisées dans les projets de stockage d'énergie comprennent les batteries sodium-soufre à haute température, les batteries sodium-nickel et les batteries sodium-ion aqueuses à température ambiante.
La batterie sodium-soufre est un représentant typique des batteries à base de sodium et constitue la technologie de stockage d'énergie la plus mature dans les systèmes de stockage d'énergie fonctionnant à haute température (350-400 °C).
Les entreprises industrielles dirigées par la société japonaise NGK ont mis en œuvre plus de 430 MW de projets de stockage d'énergie au Japon, aux États-Unis, aux Émirats arabes unis, en Allemagne, en Italie, en France et dans d'autres pays avant 2015.
Batterie Li-ion
Il existe de nombreux types de batteries lithium-ion utilisées dans les projets de stockage d'énergie, notamment les batteries lithium-polymère, les batteries lithium-oxyde de manganèse et les batteries lithium-titanate, ainsi que les batteries lithium-ion.
Du point de vue du coût d'investissement unique, de la durée de vie et de la sécurité, le phosphate de fer lithié est sans aucun doute la solution la plus avantageuse. stockage de l'énergie dans les batteries lithium-ion Il est largement utilisé dans tous les aspects de la transmission et de la distribution du réseau électrique.
La batterie lithium-fer phosphate présente les avantages d'une grande stabilité et d'une longue durée de vie. C'est la technologie de batterie lithium-ion la plus répandue et la plus utilisée pour les systèmes de stockage d'énergie.
Ces dernières années, sous l'effet de la réduction du coût du phosphate de fer lithié et de l'amélioration des performances globales, cette technologie a été largement utilisée dans tous les aspects de la transmission et de la distribution du système électrique.
Caractéristiques techniques du stockage d'énergie par batterie
En ce qui concerne les caractéristiques de la technologie de stockage de l'énergie des batteries, en raison de l'influence globale de l'échelle industrielle, du coût du système, des caractéristiques de l'énergie et de la puissance, des caractéristiques de service et de la recyclabilité, les batteries lithium-ion (phosphate de fer lithié et batteries ternaires au lithium) présentent actuellement des avantages remarquables.
Les batteries plomb-carbone, les batteries à flux redox tout vanadium et les batteries lithium à utilisation en cascade sont compétitives dans des scénarios spécifiques.
La durée de vie des batteries plomb-acide est trop courte, le coût d'investissement unique des batteries au titanate de lithium est trop élevé, les problèmes de sécurité des batteries sodium-soufre sont importants et les progrès technologiques sont lents, et le coût énergétique des supercondensateurs est trop élevé. Ces derniers types de technologies sont actuellement insuffisamment compétitifs sur le marché.
(1) L'échelle de l'industrie détermine la vitesse de mise à niveau des paramètres techniques globaux du stockage de l'énergie.
En termes d'échelle industrielle, l'ordre de grandeur est le suivant : batteries lithium-ion, batteries plomb-carbone et batteries à flux redox tout vanadium. Le volume des industries des batteries lithium-ion destinées aux consommateurs et aux transports peut soutenir le développement du marché du stockage de l'énergie dans les batteries lithium-ion.
C'est la raison pour laquelle les batteries au phosphate de fer-lithium et au lithium ternaire ont progressé rapidement ces dernières années. La batterie sodium-soufre à haute température, qui a connu une bonne dynamique de développement, a progressivement disparu du marché du stockage de l'énergie en raison du seuil technique élevé et de la participation insuffisante des entreprises de stockage de l'énergie, ce qui a entraîné une lenteur des progrès technologiques.
Le nombre de fournisseurs de systèmes de stockage d'énergie par batterie lithium-ion est bien supérieur à celui des autres technologies de stockage d'énergie par batterie.
(2) Le coût du système est lié à la période de retour sur investissement du projet et à sa marge bénéficiaire.
