Pierrick Bouffaron

 Stockage électrochimique de l'énergie : régulation, BATT, CalCharge et Tesla Motors

23/05/2014

Faciliter l'intégration des énergies renouvelables sur le réseau et mieux gérer les pointes de consommation électrique en effectuant du report de charge : voici les deux bénéfices majeurs soulignés par le département de l'énergie américain justifiant l'intégration accélérée de technologies de stockage distribué sur le réseau électrique national [1]. La Californie, le Texas ou l'état de Washington se sont rapidement fait l'écho des autorités fédérales enproposant des cadres locaux de développement du stockage distribué. Au­delà de ces applications propres à la distribution d'électricité, et si l'on regarde du côté de l'électronique grand public et des véhicules électriques et hybrides, les défis liés à la maturité technologique et la rentabilité économique du stockage d'énergie sont toujours d'actualité. Conscients que le chemin est encore long avant d'assurer la compétitivité du stockage électrochimique aux Etats­Unis, les autorités publiques, les industriels et les acteurs de la société civile multiplient les initiatives de soutien à la filière. Rapide tour d'horizon de la régulation actuelle et des programmes en cours.

Les défis liés à la maturité technologique et la rentabilité économique du stockage d'énergie sont toujours d'actualité aux Etats­Unis
Crédits : Berkeley Lab ­ Roy Kaltschmidt

Régulation et éducation : le stockage distribué au coeur de la transition énergétique

Au niveau fédéral, des avancées notables ont été faites ces dernières années sur l'intégration du stockage d'énergie réseau. En 2011, le gouvernement fédéral américain entérine le décret 755 (Order #755) voté par la commission de régulation de l'énergie (Federal Energy Regulatory Commission ou FERC). Pour la première fois, le décret 755 accorde aux technologies de stockage d'énergie instantanément mobilisables (les batteries électrochimiques et les volants d'inertie par exemple) une meilleure rémunération lorsqu'elles font partie des réserves dites primaires, c'est­à­dire les premières réserves de puissance appelées pour maintenir la fréquence électrique sur le réseau. Les technologies sont alors engagées sur les marchés de services auxiliaires et de réserve, comme le PJM sur la côte Est américaine ou le CAISO en Californie. En 2013, la FERC introduit un nouveau décret (Order #784) afin de renforcer la transparence sur ces marchés de services auxiliaires, facilitant la mise en compétition des technologies de stockage face aux centrales traditionnelles à combustible fossile. En parallèle, et du côté du sénat américain, les sénateurs Wyden et Collins portent depuis 2013 une proposition de loi devant le Congrès intitulée STORAGE Act [2] : la mesure vise à pousser le développement simultané d'énergies renouvelables (PV, éolien) et de capacités de stockage afin d'assurer la stabilité du réseau, les projets répondant aux critères bénéficiant alors de substantiels crédits d'impôts.

Au niveau des états, le processus d'intégration de technologies de stockage réseau s'est aussi accéléré. Résultant d'un travail de fond engagé depuis bientôt cinq ans, le régulateur californien a voté en 2013 une loi phare connue sous le nom d'AB2514 : le texte impose que les trois principaux énergéticiens locaux ­ PG&E, SDG&E et SC&E ­ raccordent au réseau une capacité agrégée de stockage d'1,325 GW d'ici 2020 (à noter que les pompes hydrauliques dont la puissance dépasse 50 MW ne sont pas éligibles) [3]. Le régulateur fixe à chacun des trois électriciens des objectifs biannuels (le taux annuel moyen de croissance étant de 30%). Les énergéticiens concernés n'ont pas accueilli d'un bon oeil cette directive jugée trop ambitieuse. En particulier, la loi précise la puissance totale à installer mais également la localisation des unités de stockage sur le réseau (transport, distribution et chez les clients, c'est­à­dire en aval compteur). C'est notamment ce dernier choix que les énergéticiens contestent car les retours d'expérience sont encore insuffisants pour valider la viabilité économique et technique du stockage résidentiel.

Au niveau institutionnel et des lobbys, un exemple judicieux est celui de l'EPRI (Electric Power Research Institute) [4] qui contribue fortement à la dynamique américaine sur le stockage d'énergie. L'EPRI est un centre de R&D cofinancé et partagé par la plupart des énergéticiens américains (accueillant également quelques membres internationaux comme EDF R&D). Au­delà d'outils spécifiques tel un récent tableur d'évaluation économique du stockage (intitulé ESVT pour Energy Storage Valuation Tool) développé à la demande du régulateur californien, l'EPRI est présent à de multiples niveaux, y compris politique. L'une des priorités affichées est de faire émerger des technologies de stockage réseau commercialisables à grande échelle d'ici 2020. Dans cette optique, le consortium ESIC (Energy Storage Integration Council) [5] a été créé en 2013 afin de rassembler industriels, vendeurs d'équipements et énergéticiens : au programme notamment, la mise en place de standards communs afin de favoriser l'interopérabilité des technologies.

