Stockage de l’électricité: le pari d’Elon Musk est-il tenable?

Photo Vincent Champain & Vincent Schächter / Directeur des opérations France, General Electric & Directeur R&D, Total Energies Nouvelles / July 10th, 2015

Avec le Powerwall de Tesla, c'est la première fois qu'une solution de stockage électrique individuelle de masse fait son apparition. L'équation économique est-elle solide? Cette solution présente-t-elle réellement un intérêt écologique? Deux spécialistes en discutent.

ParisTech Review – Partons de l’équation économique. Du point de vue du consommateur, est-il rentable aujourd’hui d’équiper d’un dispositif de stockage d’électricité tel que le Powerwall?

Vincent Champain – La réponse ne va pas de soi. Avec Frédéric Benqué et Alexis de Kouchkovsky, nous nous sommes livrés à quelques calculs pour l’Observatoire du long terme.

Théoriquement, un consommateur d’électricité qui dispose de panneaux solaires peut chercher à acheter un PowerWall pour se dispenser d’abonnement et de raccordement au réseau : il achètera une batterie pour couvrir les écarts entre la production de ses panneaux solaires et sa consommation.

En pratique, on a cependant du mal à boucler l’équation économique. La consommation d’une maison de 150 m2 est d’environ 60 kWh par jour. La batterie devra couvrir le risque d’absence d’ensoleillement – disons trois jours de consommation. Après prise en compte des pertes, cela représente 225 kWh soit 32 batteries de 7 kWh. Car avec une seule batterie de 7 KWh, on pourrait à peine alimenter un réfrigérateur pendant trois jours !

Une telle installation coûterait au moins 170 000 dollars en incluant le coût des panneaux solaires et la pose. Pour amortir un investissement de 170 000 dollars sur dix ans, il faut économiser 20 000 dollars par an, soit plusieurs fois la facture électrique moyenne d’une maison de 150 m2. Même en réduisant la marge de sécurité à une journée – ce qui signifie que l’on est prêt à accepter de se retrouver plusieurs fois par an sans électricité après une journée de faible ensoleillement – l’investissement est encore loin de la rentabilité. Au total, sauf dans les cas où le raccordement au réseau coûte très cher (par exemple, une île) ou pour des utilisations nomades (alimenter une rave party au milieu du désert), cette solution n’a donc pas d’intérêt économique.

powerwall

Vincent Schächter – Je crois qu’il faut faire la part des choses entre la prise de position stratégique à moyen terme d’Elon Musk, d’un côté, et de l’autre la réalité de la technologie et du marché du stockage résidentiel en 2015. Les batteries proposées aujourd’hui par Tesla ne sont pas révolutionnaires : elles marient la technologie lithium-ion développée par Panasonic avec le savoir-faire d’assemblage et de production à bas coût de Tesla. Elles sont conçues pour alimenter efficacement des véhicules électriques plutôt que des maisons. Les prix annoncés (430$/kWh pour le pack à 7 kWh et 350$/kWh pour le pack à 10kWh) n’incluent ni l’électronique de puissance ni les coûts d’installation, qui pourraient doubler la facture pour le client final. Enfin, les propositions de valeur liés au PowerWall et au PowerPack ne sont pas encore au rendez-vous: le backup résidentiel (alimenter la maison en cas de courte panne du réseau) est pour l’instant moins coûteux avec un générateur diesel. Et les structures tarifaires actuelles (« net metering ») récompensent autant voire plus celui qui revend son électricité solaire au réseau que celui qui la stocke pour autoconsommer plus tard.

Reste que les prix annoncés sont nettement plus agressifs que ceux de la concurrence et qu’il est astucieux de viser des économies d’échelle pour le stationnaire en s’appuyant sur les capacités de production déjà prévues pour les batteries mobiles (la fameuse « gigafactory »). Enfin et surtout, lorsqu’Elon Musk communique, les investisseurs écoutent : sa prise de position, partiellement autoréalisatrice, pourrait sérieusement accélérer l’adoption de solutions de stockage électrique individuelles.

