Les combustibles métalliques comme solution de stockage d'énergie du futur ? Quand l'aluminium et le fer supplanteront l'hydrogène.

La solution au manque d'électricité en hiver ? Des chercheurs fabriquent la batterie du futur à partir de poudre métallique : un litre de fer pour 8 heures d'autonomie : la révolution méconnue du stockage d'énergie.

La transition énergétique est confrontée à un défi paradoxal : si les centrales solaires produisent un surplus d’électricité propre en été, dont une partie reste inutilisée, une pénurie d’électricité importante menace durant les mois d’hiver, sombres et froids. Ce déséquilibre saisonnier constitue l’un des obstacles les plus persistants à la neutralité climatique et continue de contraindre l’Europe à une coûteuse dépendance aux importations d’énergies fossiles. Alors que le débat public se concentre souvent sur l’hydrogène comme solution miracle, une alternative potentiellement supérieure se développe discrètement au sein de la recherche : le stockage de l’énergie dans des combustibles métalliques tels que l’aluminium et le fer.

Cette idée, à première vue insolite, se révèle, à y regarder de plus près, une solution d'une simplicité et d'une robustesse ingénieuses. Son principe repose sur un cycle chimique réversible : l'électricité excédentaire produite en été sert à réduire des oxydes métalliques en métaux purs, qui constituent des vecteurs énergétiques extrêmement denses et sûrs. Au besoin, ces métaux réagissent de manière contrôlée avec l'eau, libérant simultanément de la chaleur et de l'hydrogène, lesquels sont ensuite reconvertis en électricité.

Les avantages physiques sont étonnants : un litre d’aluminium stocke environ 23 fois plus d’énergie, en volume, que l’hydrogène hautement comprimé. La poudre ou les granulés métalliques peuvent être stockés et transportés en toute sécurité à température ambiante et à pression normale, sans avoir recours à des réservoirs haute pression coûteux ni à un refroidissement cryogénique. Ainsi, les combustibles métalliques pourraient non seulement révolutionner le stockage saisonnier de l’énergie pour les bâtiments et l’industrie, mais aussi réorganiser les flux énergétiques mondiaux et permettre à l’Europe de s’affranchir de sa dépendance énergétique géopolitique. Des projets pilotes en Suisse et en Allemagne démontrent déjà que cette technologie est bien plus qu’une simple idée de laboratoire : elle pourrait devenir l’élément crucial, jusqu’ici manquant, pour un approvisionnement énergétique sûr et entièrement renouvelable.

Convient à:

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Coup de génie suisse : comment un granulé métallique discret pourrait mettre fin à notre dépendance énergétique

Le défi du stockage saisonnier de l'énergie est l'un des problèmes les plus persistants de la transition énergétique. Alors que le surplus d'électricité photovoltaïque en été ne cesse d'augmenter en Europe, cette même énergie fait cruellement défaut durant les longs mois d'hiver. Les combustibles métalliques tels que l'aluminium et le fer offrent une solution prometteuse, supérieure à l'hydrogène, pourtant largement répandu, sur des points essentiels, et pourraient transformer en profondeur le secteur énergétique.

L'Europe est confrontée à un défi énergétique majeur. La Suisse, à elle seule, prévoit un déficit d'électricité hivernal d'environ huit à dix térawattheures d'ici 2050, malgré le développement massif du photovoltaïque. L'Allemagne et l'ensemble de l'Union européenne sont aux prises avec un problème structurel similaire. Si la production d'énergie solaire engendre des surcapacités en été, qu'il faut parfois réduire, une pénurie criante se fait sentir en hiver. Ce déséquilibre saisonnier s'accentue avec chaque panneau solaire supplémentaire installé sur les toits et les espaces ouverts en Europe. Parallèlement, l'électrification croissante du chauffage et des transports rend la demande d'électricité, notamment durant les mois les plus froids, encore plus critique.

La dépendance énergétique de l'Europe aux importations de combustibles fossiles souligne l'urgence de trouver des solutions de stockage durables. L'Allemagne transfère chaque année entre 80 et 130 milliards d'euros pour l'exportation de charbon, de pétrole et de gaz, tandis que l'Union européenne, dans son ensemble, transfère plus de 300 milliards d'euros. Ces sommes colossales quittent le pays au lieu d'être investies dans les infrastructures nationales et les technologies d'avenir. Par ailleurs, les bouleversements géopolitiques de ces dernières années ont cruellement mis en évidence les risques liés à cette dépendance.

