Les Systèmes de Stockage D'Énergie: Euille de Oute Tratégique
Les Systèmes de Stockage D'Énergie: Euille de Oute Tratégique
Les Systèmes de Stockage D'Énergie: Euille de Oute Tratégique
Sommaire
> 1. Contexte et enjeux 4
Les membres du groupe d’experts ont été appuyés par un secrétariat technique composé de Stéphane Biscaglia, Michel Gioria et
Nicolas Tonnet de l’ADEME.
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Préambule
Depuis 2010, l’ADEME gère quatre programmes dans le cadre des Investissements d’avenir1. Des groupes d’experts issus de la
recherche dans les secteurs de l’industrie, des organismes de recherche et des agences de financement et de programmation de la
recherche, sont chargés, dans le cadre d’un travail collectif, de la réalisation de feuilles de route stratégiques.
Celles-ci sont utilisées pour lancer les Appels à manifestations d’intérêt (AMI).
Ces priorités de recherche et d’expérimentation proviennent du croisement entre les visions et les verrous, mais prennent également
en compte les capacités françaises dans les domaines de la recherche et de l’industrie. Les feuilles de route peuvent également
faire référence à des expérimentations exemplaires à l’étranger et faire des recommandations en matière de politique industrielle.
1 - Les Investissements d’avenir s’inscrivent dans la continuité des orientations du Fonds démonstrateurs de recherche géré par l’ADEME. Les quatre programmes
concernés sont : Energie renouvelable, décarbonée et chimie verte (1,35 milliard d’euros), Véhicules du futur (1 milliard d’euros), Réseaux électriques intelligents
(250 millions d’euros) et Economie circulaire (250 millions d’euros).
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Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
> 1. Contexte et enjeux Cette dynamique s’explique par cinq éléments principaux :
• des objectifs ambitieux aux niveaux français, européen
et mondial en matière de pénétration des énergies
Le contexte renouvelables électriques et thermiques2 ;
Une hypothèse de base des feuilles de route animées par
• des avancées technologiques significatives dans le domaine
l’ADEME est de chercher à atteindre les objectifs du Grenelle
des matériaux et des technologies électrochimiques pour les
de l’environnement et du « facteur 4 ». Ce dernier, issu de la
batteries, de l’électronique de puissance et des technologies
loi POPE (Programme d’orientation de la politique énergétique
de l’information et de la communication ;
française) de 2005, vise à diviser par quatre les émissions
françaises de gaz à effet de serre (GES) à l’horizon 2050 par • de secteurs industriels clés engagés (notamment le secteur
rapport à leur niveau de 1990. des transports terrestres et des bâtiments) vers de nouvelles
voies technologiques – véhicules électriques et hybrides
Au-delà de ces objectifs politiques et sociétaux, cette feuille de rechargeables (encadré ci-dessous), bâtiments résidentiels et
route s’inscrit dans une dynamique propice au déploiement tertiaires à énergie positive (qui produisent, en moyenne sur
des systèmes de stockage thermique et électrique, l’année, plus d’énergie qu’ils n’en consomment) – pouvant, si
dynamique qui contribue à structurer ce secteur d’activité elles aboutissent, se traduire par des besoins significatifs en
industrielle à l’échelle mondiale. Cela se manifeste par la montée matière de systèmes de stockage3 ;
en puissance d’acteurs industriels de rang mondial, ainsi que • des règles institutionnelles qui régissent le fonctionnement
par des accords industriels entre les industries productrices des marchés énergétiques (gaz et électricité), poussant
de systèmes de stockage, les industries potentiellement notamment à rechercher une valorisation maximale de
grandes consommatrices de ces mêmes systèmes (ex : industrie l’énergie produite à un moment donné, y compris à travers le
automobile, fournisseurs d’électricité) et les organismes de recours à des systèmes de stockage ;
recherche.
• l’intégration croissante dans le mix énergétique européen
de systèmes de production d’électricité à partir d’énergies
renouvelables, imposant de renforcer la maîtrise des flux
énergétiques, afin de garantir à tout moment l’équilibre offre/
demande.
4 - On considère ici l’ensemble des actions entreprises par les pouvoirs publics
pour garantir une stabilité satisfaisante à un système économique et/ou social.
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Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
> 2. Les champs thématique et Enfin, le groupe d’experts a fait le choix d’exclure du champ de la
feuille de route :
géographique • Les systèmes de stockage inclus dans les appareils nomades
(téléphones et ordinateurs portables), leur déploiement ne
Le champ thématique permettant pas de réduire significativement les émissions
anthropiques de GES liées à la consommation/production
Cette feuille de route couvre les systèmes de stockage d’énergie
d’énergie ;
thermique (chaleur et froid) et d’énergie électrique.
• Le stockage d’énergie via les technologies hydrogène, inclus
Afin de permettre une comparaison entre les différentes dans une autre feuille de route : « L’hydrogène énergie et les
solutions pouvant intégrer une ou plusieurs étapes de piles à combustible ».
conversion, le périmètre d’un système de stockage est défini
comme l’ensemble des dispositifs et procédés permettant Le champ géographique et l’horizon
d’absorber et de restituer un flux d’énergie de même nature
(chaleur/chaleur, électricité/électricité). temporel
Le champ géographique :
Pour le stockage de l’énergie électrique, on différenciera les La perspective étudiée est celle d’un déploiement de la filière
systèmes stationnaires des systèmes embarqués (encadré ci- à l’international et du positionnement des acteurs français sur
dessous). le marché mondial. Néanmoins, lorsque cela sera pertinent,
des dimensions locales, nationales et européennes seront
considérées afin :
Stationnaire ou embarqué • de prendre en compte les spécificités locales pouvant
influencer les besoins à considérer et les technologies à
Les systèmes de stockage électrique stationnaires sont des développer (topographie et géographie, mix énergétique,
sites dédiés au stockage qui viennent en appui aux réseaux densité d’habitat, qualité des réseaux de transport et de
électriques et aux sites de production d’énergies renouvelables. distribution d’électricité, nature du parc automobile, etc...) ;
Ce sont principalement des systèmes de stockage à grande
échelle – pour des capacités installées supérieures à quelques • d’étudier le cadre économique et régulateur des différents
mégawattheures (MWh) –, de moyenne ou forte puissance (de niveaux géographiques (national ou régional) ;
100 kilowatts au gigawatt).
• d’articuler les priorités de recherche et les besoins de
démonstrateurs de recherche et préindustriels avec les
A contrario, les systèmes de stockage embarqués sont de initiatives européennes, notamment le NER5 300, le SET Plan6,
petite capacité et de faible puissance, intégrés dans un système les EERA7 et l’Alliance européenne pour l’économie d’énergie
mobile. Ils sont essentiellement utilisés dans le transport, (EASE8), créée en novembre 2010.
en particulier dans les véhicules électriques et hybrides
rechargeables.
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Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
Etats-Unis Japon
Dans le secteur du transport, le groupe de recherche Le premier programme de recherche concernant les véhicules,
fondamental Batteries for Advanced Transportation Technologies lancé en 1992, avait pour objectif le développement d’un
(BATT), piloté par le Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) pack batterie au lithium de 3 kilowattheures (kWh) ayant les
et financé par le DoE depuis 2009, compte une trentaine de spécifications suivantes :
chercheurs. Ils étudient plus particulièrement six domaines
• densité d’énergie : 140 Wh/kg,
dans les batteries : l’anode, la cathode, l’électrolyte, la
modélisation, l’analyse des cellules électrochimiques (éléments • densité de puissance : 400 W/kg,
de base d’une batterie) et les diagnostics. Pour compléter
• durée de vie : > 1 000 cycles.
cette initiative, l’administration Obama a mis en place divers
mécanismes de financements supplémentaires des programmes
de R&D académiques et industriels avec pour but de faire En 2002, un autre programme dédié aux véhicules à pile à
émerger rapidement de nouvelles technologies propres et combustible concernait les mêmes technologies au lithium
des champions dans la production de systèmes de stockage (cathode nickel, cobalt et manganèse) avec pour objectif
embarqués : d’atteindre une durée de vie supérieure à quinze ans.
• DoE Advanced Technology Vehicles Manufacturing Program :
25 milliards de dollars (17,5 Md€) de prêts indirects, Un troisième programme « Batteries hautes performances pour
véhicules de nouvelle génération » a débuté en 2007 pour
• DoE Electric Vehicle Battery and Component Manufacturing s’achever en 2011. Il concerne également les batteries au lithium
Initiative : 2,4 Md$ (1,7 Md€) de prêt (dont 1,2 Md$ pour les avec les objectifs suivants :
usines de fabrication de batteries),
• densité d’énergie : 100 Wh/kg,
• DoE Loan guarantee program,
• densité de puissance : 2 000 W/kg,
• ARPA-E Funding : l’objectif est de financer des travaux
complexes à haut risque avec un fort retour sur investissement. • durée de vie : > 10 ans,
Une partie des fonds alloués a bénéficié au programme Battery • coût 2015 : 360 €/kWh.
for Electrical Storage in Transportation.
En 2009, a été lancé le programme Rising (R&D Initiative for
L’originalité de certains financements réside dans les Scientific Innovation on Next-génération Batteries). Doté d’un
partenariats uniques entre les universités, les start-up et les budget annuel de 30 milliards de yens (260 M€) jusqu’en 2015, il
industriels. vise, outre l’amélioration du fonctionnement et de la fiabilité des
batteries au lithium, les objectifs ambitieux suivants :
Par ailleurs, le New York Battery and Energy Storage Technology • densité d’énergie : 300 Wh/kg,
Consortium (NY-BEST), coalition très axée sur l’industrie, s’est
fixé pour objectif de favoriser le développement du secteur du • densité de puissance : 500 W/kg,
stockage de l’énergie et la fabrication d’une batterie de pointe • durée de vie : > 10 ans,
dans l’Etat de New York. Dans ce cadre, le New York State Energy
Research and Development Authority (NYSERDA) a accordé, • coût 2015 : 360 €/kWh.
courant 2010, 11,5 M$ (8 M€) d’aide sur cette thématique.
Pour se donner les moyens d’atteindre ces objectifs, en 2010,
le NEDO a débuté un programme intitulé « Recherche et
développement en vue d’une combinaison efficace de systèmes
de stockage d’énergie ». Dans ce cadre, un centre de recherche
d’excellence sur les batteries a été créé à Tokyo : le I-BARD
(Innovative Battery Research and Development Center).
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Chine Union Européenne
En 2009, la Chine représentait le plus important marché Dans le cadre du 7e Programme cadre de recherche et
automobile mondial11 : 199 millions de véhicules en circulation développement (7e PCRD, 2007-2013), et plus particulièrement
et 13,6 millions de voitures vendues, plus que les Etats-Unis. du partenariat public-privé sur les voitures « vertes » (Green
Mais ce n’est pas sans poser d’importants problèmes de Cars), un appel à projet a été lancé pour développer l’éco-
pollution au sein des villes chinoises. conception et les procédés de fabrication pour les batteries
The Energy Saving and New Energy Vehicle Development et leurs composants électrochimiques. La création d’un guide
Plan (2011-2020), qui a pour objectif de réduire la pollution d’évaluation, en vue de mener les analyses de cycle de vie des
environnementale due à l’explosion de l’utilisation automobile, initiatives du projet Green Cars, conditionne l’éligibilité des
a été officiellement lancé en janvier 2011. Ce plan mettra en projets proposés. Le budget alloué pour l’année 2011 est de
avant l’industrialisation des véhicules hybrides rechargeables et 25,5 M€, répartis entre les thématiques Matériaux, Transport et
des véhicules électriques équipés de batterie lithium-ion. Environnement, à hauteur respectivement de 10 M€ pour les
deux premières et 5,5 M€ pour la dernière.
Le développement des véhicules électriques est également une
priorité du 12e plan quinquennal (2011-2015). La Chine s’est De façon complémentaire, au sein de la thématique
fixé l’objectif d’un million de véhicules « nouvelles énergies » Technologies de l’information et de la communication, un
d’ici à 2015. Le Directeur général adjoint de l’industrie des appel à projet, doté de 30 M€, a été lancé au cours du second
équipements du ministère de l’Industrie et des Technologies semestre 2010 sur les technologies pour le développement des
de l’information (MIIT) a déclaré que le pays attache une véhicules électriques, entre autres sur les systèmes de stockage
grande importance à la recherche et au développement des de l’énergie et leur intégration.
technologies de cœur des batteries dans le domaine des
véhicules électriques. La Chine s’organise pour devenir le leader Par ailleurs, la direction générale énergie de la Commission
mondial du secteur dans les dix prochaines années. européenne a récemment lancé un appel à projet dans le
cadre du 7e PCRD pour le financement d’un ou deux grands
Le MIIT a annoncé en novembre 2010 que plus de 100 milliards démonstrateurs de stockage d’énergie, dans la gamme du
de yuans (11 Md€) seraient investis dans les dix prochaines gigawattheure (GWh), avec un budget de 30 M€.
années pour soutenir la production de véhicules électriques.