ParisTech Review – On en parle peu, mais tout comme le développement des shale gas l’essor du stockage résidentiel aux Etats-Unis est très largement subventionné.

Vincent Schächter – Les subventions aux batteries visent un objectif similaire à celui de l’annonce d’Elon Musk : amorcer la pompe et faire baisser les prix rapidement en profitant des effets d’échelle. Les États qui financent cet effort initial espèrent en retirer des bénéfices, en favorisant un champion local et à terme en développant une spécialisation avec à la clé les fameux emplois verts, ou simplement en favorisant le développement des technologies renouvelables. C’est ce qui a motivé le Global Warming Solutions Act (dit aussi AB 32) ou le Self Generation Incentive Program en Californie, là où est installé Tesla. Au niveau fédéral, on peut citer bien sûr le volant énergétique du stimulus package d’Obama mais aussi le Renewable Energy Investment Tax Credit.

S’il est vrai que le stockage résidentiel n’est pas rentable aujourd’hui sans subventions, les technologies évoluent vite, et la réglementation et les structures tarifaires pourraient suivre.

Côté technologie, le Li-Ion est assez mature mais les coûts des batteries continuent de baisser à la faveur des économies d’échelle, notamment grâce aux volumes croissants de production de batteries pour véhicules. C’est le pari de Tesla. D’autres approches prometteuses  ont été développées ces dernières années en laboratoire, en jouant sur la chimie des électrodes et des électrolytes, l’architecture, la gestion électronique du pack : elles visent des densités d’énergie massiques plus élevées et surtout des coûts au kWh plus bas que le Li-Ion. Lithium-soufre, métal-air, lithium-air, magnesium-ion, métaux fondus… les pistes ne manquent pas.  Seulement pour espérer détrôner le Li-Ion aujourd’hui dominant, il leur faudra passer le cap difficile et coûteux de l’industrialisation. En attendant, il faut financer la R&aD : c’est ce que font la puissance publique via des subventions, certains capitaux-risqueurs, et parfois des industriels, par ordre de maturité technologique croissante.

ParisTech Review – Revenons à la rentabilité. Le débat doit-il être posé en imaginant qu’un jour les batteries remplacent le réseau électrique tel que nous le connaissons aujourd’hui?

Vincent Schächter – Pas forcément. Le calcul ci-dessus est intéressant pour la compréhension des ordres de grandeur, mais il traite d’un cas extrême qui n’est pas celui que les industriels visent aujourd’hui. La proposition de valeur n’est pas de se passer complètement du réseau électrique, mais de s’en passer juste le temps d’une coupure réseau, un vrai sujet dans certains états américains. Et surtout d’économiser sur la facture d’électricité en stockant l’énergie photovoltaïque pour la consommer quand on en a besoin et au moment où elle revient moins cher que l’électricité du réseau. Il s’agit donc moins de substitution que de complément. Et ici on change de modèle, le calcul devient : à quel moment la réduction de la facture d’électricité dépasse-t-elle le coût de la solution de stockage ?  Si les economics ne passent pas aujourd’hui, elles pourraient passer d’ici cinq ans.

Vincent Champain – Il y aurait deux conditions pour que cela soit le cas. D’abord que les batteries soient l’option la moins coûteuse pour apporter cette flexibilité. Or actuellement, des centrales à gaz ou de l’hydraulique sont bien plus intéressants. Ensuite il faudrait que ce stockage soit disposé de la façon la moins coûteuse. Or il sera sans doute toujours moins cher de le positionner au niveau d’un quartier ou d’une région, plutôt que de multiplier les petites installations coûteuses à maintenir ou à installer. Autrement dit, ce sera peut-être un jour intéressant de remplacer le réseau par des batteries, mais plutôt sous une forme mutualisée au niveau d’un groupe de logements que sous une forme individuelle comme l’est le Power Wall.