Le coût du système de stockage d'énergie comporte deux paramètres essentiels, à savoir le coût d'investissement unique et le coût de l'électricité sur l'ensemble du cycle de vie. Dans un scénario d'application avec un modèle de revenu spécifique, plus le coût d'investissement unique est faible, plus la période de retour sur investissement est courte, plus le coût de l'électricité est faible tout au long du cycle de vie et plus la marge bénéficiaire est importante.
Le coût d'investissement unique correspond à l'investissement initial total dans l'équipement. Pour les systèmes de stockage d'énergie par batterie, il comprend les convertisseurs de stockage d'énergie, les systèmes de gestion de l'énergie, les batteries de stockage d'énergie, l'équipement de lutte contre l'incendie et les systèmes de surveillance.
Outre les batteries plomb-acide, le coût d'investissement unique des batteries plomb-carbone est de 1 000 à 1 300 RMB/kWh, ce qui est le plus bas parmi les différentes technologies. Sous l'impulsion de l'industrie des véhicules électriques, le coût des batteries au phosphate de fer-lithium et au lithium ternaire a chuté très rapidement.
Le coût d'investissement unique du phosphate de fer lithié est de 1 600 à 2 000 RMB/kWh, et le coût départ-usine de la plupart des fournisseurs est d'environ 1 800 RMB/kWh.
(3) Les caractéristiques de l'énergie et de la puissance déterminent l'espace occupé et les scénarios applicables.
En termes de densité énergétique, l'ordre du plus grand au plus petit est le suivant : batterie ternaire au lithium (180-240 Wh/kg), batterie au lithium-phosphate de fer (120-150 Wh/kg), batterie plomb-carbone (25-50 Wh/kg), batterie complète à flux redox au vanadium (7~15 Wh/kg).
Pour le stockage d'énergie côté réseau (qui occupe généralement l'espace d'une sous-station) et le stockage d'énergie côté utilisateur, qui nécessitent un espace important, outre la sélection de la technologie de stockage d'énergie appropriée pour le scénario d'application, la densité d'énergie est également cruciale pour l'espace au sol standard.
Selon le consensus de l'industrie, le conteneur de 40 pieds est la norme, l'énergie du système de batterie ternaire au lithium peut atteindre jusqu'à 4 MWh, celle du phosphate de fer lithié est de 2 à 3 MWh, celle de la batterie plomb-carbone est de 1,0 à 1,5 MWh, et les entreprises individuelles peuvent également atteindre environ 2 MWh.
Marché des technologies de stockage de l'énergie par batterie
À la fin du mois de juin 2019, la capacité installée mondiale de stockage d'énergie par batterie était de 7 427,5 MW, représentant 4,1% du marché mondial du stockage d'énergie.
La capacité installée de stockage d'énergie par batterie en Chine est de 1 160,8 MW. Parmi eux, la capacité installée des batteries lithium-ion est de 872,0 MW, représentant 75,1% ; les batteries plomb-acide sont de 264,2 MW ; les batteries d'écoulement sont de 19,5 MW ; les autres batteries sont de 5,1 MW.
Parmi elles, les batteries plomb-acide sont principalement utilisées dans les applications énergétiques, en particulier dans les projets d'ingénierie avec un taux horaire de 4 à 8 heures. Les batteries à écoulement liquide et les batteries à base de sodium sont principalement utilisées dans les applications énergétiques, et le taux horaire des projets de stockage d'énergie par batterie à écoulement est supérieur à 4 heures.
Les systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion ont des applications dans les domaines de l'énergie et de la puissance. Quelle que soit l'application des systèmes de stockage d'énergie industriels et systèmes commerciaux de stockage de l'énergie our les batteries d'alimentation, les batteries lithium-ion sont utilisées en raison de leurs excellentes performances.