Le vice-directeur du département des hautes technologies Allemagne
du ministère des Sciences et Technologies (MOST) a avancé le Publié en 2008, le BMWi Research and Development Concept
chiffre de 8,5 Md de yuans (930 M€) investis dans le domaine for Mobile and Stationary Storage Batteries se donne pour
des véhicules électriques et 2 Md de yuans (220 M€) dans le objectif la mise en place d’une filière industrielle complète
domaine des véhicules nouvelles énergies durant le 11e plan d’approvisionnement pour la construction des batteries.
quinquennal (2006-2010).
A ce jour, la quasi-totalité du stockage d’énergie dans les Les réseaux électriques intelligents ou smart grids optimisent
systèmes électriques est réalisée au moyen d’équipements de la production et la distribution d’électricité et mettent mieux
pompage hydraulique (encadré sur le pompage hydraulique en adéquation l’offre et la demande entre producteurs et
et ci-dessous). Une capacité d’environ 100 gigawatts (GW) est consommateurs d’électricité. Ils font appel à des moyens
de contrôle et de commande basés sur les technologies de
installée dans le monde. Il s’agit d’une technologie mature et
l’information et de la communication.
efficace (rendements de cycles approchant les 80 %, coût de
l’ordre de 1 M€ par MW installé). Plusieurs grands projets ont
été lancés en Europe (Suisse, Autriche, Espagne, Portugal), l’Asie
disposant de la plus grande puissance cumulée installée et du Un des systèmes historiques de stockage de l’air comprimé
marché le plus actif. (avec celui de Huntorf en Allemagne) est en fonctionnement
à McIntosh (Alabama) depuis 1991. La puissance du dispositif
est de 110 MW. Actuellement, trois projets de CAES diabatiques
Les systèmes de stockage physique de deuxième génération sont en cours de développement et
ciblent des structures géologiques de stockage bien distinctes :
Outre le stockage hydraulique déjà évoqué, ce sont des systèmes un premier de 270 MW (dans l’Iowa) vise un aquifère, un
de stockage d’air comprimé ou CAES (Compressed Air Energy deuxième de 300 MW (en Californie) cible un champ de gaz
Storage), par volant d’inertie (où l’électricité est convertie en déplété, et un troisième de 150 MW (Etat de New York) sera situé
énergie cinétique en faisant tourner à grande vitesse un disque dans une cavité saline.
très lourd), des procédés hydropneumatiques, des procédés
magnétiques ou SMES (Superconducting Magnetic Energy
Storage) à base de matériaux supraconducteurs ou encore des
procédés thermodynamiques.
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Japon
Dès les années 1980 un projet visant au développement d’une
batterie stationnaire haute performance dans la gamme du
MWh était lancé. Quatre technologies ont été développées et
évaluées (sodium-soufre, zinc-brome, zinc-chlore et red-ox flow).
Allemagne
Le programme « Batterie de stockage » établi pour la
période 2009-2012 prévoit un budget de 35 M€ dans le
but de promouvoir de nouveaux développements dans les
technologies de stockage d’électricité (incluant les matériaux
supraconducteurs).
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Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
Les systèmes de stockage de la chaleur Le programme ECES (Energy Conservation through Energy
Storage) de l’Agence internationale de l’énergie est aujourd’hui
A ce jour, différents principes de stockage de l’énergie le réseau R&D le mieux structuré et le plus actif dans le
thermique font l’objet de travaux de recherche : le stockage par domaine du stockage de l’énergie thermique. Une quinzaine
chaleur sensible, par chaleur latente, thermochimique et par de projets ont été finalisés, sept sont en cours dont quatre axés
oxydation (seul processus non réversible) (encadré ci-dessous). précisément sur le stockage thermique :
• tests de réponse thermique dans le cadre d’un stockage
Le stockage de la chaleur souterrain de l’énergie (annexe 21 du programme),
• solutions de stockage de l’énergie dans des serres fermées :
Le stockage par chaleur sensible, lié à la capacité calorifique stockage estival de la chaleur et restitution hivernale
d’un matériau, permet de stocker de l’énergie grâce à l’élévation (annexe 22),
de température de ce matériau. C’est le principe, entre autres,
des chauffe-eau solaires, qui récupèrent la chaleur dans la • intégration des nouvelles technologies de stockage de
journée, pour la restituer quotidiennement. Pour de grands l’énergie dans les bâtiments à très faible consommation
volumes, un stockage intersaisonnier récupère la chaleur de énergétique (annexe 23),
capteurs solaires ou d’exploitations industrielles pour la stocker
• développement de matériaux afin d’améliorer les systèmes
dans le sous-sol au moyen de sondes géothermiques.
de stockage thermique (annexe 24), tels que le stockage
par chaleur latente via de l’acétate de sodium (Université
Le stockage par chaleur latente, plus efficace que le stockage technique du Danemark), l’utilisation de sels fondus inclus
par chaleur sensible pour de faibles différences de température, dans des briques alvéolaires de construction (Université de
tire parti de la chaleur latente du matériau utilisé, autrement Lleida, Espagne), le développement de nouveaux matériaux de
dit de sa capacité à passer d’un état à un autre (le plus souvent
sorption (Institut national de chimie, Slovénie) et un système
solide à liquide, on parle alors de changement de phase) sous
de stockage saisonnier basé sur le phénomène de sorption
l’effet de la chaleur. Cette technique peut être utilisée dans le
bâtiment au moyen de matériaux à changement de phase (MCP) liquide pour un matériau de chlorure de lithium (Université du
placés dans les parois du bâtiment pour améliorer son inertie Minnesota). Cependant, ces systèmes ne sont, au mieux, qu’au
thermique. C’est aussi le principe des réfrigérateurs ou des stade du pilote expérimental, afin de valider la technologie à
pompes à chaleur. une échelle supérieure à celle du laboratoire et d’améliorer les
performances énergétiques.
Le stockage thermochimique exploite la réversibilité d’une
réaction (adsorption-désorption ou chimique) qui est, selon Au niveau européen, un des volets du 7e PCRD cible les
le sens de la réaction considérée, soit endothermique soit systèmes avancés de stockage de la chaleur. Courant 2010,
exothermique. Il permet un stockage intersaisonnier. les technologies thermoélectriques (récupération de la
chaleur), combinées au développement des nanomatériaux,
Le stockage par oxydation fait également appel à des réactions ont fait l’objet d’un appel à projet. Trois appels à projets sont
chimiques, les réactions d’oxydation de composés (non programmés pour l’année 2011 pour un budget global de
réversibles), pour stocker de la chaleur. 20 M€. Les priorités sont le développement de matériaux
(préférentiellement thermochimiques) et de systèmes compacts
innovants de stockage saisonnier de la chaleur (intégration
énergétique optimisée des différents composants). La densité
Deux enseignements peuvent être tirés des éléments de
énergétique et le volume d’encombrement des matériaux de
benchmark sur la chaleur sensible :
stockage sont les paramètres clés de ces efforts de recherche.
• un volant important de travaux a été réalisé dans les années Ces appels à projets s’intègrent pleinement dans les orientations
1970, pour la plupart abandonnés dans les années 1980. du SET Plan (Technology Roadmap 2010-2020).
Cependant, on observe depuis le milieu des années 1990 une
reprise des travaux de recherche ;
• cela s’articule autour de deux orientations. La première
consiste à reprendre les technologies développées dans les
années 1970 avec la difficulté qu’elles ne correspondent plus
à la grille d’analyse actuelle, en particulier en termes d’analyse
de cycle de vie ou de bilan GES. La seconde orientation
consiste à développer de nouvelles technologies comme le
stockage dans du sable ou dans des blocs de béton (en tirant
parti de l’inertie thermique de ces matériaux) avec cette fois
un manque de retour d’expériences industrielles (manque
d’une étape de démonstration sur la plupart des nouvelles
technologies).
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Les modèles d’affaires propices au En termes d’approches économique et régulatrice, on
retiendra deux catégories extrêmes :
déploiement des systèmes de stockage
• systèmes électriques pour lesquelles des spécifications
A priori, dans la limite des contraintes technologiques, une plus
techniques pour le raccordement au réseau ou des régulations
large utilisation du stockage permettrait de rendre différents
(type obligations de capacité de stockage) conduisent les
services à différents acteurs, améliorant ainsi la valorisation de
producteurs EnR (ou autres) à s’équiper en stockage. C’est
ces technologies, ce qui en favoriserait l’émergence.
le cas du Japon, où des exigences de lissage de la puissance
injectée par les fermes éoliennes (gradient de puissance
Dans les systèmes électriques, les études concordent sur la active injectée) nécessitent d’y associer un stockage (batteries
nécessité de mutualiser les services apportés par les unités de sodium-soufre de capacités assez limitées). C’est aussi le cas
stockage pour les aider à atteindre un équilibre économique. La des systèmes insulaires français dans le cadre de l’appel d’offre
participation du stockage d’énergie à la fourniture de nouveaux 2009 pour des installations de production à base d’énergie
« services système », tels que le lissage de la consommation, solaire où le stockage est obligatoire. Autre exemple qui
la gestion de congestions ponctuelles et plus généralement ne sera peut-être pas employé, mais qui est a minima en
le fonctionnement global du réseau, pourrait être envisagée discussion actuellement : un projet de régulation californienne
pour en favoriser le déploiement. Diverses nouvelles utilisations pour des capacités de stockage directement liées au niveau du
du stockage ont ainsi été testées dans le monde en appui aux pic de consommation du système électrique ;
réseaux ou pour favoriser la pénétration des EnR. Aux Etats-Unis
par exemple, l’opérateur American Electric Power (AEP) utilise • systèmes électriques dans lesquels le stockage trouvera sa
une batterie sodium-soufre pour différer des investissements de place par l’émergence de business models associés, sans aide
renforcement de ses réseaux de distribution. En complément, publique ni évolution régulatrice. On peut imaginer que, dans
AEP utilise ces installations de stockage pour fournir des services ce cas, différents acteurs du système électrique auront accès
système et garantir l’injection de production EnR sur le réseau. au stockage d’énergie, ce qui leur permettra d’en tirer plusieurs
Notons que le business model repose ici sur le cas favorable d’un services en parallèle, de partager les coûts d’investissement, de
opérateur intégré (production-réseaux) et qu’il reste encore partager et réduire les risques associés.
conditionné à une politique publique favorable.
Entre ces deux extrêmes, toutes sortes de combinaisons sont
Il existe toutefois des difficultés d’ordre commercial et juridique : théoriquement possibles. Cependant, compte tenu de l’urgence
problématique d’interaction entre acteurs régulés et dérégulés, d’adapter les systèmes électriques au développement des
questions de droits, de propriété et de priorités d’accès… Une EnR, plusieurs pays européens modifient leurs régulations
autre voie possible serait un système d’enchères temporelles énergétiques en faveur du stockage d’énergie. Dans la plupart
permettant à plusieurs acteurs d’accéder à un système de des cas, l’adaptation régulatrice concerne le tarif de réseau
stockage. appliqué aux installations de stockage d’énergie. On notera
par exemple que l’Allemagne a promulgué, début 2009, une loi
exemptant du tarif d’accès au réseau toute nouvelle installation
Le stockage thermique étant, quant à lui, encore assez peu de stockage stationnaire (valeur située entre 5 et 25 €/MWh
répandu, il est aujourd’hui difficile de trouver des exemples supplémentaires en fonction de la tension de raccordement et
de mise en œuvre à grande échelle associés à des modèles de l’intensité d’utilisation du stockage).
d’affaires.