Les combustibles métalliques tels que l'aluminium et le fer nécessitent de l'oxygène (O₂) pour libérer de l'énergie. La réaction est similaire à la combustion, mais elle prend souvent la forme d'une oxydation, par exemple :

Aluminium + Oxygène → Oxyde d'aluminium (Al₂O₃)

Fer + Oxygène → Oxyde de fer (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Ces réactions dégagent beaucoup de chaleur – et c’est précisément cette énergie que l’on souhaite utiliser comme forme de stockage.

L’hydrogène (H₂) est aujourd’hui un vecteur énergétique bien connu, mais il est difficile à stocker et à transporter.

Les combustibles métalliques sont considérés comme une alternative car ils :

◾️ sont très riches en énergie,

◾️ facilement transportable (solide, non volatil),

◾️ sont réutilisables – les oxydes peuvent être recyclés et réduits en métal, souvent en utilisant de l’électricité renouvelable.

Certains procédés utilisent même l'hydrogène pour reconvertir le métal oxydé en métal pur.

La physique du stockage d'énergie métallique

Le principe de base des combustibles métalliques repose sur une remarquable réversibilité chimique. Des métaux comme l'aluminium, le fer ou le silicium peuvent être chargés en énergie électrique par un processus de réduction, au cours duquel l'oxygène est libéré de leurs oxydes. Les métaux purs ainsi obtenus servent de dispositifs de stockage d'énergie à haute densité. Au besoin, ce processus est inversé : le métal réagit avec l'eau ou la vapeur d'eau, produisant de l'hydrogène et de la chaleur. L'hydrogène peut être utilisé dans des piles à combustible pour produire de l'électricité, tandis que la chaleur peut être directement intégrée aux systèmes de chauffage.

La densité énergétique distingue fondamentalement les combustibles métalliques des combustibles gazeux. L'aluminium atteint une densité énergétique théorique de plus de huit kilowattheures par kilogramme et une densité volumique de plus de vingt-trois kilowattheures par litre. Même l'hydrogène comprimé à haute pression (700 bars) n'atteint qu'environ un kilowattheure par litre en volume. Un litre de fer pourrait alimenter un foyer allemand moyen pendant plus de huit heures, tandis qu'un litre d'hydrogène hautement comprimé ne suffirait même pas pour une heure.

Ces propriétés physiques ont des conséquences pratiques importantes. Les poudres ou granulés métalliques peuvent être stockés et transportés à température ambiante et sous pression normale. Ni les coûteux réservoirs haute pression ni les systèmes de refroidissement complexes ne sont nécessaires. Les exigences de sécurité sont comparables à celles des matériaux en vrac classiques. Les risques d'explosion, tels que ceux liés aux fines poussières métalliques, sont évités grâce à l'utilisation de granulés plus gros. L'Institut suisse SPF de technologie solaire de l'OST, par exemple, travaille avec des granulés de fil d'aluminium 6060, disponibles dans le commerce et ne nécessitant aucune précaution particulière.

Une comparaison des matériaux candidats

L'aluminium est considéré comme le candidat le plus prometteur parmi les combustibles métalliques. Avec sa densité énergétique élevée, théoriquement supérieure à huit kilowattheures par kilogramme, il surpasse largement tous les autres métaux non toxiques. Lors de sa réaction avec l'eau, environ 50 % de l'énergie stockée est libérée sous forme de chaleur et 50 % sous forme d'hydrogène. Ce dernier peut être converti en électricité dans une pile à combustible avec un rendement de 50 %, ce qui donne un rendement global d'environ 75 % de chaleur et 25 % d'électricité. Cette combinaison est idéale pour les systèmes énergétiques des bâtiments, où la demande en chaleur est généralement prédominante.

Le principal défi posé par l'aluminium réside dans sa production énergivore. Environ treize à dix-sept kilowattheures d'énergie électrique sont nécessaires par kilogramme d'aluminium primaire. L'utilisation d'électricité produite à partir de charbon génère jusqu'à vingt kilogrammes de dioxyde de carbone par kilogramme d'aluminium. Même en employant des énergies renouvelables, le procédé Hall-Héroult conventionnel rejette encore environ une tonne et demie de dioxyde de carbone par tonne d'aluminium, du fait de la consommation des anodes en carbone et de leur réaction chimique qui produit ce dioxyde de carbone.