Les systèmes de stockage d'énergie à base de phosphate de fer lithié et de batteries ternaires au lithium ont un large champ d'application, et les batteries au titanate de lithium sont principalement utilisées pour des applications de production d'énergie avec un taux horaire de 0,5 h ou moins.
Au cours des trois dernières années, la croissance cumulée des projets de stockage d'énergie par batterie a été rapide. L'analyse statistique des projets de stockage de l'énergie mis en œuvre au cours des trois dernières années par grandes catégories de technologies de stockage de l'énergie, les résultats sont présentés dans la figure 7.
Les batteries à flux, les batteries à base de sodium et d'autres types de technologies de batteries se développent lentement, en particulier les batteries sodium-soufre avec de grands volumes installés. Les batteries plomb-acide et les batteries lithium-ion ont connu une croissance rapide, en particulier les batteries lithium-ion. Les taux de croissance en chaîne en 2016, 2017 et 2018 étaient respectivement de 87%, 79,2% et 77,5%.
Problèmes et défis
Contraintes techniques et économiques
Outre le stockage par pompage, les autres types de technologies de stockage de l'énergie sont encore relativement coûteux. Le coût élevé de la technologie de stockage sans pompage est un facteur clé qui limite le développement à grande échelle de l'industrie du stockage de l'énergie.
Le coût d'investissement actuel de la centrale à accumulation par pompage est de 1600-2100 yuans/kW, et le coût du kWh est d'environ 0,25 yuan/kWh. Parmi les technologies de stockage électrochimique de l'énergie, les batteries plomb-carbone et les batteries lithium-phosphate de fer sont plus économiques, et le coût par unité d'électricité est respectivement de 0,5-0,7 yuan/kWh et de 0,6-0,8 yuan/kWh.
À l'avenir, les batteries de stockage d'énergie à faible coût et à longue durée de vie constitueront le courant principal de la recherche et du développement technologique et de l'application commerciale.
Limites des performances techniques
Il existe des effets de bord courts dans la performance des paramètres caractéristiques des différents types de technologies de stockage de l'énergie.
Le choix du site de stockage par pompage est limité, la période de construction est longue, la vitesse de démarrage et de réaction est lente, et l'efficacité de la conversion énergétique est faible ; le niveau de puissance du stockage d'énergie électrochimique est faible, le temps de décharge continue est court, la durée de vie est encore courte, et certaines technologies présentent des risques de pollution de l'environnement.
La nouvelle technologie de stockage de l'énergie de l'air comprimé a un faible rendement (généralement 50%), une courte durée de vie, l'étanchéité à haute pression exige une grande qualité d'équipement, et des coûts d'exploitation et de maintenance élevés.
Le temps de décharge du volant d'inertie est court et ne peut durer que quelques secondes ou minutes. Le phénomène d'autodécharge, les roulements rotatifs à grande vitesse dépendent fortement des importations. Le stockage de l'hydrogène et les autres nouvelles technologies de stockage de l'énergie n'en sont qu'à leurs débuts.
Limites de l'adaptabilité des scénarios
Les scénarios d'application du stockage de l'énergie sont divers et il existe peu de schémas de développement des technologies ontologiques pour des scénarios d'application spécifiques.
Les différents scénarios d'application ont des exigences différentes en matière de technologie de stockage de l'énergie, et les lacunes des différentes technologies de stockage de l'énergie déterminent leurs limites d'application.
Le pompage-turbinage convient principalement à la régulation de la charge de pointe et à la régulation de la fréquence à long terme des grands réseaux électriques à travers les régions ; bien que le stockage électrochimique de l'énergie ait considérablement amélioré ses indicateurs de performance globale au cours des dernières années.
Toutefois, les performances des indicateurs techniques tels que la durée du cycle et le niveau de puissance sont encore différentes des exigences de longue durée de vie et de grande capacité des composants du système électrique. Limitées par le coût de l'électricité et de la puissance, elles ne suffisent pas à en généraliser l'utilisation dans les scénarios applicables.
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