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Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
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> 5. Les visions prospectives 2030
La traction électrique automobile et l’hybridation sont des
industries matures. Les infrastructures sont en place (unités de
Transition 2010-2050 : production, recyclage, recharge). Un marché de second usage
existe pour les batteries du parc automobile. Cette croissance
2010
a permis la structuration d’une filière batteries adossée au
Dans les pays industrialisés, le secteur des transports, principal
secteur automobile et fonctionnant selon le même schéma
contributeur à l’effet de serre, dépend quasi exclusivement
industriel. De nouveaux types d’accumulateurs apparaissent en
du pétrole. L’automobile est une industrie lourde, capable
production (lithium 4e génération) qui, en fonction des progrès
d’investissements importants. En dehors des applications
technologiques réalisés, pourraient constituer des solutions de
portables, le secteur automobile est celui qui, avec le
stockage compatibles avec de nombreuses applications hors du
développement des voitures électriques ou hybrides, tire
secteur automobile. Des solutions génériques voient le jour.
majoritairement le marché du stockage électrochimique de
nouvelle génération. Les premières productions de masse pour
les systèmes de stockage embarqués sont lancées. Dans le domaine des EnR, l’installation de nouvelles capacités
se poursuit à un rythme moins soutenu que par le passé. La
visibilité apportée par les démonstrateurs permet d’engager
Les systèmes de stockage stationnaires sont dans une phase
les investissements nécessaires pour produire industriellement
plus amont, au stade de la démonstration. Le développement
des systèmes de stockage dédiés au système électrique et aux
des énergies renouvelables induit la question de leur intégration
EnR. Le coût des systèmes chute, permettant une meilleure
au sein des systèmes énergétiques existants. Leur caractère
rentabilité des installations.
intermittent favorise les projets de recherche et développement
sur de nouveaux systèmes de stockage stationnaires.
Certains procédés (électriques et thermiques) atteignent des Dans la dynamique des années précédentes, le stockage
performances compatibles avec une application commerciale. thermique atteint un stade industriel compatible avec des
applications système. Des stockages de masse sont en service,
pour des applications purement thermiques (bâtiments,
L’évolution du cadre régulateur afin de mieux reconnaître
procédés industriels, réseaux de chaleur) comme pour des
les spécificités et les bénéfices des systèmes de stockage de
applications couplées au réseau électrique.
l’énergie est considérée comme prioritaire par les acteurs, aussi
bien à l’échelle nationale qu’à l’échelle mondiale.
La vision 2020
2020 Dans le secteur du transport terrestre, les plans de pénétration
La production des systèmes de stockage embarqués pour des véhicules particuliers électriques ou hybrides rechargeables
le secteur des transports a atteint une taille industrielle, indiquent, compte tenu du rythme de renouvellement du
permettant un abaissement des coûts par effet de volume. parc automobile et de la nature et de l’intensité des politiques
L’amélioration des performances et de la fiabilité des batteries publiques, que le parc de véhicules rechargeables devrait être
résulte de programmes de recherche spécifiques au secteur. compris entre 1 et 2 millions à l’horizon 202012.
Dans le même temps, l’exploration des applications du stockage Dans le même temps, différentes formes de modèles d’affaires
stationnaire intégré au système électrique, effectuée via les sont expérimentées pour soustraire les véhicules électriques
démonstrateurs utilisant les technologies disponibles (lithium de leur dépendance au soutien public (ex : systèmes de leasing
3e génération, sodium-soufre), a permis d’identifier les vecteurs des batteries, fourniture de service au réseau à travers la
de valorisation du stockage et d’en préciser les besoins en convergence entre bâtiments et transport).
termes de performance.
A l’horizon 2020, les objectifs du Grenelle de l’environnement en
Les systèmes de stockage thermiques ont progressé sous la matière de pénétration des énergies renouvelables électriques
double stimulation du coût de l’énergie de pointe et des EnR. et thermiques et de bâtiments à énergie positive sont atteints.
Des démonstrateurs préindustriels à l’échelle 1 sont réalisés.
Pour les énergies renouvelables électriques, cela se traduit
La mise en place d’un cadre commun et approuvé pour le par l’installation de 25 000 MW de capacités additionnelles
développement de l’activité stockage offre une visibilité propre composées essentiellement d’éoliennes (environ 20 000 MW
à favoriser les investissements par les différents acteurs de la additionnels) et de systèmes solaires photovoltaïques (environ
filière et le déploiement commercial de systèmes de stockage. 5 000 MW additionnels).
Jusqu’à 20 000 MW13, ces capacités additionnelles sont Ces systèmes de stockage sont, à cet horizon, essentiellement
absorbées par le système électrique en actionnant quatre stationnaires, mais des expérimentations sont en cours pour
leviers : tester des moyens de stockage mobile, à grande échelle
(plusieurs centaines de véhicules électriques ou hybrides
• l’amélioration des modèles de prévision de la production des
rechargeables et de bâtiments, encadré ci-dessous).
sources intermittentes ;
• l’optimisation de la localisation des différents sites de
production afin de tirer profit des différentes zones climatiques Des véhicules pour stocker l’électricité
françaises ;
• la poursuite du développement des interconnections avec les A l’instar des ballons de stockage d’eau chaude sanitaire, on peut
imaginer utiliser les véhicules rechargeables comme moyens
réseaux européens de transport d’électricité ;
de stockage d’électricité. Cela permettrait de soulager, d’une
• l’évolution de l’architecture des réseaux de distribution et la part, les consommations électriques des bâtiments, entre autres
croissance de leur « intelligence » permettent une gestion des bâtiments à énergie positive et, d’autre part, celles des
dynamique de la demande en fonction de l’état du réseau. réseaux de distribution d’électricité en leur venant en appui, en
particulier dans un contexte de forte pénétration des énergies
intermittentes.
Pour aller au-delà de 20 000 MW, des degrés de liberté
supplémentaires doivent être mobilisés, au travers notamment
de systèmes de stockage adossés aux réseaux, aux installations
de production intermittente ou directement chez le Forces et faiblesses de la vision 2020
consommateur final (qui peut également être producteur). Ce scénario, qui décrit la première phase du déploiement des
systèmes de stockage d’énergie dans les secteurs du bâtiment,
des EnR et du transport, s’appuie sur les points forts suivants :
Dans le secteur des bâtiments résidentiels et tertiaires,
atteindre les objectifs du Grenelle de l’environnement suppose • des objectifs affichés en matière de transport, d’énergies
la construction de 400 000 à 500 000 bâtiments à énergie renouvelables et de bâtiments, qui tendent à motiver les
positive à l’horizon 2020. Ces bâtiments peuvent cependant, acteurs ;
de façon ponctuelle, se retrouver en situation d’excédent ou
• des marchés dans ces secteurs, qui, bien que faisant appel à
de déficit d’énergie. Pour satisfaire en permanence les besoins
des technologies spécifiques, offrent déjà un potentiel notable
de leurs utilisateurs, les bâtiments à énergie positive ont donc
pour les industriels de la filière stockage.
recours à différentes options, dont les systèmes de stockage.
Ces systèmes, associés à un bâtiment ou à un ensemble de
bâtiments (îlot, encadré ci-dessous), restituent lors des périodes Cependant, certaines faiblesses freinent encore la croissance
de déficit énergétique l’énergie stockée pendant les périodes de la filière stockage et doivent être levées en vue d’un
excédentaires. déploiement industriel de masse pour la période 2020-2050 :
• un manque de visibilité sur des marchés émergents dont le
développement dépend fortement des politiques publiques ;
Les îlots de bâtiments
• un marché domestique significatif mais insuffisant pour faire
Les îlots sont des groupements de bâtiments contigus ou non, émerger une industrie de masse ;
d’usages diversifiés ou non (logements, équipements, bâtiments • une concurrence internationale puissante et très active,
tertiaires), constituant une unité de fonction ou d’identité d’un en Asie, aux Etats-Unis, dont les marchés vont émerger les
quartier sur le plan énergétique, tant pour la mutualisation premiers, car leurs réseaux sont, pour certains, de moins bonne
des besoins énergétiques que pour celle des productions
qualité ;
énergétiques.
• une concurrence forte des autres « degrés de liberté » dans
l’ensemble des secteurs d’application possibles du stockage
(ex : biocarburants, interconnexions, systèmes de prévision de
la production intermittente).
PARAMETRES ECONOMIQUES
Peu d’évolution des systèmes de régulation Evolutions significatives des systèmes de régulation
« cas contraint » « cas ouvert »
Vision 1 : Vision 2 :
Déploiement sectorisé
Une vision tendancielle, la fonction stockage n’est qu’une Une offre technologique limitante dans un contexte socio-
composante d’une activité plus large. économique favorable.
Des marchés de niche.
Paramètres technologiques
Vision 3 : Vision 4 :
des technologies génériques
Déploiement s’appuyant sur
Une vision « paradoxale » : technologie mature dans un Totale adéquation entre l’offre technologique et le
contexte peu favorable aux investissements contexte socio-économique.
19
Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
20
Vision 3 : L’offre multisectorielle à la marge Vision 4 : Les opérateurs de stockage
Ici, les avancées technologiques ont permis l’émergence de Dans cette vision, l’association des différents domaines
solutions de stockage génériques facilitant la convergence d’application du stockage est combinée à une réflexion sur
entre secteurs d’application (bâtiments, transports, réseaux, la valorisation économique de l’activité propre. L’apparition
industrie) et la valorisation technique des systèmes de stockage. d’opérateurs dont l’activité est économiquement rentable
Cependant, le contexte socio-économique et régulateur a très résulte à la fois d’importants progrès technologiques pour
peu évolué contraignant les acteurs à des modèles d’affaires les dispositifs de stockage et d’une réglementation ou de
complexes et sectorisés. mécanismes incitatifs (au niveau national ou européen)
favorisant le déploiement de cette filière.
Or, dans un domaine technologique où les progrès sont difficiles
et les recherches coûteuses, les industriels doivent avoir une Les technologies de stockage génériques autorisant une
vision stable et favorable du contexte dans lequel leur marché valorisation technique plurisectorielle (entre bâtiment et
prendra place pour effectuer les investissements nécessaires transport par exemple) sont matures et permettent d’optimiser
à une progression rapide de leur technologie. Le peu de la production d’énergie par une forte valorisation de chaque
cohérence entre technologie mature et marché contraint et quantité d’énergie produite.
sectorisé laisse supposer que ce scénario est peu probable à
l’horizon 2050. Des opérateurs spécifiques au stockage de l’énergie
apparaissent et gèrent des unités de stockage de toutes tailles.
Dans l’hypothèse d’une concrétisation même partielle, le Ces nouveaux opérateurs concurrents des producteurs et
marché énergétique reste contraint, notamment en raison d’une fournisseurs actuels proposent un modèle économique basé
faible évolution des systèmes de régulation. sur la rémunération d’énergie et de services fournis au système
énergétique dans sa globalité (réseaux électriques, réseaux
Le système centralisé est toujours en place pour assurer de chaleur, rechargement de batteries, appui aux dispositifs
l’approvisionnement en énergie, coordonner et optimiser de production intermittente d’énergie, équilibrage offre/
le fonctionnement du réseau énergétique. Le pilotage des demande…).
interactions entre les systèmes énergétiques (de toutes tailles)
reste la mission des opérateurs centralisés. Ils pilotent les systèmes de stockage avec l’objectif :
• de participer à la garantie de l’équilibre offre/demande à
Les options de stockage à valorisation multisectorielle sont peu l’échelle de l’ensemble du système ;
présentes dans les systèmes énergétiques et s’intègrent, comme
dans la vision 1, dans une stratégie d’optimisation pour une • d’optimiser la valorisation de chaque quantité d’énergie
activité particulière. Les technologies génériques de stockage produite (énergie renouvelable, énergie thermique fatale,
souffrent de l’absence de mécanismes incitatifs et d’acteurs les autrement dit gaspillée) ;
valorisant. • de proposer leur propre offre de stockage en appui des
réseaux énergétiques classiques et en combinant stockage de
l’électricité et de la chaleur.
21
Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
Forces Faiblesses
Vision 1 • Pas de modification brutale du système énergétique et • Forte contrainte sur les coûts et les performances des
de sa gestion systèmes de stockage, qui sont pensés individuellement
• Faible dimension sociale
Vision 3 • Evolution limitée du système énergétique • Pas d’implication forte des consommateurs (échelle
• Mutualisation des secteurs d’application du stockage locale ou territoriale)
• Vision paradoxale
Vision 4 • Convergence de secteurs d’application du stockage • Modèles d’affaires à créer, dédiés à l’activité de stockage
• Optimisation des systèmes énergétiques • Importants besoins de développement techniques et
• Solution alternative pour le consommateur d’engagements politiques.