Vincent Schächter – Peut-être, mais moins cher pour qui et à quel moment ? Je me méfie des raisonnements fondés sur un calcul d’optimum global, ils ignorent les jeux d’acteurs et les dynamiques d’adoption. Prenons l’exemple de l’informatique : sur le papier, mutualiser les capacités de stockage et de calcul fait sens depuis longtemps. Cela n’a pas empêché la révolution informatique des années 80 de passer par l’équipement massif en ordinateurs personnels. Il a fallu attendre 30 ans pour que la technologie, les infrastructures (internet) et les utilisateurs rendent possible l’essor du cloud computing. Revenons à l’énergie : il ne me paraît pas évident que l’intérêt des distributeurs d’électricité ou du consommateur final poussera nécessairement vers l’optimum théorique pour une région ou un pays.

ParisTech Review – Par ailleurs on peut imaginer que le point d’équilibre ne sera pas atteint au même rythme partout. Qu’est-ce qui fera la différence?

Vincent Champain – C’est en effet un point essentiel, qui est d’ailleurs souvent mal compris : le solaire, le stockage par batterie sont déjà la meilleure solution dans certains endroits bien définis (par exemple un lieu isolé et bien ensoleillé) mais pas partout. On sait actuellement produire de l’énergie solaire à des prix très bas (6 centimes le kWh) dans le désert, et selon Philippe Boisseau (Total) le photovoltaïque est accessible sans subventions dans plusieurs dizaines de pays du monde. Mais cela ne signifie pas que cette technologie soit intéressante dans le Nord de la France. Vouloir raisonner en moyenne ou porter des jugements définitifs sur une technologie est une erreur : la question doit être posée dans un contexte précis. Elle dépend à la fois de la disponibilité de la ressource (vent ou soleil), du coût  de raccordement au réseau et du coût des alternatives réellement disponibles. A moyen terme, on peut espérer que viendra s’y ajouter le prix du carbone et l’arrêt des subventions explicites ou implicites aux carburants fossiles.

Vincent Schächter – Entièrement d’accord, la rentabilité dépend beaucoup du contexte. On peut toutefois raisonner sur les tendances de fond: par exemple, le coût de l’électricité solaire continuera de baisser, avec le coût des modules photovoltaïques (divisé par cinq en cinq ans !) et avec celui du « balance of system ». Le coût des technologies de stockage aussi.

Ensuite, il faut un business model viable pour introduire un produit sur un marché donné : ainsi, le différentiel entre le coût de production de l’électricité solaire (batterie comprise) et le prix de l’électricité du réseau à différents moments de la journée doit permettre au consommateur de réduire sa facture. Sans compter que le consommateur a parfois le choix entre stocker et revendre au réseau : meilleur est le tarif de rachat, moins intéressant est le stockage. La réglementation joue là un rôle essentiel : elle peut favoriser l’autoconsommation solaire et/ou le stockage, ou au contraire les défavoriser, en les interdisant purement et simplement ou en annulant leur valeur économique.

ParisTech Review – Les coûts du réseau semblent jouer un rôle important. Or, on l’a vu en Europe avec la distribution d’eau, une baisse de la consommation se traduit souvent par une hausse des tarifs car les coûts fixes liés à l’entretien du réseau ne varient pas. Imaginons qu’Elon Musk réussisse son coup et que, subventions aidant, une proportion significative des Californiens passent au Powerwall : que se passe-t-il pour les producteurs d’électricité californiens?

Vincent Champain –  Le pari d’Elon Musk c’est que le coût de la « flexibilité » va baisser, pour deux raisons. D’abord le prix des batteries va baisser, mais il lui faut encore diviser ce prix par deux ou trois pour que le pari soit réussi. Ensuite, parce que certains clients vont se procurer des capacités de stockage (soit parce qu’ils ont acheté une voiture électrique, soit parce qu’ils auront acheté un PowerWall) et cette offre de capacité contribuera à la baisse du prix. Si c’est le cas les moyens de production qui « consomment » de la flexibilité (solaire, éolien) deviendront plus intéressants. À l’inverse les autres « producteurs » de flexibilité (turbines à gaz de pointe) vont perdre en compétitivité si ces nouveaux concurrents arrivent à baisser leurs coûts. Il y aura donc des gagnants et des perdants, comme à chaque fois qu’une technologie plus efficace remplace les technologies existantes.

