Notre société exige et exigera de plus en plus
d’énergie électrique.
Pour notre environnement et les générations futures, nous devons trouver une solution durable mais aussi acceptable économiquement.
Un avenir durable avec des solutions intermittentes?
Depuis plusieurs années, des progrès ont été réalisés. Les parcs solaires et éoliens sont de plus en plus nombreux, notamment grâce à une réduction des coûts autour de ces technologies.
Mais, lorsque le soleil ou le vent disparaissent, le seul moyen de garder la lumière allumée est d’utiliser des centrales électriques classiques, utilisant dans la majorité des cas, des combustibles fossiles, contribuant ainsi au réchauffement climatique.
Afin de pallier à de telles variabilité de production de la part des énergies renouvelables, il est nécessaire se doter, en parallèle, d’une solution de stockage énergétique efficace.
Cependant, le coût des solutions conventionnelles (batteries) reste actuellement beaucoup trop élevé.
Dans le cas du développement d’un mix énergétique dominé par les énergies renouvelables, il faudrait investir 5 fois plus dans des batteries que dans les éoliennes ou les panneaux solaires.
De leur côté, les stations hydro électriques de transfert d’énergie par pompage (les « barrages inversés ») ont également un coût trop élevé mais, surtout, elles ne peuvent être implantées que dans certaines zones montagneuses.
Et, les autres solutions de stockage proposées aujourd’hui (volants d’inertie, air comprimé, hydrogène, batteries au graphène ou à flux,…) sont encore plus coûteuses.
Chez Sink Float Solutions, nous avons développé et breveté une technologie de stockage d’énergie qui valorise deux éléments gratuits et inépuisables: la gravité et la profondeur des mers.
Par ailleurs, notre technologie apporte une réponse simultanée aux 3 principaux défis que posent aujourd’hui le stockage d’énergie.
Elle est facile à implémenter, extensible, et très économique.
Fonctionnement simple
Imaginez des masses en béton accrochées à des flotteurs situés sous la surface de la mer. A côté, une barge munie d’un treuil connecté au réseau électrique par un câble sous-marin.
Lorsque le réseau présente un excès d’électricité d’origine éolienne ou solaire, le treuil va transformer celle-ci en énergie potentielle en remontant les masses de béton une à une depuis le fond de la mer jusqu’à la surface, pour les accrocher ensuite à des flotteurs.
Ensuite, pendant les
périodes sans vent ou sans soleil cette énergie pourra être à nouveau transformée
en électricité pour alimenter les consommateurs. Pour cela, le treuil
fonctionnera non plus comme un moteur mais en mode générateur (genre de dynamo)
en laissant descendre les masses une à une.
Rupture économique
Selon la distance par rapport aux côtes, la profondeur de la mer, et la durée de stockage nécessaire (MWh/MW), notre système nécessite un investissement 5 à 20 fois inférieur à celui des solutions de stockage concurrentes.
Globalement, sur un cycle complet, le rendement énergétique est supérieur à 80%.
La formule de l’énergie potentielle que la plupart d’entre nous ont appris sur les bancs de l’école (Epot = MxGxH) nous permet de vérifier que, dans un mètre cube de béton, sur 3.800 mètres de dénivelés (profondeur moyenne des mers), il est possible de stocker 15 kWh.
1 mètre cube de béton = 2,5 tonnes (densité 2,5) – 1 tonne de poussée d’Archimède = 1,5 tonnes en poids relatif.
Energie = 1.500 kg x 9,81 m/s2 x 3.800 m = 55.917.000 joules.
Sachant que 3.600.000 joules équivalent à 1 kWh, cela représente une capacité de stockage de 55.917.000 / 3.600.000 = 15 kWh.
Avec un coût de 100 €/mètre cube, notre unité de stockage en béton coûte 100€/15 kWh, soit 6,6 €/kWh, c’est environ 85 fois moins cher que la batterie « PowerWall » de Tesla (en 2019: 7.740 €/13,5 kWh = 570 €/kWh, source: www.tesla.com)
Il faut néanmoins ajouter quelques composants supplémentaires : un flotteur en acier pour chaque masse, un treuil, des câbles d’ancrage et une connexion électrique sous-marine. Ces différents composants étant standards,
il est facile de vérifier leurs coûts.
Globalement, et selon les conditions d’implantation (éloignement de la côte, profondeur et effets d’échelle), notre solution permet d’atteindre un coût total de stockage (Investissement + O&M) 5 à 20 fois plus faible que les meilleures solutions concurrentes.
De plus, si l’on prend en compte une durée de vie supérieure à celle des batteries (10 ans) et des composants optimisés (non standards), nous estimons pouvoir atteindre un coût total 10 à 40 fois inférieur à celui des batteries actuelles.