• Emergence d’une gestion locale de l’énergie associée à
une supervision centralisée
22
> 6. Les verrous • autodécharge : ce paramètre, assimilable à une fuite,
correspond à la perte d’énergie du milieu de stockage lorsque
celui-ci n’est pas sollicité. Ici, par commodité, on assimilera
Les visions 2020 et 2050 permettent d’identifier les verrous également à de l’autodécharge la puissance nécessaire au
technologiques, économiques, organisationnels et transversaux maintien du système opérationnel dans un état de charge
conditionnant leur émergence. donné. L’impact de ce paramètre sur le rendement global
du système dépend donc du cycle d’usage. Les applications
Les verrous à caractère technologique : faisant appel au transfert temporel d’énergie (lissage de
charge, arbitrage sur les marchés, report des investissements
D’une manière globale, la valorisation de la fonction stockage dans les réseaux) y sont plus sensibles que celles dites « de
s’évalue à travers une approche coût/bénéfice sur l’ensemble stockage de puissance » (mobilisation en quelques fractions de
du cycle de vie du système. Pour un opérateur donné cette seconde de puissances importantes, mais pour des durées très
vision est réduite au chiffre d’affaires généré par rapport au coût courtes) ;
de possession. La structure de ce chiffre d’affaires conduit à
considérer les caractéristiques techniques suivantes : • durée de vie : s’agissant généralement d’un ensemble
coûteux, l’investissement lié à un système de stockage doit
• coût de fabrication, de démantèlement et de recyclage : les pouvoir s’amortir sur la plus longue période possible. Parce
procédés de fabrication peuvent être très coûteux. En outre, qu’ils sont reconditionnables (contrairement aux systèmes
l’énergie emmagasinée dans les systèmes de stockage est électrochimiques), les systèmes de stockage physiques
quasi proportionnelle aux quantités de matières actives mises (volants d’inertie ou systèmes hydropneumatiques) sont
en jeux. De ce fait, pour l’électricité comme pour la chaleur, peu impactés par ce critère. Il n’en est pas de même pour les
il y a lieu de rechercher des solutions mettant en œuvre dispositifs électrochimiques et thermiques pour lesquels le
des matériaux disponibles, peu coûteux et respectueux de vieillissement des matières actives, sous l’effet des sollicitations
l’environnement ; (vieillissement lors des cycles successifs de fonctionnement) et
• rendement global : parce qu’il impacte directement le bilan du temps (vieillissement calendaire), doit être amélioré.
énergétique, ce paramètre joue un rôle primordial pour la En plus de ces verrous communs à l’ensemble des dispositifs de
valorisation du stockage d’énergie. Bien que certains dispositifs stockage d’énergie, les tableaux ci-après énumèrent les verrous
affichent des rendements intrinsèques d’un très bon niveau propres à chacune des technologies considérées dans cette
(batteries, supercondensateurs, volants d’inertie) l’intégration feuille de route.
systémique de ces composants en vue d’une application
donnée se traduit par une dégradation des performances. C’est
pourquoi l’analyse du rendement d’un système de stockage
doit intégrer toute la chaîne de conversion et les auxiliaires
nécessaires à son fonctionnement ;
23
24
Stockage de l’électricité
Feuille de route
Electrochimique Physique
Hydro- Thermo-
Stationnaire Embarqué Volants d’inertie SMES Hydraulique AACAES
pneumatique dynamique
Durée de vie Amélioration Coût Matériaux (toxicité) Gestion de Flexibilité en Optimisation Matériaux de
des densités Coût l’interface gaz- puissance des machines stockage haute
(puissance, liquide de conversion température
énergie) (compresseurs,
expandeurs…)
Les systèmes de stockage d’énergie
Rendement global Maîtrise des effets Développement Rendement global Rendement global
gyroscopiques d’électroniques de
(embarqué) puissance
Compacité Fiabilité
Coût
25
Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
27
Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
Stockage de l’électricité
Systèmes électrochimiques
Stationnaire Embarqué
Priorité 2 Coûts, dont recherche de solutions à base de matériaux Amélioration de la sécurité intrinsèque
largement disponibles
Systèmes physiques
Hydro- Thermo-
Volants d’inertie SMES Hydraulique AACAES
pneumatique dynamique
Stockage thermique
Priorité 1 Développement de matériaux haute Développement de MCP bas coût pour Réduction des pertes
température pour l’industrie l’habitat
29
Feuille de route
Les systèmes de stockage d’énergie
> 8. Les besoins de plates-formes Le réseau de recherche et technologie sur les batteries
expérimentales et de démonstrateurs
Avec les principaux acteurs de la recherche publique et les
de recherche industriels, ce réseau national, créé en juillet 2010, s’appuie
sur deux centres de recherche : un centre de recherche amont
La grande diversité des technologies de stockage de l’énergie piloté par le CNRS et qui a pour mission d’explorer les nouveaux
engendre implicitement d’importants besoins en moyens concepts de batteries, en particulier les matériaux à haute
d’essai. performance ; et un centre de recherche technologique, piloté
par le CEA, qui testera et validera ces nouveaux concepts.
Pour les systèmes de petite capacité, la démonstration de
performance et de durée de vie peut s’effectuer à l’aide des
plates-formes expérimentales, outils indispensables pour D’autres initiatives de ce type pourraient être mises en place,
évaluer de nouveaux systèmes de stockage. Comme nous notamment sur la base du réseau Simstock (encadré ci-dessous).
l’avons évoqué, l’équilibre économique d’un système de
stockage est fortement dépendant de sa durée de vie. Outre
une caractérisation des performances initiales (rendement, Le programme Simstock
puissance, etc...), il est donc nécessaire de connaître leur
évolution au cours de la vie du système et en fonction des Labellisé par le Programme de recherche et d’innovation dans
sollicitations. A ce jour, si l’électrochimie est clairement identifiée les transports terrestres (Predit) dans le cadre du plan Véhicules
comme moyen d’évaluation, il en sera rapidement de même propres et économes, ce programme est un large partenariat
pour le stockage de chaleur et les dispositifs physiques tels les composé d’industriels, de laboratoires et d’organismes publics.
volants d’inertie, les systèmes hydropneumatiques, etc... D’une durée de trois ans, il a vocation à poser les bases d’une
force nationale de recherche et développement sur les systèmes
de stockage d’énergie en mutualisant autant que possible les
De tels tests, qui mobilisent sur de longues périodes compétences et les moyens.
d’importants moyens techniques et humains, sont par nature
coûteux, ce qui en limite l’accès, notamment vis-à-vis des
nouvelles sociétés innovantes. Au vu de ce constat et du tissu
existant de laboratoires à l’échelle nationale, il y a donc lieu de Néanmoins, destinés à de grandes séries, ces dispositifs de
mutualiser les moyens d’essai au travers de plates-formes petite capacité doivent, pour être compétitifs et fiables, être
expérimentales ouvertes à l’ensemble des acteurs de la filière. fabriqués selon des procédés industriels très performants. La
Une démarche en ce sens est en cours au sein du « réseau de mise en œuvre d’une ligne de fabrication pilote relève alors d’un
recherche et technologie sur les batteries », qui a constitué un démonstrateur. Les démonstrateurs de recherche constituent
centre de recherche technologique regroupant le CEA, l’IFP, la preuve en vraie grandeur de la faisabilité d’une solution
l’Ineris16 et l’Inrets17 (encadré ci-dessous). technologique ou d’un concept. Ils se situent donc à la charnière
entre le laboratoire industriel et le marché.
31
L’ADEME en bref
L’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie
(ADEME) est un établissement public sous la triple tutelle
du ministère de l’Ecologie, du Développement durable, des
Transports et du Logement, du ministère de l’Enseignement
supérieur et de la Recherche et du ministère de l’Economie, des
www.ademe.fr
9 782358 381994
ADEME
20, avenue du Grésillé
BP 90406 l 49004 Angers Cedex 01
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Synthèse. Feuille de route
sur les systèmes de stockage d’énergie
Le stockage de l’énergie électrique concerne, d’une part, Deux approches économique et régulatrice extrêmes
les systèmes stationnaires – des sites dédiés3 qui viennent de systèmes électriques ont été identifiées : celles où des
en appui aux réseaux électriques et aux sites de production spécifications techniques ou des régulations poussent les
d’énergies renouvelables – et, d’autre part, les systèmes producteurs d’énergie renouvelable à s’équiper en stockage
embarqués – des moyens de stockage de petite capacité et celles où le stockage trouve sa place sans aide publique
intégrés dans un système mobile, en particulier dans les ni évolution régulatrice, mais grâce à des modèles d’affaires.
véhicules électriques et hybrides rechargeables. Le stockage Toutes sortes de combinaisons sont envisageables entre ces
de la chaleur, quant à lui, concerne essentiellement des deux extrêmes. Quant au stockage thermique, encore assez
systèmes stationnaires utilisés dans le bâtiment. Les systèmes peu répandu, peu d’exemples de mise en œuvre existent à
embarqués de stockage et de restitution de la chaleur sont grande échelle, associés à des modèles d’affaires.
également étudiés dans le cadre de cette feuille de route
réalisée avec un panel d’experts issus d’organismes de
recherche et d’entreprises, tant fabricants qu’utilisateurs de Leur mise en œuvre en 2050
systèmes de stockage. Deux familles de paramètres clés semblent de nature à
influencer sensiblement le déploiement des systèmes de
stockage à long terme : ceux liés à la technologie et ceux
caractérisant leur environnement économique. A court
terme, d’ici à 2020, pour soutenir le développement des
énergies renouvelables, des systèmes de stockage doivent
être adossés aux réseaux électriques, aux installations de
production d’énergie renouvelable et chez le consommateur
final. Les bâtiments à énergie positive (qui produisent plus
d’énergie qu’ils n’en consomment, sur une année) nécessitent
par exemple la mise en œuvre de systèmes stationnaires de
stockage de l’électricité et de la chaleur (voire des systèmes
embarqués via l’utilisation des véhicules électriques).
2 - Les moteurs des véhicules électriques sont alimentés par des batteries. Les
véhicules hybrides associent moteurs thermique et électrique, leurs batteries
étant rechargées lors de certaines phases de la conduite. Lorsque ces mêmes 4 - Batteries au lithium, au nickel, au sodium-soufre, au magnésium, métal-air,
batteries peuvent aussi être rechargées sur le secteur électrique, on parle de red-ox flow, batteries haute température, supercondensateurs.
véhicule hybride rechargeable.
5 - L’eau est pompée d’un cours d’eau dans la vallée (voire d’un lac de retenue à
3 - Ce sont principalement des systèmes de stockages de grandes capacités (> basse altitude) vers un lac de retenue à plus haute altitude. Elle peut ensuite être
quelques mégawattheures), de moyenne ou forte puissance (de 100 kilowatts « turbinée » le moment venu pour produire de l’électricité. On parle de stations
au gigawatt). de pompage-turbinage.
Synthèse. Feuille de route
sur les systèmes de stockage d’énergie
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Energy storage systems
Strategic Roadmap
Table of contents
Preamble.............................................................................................................................................................................................4
3 International comparisons...............................................................................................................................................10
4 Key parameters.......................................................................................................................................................................18
5 Prospective visions................................................................................................................................................................19
6 Obstacles.....................................................................................................................................................................................24
7 Research priorities................................................................................................................................................................27
2/3
Preamble
Since 2010, the ADEME has been managing four pro-
grammes within the scope of “Future Investments”1.
Groups of research experts from various industrial fields,
research bodies and research programming and financ-
ing agencies are responsible, within the scope of collective
works, for producing strategic roadmaps. These are used
to launch Calls for Expressions of Interest (CEI).
1. Future Investments (Les Investissements d’Avenir) continue along the path set by the Research Demonstrator Funds managed by the ADEME. The four
programmes involved are: Renewable, low-carbon energy and green chemistry (1.35 billion Euros), Vehicles of the future (1 billion Euros), Smart grids
(250 million Euros) and Circular Economy (250 million Euros).
List of members of the group of experts
The group of experts received support from a technical office comprised of Stéphane Biscaglia,
Michel Gioria and Nicolas Tonnet of the ADEME.