Il faut cependant noter qu’on n’est pas encore au point on l’on voit ce type de changements, et que les conditions économiques pour que ce soit le cas sont encore loin d’être réunies. Mais c’est évidemment une possibilité qu’on ne peut pas totalement écarter. Il faut noter que cette option est souvent crainte par les acteurs en place car ce sont eux qui, par défaut, payeront les « coûts échoués » – c’est-à-dire les pertes liées à la décote des capacités de production rendues sans objet par le développement de nouvelles technologies. Mais, comme le signale le rapport « Transition par l’innovation », on peut tout à fait concevoir des systèmes de tarifs qui répartissent mieux ces coûts échoués, de façon à faire des acteurs en place des alliés du changement plutôt que des opposants. Cela permet aussi d’éviter un système à deux vitesses dans lequel ceux qui peuvent investir dans les nouvelles technologies payeront moins que les autres, qui devront restés connectés au réseau, et seraient alors les seuls à payer les fameux « coûts échoués ».

ParisTech Review – Restons un moment sur la concurrence entre technologies. Les progrès dans les batteries et la possible diffusion à grande échelle du modèle Tesla favorisent-ils le photovoltaïque au détriment, par exemple, du solaire concentré ? Des effets se font-ils sentir dans les choix de R&D et les investissements?

Vincent Schächter – Aujourd’hui, c’est le photovoltaïque qui favorise les batteries, en attendant que celles-ci renvoient l’ascenseur ! Je trouve frappant de voir à quel point l’arrivée à maturité d’une technologie, le solaire photovoltaïque, accélère le développement d’une autre, le stockage. Suite à une baisse spectaculaire depuis 2010, l’électricité photovoltaïque est aujourd’hui compétitive sans subventions dans plus de trente pays, en comparant les simples coûts de production (LCOE). On ne peut pas en dire autant du solaire concentré.

Le photovoltaïque étant en croissance rapide (+40 GW de puissance installée en 2014), son taux de pénétration dans le réseau augmente. La flexibilité (les fluctuations que l’on sait contrôler) devient alors essentielle comme réponse à l’intermittence (les fluctuations qu’on subit) du solaire et de l’éolien. C’est la vision défensive vis-à-vis des renouvelables décentralisés, réflexe naturel pour les producteurs d’électricité : l’électricité intermittente produite à la périphérie d’un réseau conçu pour de la production centralisée pourrait le déstabiliser. Et si les clients du réseau électrique consomment moins, qui va payer les infrastructures ? Mais la production renouvelable décentralisée peut également stabiliser le réseau voire éviter de nouveaux investissements, dès lors qu’elle est exploitable au bon moment et au bon endroit: c’est la vision positive des renouvelables en synergie avec la flexibilité. Le stockage est un des piliers de cette flexibilité, l’autre étant le contrôle de la demande : thermostat Nest ou utilisation optimale des machines dans une usine. Et une condition nécessaire pour pouvoir exploiter cette flexibilité est d’augmenter l’intelligence du réseau – la rhétorique sur les smart grids se concrétise !

Nombreux sont les producteurs d’électricité et les opérateurs de réseau qui ont pris la mesure des changements qui s’annoncent, et réfléchissent à la manière de les accompagner ou de les anticiper.

ParisTech Review – Ce qui frappe dans le storytelling de Tesla, c’est l’importance donnée à l’idée d’une autonomie individuelle. Si l’on veut construire des alternatives aux grands réseaux centralisés, l’heure n’est-elle pas plutôt de développer des formes de mutualisation?