Enfin, au niveau éducatif, les initiatives se succèdent afin de former la prochaine génération de décideurs et d'ingénieurs spécialistes du stockage d'énergie. Nous avions choisi l'année dernière d'illustrer ces nouveaux cursus avec l'exemple de la "Battery University" inaugurée l'année dernière à l'Université de San Jose [6­7]. La première classe d'une cinquantaine d'étudiants est rentrée en septembre 2013, les professeurs s'attachant à dresser un panorama exhaustif des technologies actuelles de stockage d'énergie et de leurs marchés à travers le monde. Les cours sont destinés aux professionnels et aux étudiants de niveau master ou PhD.

Les aspects propres à la recherche : que devient le programme BATT du Berkeley Lab ?

Le groupe de recherche BATT (Batteries for Advanced Transportation Technologies) [8], piloté par le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) [9] et financé par le département de l'énergie américain, compte plusieurs dizaines de chercheurs répartis à travers les Etats­Unis, mais dont le plus gros contingent est à Berkeley. Depuis sa création, le BATT se focalise en particulier sur six thématiques dans le secteur des batteries Lithium­ion destinées notamment aux véhicules électriques et hybrides : l'anode, la cathode, l'électrolyte, la modélisation, l'analyse des cellules et les diagnostics. Plusieurs bulletins électroniques ont été écrits par le passé grâce aux retours de Venkat Srinivasan et Michel Fouré, tous les deux à la tête du programme [10]. Les équipes du BATT ont continué de croître, et les résultats scientifiques obtenus sont présentés de manière régulière (a minima tous les trimestres) et disponibles sur le site internet du programme [8].

A l'époque, Venkat Srinivasan soulignait déjà la difficulté pour une startup spécialisée dans les batteries d'assurer son développement. La plupart des startups californiennes dans le secteur du stockage électrochimique (beaucoup de spinoffs issues de laboratoires) se financent grâce aux aides gouvernementales et au capital- risque. Ce système est pourtant relativement fermé : les capital risqueurs observent généralement de près les décisions fédérales, et ont tendance à les suivre. Cet effet d'entraînement a un double impact : d'une part les entreprises qui ne reçoivent pas de fonds publics ont d'extrêmes difficultés à se financer auprès des investisseurs privés, et courent rapidement à leur perte. D'autre part, les sommes nécessaires sont tellement importantes qu'il est pratiquement impossible aujourd'hui de concurrencer les entreprises phares du secteur. Afin de lutter contre cette tendance, favoriser l'innovation et le soutien mutuel entre les acteurs du stockage d'énergie et d'aider intrinsèquement l'écosystème local des startups présentes dans la région, BATT est fortement impliqué dans l'initiative CalCharge [11].

Les travaux sur les batteries électrochimiques se poursuivent au Berkeley Lab
Crédits : Berkeley Lab ­ Roy Kaltschmidt

Transfert de technologie et compétitivité : l'initiative CalCharge

Nous avions introduit l'incubateur CalCharge dans les lignes du Bulletin Electronique mi­2012 avec l'annonce de sa création par le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) et le California Clean Energy Fund (CalCEF). CalCharge est un consortium rassemblant les institutions de recherche, entreprises et startups californiennes travaillant sur le développement de batteries destinées à l'électronique grand public, les véhicules électriques et hybrides et le réseau électrique. L'ambition affichée est de créer un écosystème du "stockage électrochimique" local chargé de stimuler le développement des technologies de demain en matière de batteries (lithium­ion, à circulation, sodium­souffre, etc.), d'accélérer leur passage à l'échelon industriel et d'assurer leur compétitivité sur les différents marchés face aux autres technologies. Au cours du Clean Energy Manufacturing Initiative (CEMI) Summit à San Francisco le 17 avril 2014, le sous­secrétaire d'état américain aux énergies renouvelables et à l'efficacité énergétique David Danielson a officiellement donné le coup d'envoi des premiers programmes collaboratifs mis au point par l'initiative, en soulignant la qualité des membres du réseau : Lawrence Berkeley National Lab, SLAC National Accelerator Lab, IBEW­NECA, San Jose State University, Hitachi, Volkswagen, Eaton, LG, Duracell, etc. Après deux ans d'analyse et de recherche effectuées par le LBNL et CalCEF, quatre programmes ont été mis au point : Evaluation Technologique et Accélération du Développement ; Développement Professionnel ; Soutien à la Pré­Commercialisation ; Ecosystème et Partage de Connaissance [11­-12].

