Stockage de l’énergie renouvelable : La révolution des batteries thermiques à base de roche Bien que des avancées significatives aient été réalisées dans le domaine de la production d’énergie renouvelable, nous cherchons toujours une méthode flexible et évolutive pour le stockage de cette énergie, surtout pour l’énergie solaire et éolienne dont la disponibilité varie fortement selon les conditions météorologiques et la lumière du jour.
L’énergie renouvelable joue un rôle central dans les stratégies de décarbonation de nombreux pays, qui aspirent à atteindre zéro émission de carbone d’ici 2050. Pour cela, l’utilisation d’énergies propres doit être triplée afin de réaliser les objectifs ambitieux visant à réduire le réchauffement climatique et à contrer ses effets néfastes.
Malgré la popularité des technologies d’énergie renouvelable et la baisse de leur coût, un problème fondamental persiste : assurer leur disponibilité à tout moment, jour et nuit, toute l’année, notamment quand le vent ne souffle pas ou lorsque le soleil n’offre pas suffisamment de lumière, ou encore lorsque le niveau de l’eau dans les barrages hydroélectriques est bas. Le stockage de l’énergie électrique produite à partir de ressources renouvelables repose principalement sur de grandes batteries chimiques fabriquées essentiellement à partir de lithium.
Cependant, le coût élevé de ces batteries, l’impact environnemental potentiel tout au long de leur cycle de vie, de la fabrication à la mise au rebut, et les difficultés de recyclage, poussent de nombreuses entreprises innovantes à chercher des moyens alternatifs de stockage pour l’énergie issue de sources propres, tout en permettant sa réutilisation pour produire de l’électricité en cas de besoin. 
Les batteries au lithium contiennent des produits chimiques tels que le manganèse, le cobalt et le nickel, qui sont nocifs pour l’environnement (Reuters).
L’impact environnemental des batteries au lithium
Les batteries au lithium offrent plusieurs avantages pouvant contribuer à l’atteinte des objectifs de durabilité, particulièrement en termes d’efficacité énergétique. Elles peuvent stocker l’énergie issue de ressources renouvelables telles que le solaire, l’éolien, les marées, les biocarburants et l’hydroélectricité pour de longues durées. Toutefois, les métaux utilisés dans leur fabrication, comme le lithium, le cobalt et le nickel, posent des défis environnementaux. Les processus d’extraction de ces métaux peuvent être extrêmement nuisibles à l’environnement et aux communautés locales. Le secteur minier consomme d’importantes quantités d’énergie et génère des émissions de gaz à effet de serre.
L’extraction de ces matières premières cause aussi la dégradation des sols, utilise de grandes quantités d’eau et entraîne la perte de biodiversité en raison de la déforestation et de l’abattage d’arbres sur les sites miniers, nuisant aux écosystèmes. De plus, lorsqu’elles ne sont pas manipulées correctement, les batteries au lithium, qui contiennent des substances chimiques telles que le manganèse, le cobalt et le nickel, peuvent polluer les réserves d’eau. Ces batteries deviennent ensuite des déchets électroniques, qui se retrouvent souvent dans les décharges ou sont démantelées ou brûlées de manière dangereuse dans le but de récupérer des composants précieux, ce qui présente des risques supplémentaires pour la santé humaine et les écosystèmes.
Quelles sont les alternatives aux batteries chimiques ?
Le stockage thermique de l’énergie est une alternative économique qui accumule l’énergie sous forme de chaleur dans des matériaux liquides ou solides, comme l’eau, les huiles ou les roches. Parmi les méthodes en cours de test, certaines reposent sur le stockage de la chaleur générée par les sources d’énergie renouvelable en chauffant des blocs de pierre, de brique ou de cendre volcanique pendant les pics de production, pour ensuite les utiliser en dehors de ces périodes afin d’alimenter des pompes thermiques capables de produire de l’électricité à moindre coût.
Alors que le terme « batterie » se réfère généralement au type chimique que l’on trouve dans les voitures et les appareils électroniques, les systèmes de stockage à base de roches chaudes stockent actuellement dix fois plus d’énergie que toutes les batteries lithium-ion dans le monde. Ces systèmes tirent profit d’une idée vieille du XIXe siècle connue sous le nom de « poêle Cowper », utilisé pour absorber la chaleur perdue des fours des usines de fusion et de coulée. Une fois les briques chauffées à environ 1500 degrés Celsius, cette chaleur est utilisée pour élever la température de l’air à 1200 degrés Celsius, puis cet air chaud est injecté au fond du four pour profiter de son énergie thermique pour la fusion du fer brut.