4/5
1 Context and challenges
Context • key industrial sectors (in particular the
land transport and building sectors) com-
One founding hypothesis for the roadmaps mitted to new technological approaches
drawn up by the ADEME involves looking – rechargeable hybrid and electric vehicles
to reach the objectives set by the (outlined below), energy-positive residences
Grenelle de l’Environnement in ad- and tertiary buildings (producing, on average
dition to the “Factor 4” targets. The throughout the year, more energy than they
latter, set by the POPE law (French Orientation consume) – capable, if successful, of leading
Programme for Energy Policy) of 2005, aims at to high demand in energy storage systems2;
cutting French greenhouse gas (GHG) emis-
sions by a factor of 4 by the year 2050, com- • institutional regulations governing
pared to their level in 1990. the energy markets (gas and electricity), in
particular promoting the optimal use of the
In addition to these political and social objec- energy produced at a given time, including via
tives, this roadmap makes up part of an en- storage systems;
vironment promoting the deploy-
ment of heat and electricity storage •
the growing integration in the Eu-
systems, which contributes to structuring ropean energy mix of systems gener-
this field of industrial activity on a global scale. ating electricity from renewable
This is demonstrated by the rise to power of energy sources, requiring the increased
the world’s leading industrial stakeholders and control of energy flows so as to guarantee
by industrial agreements between the indus- the balance between supply and demand at
tries producing storage systems, the industries all times.
potentially consuming high quantities of these
same systems (e.g.: the automotive industry,
electricity suppliers) and research bodies. Rechargeable vehicles
This environment can be explained by five Our conventional vehicles, equipped
main elements: with combustion engines, operate on
• ambitious objectives in France, Europe petrol or diesel fuels. The vehicles un-
and the world in terms of the market pen- der development and industrialisation
etration of renewable electrical and ther- today include electric vehicles, the
mal energy1; engines of which are powered by batter-
ies and hybrid vehicles, which group
• significant technological progress made together a combustion engine and
in the field of electrochemical technology and electrical engine, the batteries of which
materials for batteries, power electronics and being recharged during certain driving
information and communication technology; phases. When these batteries can also
be recharged using the power grid, this
is known as a rechargeable hybrid
vehicle.
2. In Europe, France has committed to producing 23% of its energy from renewable sources by the year 2020 (compared to the 12% produced today).
The renewable energy share involves the production of electricity, heat and fuels for transport.
3. This comment does not take into account mobile storage systems such as mobile phone batteries, which today represent a global market of ap-
proximately 2 billion units.
Challenges Using the example of thermal storage, this
could involve deploying devices for storing heat
Four priority challenges have been identified: or cold at different temperature levels and for
1. Taking into account the environmental relatively long periods of time. Storage may be
challenges posed during the design, pro- for less than a day (short-term, for daily use, a
duction, use and end of life management phases few hours separating heat consumption from
for storage systems. heat production), inter-seasonal (for exam-
ple summer storage for winter consumption),
This more particularly involves designing, pro- dual-use (storage of cold/heat) or low- or high-
ducing and deploying energy storage systems, temperature according to the methods imple-
which contributes to improving the overall mented.
footprint in terms of the amount of energy and
non-renewable raw materials consumed by 3. Supporting the development of industri-
the systems into which they are integrated. Life alisation methods for producing energy
cycle analyses may enable us to arrange stor- storage systems and leading to the drafting of
age devices according to their environmental standards for storage devices.
impact.
The objective is to promote the deployment
2. Integrating the issue surrounding the eco- of storage devices on the market by leaning
nomic value of the storage device on the scale and series effects to reduce their
into the design phase. production costs and thus increase their com-
petitiveness in relation to alternative options
This involves designing, producing and de- such as managing demand or using fuels. The
ploying energy storage systems with technical implementation of test phases (under real use
properties (e.g.: storage time, number of cycles, conditions) is essential.
energy and power density) enabling them to
adapt to multiple means for creating economic 4. Developing a beneficial institutional
or energetic value. and regulatory framework4.
Using the example of power grids, this This challenge, which complements the previ-
would involve designing storage systems simul- ous challenge, aims at assessing the regulatory
taneously contributing to: smoothing out elec- developments that could prove beneficial to
tricity consumption peaks, optimising the gen- the deployment of storage systems and to the
eration programme, improving current quality, energy system in its entirety (integrating end
providing primary and secondary reserve pow- consumers, producers, distributors and suppli-
er (adjusting the frequency and/or voltage of ers), within both France and Europe.
the power grid) and countering power fluctua-
tions caused by some renewable energies such For both electricity and heat production, this
as wind power and photovoltaics. would involve enabling several stakeholders to
benefit from the services of the same storage
Storage systems could also play a decisive role facility or even to exploit the second life of the
in securing power supply to the grid via local or same storage device.
global devices capable of filling in for any tem-
porary power cut.
4. This takes into account the set of actions undertaken by the public authorities to guarantee a satisfactory level of stability for an economic and/or
social system.
6/7
2 Subject area and geographic
perimeter
Subject area For heat, stationary systems shall be consid-
ered by differentiating between systems for in-
This roadmap covers storage systems storing traday use and systems for inter-seasonal use
thermal energy (heat and cold) and electrical (in particular in the building sector). Embedded
energy. systems shall also be taken into account so as
In order to compare the different solutions ca- to integrate the works performed by car equip-
pable of integrating one or several conversion ment manufacturers on recovering heat in view
steps, the scope of a storage system is defined of its redistribution in the form of heat or elec-
as the set of devices and methods for absorb- tricity by thermoelectric processes.
ing and distributing an energy flow of the same This roadmap also covers the economic, in-
nature (heat/heat, electricity/electricity). stitutional (storage value, widespread or cen-
For electrical storage, stationary systems tralised storage operators) and environmental
are differentiated from embedded systems issues (recycling, consumption of raw materials,
(outlined below). life cycle analysis) connected to the system’s
design, production, deployment and end of life.
Finally, the group of experts has made the deci-
Stationary or embedded sion to exclude the following from the scope of
this roadmap:
Stationary electricity storage • Storage systems included in mobile devices
systems are dedicated storage sites that (mobile telephones and laptop computers),
provide support to the power grid and as their deployment does not allow for signifi-
renewable energy production sites.These cant reductions in the anthropogenic GHG
mainly involve large-scale storage systems emissions connected to energy production/
– for installed power capacities exceed- consumption;
ing several megawatt hours (MWh) –,
with medium to high power levels (from • Energy storage using hydrogen technology,
100 kilowatts to one gigawatt). covered in another roadmap: “Hydrogen en-
ergy and fuel cells”.
On the other hand, embedded stor-
age systems involve small capacities
and low power levels and are integrated Geographic perimeter and deadline
into a mobile system. They are essen- Geographic perimeter:
tially used in transport, in particular in
The perspective studied is that of deploying this
rechargeable hybrid and electric vehicles.
industry abroad and of the positioning of French
stakeholders on the global market. However
where relevant, local, national and European
points of view shall be introduced so as to:
• take into account the local particulari-
ties capable of influencing the needs to
be considered and the technology to be
Deadline:
The deployment of energy storage systems is
a target for the year 2050, in particular to
remain consistent with the Factor 4 objective.
These visions are complemented by 2020 vi-
sions, in particular to identify the storage
needs required to achieve the objectives of
the Grenelle de l’Environnement in the building,
renewable energy and rechargeable hybrid and
electric vehicle industries.
Key elements for the deployment of this in-
dustry over the intermediary period
2010-2050 are presented with the purpose
of highlighting the regulatory milestones to en-
sure that the storage systems fulfil their role in:
• reaching the 2020 objectives set by the
Grenelle de l’Environnement;
• ensuring, in a more long-term manner, the
development of low- or zero-emitting GHG
energy systems.
8/9
3 International comparisons
Energy storage systems have been identified in many coun-
tries as a priority for research, demonstration and even
industrial deployment.
10. A material whose components are disintegrated in a solvent enabling an electric current to pass by ion displacement.
10/11
additional financing mechanisms for academic with the purpose of reaching a life span ex-
and industrial R&D programmes with the aim ceeding fifteen years.
of quickly developing new, clean technology
and champions in producing embedded stor- A third programme entitled “High-performance
age systems: battery systems for next generation vehicles”
began in 2007 to end in 2011. It also involves
• DoE Advanced Technology Vehicles Manufac- lithium batteries with the following objectives:
turing Program: 25 billion dollars (€17.5 B) in
indirect loans, • energy density: 100 Wh/kg,
• DoE Electric Vehicle Battery and Component • power density: 2,000 W/kg,
Manufacturing Initiative: $2.4 B (€1.7 B) in • life: >10 years,
loans ($1.2 B of which for battery manufac- • cost 2015: €360/kWh.
turing plants),
The Rising programme (R&D Initiative for Scien-
•D
oE Loan guarantee program,
tific Innovation on Next-generation Batteries) was
•A
RPA-E Funding: the aim is to finance high-risk launched in 2009. With an annual budget of 30
complex works with a high return on invest- billion Yens (€260 M) until 2015 and further to
ment. Part of the funds granted was used to the objectives of improving the operation and
support the Battery for Electrical Storage in reliability of lithium batteries, it targets the fol-
Transportation programme. lowing objectives:
The originality of some financing schemes re- • energy density: 300 Wh/kg,
sides in the unique partnerships created be- • power density: 500 W/kg,
tween the universities, start-up businesses and
industrialists. • life: >10 years,
• cost 2015: €360/kWh.
Furthermore, the New York Battery and Energy
Storage Technology Consortium (NY-BEST), a co- In 2010, in order to acquire the means for
alition highly focused on the industry, set itself reaching these objectives, the NEDO set up a
the objective of promoting developments in programme entitled “Research and develop-
the energy storage sector and the manufacture ment for an efficient combination of energy
of a high-tech battery in the State of New York. storage systems”. With this in mind, a centre of
In this respect, the New York State Energy Re- excellence in battery research was created in
search and Development Authority (NYSERDA) Tokyo: the I-BARD (Innovative Battery Research
granted $11.5 M (€8 M) in 2010 to support and Development Center).
this topic.
China
Japan In 2009, China represented the largest auto-
The first vehicle research programme, launched mobile market in the world11: 199 million ve-
in 1992, had the purpose of developing a 3 kilo- hicles in circulation and 13.6 million cars sold,
watt-hour (kWh) lithium battery pack with the which tops the United States. However, this
following specifications: has not happened without creating signifi-
cant pollution problems within Chinese cities.
• energy density: 140 Wh/kg, The Energy Saving and New Energy Vehicle Devel-
• power density: 400 W/kg, opment Plan (2011-2020), the purpose of which
• life: > 1,000 cycles. is to reduce the environmental pollution caused
by this explosion in the use of vehicles, was of-
In 2002, another programme dedicated to fuel ficially launched in January 2011. This plan will
cell vehicles involved the same lithium technol- encourage the industrialisation of rechargeable
ogy (nickel, cobalt and manganese cathode) hybrid vehicles and electric vehicles equipped
with lithium-ion batteries.
11. Electronic bulletin from the scientific service of the French embassy in Beijing, 28 January 2011.
The development of electric vehicles is also a Additionally, within the subject area of Informa-
priority of the 12th five-year plan (2011-2015). tion and Communication Technology, a call for
China has set itself the objective of having one proposals, benefiting from a budget of €30 M,
million «new energy» vehicles by the year 2015. was launched during the second semester of
The Deputy Managing Director for the industry 2010 on technology for developing electric
and equipment of the Ministry for Industry and vehicles, including energy storage systems and
Information Technology (MIIT) has declared that their integration.
the country places a high level of importance
on research and development in core battery Moreover, the Directorate-General of the Euro-
technology in the field of electric vehicles. China pean Commission has recently launched a call
is organising itself to become the world leader for proposals within the scope of the 7th FPRTD
in this field over the next ten years. for financing one or two large-scale energy
storage demonstrators, within the range of one
The MIIT announced in November 2010 that gigawatt-hour (GWh), with a budget of €30 M.
more than 100 billion Yuans (€11 B) would be
invested over the next decade to support the
Germany
production of electric vehicles.The vice-director
of the department for high-technology of the Published in 2008, the BMWi Research and
Ministry of Science and Technology (MOST) Development Concept for Mobile and Stationary
proposed the figure of 8.5 B Yuans (€930 M) Storage Batteries has the objective of setting up
invested in the field of electric vehicles and 2 B a comprehensive industrial provisioning sector
Yuans (€220 M) in the field of new energy vehi- for building batteries.
cles during the 11th five-year plan (2006-2010).