Ces programmes ont pour but d'accélérer la R&D, l'intégration sur les marchés et la commercialisation des technologies de stockage grâce à de l'assistance technologique, des formations techniques et une sensibilisation aux problématiques des marchés énergétiques locaux, nationaux et internationaux. Les membres du réseau bénéficient de l'expertise des scientifiques du LBNL et des industriels engagés dans l'initiative, ainsi que des équipements de dernière génération disponibles au laboratoire national. Cela inclut notamment les équipements de test et de diagnostic des batteries difficilement accessibles aux jeunes projets (startups, équipes de R&D industrielles), principalement pour des raisons pécuniaires. Au­delà de la participation financière requise pour faire partie de l'initiative (typiquement entre 10.000 et 50.000 dollars selon le type de structure et le niveau de services recherché), CalCharge repose sur un modèle de partenariat public­privé basé sur des accords CRADA (pour Cooperative Research and Development Agreement) permettant à la société impliquée de déposer des brevets et de les exploiter tout en effectuant des recherches en coopération avec un laboratoire public, ce dernier gardant une licence de ce brevet.

Tesla Motors souhaite ouvrir une méga­usine de production

Pour conclure ce bulletin électronique, revenons sur une annonce qui a fait grand bruit fin février, celle de la construction d'une gigantesque usine de production de batteries Lithium­ion par Tesla Motors, selon toute vraisemblance sur la côte Ouest américaine. Dirigée par le serial entrepreneur Elon Musk, également fondateur de PayPal et SpaceX, Tesla Motors a connu une année 2013 pleine de succès. Ventes record de sa berline électrique (le fameux modèle S), action en hausse de 400% pour une capitalisation boursière de 30 milliards de dollars (quatre fois celle de Peugeot !), le constructeur automobile californien est en passe de gagner son pari du véhicule tout électrique. Début 2014, le groupe a annoncé un investissement de plus de 4 milliards de dollars dans une "méga­usine" de batteries électrochimiques Lithium­ion [13­14]. Opérationnelle en 2017, cette usine devrait produire 500,000 batteries par an. Si ces dernières sont d'abord destinées aux véhicules, Tesla ambitionne de s'attaquer au marché californien du stockage réseau, en témoignent ses récents partenariats avec l'un des numéros 1 du solaire local : SolarCity. Annonçant pouvoir faire diminuer le coût des batteries Lithium­ion de plus de 30%, le constructeur automobile sera sans nul doute l'un des acteurs clés du stockage américain dans les prochaines années.

Ce n'est pas anodin, car c'est avec l'entrée en scène d'acteurs disruptifs comme Tesla qu'une industrie toute entière peut être sujet à un formidable coup d'accélérateur. Réponse dans les prochains mois.

Sources :

­ [1] U.S. Department of Energy, Grid Energy Storage. Working Paper, December 2013. Disponible sur : http://1.usa.gov/1jbvgIi
­ [2] North American Wind Power. Senators Introduce STORAGE Act To Encourage Renewables. 24 mai 2013.
Disponible sur : http://bit.ly/1piMQ0e
­ [3] PR Newswire Service. California Adopts Historic Energy Storage Targets. 17 octobre 2013. Disponible sur :http://prn.to/RynLzM
­ [4] Site de l'EPRI : http://www.epri.com/Pages/Default.aspx
­ [5] Plus d'informations sur l'Energy Storage Integration Council (ESIC) : http://bit.ly/1r7vUp8
­ [6] National Journal. California Launches First 'Battery University' to Push Energy Storage Technology. 24 avril 2013. Disponible sur : http://bit.ly/1piOezM
­ [7] BE Etats­Unis 321 (22/02/2013). Solar as a Service, solar crowdfunding et Battery University : les cleantechs n'ont pas dit leur dernier mot en Californie. Disponible sur : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/72337.htm
­ [8] Site internet du programme BATT : http://batt.lbl.gov/
­ [9] Site internet du laboratoire national LBNL : http://www.lbl.gov
­ [10] BE Etats­Unis 223 (22/10/2012). BATT, un ambitieux programme de recherche sur les batteries du futur. Disponible sur : http://www.bulletins­electroniques.com/actualites/64872.htm
­ [11] BE Etats­Unis 293 (06/08/2012). CalCharge: l'accélérateur de création de batteries en Californie. Disponible sur : http://www.bulletins­electroniques.com/actualites/70226.htm
­ [12] Site internet de CalCharge : http://www.calcharge.org/
­ [13] Hannah Elliott. Tesla Will Build Huge New 'Gigafactory'. Forbes, 26 février 2014. Disponible sur : http://onforb.es/1dB9yFX
­ [14] Présentation Tesla Giga Factory : http://bit.ly/1dANXNY