Transformer les mines abandonnées en batteries à gravité pour stocker les énergies renouvelables

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| Martin Brechtl/Unsplash/CC
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Alors que le monde produit de plus en plus d’électricité à partir de sources d’énergies renouvelables intermittentes, il existe un besoin croissant de technologies capables de capter et de stocker l’énergie pendant les périodes de faible demande et de la restituer rapidement en cas de besoin. Aujourd’hui, des scientifiques proposent une solution de stockage d’énergie à long terme basée sur l’Underground Gravity Energy Storage, une méthode qui consiste à transformer les mines désaffectées en batteries à gravité. Une solution à la crise énergétique et climatique, alors qu’une mine de charbon titanesque s’agrandit encore en Allemagne, menaçant la forêt à proximité.

Les transitions énergétiques à faible émission de carbone qui se déroulent dans le monde sont principalement motivées par l’intégration de sources d’énergie renouvelable telles que l’éolien et le solaire. Néanmoins, ces sources renouvelables sont variables et intermittentes. Elles produisent efficacement de l’énergie lorsque le soleil brille ou que le vent souffle, mais quand la luminosité devient trop faible par exemple, la production est grandement limitée, voire stoppée.

Actuellement, la réponse est alors d’augmenter la production d’électricité conventionnelle, afin d’alimenter le réseau en brûlant des combustibles fossiles lorsque la demande énergétique augmente. La transition énergétique et les énergies renouvelables nécessitent donc de meilleures solutions de stockage pour répondre de manière fiable à la demande d’énergie à différentes échelles de temps.

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Pour nombre d’experts, la demande croissante d‘énergie supposera la création de batteries au lithium (et d’autres types de batteries à terres rares) de plus en plus grandes. Mais à long terme, l’épuisement des ressources et l’impact environnemental de leurs extractions ne sont pas soutenables. D’autres promeuvent la révolution de l’hydrogène vert, alors son efficacité est limitée. Enfin, certains abandonnent totalement la chimie et se tournent vers une énergie illimitée et disponible partout, pour tous, celle issue de la gravité.

C’est ainsi que récemment, une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’IIASA (Institut international pour l’analyse des systèmes appliqués) en Autriche a développé une nouvelle façon de stocker l’énergie, en transportant du sable dans des mines souterraines abandonnées. La nouvelle technique, appelée Underground Gravity Energy Storage (UGES), propose une solution efficace de stockage d’énergie à long terme tout en utilisant des sites miniers aujourd’hui disparus, se comptant par millions dans le monde.  Leurs travaux sont publiés dans la revue Energies.

Une batterie à gravité utilisant du sable

Il faut savoir que la batterie à gravité repose sur un principe simple mis en évidence par Newton : la gravité, tout ce qui monte doit redescendre. Concrètement, une telle batterie permet de lever une charge conséquente lorsque le réseau produit de l’énergie en surplus (journée très ensoleillée et demande faible par exemple). Lorsque la demande sur le réseau électrique augmente, la batterie injecte l’énergie stockée en faisant retomber la charge (par gravité), l’alternateur associé transformant cette énergie en électricité, injectée dans le réseau.

L’une des utilisations de ce principe se retrouve dans le système hydroélectrique pompé. Dans cette configuration, l’eau est libérée d’une altitude élevée, générant de l’électricité en faisant tourner des turbines lorsqu’elle s’écoule vers le bas. Lorsque l’énergie excédentaire est disponible, cette eau est pompée vers le point de départ.

Dans la présente étude, la charge utilisée par l’UGES est le sable et la configuration celle des mines abandonnées. Le sable y est descendu pour générer de l’énergie quand la demande est forte, puis il est remonté (comme le minerai) lorsque l’énergie est excédentaire dans le réseau.

L’avantage ici, par rapport aux batteries chimiques, est que le taux d’autodécharge est nul. En d’autres termes, il n’y a aucune perte d’énergie le long du processus, à l’inverse des batteries conventionnelles, qui se déchargent naturellement. De plus, l’utilisation de sable comme support de stockage atténue tout risque de contamination des ressources d’eau souterraine par opposition à une alternative souterraine de stockage hydroélectrique pompé.