With regard to infrastructures, 150 additional Electricity storage systems supporting
electric vehicle charging stations should be built power grids and renewable energies
in 2011 in the cities of Beijing, Tianjin, Hefei and
In technical terms, electricity storage can pro-
Nanchang. In 2010, the State Grid Corporation
vide many services to power systems.
of China (SGCC) signed cooperation agree-
American and European studies have identified
ments with all cities within 26 provinces and
up to thirty such services. These include:
built 75 charging stations and 6,209 chargers
(the State enterprise will mainly propose pre- • the supply of reserve active power taking
charged batteries). part in grid frequency regulation and/or in
the adjustment mechanism,
European Union • grid voltage regulation (by power inverter or
by modulating the injection of active power
Within the scope of the 7th Framework Pro- into a distribution grid),
gramme for Research and Technological De-
• the smoothing out of the active power inject-
velopment (7th FPRTD, 2007-2013), and more
ed into the grid by means of renewable en-
particularly the public-private partnership on
ergy production (RnE), fluctuating in nature,
“Green Cars”, a call for proposals was launched
to develop the eco-design and manufacturing • the management of isolated congestion with-
methods for batteries and their electrochemi- in the power grid,
cal components. The creation of an assessment • market arbitration (value formed from the
guide in view of conducting life cycle analyses forecasted differentials between the ceiling
for the initiatives of the Green Cars project, de- and floor prices of the daily markets),
termines the eligibility of the projects proposed.
• postponing investments made in distribution
A budget of €25.5 M has been attributed for
grids (line reinforcements, transformers).
2011, divided between the themes of Materials,
Transport and the Environment, with a respec- To date, almost all energy stored in power
tive €10 M for the former two and €5.5 M for systems is produced by means of hydraulic
the latter. pumping equipment (outlined under the head-
ing hydraulic pumping below). A capacity of ap-
12/13
proximately 100 gigawatts (GW) is installed storage. The budget can be broken down as
throughout the world.This involves mature and follows:
efficient technology (cycle efficiency of almost • reliability of clean energy and the power system:
80%, costs equal to approximately €1 M per $35 M (€25 M),
MW installed). Several large-scale projects have
been launched in Europe (Switzerland, Austria, • smart grid technology (outlined below):
Spain, Portugal), with Asia having the highest $39.3 M (€27.5 M),
level of combined installed power and the most • cyber security for the power system:
active market. $30 M (€20 M),
• storage: $40 M (€28 M),
Physical storage systems
In addition to the aforementioned hy-
Smart grids
draulic storage systems, physical systems
are storage systems that use compressed Smart grids optimise electricity pro-
air or CAES (Compressed Air Energy duction and distribution and adapt sup-
Storage), via fly wheels (where the ply to better suit demand between elec-
electricity is converted into kinetic en- tricity producers and consumers. They
ergy by rotating a very heavy disc at high call for control and command means
speeds), hydropneumatic meth- based on information and communica-
ods, magnetic methods or SMES (Su- tion technology.
perconducting Magnetic Energy Storage)
using superconductive materials or even
thermodynamic methods.
One of the most historic compressed air stor-
CAES uses saline cavities (former salt age systems (with that of Huntorf in Germany)
mines) as storage sites. The air is com- has been in operation at McIntosh (Alabama)
pressed then expanded when the en- since 1991. This device has 110 MW in power.
ergy must be recovered. Advanced Adi- Currently, three CAES second generation dia-
abatic Compressed Air Energy Storage batic projects are under development and tar-
(AACAES) enables the thermal energy get very specific geological storage structures:
produced by gas compression and ex- the first project for 270 MW (in Iowa) aims at
pansion reactions to be conserved and using an aquifer, a second project for 300 MW
reused, unlike diabatic storage. (in California) aims at using a depleted gas field
and a third project for 150 MW (State of New
York) will be located in a saline cavity.
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Two lessons can be drawn from benchmark el- tal pilot stage aiming at validating the technol-
ements on sensible heat: ogy on a scale larger than that of the labora-
• significant works were conducted in the 70s, tory and at improving energy efficiency.
most of which were abandoned in the 80s. In Europe, one of the topics of the 7th FPRTD
However, since the mid-90s, research works targets advanced heat storage systems. In
have been resumed; 2010, thermoelectric technology (heat recov-
• these works follow two main directions. The ery), combined with the development of na-
first consists in resuming works on the tech- nomaterials, was subject to a call for propos-
nology developed in the 70s with the diffi- als. Three calls for proposals are scheduled to
culty being that they no longer correspond take place in 2011 for a total budget of €20
to the analysis matrix today, in particular in M. Their priorities include developing materi-
terms of life cycle analysis or GHG footprint. als (preferably thermochemical materials) and
The second direction consists in developing innovative, compact systems for seasonal heat
new technology such as on-site storage in storage (optimised energy integration for the
sand or in blocks of concrete (by making the different components). The energy density and
most of the thermal inertia of these materi- volume occupied by the storage materials are
als), however in this case with a lack of in- key parameters in these research efforts.These
dustrial feedback (lacking any demonstration calls for proposals are fully integrated into the
step for most new technology). directions outlined by the SET Plan (Technology
Roadmap 2010-2020).
The ECES (Energy Conservation through Energy
Storage) programme led by the International
Energy Agency is today the best structured Business models beneficial to the de-
R&D network in addition to being the most ployment of storage systems
active in the field of thermal energy storage.
Approximately fifteen projects have been final- A priori and within the technological limits, a
ised and seven are underway, four of which are wider use of storage facilities would allow for the
specifically focused on thermal storage: provision of different services to different stake-
holders, thus increasing the value of this technol-
• thermal response tests within the scope of
ogy, which would promote its development.
underground energy storage (Annex 21 of
the programme), In power systems, studies agree on the
• energy storage solutions in closed green- need to pool the services rendered by stor-
houses: summer heat storage for winter dis- age units to help reach an economic balance.
tribution (Annex 22), The role played by energy storage in providing
new “systems services”, such as smoothing out
• integrating new energy storage technology in consumption, managing localised congestions
ultra-low energy buildings (Annex 23), and more generally the entire grid operation,
• developing materials for improved thermal could be considered in order to promote de-
energy storage systems (Annex 24), such ployment.Various new storage uses have there-
as latent heat storage via sodium acetate fore been tested throughout the world to sup-
(Technical University of Denmark), the use port the grids or to promote the penetration
of molten salts included in perforated con- of RnE. For example in the United States, the
struction bricks (University of Lleida, Spain), American Electric Power (AEP) operator uses
the development of new sorption materials a sodium-sulphur battery to defer back-up in-
(National Chemistry Institute, Slovenia) and a vestments for distribution grids. Moreover, AEP
seasonal storage system based on the liquid uses these storage facilities to provide systems
sorption phenomenon for a lithium chloride services and guarantee RnE injection into the
material (University of Minnesota). However, grid. It should be noted that the business model
these systems are, at best, in their experimen- in this case is based on the positive example of
an integrated operator (production-grid) and Between these two extremes, any type of com-
remains dependent on a beneficial public policy. bination is theoretically possible. However, given
the urgency to adapt power systems to the de-
However, commercial and legal difficulties exist: velopment of RnE, several European countries
the problem of interactions between regulated are modifying their energy regulations in favour
and deregulated stakeholders, the issues of of energy storage. In most cases, the regulatory
rights, property and access priorities, etc. An- modifications involve the grid fee applied to
other possible method involves a time-based energy storage facilities. It can be noted, for ex-
bidding system providing multiple stakeholders ample, that at the beginning of 2009, Germany
with access to a storage system. passed a law exempting any new stationary
Given that thermal storage remains little storage facility from the grid access fee (addi-
used, examples of large-scale implementation tional value of between €5 and €25/MWh ac-
associated with business models are hard to cording to the connection voltage and level of
find. use of the storage facility).
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4 Key parameters
The construction of long-term visions is based on the iden-
tification of key parameters, variables whose contrasting
evolution will result in radically different scenarios of the
deployment of advanced storage devices by the year 2050.
They aim at highlighting the few variables which, Within the scope of restricted development,
according to the group of experts, will be capable motivated by very specific needs within a non-
of exerting a significant influence on the deploy- beneficial economic context, which is the cur-
ment of these storage devices by this deadline. rent trend today, storage merely represents a
component of the global activity of an energy
Two families of key parameters have
systems stakeholder. It leads to optimised activi-
been identified, the first connected to storage
ties (production value, voltage support, curtail-
system technology (efficiency, cost and archi-
ment, postponing investments).
tecture) and the second characterising their
economic environment (regulatory systems, On the other hand, although the hypothesis of a
regulations, storage value model). system regulated on a European level is not to-
tally excluded for 2050, within an “open” system,
where an economy specific to storage activity
Technological parameters
could be developed, it is possible that storage
Due to the scheduled deployment of renew- devices and the parties managing the latter be-
able energy and new transport modes, the en- come stakeholders in the energy system.
ergy system’s architecture must be developed to
This is materialised, for example, by the existence
adapt to this change.There is no denying that this
of a legal statute and specific roles in the energy
development may occur to differing degrees.The
system, dedicated business models and by the
evolutional framework strongly depends on the
existence of specific stakeholders such as
technological options available to support the
aggregators or storage operators (out-
development of decentralised electricity genera-
lined below). Storage includes an economic value
tion, improve control over energy demand, offer
intrinsic to the energy market and may act as a
services adapted to suit demand and improve
market arbitration instrument.The development
the energy efficiency of the entire value chain.
of such an economy requires significant evolu-
Persistent technological obstacles pre- tions in the regulation and tariff system, whether
vent generic solutions from overcoming almost storage is centralised, distributed or widespread.
all of these needs. Multi-sectoral services are
therefore fairly irrelevant from a functional or
economic point of view (poor convergence
New stakeholders
between fields of application such as housing/
on the energy scene
transport, housing/industry, power systems/
transport/housing): the different fields of ap- These include storage operators,
plication, characterised by their usage profiles who manage medium- and large-scale
(stationary and embedded electricity and heat) storage systems, and aggregators,
call for specific storage technology. who manage widespread storage facili-
Conversely, if generic technology can be ties, capable of designing and offering en-
produced, it should ease the convergence ergy services both to downstream cus-
of these fields of application and sup- tomers and upstream stakeholders.
port a scale effect that is beneficial to re-
ducing costs. Storage technology would there-
fore support a convergence between the fields
of application and could strongly influence the In a first example, storage is considered as an
nature and dynamics of this deployment. optimisation tool, whether for the energy stake-
holder or for another stakeholder in the value
Economic parameters chain, such as a car manufacturer. In a second
The business models proposed and regulatory example, it is considered as an energy system
systems are highly structuring for this industry stakeholder in itself with specific functions such
and will strongly influence the nature of the as providing heat or cold on the scale of a grid,
stakeholders and storage units. micro-grid or grid services.
5 Prospective visions
2010-2050 transition: 2030
2010 Electric automotive drive and hybridisation
are mature industries. The infrastructures are
In industrialised countries, the transport sector, already in place (production units, recycling, re-
a main contributor to the greenhouse effect, charging). A second use market exists for mo-
almost exclusively depends on oil.The automo- tor vehicle batteries. This growth has led to the
tive sector is a heavy industry, capable of making structuration of a battery industry attached to
significant investments. Outside of mobile ap- the automotive sector and operating accord-
plications, the automotive sector is that which, ing to the same industrial outline. New types
with the development of hybrid or electric ve- of accumulators are produced (4th generation
hicles, plays the largest role in driving the mar- lithium) which, according to the technological
ket for next generation electrochemical storage progress made, could constitute storage solu-
technology. The first mass production opera- tions compatible with numerous applications
tions are launched for embedded storage. outside of the automotive sector. Generic solu-
Stationary storage systems are in a more up- tions are thus born.
stream phase, at the demonstration stage. The In the field of RnE, new facilities continue to be
development of renewable energy leads to the installed, however at a slower rate than before.
issue of their integration into existing energy The visibility provided by demonstrators leads
systems. Their fluctuating nature promotes re- to the acquisition of the investments required
search and development projects on new sta- to industrially produce storage systems dedi-
tionary storage systems. Some methods (elec- cated to the power system and RnE. System
tric and thermal methods) reach performance costs fall, thus improving facility profitability.
levels compatible with commercial application.