C’est là que l’innovation intervient. Dans le cadre du projet de recherche européen REVEAL, des scientifiques dirigés par OST développent un procédé de production d’aluminium totalement exempt de dioxyde de carbone grâce à des anodes dites inertes. Ces anodes sont composées d’alliages métalliques qui ne sont pas consommés lors de l’électrolyse et libèrent de l’oxygène pur au lieu de dioxyde de carbone. En parallèle, le partenaire islandais IceTec travaille à la mise en œuvre industrielle de cette technologie, en exploitant l’énergie géothermique et hydroélectrique facilement disponible. Des entreprises allemandes comme Trimet contribuent également à son développement et ont déjà mis en service des installations pilotes.

Le fer se présente comme une alternative pragmatique. Avec une densité énergétique d'environ 0,2 à 0,3 kilowattheure par kilogramme, nettement inférieure à celle de l'aluminium, il reste néanmoins compétitif face à de nombreuses autres technologies de stockage. Son principal atout réside dans sa disponibilité et son faible coût. Quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre, le minerai de fer est disponible en quantités quasi illimitées sans incidence notable sur les prix du marché mondial.

La réaction du fer avec l'eau produit très peu de chaleur. Toute l'énergie stockée est transférée à l'hydrogène produit, qui peut ensuite être converti en électricité avec un rendement d'environ 50 %. Ce rapport rend le fer particulièrement intéressant pour les applications où la demande en électricité est primordiale. L'équipe de recherche dirigée par le professeur Wendelin Stark à l'ETH Zurich exploite une installation pilote sur le campus de Hönggerberg qui stocke l'hydrogène de façon saisonnière grâce à l'oxyde de fer. Cette technologie est considérée comme environ dix fois moins coûteuse que le stockage conventionnel de l'hydrogène.

La réduction directe à l'hydrogène vert est déjà une technique industrielle bien établie pour la production de fer. Des entreprises comme ArcelorMittal et thyssenkrupp travaillent à la transition vers une production d'acier à base d'hydrogène. Cette technologie peut être utilisée directement pour le stockage d'énergie. Son niveau de maturité se situe entre six et sept sur une échelle de neuf, ce qui la rend proche de la commercialisation. Les installations peuvent fonctionner à pression normale et à environ 800 degrés Celsius, ce qui limite la complexité technique.

Le silicium représente une troisième option. Il combine une densité énergétique élevée, comparable à celle de l'aluminium, avec une bonne disponibilité. Deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre après l'oxygène, il ne présente pratiquement aucune contrainte de ressources. Sa technologie de production est bien maîtrisée grâce à l'industrie solaire. Cependant, la recherche sur le silicium comme matériau de stockage d'énergie est moins avancée que pour l'aluminium et le fer. L'Université technique de Darmstadt étudie le silicium dans le cadre du projet A-STEAM, mais il faudra probablement attendre plusieurs années avant son utilisation dans des applications industrielles.

L'économie de la transformation

La viabilité économique des combustibles métalliques dépend crucialement des coûts de production liés à l'extraction des métaux sans carbone. Au prix conventionnel de l'aluminium, d'environ 2 650 $ la tonne, des coûts supplémentaires d'environ 400 $ seraient engendrés en 2035 par la mise en œuvre industrielle de la technologie des anodes inertes. À long terme, les coûts devraient se stabiliser au niveau de 2020, soit une prime d'environ 300 $ par rapport à une production conventionnelle maintenue.

Ces coûts supplémentaires, cependant, doivent être replacés dans leur contexte global. Les investissements dans la décarbonation de l'industrie de l'aluminium sont estimés à environ mille milliards de dollars, dont près de la moitié est consacrée à la production d'énergie à faibles émissions. Deux cents milliards de dollars sont budgétisés pour les anodes à faible teneur en carbone. Mais ces investissements jettent simultanément les bases d'un marché du stockage d'énergie entièrement nouveau, qui dépasse largement l'utilisation traditionnelle de l'aluminium.

L'efficacité globale de la conversion de l'électricité renouvelable en électricité et en chaleur via le stockage métallique se situe entre 50 et 60 % pour les trois métaux étudiés. Cette valeur peut paraître faible de prime abord comparée aux batteries lithium-ion, dont l'efficacité atteint 85 à 95 %. Toutefois, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Premièrement, la comparaison n'est pertinente que pour des applications présentant des durées de stockage comparables. Les batteries sont adaptées à des durées de stockage allant de quelques heures à quelques jours, tandis que les combustibles métalliques le sont pendant des mois, voire des années. Le coût par kilowattheure stocké augmente considérablement pour les batteries lorsque la durée de stockage s'allonge, car les coûts d'investissement sont amortis sur un nombre réduit de cycles.