Intégré dans un mix énergétique majoritairement renouvelable, notre système de stockage génèrera un surcoût LCOES (coût actualisé de l’électricité avec stockage) de 5 à 30 €/MWh (soit +10% à +50% par rapport au coût de production des énergies renouvelables). Un mix électrique majoritairement renouvelable et capable de satisfaire le client en permanence devient alors plus économique que la plupart des technologies conventionnelles polluantes (charbon, gaz, ou combiné éolien/solaire+gaz, éolien/solaire+charbon, nucléaire+gaz, etc).
Ce coût actualisé (LCOES) peut être calculé facilement, cas par cas, en utilisant les hypothèses suivantes :
Ligne électrique sous-marine (HVDC) :
– en dessous de 50 MW : 90 k€/km + 3 k€/MW/km
– au-delà de 50 MW : 1 k€/MW/km
Durée de vie :
– Masses : 30 ans,
– Flotteurs : 20 ans,
– Composants mécaniques, électriques : 15 ans,
– Câble électrique sous-marin (HVDC) : 60 ans
Ratio MWh/MW: solaire = 6h à 16h, éolien = 12h à 72h. Une simulation au cas par cas doit être effectuée pour optimiser le compromis économique et le taux de pénétration des énergies renouvelables par rapport à un backup à faible facteur de charge (diesel ou agro carburant) et à une surproduction (notamment pour gérer la saisonnalité).
Vous souhaitez stocker de l’énergie pendant 6h? 12h? 24h? 3 jours? Pas de problème. Notre système vous offrira toujours un compromis économique optimal, entendez par là, sans générer de coûts inutiles.
Vous pouvez rédiger un cahier des charges optimisé selon vos besoins :
En effet, les composants « puissance » (combien de MW) sont indépendants des composants « énergie » (combien de MWh). Le treuil, son support et la ligne électriques sous-marine (puissance de stockage) sont totalement indépendants du nombre de masses en béton et de leur capacité flottante associée (énergie stockable). Il est même possible de faire évoluer le ratio MWh/MW (nombre d’heure de stockage) après le premier investissement en ajoutant ou en revendant des masses qui peuvent facilement être transportées par remorquage avec leur capacité flottante, depuis le port jusqu’au lieu d’implantation ou d’un lieu d’implantation à un autre.
Le système de stockage peut donc être adapté en permanence en fonction de l’évolution du mix énergétique (taux d’énergie renouvelable sur le réseau) et de l’évolution du profil horaire et annuel de consommation, qui est amené à changer avec l’évolution de l’importance de certains usages de consommation comme les voitures électriques, et le chauffage électrique.
Il est également possible d’optimiser le compromis entre le rendement énergétique (environ 80%) et le coût du treuil en fonction des besoins de chaque client. En effet, en réduisant la vitesse verticale du treuil, les pertes d’énergies peuvent être réduites. Pour maintenir une puissance donnée avec une vitesse plus faible, il faut alors utiliser des masses plus lourdes et moins nombreuses, ce qui augmente le coût du treuil.
Malgré certains coûts fixes (opérations) et autres effets d’échelle (hydrodynamique et coût de la connexion électrique sous-marine), notre technologie est économiquement viable pour des puissances de plus de 10 MW, ce qui correspond à une puissance 50 fois inférieure à celle d’une centrale à gaz à cycle combiné conventionnelle.
Néanmoins, à l’instar des centrales de production électriques conventionnelles, des tailles unitaires plus importantes permettent aussi de réduire le coût global du dispositif de stockage.
En théorie, il n’existe aucune limite de puissance. Actuellement, les grues offshores offrant la plus grande capacité de charge peuvent soulever des masses de 4.000 tonnes, ce qui, pour une vitesse verticale de 20 km/h correspondrait à une puissance de 200 MW. Plusieurs treuils sur un même site peuvent être utilisés en parallèle.
Barge, treuil, masses en béton, câbles d’ancrage, flotteurs en acier.
Tous ces éléments existent déjà et sont utilisés à échelle industrielle, depuis des dizaines d’années, dans le secteur offshore. Il suffit de les assembler différemment.
Industrialisation rapide
Notre technologie de stockage peut donc être industrialisée en moins d’un an, en sous-traitant la fabrication des composants à de nombreux chantiers navals existants.
L’installation peut être faite à moindre coût car les unités de stockage sont, par définition, pourvues d’un moyen de levage intégré, ce qui permettra une « auto-installation » des points d’ancrage, des flotteurs, des masses et des câbles.
Avant assemblage, les masses accrochées à leur flotteur respectif, pourront être remorquées jusqu’à leur lieu d’utilisation, avec des moyens de transport maritimes conventionnels.
Résistance aux tempêtes, contrôle du mouvement des masses, opérations d’accrochage/décrochage, maîtrise des coûts de maintenance et d’ancrage.
Notre technologie est déclinée en de nombreuses variantes permettant de réduire les coûts tout en facilitant son fonctionnement. Ces variantes sont regroupées dans plusieurs familles de brevets.
