Stockage des énergies en sous-sol

En France, la consommation de gaz naturel est de l’ordre de 500 000 gigawattheures (GWh)par an, soit l’équivalent de la production de 70 réacteurs nucléaires. On imagine volontiers ce gaz venir tout droit d’un gazoduc ou d’un méthanier, mais ce n’est pas le cas. En hiver, plus de la moitié du gaz provient des sites de stockage souterrain dans lequel le gaz naturel a été stocké au préalable pour prévoir les pics de consommation.

Valable aussi pour le fuel et le pétrole, cette pratique de stockage éprouvée depuis des décennies offre la possibilité de stocker des volumes très importants, de façon sûre et économique, avec une faible emprise au sol. Concernant le gaz naturel, un tel stockage massif est indispensable notamment pour lisser la demande sur l’année. En France, le stockage du gaz naturel est concentré sur 14 sites répartis sur le territoire et se distingue par deux types de nature : un milieu poreux ou une cavité saline (voir la figure ci-contre). 

•  Le stockage de gaz en milieu poreux est assuré dans des roches, par exemple le grès ou le calcaire, coiffées d’une couche imperméable. Il peut s’agir d’anciens gisements de gaz ou de pétrole ou bien d’aquifères comme c’est principalement le cas en France. Ces sites sont typiquement à plusieurs centaines de mètres de profondeur et s’étendent sur quelques dizaines de mètres d’épaisseur et plusieurs kilomètres carrés. On compte aujourd’hui en France dix sites de stockage de gaz naturel en aquifère, représentant une capacité de l’ordre de 120 000 GWh.
• Les cavités salines sont quant à elles creusées dans des massifs de sel gemme de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres d’épaisseur par un processus dit « de lessivage » : un puits est foré jusqu’au sel, on y injecte de l’eau douce et on soutire de la saumure. On crée ainsi des cavités mécaniquement stables où, le sel étant très imperméable, l’on peut stocker des gaz ou des liquides non aqueux, comme le pétrole.

En France, quatre sites de stockage de gaz naturel en cavités salines totalisent une cinquantaine de cavités de 50 000 à 600 000 mètres cubes et une capacité de stockage cumulée de 12 000 GWh. Ce type de stockage offre un grand potentiel pour de nouvelles formes d’énergie, non fossiles cette fois.

« ENGIE Campus, le futur siège d’ENGIE, à la Garenne-Colombes, près de Paris, sera équipé d’un système de chauffage et de climatisation adossé à un stockage d’énergie thermique en sous-sol, dans un aquifère. »

Stocker les énergies renouvelable sous forme de gaz

• Le gaz naturel peut être remplacé par du méthane non fossile - ou biogaz - que l’on produit de plus en plus. Ainsi, le projet Méthycentre installé à Angé, dans le Loir-et-Cher, consiste à produire du biométhane à partir de déchets organiques, ainsi que du méthane de synthèse par une réaction de méthanation entre du CO2 et de l’hydrogène. Le gaz est alors injecté sur le réseau à hauteur de 2 200 GWh par an (56 000 en 2030) et une partie est stockée sur le site voisin de Céré-la-Ronde.
  
  
• L’hydrogène, pur ou associé à du gaz naturel, est aussi compatible avec un stockage en cavités salines. C’est d’ailleurs le cas depuis les années 1970 au Royaume-Uni et 1980 aux États-Unis. En France, le projet Hypster (pour Hydrogen pilot storage for large ecosystem replication) lancé en 2020 prévoit de tester le stockage d’hydrogène vert en cavité saline jusqu’à 44 tonnes, soit 1,8 GWh / soit  la consommation journalière de plus de 1 700 bus à hydrogène. Les aquifères semblent moins adaptés au stockage d’hydrogène, car des bactéries du sous-sol pour- raient le consommer, ce phénomène dépendant notamment de la chimie des eaux et de la nature des roches-réservoirs.  Ce gaz contenant moins d’énergie par volume (c’est l’inverse en masse) aux pressions de stockage usuelles, la conversion de toutes les cavités salines de France correspondrait à 3 500 GWh.
  
  
• Dans les batteries à flux, deux liquides de compositions en ions – ou électrolytes – distinctes circulent à l’intérieur de cellules électrochimiques où des échanges d’électrons entre les deux composés produisent de l’électricité. En France et en Allemagne, des études s’intéressent à des batteries à flux, adossées à des stockages géants d’électrolytes organiques en cavités salines. De nombreux verrous restent à lever, en particulier la compatibilité de ces composés organiques avec la saumure et les murs des cavités, néanmoins, une première batterie de 0,7 GWh devrait être opérationnelle en Allemagne en 2023. L’ensemble des cavités salines de France dédiées à cet usage stockerait de l’ordre de 60 GWh. Ce serait de 40 à 130 GWh avec de l’air comprimé (on parle de Compressed air energy storage, ou CAES), qui entraînerait une turbine en sortant d’un tel réservoir.

Enfin, ce serait de l’ordre de 15 GWh en stockant de l’électricité dans une Station de transfert d’énergie par pompage (STEP). Le principe est de stocker de l’électricité à la façon d’un barrage : de l’eau mise en réserve en hauteur (elle a été au préalable pompée) actionne des turbines quand elle rejoint un réservoir situé plus bas, ici dans le sous-sol.

Stockage de chaleur en profondeur

Plutôt que de stocker des gaz ou des liquides, pourrait-on stocker de la chaleur ? C’est le sens de l’idée d’UTES (pour Underground thermal energy storage). De tels systèmes participeraient au chauffage et à la climatisation d’une maison particulière jusqu’à plusieurs bâtiments.

Dans le cas des ATES (A pour Aquifer), une boucle d’eau est ouverte sur un aquifère situé de 40 à 300 mètres de profondeur : en hiver, l’eau chaude est soutirée de l’aquifère grâce à une pompe à chaleur, puis, une fois refroidie, réinjectée au niveau de puits « froids ». Un circuit inversé assure la climatisation. Ce type de stockage est déjà largement déployé aux Pays-Bas et en Suède, mais l’est encore peu en France.

Avec des BTES (B pour Borehole), les échanges thermiques se font au sein d’une boucle fermée par le biais de sondes géothermiques forées au sein de niveaux géologiques qui ne sont pas aquifères.

En fin de compte, à court terme, les cavités salines apparaissent comme une solution pertinente pour stocker des énergies renouvelables. Elles sont actuellement testées, à différents degrés de maturité, pour le stockage de méthane de synthèse, d’hydrogène, d’air comprimé, ou dans des dispositifs de batteries à flux. À plus long terme, le stockage en milieu poreux serait lui aussi sollicité, sous réserve de lever certaines interrogations techniques et environnementales.

Pour assurer la transition énergétique et en particulier pallier le problème de l’intermittence des énergies renouvelables, le stockage semble indispensable. Qu’il soit souterrain, c’est-à-dire invisible, est assurément un atout.

Pour en savoir plus sur le stockage d'énergie : consultez la chaîne YouTube de Storengy