Deuxièmement, la chaleur doit être prise en compte comme source d'énergie pleinement exploitable. Dans les bâtiments nécessitant du chauffage, un système combinant 75 % de chaleur et 25 % d'électricité est potentiellement plus avantageux que l'électricité seule, qui doit d'abord être transformée par une pompe à chaleur. Les chercheurs suisses prévoient des coûts d'électricité et de chauffage d'environ 20 centimes par kilowattheure en hiver grâce aux systèmes de stockage en aluminium. Ce tarif serait compétitif par rapport à de nombreuses autres solutions énergétiques.

La conversion de l'électricité en gaz à partir d'hydrogène n'atteint qu'un rendement de 30 à 40 % lorsqu'elle est simplement reconvertie en électricité sans valorisation thermique. Avec la méthanisation, ce rendement chute à environ 33 %. Seule une cogénération optimisée et une valorisation constante de la chaleur résiduelle permettent d'atteindre des rendements supérieurs à 80 %, calculés sur la base du pouvoir calorifique supérieur. En pratique, cependant, ces valeurs sont rarement atteintes. De plus, le stockage et le transport de l'hydrogène engendrent des coûts considérables. Les cavernes salines souterraines ne sont envisageables que dans des sites géologiquement adaptés. Pour des pays comme la Suisse, dépourvus de telles formations, seules des cuves hors sol onéreuses ou les importations demeurent les seules solutions.

Les coûts de stockage varient considérablement selon les technologies. Les systèmes de stockage d'énergie thermique saisonniers coûtent entre 25 et 400 francs suisses par mégawattheure d'énergie stockée. Pour l'énergie électrique, le coût des centrales de pompage-turbinage est d'environ 100 francs suisses par mégawattheure, mais il est multiplié par plus de dix pour les autres systèmes de stockage d'énergie saisonniers. Les batteries lithium-ion coûtent actuellement entre 400 et 1 000 euros par kilowattheure de capacité de stockage. Bien que ces prix aient fortement baissé, ils restent prohibitifs pour le stockage saisonnier.

Les centrales de stockage par pompage fonctionnent de manière optimale pour les cycles journaliers et hebdomadaires, avec des rendements de 70 à 85 %. Cependant, pour le stockage saisonnier, avec un seul cycle par an, les coûts dépassent deux euros par kilowattheure d'électricité supplémentaire. Les contraintes géographiques liées aux sites appropriés limitent par ailleurs le potentiel d'expansion. Dans une économie entièrement tournée vers les énergies renouvelables, les capacités de stockage par pompage existantes seraient largement insuffisantes.

Intégration des systèmes et couplage sectoriel

La force des combustibles métalliques réside dans leur intégration harmonieuse au concept de couplage sectoriel. Ce terme désigne l'interconnexion des secteurs traditionnellement distincts de l'électricité, du chauffage et de la mobilité. Si la transition vers les énergies renouvelables est déjà bien avancée dans le secteur de l'électricité, la production de chaleur et les transports restent fortement dépendants des énergies fossiles. L'Europe dépense chaque année plus de trois cents milliards d'euros en importations de charbon, de pétrole et de gaz – une somme qui représente un manque à gagner pour son économie.

Les combustibles métalliques permettent un couplage flexible du secteur. En été, le surplus d'électricité photovoltaïque est utilisé pour réduire les oxydes métalliques. Le métal ainsi obtenu est stocké. En hiver, l'oxydation produit de la chaleur et de l'hydrogène. La chaleur est directement injectée dans le système de chauffage, idéalement couplé à une pompe à chaleur, ce qui améliore le rendement par temps doux. L'hydrogène est converti en électricité dans une pile à combustible, et la chaleur résiduelle de ce processus est ensuite réinjectée dans le système de chauffage.

Cette combinaison répond précisément au problème central des systèmes énergétiques européens. En Allemagne, la demande de chauffage représente environ la moitié de la consommation finale d'énergie. Une part importante de cette demande est concentrée durant les mois d'hiver. Un système de stockage qui fournit principalement de la chaleur tout en produisant une quantité substantielle d'électricité répond parfaitement à ce profil de demande. La Haute École spécialisée de Lucerne a calculé qu'une isolation performante des bâtiments résidentiels, associée à des pompes à chaleur, pourrait quasiment éliminer le déficit d'électricité hivernal de la Suisse. Combiné à des systèmes de stockage métalliques, un tel système permettrait d'utiliser de manière optimale le surplus d'électricité estival et de garantir un approvisionnement fiable en hiver.