Continuing along the dynamics of the previ-
The development of a regulatory framework ous years, thermal storage reaches an indus-
for better acknowledging the specific charac- trial stage compatible with systems applications.
teristics and benefits of energy storage systems Mass storage facilities are in operation, both for
is considered a priority by stakeholders on purely thermal applications (buildings, industrial
both a national and global scale. methods, heat grid) and for applications cou-
pled with the power grid.
2020
The production of embedded storage systems The 2020 vision
for the transport sector has reached an industri-
al scale, thus reducing costs by the volume effect. Given the rate of renewal of motor vehicles
Improved battery efficiency and reliability results and the nature and intensity of public policies, in
in research programmes specific to this sector. the sector of land transport, penetration plans
for privately-owned rechargeable hybrid or
Simultaneously, the exploration of stationary electric vehicles indicate that the rechargeable
storage applications with integration into the vehicle fleet should include between 1 and 2
power system, performed via demonstrators us- million vehicles by the year 202012
ing available technology (3rd generation lithium,
sodium-sulphur), has led to the identification of Simultaneously, different forms of business
vectors for adding value to storage and to the models are tested to free electric vehicles from
precision of needs in terms of performance. their dependence on public support (e.g.: bat-
tery leasing systems, grid service provision by
Thermal storage systems have progressed via convergence between buildings and transport).
the dual stimulation of peak energy costs and
RnE. Life-sized preindustrial demonstrators are In the year 2020, the objectives set by the
produced. Grenelle de l’Environnement have been
reached in terms of the market penetration of
The installation of a common and approved electrical and thermal renewable energy and
framework for the development of storage energy-positive buildings.
activity offers a level of visibility specific to pro-
moting investments from different stakeholders For renewable electrical energy, this means the
within the industry and the commercial deploy- installation of 25,000 MW of additional power
ment of storage systems. capacities, essentially comprised of wind turbines
12. Report by Legrand on the market penetration of electric vehicles in France.
18/19
(approximately an additional 20,000 MW) and At this time, these storage systems are essen-
photovoltaic systems (approximately an addi- tially stationary systems, however experiments
tional 5,000 MW). are underway to test large-scale mobile storage
For up to 20,000 MW13, these additional ca- means (several hundreds of rechargeable hybrid
pacities are absorbed by the power system via or electric vehicles and buildings, outlined below).
four main levers:
• improving models for predicting production
from fluctuating sources; Vehicles for storing electricity
• optimising the location of the different pro- Following the example of domestic hot
duction sites so as to benefit from the differ- water storage tanks, rechargeable ve-
ent climate zones in France; hicles can be considered as means of
• continuing to develop interconnections with storing electricity. On the one hand, this
European electricity transport grids; would lessen the amount of electric-
• developing the distribution grid architecture ity consumed within buildings, including
and the growth in their “intelligence” leading energy-positive buildings and on the
to the dynamic management of demand ac- other hand, those of the power grid by
cording to the grid status. providing support, in particular within a
context based on the high market pen-
In order to produce more than 20,000 MW, etration of fluctuating energy sources.
additional degrees of freedom must be mobi-
lised, in particular via storage systems connect-
ed to the grid, fluctuating production facilities
or directly to the end consumer (which may Strengths and weaknesses of the
also be a producer). 2020 vision
In the field of residential and tertiary build- This scenario, which describes the first phase in
ings, reaching the objectives of the Grenelle de deploying energy storage systems in the build-
l’Environnement requires the construction of ing, RnE and transport sectors, boasts the fol-
400,000 to 500,000 energy-positive buildings lowing strengths:
by the year 2020.These buildings may however,
• objectives set in terms of transport, renew-
in an occasional manner, consume more than
able energy and buildings, which tend to mo-
or less than the amount of energy produced.
tivate stakeholders;
In order to constantly meet the needs of their
users, energy-positive buildings therefore re- • markets in these sectors, which, although calling
sort to various different options, including stor- for specific technology, already offer significant
age systems. These systems associated with a potential for industrialists in the storage industry.
building or a block of buildings (sector, outlined However, some weaknesses hinder growth in the
below), distribute, during periods of energy de- storage industry and must be overcome in view
ficiency, the energy stored during periods of of its industrial mass deployment in 2020-2050:
energy excess.
• a lack of visibility on emerging markets, the
development of which strongly depends on
public policies;
• a domestic market which is considerable in
Building sectors size, yet remains insufficient for developing a
mass industry;
Sectors are groups of adjacent or non-
adjacent buildings, having diverse or spe- • strong and very active international compe-
cific uses (housing, equipment, tertiary tition in Asia and the United States, where
markets will first emerge, as their grids are, in
buildings), making up a unit of function
some cases, of lesser quality;
or unit of identity of a district in energy
terms, both for sharing energy needs • strong competition from other “degrees of
freedom” in all possible fields of application for
and for that of energy production.
energy storage (e.g.: biofuels, interconnections,
forecasting systems for fluctuating production).
13. This magnitude, provided by the RTE (French Electricity Transmission network, operator of the power system in France) within the scope of the
roadmap on “Smart grids and electricity systems integrating renewable energies”, must not be seen as a threshold but rather as a limit generated from
our current knowledge on power system operation and on the conditions for integrating fluctuating energy production sources into the power grid.
This may be revised (increased or decreased) according to the knowledge acquired in the years to come.
2050 visions
The contrasted variations of these two families of key parameters result in the production of four dif-
ferent visions for the deployment of storage systems in the long-term (see table below).These predic-
tions make up visions of extreme cases, the respective realisation probabilities of which being capable
of varying, in particular in relation to each other. However, the identification of these evolutionary
limits in the technical-social-economic system enable a realistic area of materialisation to be outlined.
Outline of the long-term deployment visions for energy storage systems.
ECONOMIC PARAMETERS
Little development in the regulatory Significant development in
systems «restricted case» the regulatory systems «open case»
Vision 1: Vision 2:
Sector-specific
deployment of
specific units
Multi-sectoral supply up
Deployment
Vision 4:
technology
to a point
Storage operators
A «paradoxical» vision: mature
A perfectly consistent technological
technology within a context providing
offer and socio-economic context.
little encouragement
for investments.
Vision 1: Sector-specific and target- • the inability to develop a business model for
ed storage finding an economic balance for such an op-
tion, in the absence of public support.
This vision represents an incremental evolution
of the current situation. Storage systems are little In this scenario, electric storage remains bipolar
shared between the different fields of application (embedded and stationary). Car manufacturers
(land transport, buildings, energy grids), but also have integrated the embedded sector whereas
within the same field of application. The norma- energy producers and grid managers remain
tive and regulatory framework also remains too the main stakeholders in transforming the sta-
sector-specific to promote the development of tionary sector. In stationary applications, electric
competitive multi-sector business models. and thermal storage is proposed as part of a
set of solutions for technically and economically
As with the current situation, the characteris-
optimising an activity. For the operator propos-
tics and functions of storage systems (storage
ing this global option (which includes the use of
capacities, storage duration) are defined and
storage means), economic value may be added
optimised according to the single field of ap-
to storage devices via a policy on energy ef-
plication and usage profile.
ficiency, reduced energy invoices, temporary
The lack of any inter-sector sharing of storage curtailment or optimised technical-economic
systems, as could be the case between buildings grid management.
and transport, is explained by: With regard to the energy system, each en-
• the persistence of technological and/or eco- ergy-positive building and each decentralised
nomic obstacles; energy production site using fluctuating or non-
• the lack of any energetic, economic and en- fluctuating renewable resources has their own
vironmental relevance of such options for storage device. This enables them, with other
reaching targets such as the factor 4 objectives; tools (control and management of supply and
20/21
demand, improved energy efficiency and fluc- Vision 3: Multi-sectoral supply up to
tuation management), to acquire the degrees a point
of freedom required for local optimisation. This
In this case, technological progress has led to
activity can take on different forms according
the emergence of generic storage solutions
to the geographic scale considered: storage on
easing convergence between the fields of appli-
the scale of an individual, to use their renewable cation (buildings, transport, power grids, indus-
energy production (very local optimisation), or try) and the technical value of storage systems.
large-scale storage system (STEP or CAES), However, the socio-economic and regulatory
managed by energy producers or transport context has evolved very little, thus restricting
grid managers (storage that remains sector- stakeholders to complex and sector-specific
specific in the use of its energy). business models.
Yet, in a technological field where progress is
Vision 2: «Consumer stakeholders» difficult and research expensive, industrialists
and aggregators must have a stable and positive vision of the
This vision is based on the presumption that a context in which their market will develop so
significant development has taken place in the as to make the investments required for rap-
socio-economic framework, without the tech- idly developing their technology. The lack of
nology being able to converge towards generic coherency between mature technology and a
solutions. The sector-specific approach of the restricted, sector-specific market implies that
storage function therefore remains strong. the realisation of this scenario is less probable
in the year 2050.
The main difference with the previous vision
resides in the development of regulatory sys- In the hypothesis of even partial realisation, the
tems, which leads to the modification of tar- energy market remains restricted, in particular
iff systems and the emergence of new stake- due to the low level of development of the
holders in the energy system, some of which regulatory systems.
are specific to the storage activity. A sectoral The centralised system remains in place to
economy specific to this activity is set up. Stor- guarantee energy supply and coordinate and
age aggregators or operators appear as part optimise the functioning of the energy grid.
of the energy stakeholders and contribute to Controlling the interactions taking place be-
developing technology. These are specialists in tween energy systems (of all sizes) remains the
a given field of application (stationary electricity main mission of centralised operators.
storage, embedded storage, heat economisers),
who transform their investments via a service Storage options intended for use in several dif-
offer based on storage. This may also lead to ferent sectors are uncommon in energy sys-
the emergence of micro-stakeholders or even tems and make up, as in vision 1, an optimisation
individuals who, at their level, take part in a lo- strategy for a specific activity. Generic storage
cal energy market and economically transform technology suffers from the lack of incentive
mechanisms and stakeholders using the latter.
their investment (storage device), either directly
according to their energy needs or by compen-
sation for systems services: these widespread Vision 4: Storage operators
stakeholders could be classed as “consumer
stakeholders”. In this vision, the association of the different
fields of application for storage is combined
The geographic scale of intervention of these with a reflection on the economic value of the
new stakeholders varies greatly: this can be specific activity. The appearance of operators
translated by an aggregation of multiple decen- whose activity is economically profitable re-
tralised storage devices, but also by the installa- sults in both significant technological progress
tion of larger storage systems.This choice is the for storage devices and regulation or incentive
result of technical-economic optimisation. mechanisms (on a national or European level)
promoting the deployment of this industry.
Sophisticated energy management systems are
developed and installed so as to optimise the Generic storage technology creating technical
interactions taking place between each storage value for several sectors (for example between
system.This arises from the significant rise in the the building and transport sector) is mature
level of intelligence of the energy system in its and enables the optimisation of energy pro-
entirety and by the possibilities offered by new duction via the high value of each quantity of
information and communication technology. energy produced.
Specific energy storage operators appear and gy produced (renewable energy, unavoidable
manage storage units of all sizes. These new thermal energy, otherwise known as wasted
operators, who compete with the current pro- energy);
ducers and suppliers, propose an economic • proposing their own storage offer based on
model based on energy compensation and classic energy grids and combining electricity
compensation for services rendered to the en- and heat storage.
ergy system in its entirety (power grids, heat
networks, recharging batteries, support for The storage activity makes up an activity in it-
fluctuating energy production devices, supply/ self within the energy system and actively takes
demand balancing, etc.). part in energy market arbitrations.
This scenario is coherent with the emergence
They control storage systems with the objec-
of energy sectors (of varying sizes) which are
tive of:
almost energy independent due to a high-
• taking part in the supply/demand balance performance coupling between highly decen-
guarantee for the entire system; tralised production, consumption profiles and
•o ptimising the value of each quantity of ener- storage devices.
The following table specifies the main strengths and weaknesses of these four scenarios, in addition
to their main characteristics, discriminating factors and key stakeholders.
Strengths and weakness of the different 2050 visions
Strengths Weaknesses
Vision 1 • No brutal modification in the energy • High restrictions in the costs and per-
system and its management formance of storage systems, which are
considered on a case by case basis
• Low social aspect
22/23
6 Obstacles
The 2020 and 2050 visions lead to the identification of tech-
nological, economic, organisational and transversal obstacles
affecting their emergence.