Vincent Schächter – Bien sûr, d’un point de vue écologique et si l’on considère les émissions de gaz à effet de serre, le stockage mutualisé est plus vertueux que le stockage individuel. Mais si l’on considère la diffusion de ces innovations d’un point de vue économique, l’histoire n’est pas la même. Le consommateur résidentiel early adopter achète un thermostat Nest parce que c’est un gadget cool. Pas parce que l’équation économique ou l’équation environnementale lui paraissent bonnes. On peut aussi se dire que le point d’entrée naturel des entreprises de la Silicon Valley est l’objet ou le service de grande consommation.

Vincent Champain – Le problème de ce storytelling, que l’on retrouve d’ailleurs chez Jeremy Rifkin, c’est que l’on n’est pas dans une approche économique (qui vise à développer les solutions les plus efficaces globalement) mais dans une approche plus « romantique », mettant en avant une vision sympathique, mais qui ne correspond qu’à une partie de la réalité et n’est souvent pas la moins coûteuse. En outre il y a la question des inégalités économiques et sociales: certains d’entre nous peuvent se permettre d’adopter ces solutions, mais pas ceux dont la facture d’énergie représente une part importante de leur budget. Si l’on est intéressé par l’intérêt général, il faut laisser à ceux qui ont les moyens d’expérimenter la possibilité de le faire, tout en faisant les choix qui assurent aux plus modestes les coûts les plus bas.

Le modèle de « l’autarcie électrique » peut faire rêver, mais la réalité c’est que, même s’il est clair que le modèle va se décentraliser dans les années qui viennent, il est peu probable que l’on finisse sur une modèle du « chacun pour soi ». En effet, même si les coûts du stockage baissaient fortement, la loi des grands nombres fait qu’il sera généralement plus économique de mutualiser la gestion des écarts offre/demande au niveau d’un quartier ou de l’ensemble du réseau qu’au niveau d’une maison.

ParisTech Review – Au total, un écologiste pragmatique, aujourd’hui, ne fera-t-il mieux de se raccorder au réseau?

Vincent Schächter – Encore une fois, je ne suis pas certain que l’écologie ou même l’économie soit le motif premier des « early adopters » qui achètent une batterie Tesla ou d’une thermostat Nest. Les suivants achèteront probablement sur des critères plus objectifs, mais à ce moment-là, la mutualisation des écarts offres/demande sera peut-être meilleure qu’aujourd’hui grâce à la génération décentralisée, au stockage, à l’agrégation et à l’optimisation des flux énergétiques via des algorithmes opérant en temps réel.

Ces flux passeront par le réseau. Mais qui les orchestrera, et qui en extraira la valeur ? Les producteurs d’électricité d’aujourd’hui ? Les producteurs d’électricité renouvelable ? Les équipementiers du réseau ? Les grands acteurs du numérique ? Chacun de ces acteurs possède la compétence sur certaines briques de la chaîne de valeur qui s’annonce : au-delà des oppositions simplistes, la réponse passera probablement par un jeu de partenariats et de recompositions.

Vincent Champain – Je suis d’accord avec ce que dit Vincent sur les motivations des early adopters, et du point de vue écologique c’est du gaspillage. Pour être un peu provocateur, on pourrait dire qu’il vaudrait mieux ne rien acheter et planter des arbres en Amazonie : on réduirait davantage les émissions de CO2, et pour moins cher.

Si l’on pense à plus long terme, on peut cependant se montrer moins critique : il est difficile d’imaginer avec précision le point auquel le progrès technologique peut nous amener à dix, vingt ou cinquante ans. Et la seule façon de le savoir est précisément de l’explorer. Disons simplement que dans un premier temps au moins, ce pari sur le long terme sera plutôt réservé à des utilisateurs avancés… prêts à perdre un peu d’argent et à faire évoluer leur mode de consommation pour faire avancer la science. Et on peut tout à fait leur être reconnaissant de cette démarche, tout en recommandant la prudence à ceux qui n’ont pas les moyens de prendre ce type de risque.

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