D'après le modèle des chercheurs suisses, équiper tous les immeubles collectifs de systèmes de stockage d'énergie métallique pourrait réduire considérablement le déficit d'électricité hivernal prévu de huit térawattheures d'ici 2050. L'équipement de la moitié seulement de ces immeubles permettrait de réduire ce déficit de plusieurs térawattheures. La structure décentralisée de cette solution évite des mesures coûteuses d'extension du réseau et renforce la sécurité d'approvisionnement grâce à la redondance.

De nouvelles perspectives s'ouvrent pour les applications industrielles. La chaleur de procédé représente une part importante de la demande énergétique industrielle. L'électrification directe par pompes à chaleur, chaudières à électrodes ou chauffage par résistance est techniquement réalisable et déjà disponible pour de nombreuses plages de températures. Cependant, les combustibles métalliques peuvent constituer une solution, notamment pour les procédés à haute température et la stabilité de la charge de base. La combustion de poudre de fer peut atteindre des températures supérieures à 1 800 °C, suffisantes pour de nombreux procédés industriels.

Les centrales thermiques au charbon converties pourraient fonctionner avec des poudres métalliques. L'infrastructure existante de combustion, de circulation de vapeur et de production d'électricité pourrait être largement réutilisée. L'oxyde métallique ainsi produit serait collecté et transporté vers des installations disposant d'abondantes ressources en énergies renouvelables pour y être réduit. Cette approche permettrait d'utiliser les installations existantes, de préserver les emplois et de contribuer simultanément à la décarbonation. L'Université technique de Darmstadt étudie ce concept dans le cadre de son initiative Clean Circles.

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Maturité technologique et perspectives de développement

Le niveau de maturité technologique des différents composants varie considérablement. L'oxydation des métaux pour la production d'énergie est connue depuis longtemps et est déjà utilisée dans des applications spécialisées. Les particules d'aluminium et de fer sont utilisées dans les propulseurs des fusées Ariane, les feux d'artifice et d'autres applications pyrotechniques. Les processus chimiques fondamentaux sont donc maîtrisés et compris.

La réaction contrôlée avec de l'eau ou de la vapeur à des températures modérées pour la production de chaleur et d'hydrogène est actuellement en phase pilote. L'Institut SPF de technologie solaire de Rapperswil a mis en service un prototype développé dans le cadre du projet REVEAL. Une fois opérationnel, ce prototype démontrera comment produire de la chaleur et de l'électricité pour les bâtiments à partir d'aluminium par des procédés chimiques. L'énergie produite pourra alimenter des bâtiments et des installations industrielles ou être injectée dans les réseaux de chauffage urbain.

L'ETH Zurich exploite une installation pilote de stockage d'hydrogène à base de fer sur son campus de Hönggerberg. Trois réservoirs en acier inoxydable, contenant chacun 600 kilogrammes d'oxyde de fer, peuvent stocker environ dix mégawattheures d'hydrogène à long terme. Cette production permet de générer de quatre à six mégawattheures d'électricité, selon la technologie de conversion. L'installation est opérationnelle depuis 2024 et son extension est prévue d'ici 2026 afin de couvrir un cinquième des besoins en électricité du campus durant l'hiver grâce à l'énergie solaire stockée de façon saisonnière. Une capacité de stockage de mille tonnes d'oxyde de fer permettrait de produire deux gigawattheures d'électricité, soit l'équivalent d'un dixième de la capacité de la centrale de pompage-turbinage de Nant de Drance.

Le principal défi technologique réside dans la production de métaux sans carbone. Pour le fer, la réduction directe à l'hydrogène vert a déjà fait ses preuves à l'échelle industrielle. Plusieurs entreprises sidérurgiques construisent actuellement des installations pilotes et prévoient une transition progressive d'ici 2030-2040. La technologie présente un niveau de maturité d'environ sept à huit sur une échelle de neuf et se rapproche donc d'une commercialisation.