24/25
power plants, interconnections, load control • Although beneficial to structuring the renew-
methods, fluctuating production forecasting able electricity generation industry, purchase
methods, etc.); obligations and associated tariffs must be re-
• The deployment intensity of storage devices vised so as to provide for the development
will greatly depend on the business models of storage without penalising the production
produced. The identification of profitable industry.
business models for using storage means re- • In France, as in many other countries within
mains difficult and complex in a multi-stake- the European Union, the operator of a stor-
holder and multi-service system. In parallel, age system must pay grid access fees when
no solution has been proposed to generalise drawing off and reinjecting the electricity
the issue of creating storage value. According stored, which is detrimental to the profitabil-
to the markets, uses, locations and stakehold- ity of these facilities. An in-depth analysis of
ers concerned, the economic value of the the access conditions could lead to the draft-
storage option may vary considerably. ing of a better suited tariff system (for exam-
• With the objective of promoting industrial ple hourly/seasonal pricing).
investments, the high market dependency on • For mass storage systems requiring the use of
public energy policies appears to hinder the the public domain, the principle of the call for
deployment of storage technology. tenders for license renewals hinders invest-
• Its social acceptability must be considered, in ments by providing no long-term guarantee
particular with regard to mass storage. for investors.
• In order to ease the integration of storage
Regulatory obstacles systems within buildings, a regulatory frame-
work must be defined to provide industrial-
Mainly developed as part of a centralised vision,
ists with precise guidelines for designing their
the current legislative and regulatory frame-
products.
work is little suited to the implementation of
storage means attached to decentralised en- • Given the current diverse range of storage
ergy production. solutions, standardisation works must be con-
ducted so as to promote the development of
• The European regulatory context, which
common and/or generic solutions.
multiplies the number of stakeholders within
the energy system, complicates or even lim- Environmental obstacles/risk control
its storage potential (power grid, producer,
supplier, distributor, user). To date, no clear, Irrelevant of the type of storage in question
standardised regulatory framework exists on (thermal, mechanical, electric storage, etc.), en-
a European level for energy storage. ergy storage consists in confining this energy
• The Reach directive14, which requires that into the smallest possible volumes and weights,
any substance manufactured or imported in which generally leads to risks of instability. Fur-
quantities exceeding 10 tonnes per year be thermore, research on increasingly efficient
subject to a report on chemical safety so as storage materials leads to the use of products,
to demonstrate the lack of danger for man the impacts of which are not always well known.
and the environment, will produce additional Therefore, all storage technology currently un-
costs and delays in the industrial deployment der development must be subject to a precise
of new storage materials. assessment of their health and environmental
he lack of legal rules, and more generally
•T impacts so as to understand and control the
of any institutional framework, hinders the risks inherent upon their use.
emergence of new operators and new en-
ergy services connected to storage.
14. Registration, Evaluation, Authorisation and restriction of Chemical substances, European regulation on chemicals effective as of June 2007.
7 Research priorities
Logically, the research works to be conducted must overcome the obstacles identified for the dif-
ferent energy storage systems. These are summarised here and provided by order of priority of the
actions to be undertaken.
Electricity storage
Electrochemical systems
Stationary Embedded
Priority 1 Increased life Improved energy and power densities
Improved intrinsic safety Reduced costs
Research into systems adapted to suit mass Characterisation and modelling of ageing
storage (red-ox flow, metal-air, etc.) phenomena in power and deep cycling15
Priority 2 Costs, including research into solutions Improved intrinsic safety
based on widely available materials
Electricity storage
Physical systems
Fly
SMES Hydropneumatic Hydraulic AACAES Thermodynamic
wheels
Priority 1 Reduced Improved Improved Structure and materials of
holding system power the heat exchanger/high-
consumption efficiency flexibility temperature storage means
Reduced and cycle
costs efficiency
Priority 2 Rotor-based Superconductive Adaptation Optimised conversion
structures materials to more machinery and systematic
and materials (toxicity, demanding integration
critical sites
temperature, (very high
cost) operating
head, salt
water, etc.)
Priority 3 Control of Optimised Systems integration
gyroscopic working fluid
effects combinations
(embedded) and gas/liquid
interface
management
Thermal storage
Market for low-
Short-term temperature and Inter-seasonal
small-scale facilities
Priority 1 Development of high- Development of low-cost Reduced losses
temperature materials for the PCM for housing
industry
Priority 2 Improved heat exchange power Improved system reliability
and maintainability
Priority 3 Development of compact heat exchangers/storage means Reduced implementation
costs
26/27
8 Experimental research platform
and research demonstrator needs
The wide diversity of energy storage technology implicitly
leads to high needs for testing means.
16. French National Institute for Environmental Protection and Industrial Risks.
17. French National Institute for Research into Transport and Safety.
Nonetheless, intended for mass produc-
tion, these small-scale devices must, for
competitiveness and reliability purposes, be
manufactured according to high-performance
industrial methods. The implementation of a
pilot production line is therefore classed as a
demonstrator. Research demonstrators
make up the real-life proof of the feasibility of
a technological solution or concept. These are
therefore located at the crossroads between
the industrial laboratory and the market.
Conversely, mass storage devices (inter-
seasonal thermal or electric storage devices
with systems services, etc.) can only be vali-
dated via demonstrators.
Furthermore, the different visions drawn up in
this document introduce the concepts of ag-
gregating widespread storage and multi-secto-
ral application (investment sharing) in the de-
velopment of energy systems. These two new
concepts call for real-life demonstrators, on the
one hand in view of assessing their impacts on
the storage technology implemented and on
the other hand so as to better understand their
added value in business models connected to
energy storage.
28/29
9 Pre-industrialisation and initial
marketing
With cost being one of the major obstacles
hindering the development of storage systems,
high investments are required to set up mass
production units for small-scale systems and
produce a competitive technical and economic
offer for mass storage. One of the priorities for
the development of this industry thus appears
to be the definition of a stable framework for
improving the reliability of business models by
providing increased visibility over the long-term.
It would also appear that, in order to build
their storage systems, French industrialists are
restricted to acquiring raw materials and com-
ponents abroad. Whether this involves electric-
ity or heat storage, the emergence of a fabric
of national storage system component suppli-
ers should be promoted. These new suppliers
may arise both from the diversification of major
groups (Saint-Gobain, Arkema, Alstom, etc.) or
from a fabric of innovative and specialised SMEs.
Finally, with regard to an emerging market ex-
posed to significant growth on a global scale,
large-scale demonstrators should be used so
as to constitute an international showcase for
French technology and know-how in the field
of energy storage.
About ADEME
The French Environment and Energy Manage-
ment Agency (ADEME) is active in the imple-
mentation of public policy in the areas of the en-
KOSSUTH Communication
local authorities and communities, government
bodies and the public at large. As part of this
work the agency helps finance projects, from re-
search to implementation, in the areas of waste
management, soil conservation, energy efficien-
cy and renewable energy, air quality and noise
abatement.
ADEME
20, avenue du Grésillé
BP 90406 49004 Angers Cedex 01 France
www.ademe.fr
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Roadmap on energy storage systems
Summary I May 2012
Energy storage (electric and thermal storage) is a global in- Storage technology
dustrial sector that is gaining in power and leading to numer-
ous agreements between industrialists and research bodies. The experts have studied and compared the technology and
In France, this dynamic meets the 2020 political and social business models implemented in Japan, the United States,
objectives set by the Grenelle de l’Environnement in addi- China and the European Union, more particularly in Germa-
tion to the 2050 «Factor 4» objectives1 It must enable the ny. Electrochemical systems4 appear to be the most promis-
renewable energy– electrical and thermal energy – develop- ing option for embedded electric storage and in particular
ment objectives to be reached by integrating this increasing lithium-ion technology. Most stationary electric storage ap-
production into the French energy mix in a similar manner plications involve hydraulic pumping5 technology, which is
to that of rechargeable hybrid and electric vehicles2, and fi- currently the most mature and efficient. Other solutions in-
nally, it must generate as much value as possible for the en- clude compressed air storage, fly wheels, hydropneumatic
ergy produced. This benefits from the significant technologi- methods, magnetic methods and thermodynamic methods.
cal progress made in the field of materials, electrochemical With regard to heat storage, four main technologies are in
techniques (for batteries), power electronics and informa- competition: sensible heat storage, latent heat storage, ther-
tion and communication technology. mochemical storage and storage by oxidation.
Electrical energy storage involves, on the one hand, sta- Two extreme economic and regulatory approaches to
tionary systems – for dedicated sites3 which provide sup- power systems have been identified: those where the tech-
port to power grids and renewable energy production nical specifications or regulations encourage renewable
sites – and, on the other hand, embedded systems – small- energy producers to become equipped with storage facili-
scale storage means integrated into a mobile system, in ties and those where storage occurs without public aid or
particular within rechargeable hybrid and electric vehicles. regulatory developments, but via business models. Between
Heat storage essentially involves stationary systems used these two extremes, any type of combination is possible.
in the building sector. Embedded heat storage and distri- With regard to thermal storage, which remains little wide-
bution systems are also studied within the scope of this spread, few examples of large-scale implementation exist,
roadmap, produced with a panel of experts from research associated with business models.
bodies and companies, including both storage system man-
ufacturers and users. Their implementation in 2050
Two families of key parameters appear to substantially influ-
ence the deployment of storage systems in the long-term:
those connected to the technology and those characteris-
ing their economic environment. In the short-term and in
order to support the development of renewable energy by
2020, storage systems must be attached to power grids, re-
newable energy production facilities and the end consumer.
Energy-positive buildings (buildings producing more energy
than they consume over the year) require, for example, the
implementation of stationary electricity and heat storage
systems (or even embedded systems via the use of electric
vehicles).
1. Originating from French Orientation Programme for Energy Policy of 2005, it aims at cutting French greenhouse gas emissions by a factor of 4 by the year 2050, compared to their level in 1990.
2. Electric vehicles’ motors are supplied by batteries. Hybrids vehicles associate thermal and electric motors, their batteries being recharged during certain phases of the conducting. When those
batteries can also be recharged on the mains, we talk about reloadable hybrid vehicles.
3. These mainly involve large-scale storage systems (> several megawatt hours), with medium to high power levels (from 100 kilowatts to one gigawatt).
4. Lithium, nickel, sodium-sulphur, magnesium, air-metal, red-ox flow, high-temperature batteries, supercapacitor.
5.Water is pumped from a river or stream in a valley (or even low-lying reservoir) to a high-lying reservoir where it can be «turbined» when required to produce electricity. These are known
as pumped storage plants.
Four visions have been drawn up for the deployment of Research needs
storage systems by the year 2050. The first is based on
a conservative evolution: low level of system sharing be- In order to overcome the different technological and socio-
tween the different fields of application (transport, build- economic obstacles connected to the regulations and envi-
ing, energy grids) and within the same fields of application. ronment, the panel of experts has identified the priority re-
Regulatory systems undergo little development. Embed- search works to be conducted on electrochemical systems
ded solutions still involve car manufacturers, whereas the (stationary and embedded), physical systems (compressed
stationary branch remains the domain of the energy pro- air storage, fly wheels, hydropneumatic methods, etc.) and
ducers and grid managers. Each energy-positive building thermal storage systems. These demonstrate the need for
and each decentralised renewable energy production site experimental research platforms for assessing new small-
has its own storage device. A second scenario is based scale storage systems (in particular electrochemical sys-
on a significant evolution in the socio-economic frame- tems), both in terms of initial performance and life. In order
work without this leading to the development of generic to achieve this, shared platforms are required, following the
solutions. Tariff systems evolve and new stakeholders are example of the «battery research and technology network»,
born: storage aggregators. Their purpose is to aggregate recently created with the main public research stakeholders
multiple decentralised storage devices or set up larger and industrialists. For mass production, research demonstra-
storage systems. Third scenario, considered as unlikely: tors must allow for the large-scale testing of industrial meth-
the emergence of generic solutions without develop- ods.These are also essential for testing mass storage devices.
ments to the socio-economic and regulatory context. Finally, the concepts of storage aggregation must be assessed
A fourth scenario associates mature generic storage tech- on a real scale.
nology with added economic value for this activity: spe- Further to these large-scale demonstrations, one priority for
cific operators manage storage units of all sizes. They of- developing this industry involves defining a stable regulatory
fer new economic models based on energy compensation framework. A national fabric of storage system component
and compensation for energy services rendered. They take suppliers is also required.
part in the balance between supply and demand, created
KOSSUTH Communication
May 2012 I
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