Du « upcycling » énergétique et économique : des mines abandonnées réutilisées

Comme mentionné précédemment, UGES est une technologie de stockage d’énergie gravitationnelle qui consiste à remplir une mine souterraine de sable pour produire de l’électricité lorsque le réseau en a besoin, puis à retirer le sable de la mine pour stocker de l’énergie lorsque l’électricité est excédentaire (et bon marché).

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Principe de fonctionnement de l’usine UGES. © J. Hunter et al., 2023

Les principaux composants de l’UGES sont le puits, les moteurs/générateurs, les sites de stockage supérieurs et inférieurs et l’équipement minier.

Julian Hunt, chercheur au sein du programme IIASA Energy, Climate, and Environment et auteur principal de l’étude, déclare dans un communiqué : « Les mines disposent déjà de l’infrastructure de base et sont connectées au réseau électrique, ce qui réduit considérablement les coûts et facilite la mise en œuvre des centrales UGES ».

Il faut savoir que le nombre de mines fermées ou abandonnées est difficile à estimer, mais il est susceptible d’être de l’ordre de millions de sites dans le monde. Sans compter que les anciennes mines, les mines exceptionnellement petites et celles situées loin des centres de population, sont rarement documentées, et certaines mines abandonnées ne sont découvertes qu’en cas d’accident. De plus, l’utilisation de certaines d’entre elles peut également permettre de stopper leur impact écologique, en les dépolluant avant leur nouvelle exploitation.

Julian Hunt souligne : « Quand une mine ferme, elle licencie des milliers de travailleurs. Cela dévaste les communautés qui dépendent uniquement de la mine pour leur production économique. L’UGES créerait quelques postes vacants, car la mine fournirait des services de stockage d’énergie après l’arrêt de ses activités ».

Techniquement, l’intérêt de ces mines est que le puits UGES a des profondeurs et des diamètres variables. Plus le puits de la mine est profond et large, plus la puissance extraite de la centrale est importante. De surcroit, plus le volume dans la mine est important, plus la capacité de stockage d’énergie de l’usine est élevée.

Les auteurs expliquent que pour maximiser la capacité de puissance, les conteneurs de sable dans le puits occupent environ 50% du volume. Les 50 autres % d’espace sont nécessaires pour remplir et vider les conteneurs de sable. Pour réduire les coûts et le nombre de câbles supportant les conteneurs et les efforts exercés sur les moteurs/générateurs, ils suggèrent plusieurs moteurs/générateurs tout au long du puits.

Il faut préciser que les conteneurs sont indépendants, c’est-à-dire que chaque module peut être mis en service ou retiré indépendamment (pour compléter le chargement et le déchargement), garantissant que le système ne s’arrête pas en raison de la mise en place ou du retrait des supports. Outre l’autonomie, le conteneur doit permettre le chargement et le déchargement rapide du sable. Ainsi, la mise en place de stations de chargement, « qui peuvent s’apparenter à des stations de remontées mécaniques » selon les auteurs, est proposée.

stockage destockage sable
Agencement proposé du site de stockage supérieur d’une usine UGES conçu pour stocker le plus de sable possible sur la surface entourant le puits minier afin de minimiser l’énergie nécessaire pour stocker le sable en surface. (a) Stockage circulaire de sable autour du puits de la mine. (b) et (c) configuration de l’usine chargée et déchargée. © J. Hunter et al., 2023

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Les coûts d’investissement de l’UGES sont d’environ 1 à 10 dollars américains par kWh, et les coûts de capacité électrique de 2000 dollars américains par kW. On estime que la technologie a un potentiel mondial de 7 à 70 TWh, la majeure partie de ce potentiel étant concentrée en Chine, en Inde, en Russie et aux États-Unis.

Behnam Zakeri, co-auteur de l’étude et chercheur au sein du programme IIASA Energy, Climate, and Environment, conclut : « Pour décarboner l’économie, nous devons repenser le système énergétique en nous basant sur des solutions innovantes utilisant les ressources existantes. Transformer les mines abandonnées en stockage d’énergie est un exemple des nombreuses solutions qui existent autour de nous, et nous n’avons qu’à changer la façon dont nous les déployons ».

Cette étude fait écho à l’actualité, avec la « découverte » de l’agrandissement d’une mine gigantesque de lignite (la forme de charbon la plus polluante) en Allemagne, après l’expropriation de tout un village. À l’heure de la transition énergétique, l’ouverture de nouvelles mines reste un fléau mondial et une hérésie pour le climat.

Source : Energies

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