La technologie des anodes inertes est sur le point de révolutionner l'industrie de l'aluminium. Trimet, à Essen, exploite une usine pilote en conditions de production depuis 2024. L'entreprise prévoit une industrialisation d'ici 2040 et la neutralité carbone d'ici 2045. Des multinationales comme Norsk Hydro et Rio Tinto investissent massivement dans cette technologie. Apple a déjà commandé la première livraison d'aluminium provenant d'une usine pilote utilisant des anodes inertes pour la fabrication de ses smartphones. Ceci témoigne de l'intérêt commercial et de la crédibilité de cette technologie.

La question de l'échelle de production demeure cruciale. La production mondiale annuelle d'aluminium avoisine les soixante-dix millions de tonnes, tandis que celle d'acier atteint près de deux milliards de tonnes. Une capacité de production supplémentaire serait nécessaire pour contribuer significativement au stockage saisonnier de l'énergie. Cependant, cela ne déstabiliserait pas nécessairement les marchés des matières premières. L'aluminium et le fer figurent parmi les éléments les plus abondants de la croûte terrestre. Leurs ressources sont pratiquement illimitées. La production serait principalement limitée par la disponibilité d'énergies renouvelables abordables.

C’est précisément là que réside une opportunité cruciale. Les régions bénéficiant d’excellentes conditions pour les énergies renouvelables mais d’une faible demande locale pourraient devenir productrices de métaux. L’Islande, avec son énergie géothermique et hydroélectrique, l’Afrique du Nord, avec son fort ensoleillement, ou la Patagonie, avec ses ressources éoliennes, pourraient produire des métaux destinés à l’exportation à grande échelle. Le transport est simple et sûr. Les porte-conteneurs peuvent transporter des granulés de métal dans des conditions normales, sans les risques et les coûts associés à l’hydrogène liquide ou au gaz naturel liquéfié.

Repenser les flux énergétiques mondiaux

L'internationalisation de l'approvisionnement énergétique via les vecteurs métalliques modifierait profondément les flux commerciaux mondiaux. L'Europe dépense plus de trois cents milliards d'euros par an pour importer des combustibles fossiles. L'Allemagne, à elle seule, y consacre entre quatre-vingts et cent trente milliards d'euros. Ces sommes colossales sont en grande partie acheminées vers des pays aux régimes autoritaires dont les politiques contredisent souvent les valeurs européennes. Le financement de ces importations contribue à l'instabilité géopolitique et rend l'Europe vulnérable au chantage, comme l'ont cruellement démontré les récentes crises énergétiques.

Une transition vers les vecteurs énergétiques métalliques pourrait résoudre ces dépendances tout en favorisant de nouveaux partenariats. Les pays riches en ressources renouvelables mais à l'industrialisation nationale limitée bénéficieraient ainsi de perspectives d'exportation intéressantes. Le Maroc, avec son potentiel solaire ; le Chili, avec ses capacités éoliennes et géothermiques ; ou encore l'Australie, avec ses vastes étendues propices aux énergies renouvelables, pourraient devenir producteurs de métaux. Ces pays sont majoritairement des démocraties et partagent des valeurs fondamentales avec l'Europe. Les importations d'énergie contribueraient ainsi au financement du développement plutôt qu'au soutien des autocraties.

L'économie circulaire des combustibles métalliques diffère fondamentalement de celle des combustibles fossiles. Le charbon, le pétrole et le gaz sont brûlés de manière irréversible et transformés en gaz à effet de serre. Les métaux, en revanche, circulent en circuit fermé. Le métal oxydé est transporté vers l'usine de réduction et réutilisé. Ce cycle peut théoriquement se répéter indéfiniment sans perte ni dégradation de matière. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont même observé que la capacité de stockage de leurs réacteurs à fer augmente légèrement à chaque cycle.

Cette approche circulaire a des implications économiques considérables. L'investissement dans la production de métaux est amorti sur de nombreux cycles. Contrairement aux batteries, dont la capacité diminue à chaque cycle, les systèmes de stockage métalliques restent utilisables indéfiniment. Bien que les investissements initiaux dans les usines de réduction et d'oxydation, ainsi que dans le métal lui-même, puissent être importants, sur plusieurs décennies, le coût par kilowattheure stocké devient compétitif.

Les calculs de modélisation des chercheurs suisses tablent sur un coût d'environ vingt centimes par kilowattheure pour l'électricité et la chaleur produites par un système de stockage en aluminium. Ce coût est conforme aux coûts de production des énergies renouvelables et nettement inférieur à celui de l'électricité lors des pics de consommation hivernale. Avec l'amélioration et la généralisation des technologies, les coûts devraient encore baisser. L'histoire du photovoltaïque et de l'éolien illustre comment les effets d'apprentissage peuvent engendrer des réductions de coûts spectaculaires.