Selon une étude publiée dans le journal ACS Omega, certains échantillons de pierre ollaire et de granite en Tanzanie sont parfaitement adaptés pour stocker la chaleur du soleil, présentant une densité énergétique élevée et une stabilité à des températures élevées. Le granite et la pierre ollaire étant présents partout dans le monde, ils pourraient devenir des matériaux de prédilection pour le stockage thermique de l’énergie. 
L’usage de graviers naturels pour stocker l’énergie thermique de sources intermittentes comme le solaire et l’éolien (Laboratoires nationaux de Sandia).
Des expériences réussies
Plusieurs entreprises développent actuellement des systèmes de batteries qui emploient des roches courantes pouvant être intégrées directement aux systèmes de production d’énergie renouvelable tels que l’éolien ou le solaire. En Californie, par exemple, la batterie thermique de Rondo utilise des éléments chauffants électriques (comme ceux d’un four) pour convertir l’énergie propre disponible en chaleur intense.
Lorsque l’énergie est disponible, les éléments chauffants émettent une lumière infrared et chauffent des milliers de tonnes de brique à des températures pouvant atteindre 1500 degrés Celsius, stockant ainsi l’énergie pendant des heures ou des jours avec une perte très faible (moins de 1% par jour). Lorsqu’il faut générer de l’énergie, l’air circule à travers le tas de briques et se réchauffe à plus de 1000 degrés Celsius. Cet air chaud est alors utilisé pour faire bouillir des liquides et produire de la vapeur qui entraîne les turbines des génératrices, créant ainsi de l’électricité.
À travers son projet pilote en Californie, Antora Energy, soutenue par Bill Gates, prévoit de lancer cette technologie sur le marché dès 2025. Le système thermique d’Antora conserve l’électricité sous forme de chaleur dans une boîte isolée remplie de piles de graphite, qui peut ensuite libérer continuellement cette chaleur sous forme de rayonnement pendant 50 heures, pouvant être utilisée, par exemple, pour chauffer des fours à ciment. Laboratoires nationaux de Sandia collaborent avec CSolPower, basée au Nouveau-Mexique, pour rechercher et développer l’utilisation de graviers naturels comme moyen de stocker l’énergie thermique de sources intermittentes comme le solaire et l’éolien.
Sandia a conçu un projet pilote de 100 kilowatts-heure et a testé un lit de roche en le chargeant avec de l’air chaud à plus de 500 degrés Celsius, maintenant cette température pendant jusqu’à 20 heures. La décharge du système s’est déroulée avec succès, et Sandia rapporte que les performances du système étaient conformes aux modèles et prévisions. L’entreprise cherche à rendre le produit largement disponible, mais elle va tout d’abord développer des versions plus petites pour que de nombreux projets de serres dans le nord du Nouveau-Mexique puissent bénéficier de la technologie.
Une batterie de sable et une autre en basalte
Dans une localité reculée au sud-ouest de la Finlande, Polar Night Energy a testé la première « batterie de sable » au monde, une installation de stockage thermique pouvant stocker de l’énergie propre pendant plusieurs mois à la fois. Le réservoir de stockage technique utilise principalement l’électricité bon marché du solaire et de l’éolien pour chauffer le sable, qui stocke ensuite la chaleur à environ 500 degrés Celsius. Cette chaleur peut être utilisée pour chauffer des bâtiments locaux pendant les mois d’hiver, lorsque l’énergie est la plus chère.
Une entreprise néerlandaise a également développé une batterie en basalte capable de stocker de grandes quantités d’électricité générée par des panneaux solaires et des éoliennes. Le basalte absorbe facilement la chaleur et le système fonctionne en dirigeant l’électricité produite de manière durable à travers des tuyaux métalliques qui chauffent le basalte dans un conteneur métallique isolé avec une couche d’un mètre d’épaisseur de laine de roche. Grâce à cette isolation, la chaleur peut être stockée pendant plusieurs mois, voire des années, et être utilisée pour chauffer des maisons. Tous les matériaux peuvent être facilement recyclés.