Voici une liste non exhaustive des variantes permettant de réduire d’avantage les coûts, d’augmenter la durée de vie du système et de faciliter les opérations de levage et d’accrochage des masses:
[1] Positionnement des flotteurs plusieurs dizaines de mètres sous la surface:
i) Les flotteurs sont la partie la plus volumineuse du système. En les stabilisant en permanence sous la surface, ils ne seront pas soumis aux forces du vent et des vagues, y compris en cas de tempête exceptionnelles. Stabilisée avec des câbles d’ancrage, une des variantes prévoit de remplir / vider les flotteurs d’air comprimé afin d’adapter en permanence leur pouvoir flottant au nombre de masses qui leur sont accrochées. Cela permet de soustraire ces volumes aux aléas météorologiques tout en réduisant considérablement, voire en supprimant, le coût des câbles d’ancrage de ces composants. La consommation d’énergie nécessaire à la compression d’air à une telle profondeur impacte de moins de 2% le rendement énergétique total du système.
ii) D’autres solutions également brevetées sont prévues pour atteindre ces mêmes objectifs, notamment l’utilisation de flotteurs accompagnant la masse lors de la descente. Dans ce cas, le flotteur va voir son volume baisser exponentiellement avec la pression/profondeur, qu’il s’agisse de structure rigides se remplissant progressivement d’eau ou d’enveloppes souples.
[2] Positionnement du treuil sur un support stabilisé plusieurs dizaines de mètres sous la surface. Ce composant peut être solidarisé ou désolidarisé du groupe de flotteurs; il peut être positionné en surface ou sous l’eau selon un principe similaire à celui décrit ci-dessus.
[3] Système de levage par câble en boucle fermée avec poulies motrices et poulies de renvoi au fond afin d’éviter les mouvements giratoires, de faciliter le contrôle de la position horizontale de la phase de dépôt/saisie des masses sur le fond marin, d’avoir un rapport couple/puissance constant (poids propre du câble), utiliser un jeu de poulie motrice plutôt qu’un tambour de treuil (plus simple et moins coûteux),…
[4] Guidage du système d’accrochage / décrochage des masses : par mini treuils, propulseurs, autre,…
[5] Système d’accrochage / décrochage : du plus simple (élingues synthétiques conventionnelles, ROV) au plus sophistiqué,…
[6] Prise en compte de l’élongation du câble sur un cycle de charge,…
[7] Prise en compte du poids propre du/des câbles de levage, …
[8] Design optimisé pour limiter les pertes par frottement hydrodynamique sur les masses et les câbles (rendement total > 80% sur un cycle complet)
[9] Prise en compte des temps morts liés aux phases d’accrochage/décrochage: barges multiples, systèmes de stockage auxiliaire, autre, …
[10] Choix des matériaux pour les masses: béton, déchets de chantier, acier, etc.
Respectueux de l’environnement, discret et résistant
Les matériaux entrant dans cette technologie sont disponibles en quantité inépuisable et sont écologiquement propres.
Implanté loin des côtes (10 à 200 km selon les cas), le système de stockage n’est pas visible et, dans sa version totalement sous-marine, ne gêne pas le trafic maritime.
Malgré une taille pouvant dépasser plusieurs centaines de mètres de long, dans sa version totalement sous-marine, le système de stockage devient indétectable et donc impossible à saboter ou à détruire avec des moyens conventionnels.
Certes, la fabrication du béton consomme de l’énergie et émet du CO2.
Néanmoins, avec des dénivelés de 4000 mètres, la quantité de béton nécessaire pour stocker chaque kWh, est très faible, soit l’équivalent d’un cube de béton de 0,06 m3 (40 cm de côté).
La plupart des autres composants (câbles, flotteurs) sont en acier, un matériau recyclable à l’infini.
Les masses peuvent également être constituées de déchets de chantier ou tout autre matériaux plus dense que l’eau et ainsi constituer un nouveau débouché pour les filières de recyclage.
De plus, contrairement à la quasi-totalité des infrastructures de production, de stockage ou de transport d’électricité conventionnelles (centrales nucléaires, à charbon, à gaz, lignes haute tension aérienne, barrages hydro électriques, stations de pompage turbinage, stations de batteries) qui peuvent constituer une cible pour tout groupe ou état hostile, notre système de stockage d’énergie ne pourrait être significativement menacé que par quelques états équipés d’une force sous-marine d’attaque.
En outre, en offrant la possibilité de gérer l’intermittence de façon économique, la part grandissante des éoliennes et des parcs photovoltaïques rendront le mix énergétique beaucoup plus difficile et coûteux à détruire, car constitué de plusieurs dizaines de milliers d’unités de production indépendantes entre elles et fonctionnant sans approvisionnement en combustible.
Au sein de SinkFloatSolutions, nous sommes ainsi confiants qu’aucun obstacle n’empêche le développement rapide et à grande échelle de mixes énergétiques économiques et renouvelables.
Prêts pour développer une solution de stockage énergétique durable et économiquement viable?