Risques et défis

Malgré son potentiel prometteur, des défis et des risques importants subsistent. Le développement technologique est loin d'être achevé. En particulier, la production d'aluminium sans dioxyde de carbone grâce à l'utilisation d'anodes inertes commence tout juste à se industrialiser. De nombreuses tentatives antérieures pour mettre au point cette technologie ont échoué. L'anode inerte a la réputation d'être toujours sur le point d'aboutir à une solution, sans jamais avoir permis une percée décisive.

La hausse des coûts de l'électricité pose problème. Les anodes inertes, contrairement aux anodes en carbone, ne libèrent pas de dioxyde de carbone et ne fournissent pas d'énergie pour le procédé. La demande d'électricité par tonne d'aluminium augmente donc. Compte tenu du coût déjà élevé de l'énergie en Europe, la compétitivité s'en trouve compromise. La production d'aluminium pourrait se délocaliser davantage vers des régions où l'énergie est particulièrement bon marché, tandis que l'Europe deviendrait un simple importateur.

La concurrence dans le domaine des énergies renouvelables s'intensifie. De nombreux secteurs s'orientent vers l'électrification. L'industrie a besoin d'hydrogène vert pour les procédés chimiques et la production d'acier. Les transports s'électrifient avec des millions de véhicules électriques. Les infrastructures numériques, et notamment leurs centres de données, consomment des quantités croissantes d'électricité. Dans ce contexte concurrentiel, les solutions de stockage métallique doivent encore démontrer leur supériorité économique.

Les besoins en infrastructures sont considérables. Des millions de systèmes de stockage décentralisés ou de grandes installations centralisées seraient nécessaires pour contribuer significativement à l'approvisionnement énergétique hivernal. La construction de ces infrastructures exige du temps, des capitaux et une volonté politique. Les délais de retour sur investissement pourraient s'étendre sur plusieurs décennies, ce qui risquerait de dissuader les investisseurs privés. Des subventions publiques et des incitations réglementaires seraient probablement indispensables.

L'impact environnemental de la production massive de métal expansé doit être examiné de manière critique. Même si le processus de production est neutre en carbone, il consomme d'énormes quantités d'électricité. Cette électricité, ainsi que toutes les autres sources d'énergie nécessaires, doit provenir de sources renouvelables. Les surfaces foncières requises pour les centrales éoliennes et solaires nécessaires sont considérables. De plus, l'extraction de la bauxite pour la production d'aluminium nécessite une exploitation minière à grande échelle, avec les conséquences écologiques et sociales que cela implique.

L'acceptation des nouvelles technologies énergétiques par le public est fragile. Chaque installation industrielle de grande envergure se heurte à une résistance locale. La construction d'éoliennes, de centrales solaires et de lignes électriques est régulièrement retardée, voire empêchée, par des initiatives citoyennes. Les usines de réduction des métaux, qui fonctionnent à haute température et consomment d'importantes quantités d'électricité, pourraient rencontrer une résistance similaire. Une communication transparente sur les avantages, les risques et les impacts environnementaux est essentielle.

Perspectives stratégiques pour l'Europe

Pour l'Europe, le développement des combustibles métalliques représente une opportunité stratégique pour asseoir son leadership technologique sur un marché d'avenir. Les instituts de recherche suisses et allemands figurent parmi les plus performants au monde dans ce domaine. Le projet REVEAL réunit des partenaires européens de premier plan. L'expertise industrielle en métallurgie, en génie des procédés chimiques et en intégration des systèmes énergétiques est largement disponible en Europe.

Une stratégie européenne coordonnée pourrait comporter plusieurs éléments. Premièrement, maintenir et intensifier le financement de la recherche. Les investissements précédents ont permis des progrès considérables. Un accroissement de ce financement permettrait de consolider l'avance technologique. Deuxièmement, créer des incitations réglementaires à l'entrée sur le marché. Des tarifs de rachat garantis ou des subventions à l'investissement pourraient encourager les entreprises pionnières à adopter ces technologies.

Troisièmement, l'intégration à la stratégie européenne en matière d'infrastructures énergétiques. Les réseaux d'hydrogène prévus pourraient être étendus pour inclure également les vecteurs énergétiques métalliques. Les infrastructures gazières existantes pourraient être partiellement réaménagées. Quatrièmement, la coopération internationale avec les pays offrant des conditions idéales pour la production de métaux. Des partenariats de développement avec les pays d'Afrique du Nord, des investissements dans les capacités de production sud-américaines ou des transferts de technologie vers l'Asie pourraient créer des situations mutuellement avantageuses.

La dimension géopolitique ne doit pas être sous-estimée. Une moindre dépendance aux importations d'énergies fossiles accroît considérablement la liberté d'action politique de l'Europe. La capacité de garantir l'approvisionnement énergétique en hiver, à partir de sources nationales ou internationales fiables, renforce la résilience face aux chocs externes. La diversification des sources d'énergie et des chaînes d'approvisionnement réduit le risque de chantage de la part des régimes autoritaires.

Parallèlement, de nouvelles dépendances apparaissent. L'Europe pourrait potentiellement devenir dépendante des importations de métaux, à l'instar de sa dépendance actuelle aux énergies fossiles. La différence réside dans la réversibilité et la circularité des métaux. Ils peuvent être recyclés et réutilisés, ce qui évite la pénurie existentielle liée aux ressources fossiles non renouvelables. De plus, la production pourrait, en principe, être implantée en Europe, à condition que l'énergie renouvelable soit disponible en quantité suffisante et à un coût abordable.

L'avenir du stockage de l'énergie

Les combustibles métalliques ne constitueront pas la seule solution aux défis de la transition énergétique. Ils feront plutôt partie d'un ensemble diversifié de technologies de stockage. Les batteries lithium-ion conserveront leur capacité à court terme, de l'ordre de quelques heures à quelques jours. Les centrales hydroélectriques à accumulation par pompage resteront indispensables à la stabilisation du réseau et à l'équilibrage des fluctuations journalières et hebdomadaires. L'hydrogène sera nécessaire dans l'industrie comme gaz de procédé et agent réducteur.

Les combustibles métalliques occupent une place spécifique dans le stockage saisonnier à long terme, principalement pour la production de chaleur. Ils y combinent les avantages d'une densité énergétique élevée, d'une manipulation aisée, de matières premières peu coûteuses et d'une bonne intégration sectorielle. Cette combinaison les rend supérieurs aux autres technologies. Les développements futurs permettront de déterminer si, et à quelle vitesse, ces avantages théoriques peuvent se concrétiser en pratique.

Les prochaines années seront cruciales. Plusieurs usines pilotes sont actuellement opérationnelles ou en construction. L'expérience acquise grâce à ces projets permettra de vérifier si les objectifs techniques et économiques sont atteints. Le développement de la technologie des anodes inertes déterminera si la production d'aluminium sans dioxyde de carbone deviendra réellement possible à grande échelle. La volonté des industriels et des décideurs politiques d'investir dans cette technologie définira le calendrier.

L'intégration des systèmes de stockage métallique aux réseaux énergétiques existants exige non seulement des innovations technologiques, mais aussi des innovations réglementaires et de marché. De nouveaux modèles économiques doivent être élaborés, tenant compte des spécificités du stockage métallique. Des contrats à long terme entre producteurs, exploitants de stockage et fournisseurs d'énergie sont indispensables pour garantir la sécurité des investissements. L'évaluation des avantages climatiques et énergétiques doit se traduire par des prix de marché appropriés ou des mécanismes de soutien adéquats.

Le débat public sur le stockage de l'énergie doit s'élargir. Trop longtemps, la discussion s'est focalisée unilatéralement sur l'hydrogène, présenté comme une solution universelle. La réalité est plus complexe. Différentes applications requièrent différentes solutions. Les combustibles métalliques méritent une place de choix dans ce contexte. Leurs avantages sont trop importants pour être ignorés. Leur potentiel est trop grand pour rester inexploité.

La transformation du système énergétique est l'un des plus grands défis technologiques et économiques de ce siècle. Elle exige du courage pour innover, une volonté d'investir et une ouverture aux nouvelles solutions. Les combustibles métalliques constituent une de ces solutions. Bien plus qu'une simple curiosité de laboratoire, ils pourraient révolutionner le stockage saisonnier de l'énergie, contribuer à combler le déficit d'électricité hivernal et ouvrir la voie à l'indépendance énergétique. Alternative à l'hydrogène, ils le complètent efficacement et le surpassent même dans certaines applications. Leur développement mérite attention, soutien et analyse critique. Les années à venir nous diront si les combustibles métalliques tiendront leurs promesses.

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