Dans les classements énergétiques mondiaux, un pays se distingue. La Chine est le consommateur d’énergie le plus affamé au monde – exigeant l’équivalent énergétique de près de 3,3 milliards de tonnes de pétrole l’année dernière. Depuis 2011, elle a brûlé plus de charbon que tous les autres pays réunis. Et sa dépendance à l’égard de ce combustible fossile s’additionne : La Chine émet environ un quart des gaz à effet de serre dans le monde, la part la plus importante de tous les pays.

Mais ces chiffres ne sont qu’une partie de l’histoire : La Chine est également le producteur d’énergie éolienne le plus prolifique au monde, avec la capacité d’en produire plus de deux fois plus que le deuxième plus grand producteur, les États-Unis. Et elle possède environ un tiers de la capacité mondiale de production d’énergie solaire, construisant plus de systèmes l’année dernière que tout autre pays.

La croissance rapide de sa population et de son économie au cours des décennies, combinée à une énorme industrie manufacturière et à une migration massive vers des villes éclairées par la rue et chauffées centralement, a fait de la Chine une nation affamée d’énergie. Conscient de cette faim et des dommages que causerait une dépendance à long terme vis-à-vis des combustibles fossiles, le gouvernement chinois a élaboré des plans pour répondre aux besoins énergétiques du pays. Et la science et la technologie – dans des domaines tels que les technologies de batteries, le photovoltaïque et la gestion de l’énergie – sont au cœur de ces plans.

Une réduction de la demande énergétique nette ne fait pas partie de la politique, même si le mix énergétique de la Chine évolue. Selon la société énergétique BP, en 2018, la Chine représentait 24 % de la consommation énergétique mondiale. La firme estime qu’en 2040, la Chine sera toujours en tête de liste et représentera 22% de la consommation mondiale.

Le pays a investi massivement dans les énergies renouvelables, déposant 0,9% de son produit intérieur brut (PIB) dans le secteur en 2015 – le troisième montant le plus élevé au monde après le Chili et l’Afrique du Sud, qui ont chacun investi 1,4% de leur PIB. Pourtant, seulement 23 % de l’énergie consommée par la Chine provient de sources “propres” (y compris le gaz naturel), alors que près de 58 % provenait du charbon en 2019 – la plus polluante des options encore utilisées à grande échelle dans le monde. (Une grande partie du reste de l’énergie chinoise provient du pétrole et de l’énergie nucléaire.)

Action sur la pollution

La combustion du charbon et d’autres énergies non renouvelables pour assouvir la faim d’énergie du pays est devenue un problème visible, les grandes villes comme Pékin étant souvent enveloppées d’un épais smog. La pollution de l’air a atteint un tel niveau dans certaines parties de la Chine en 2013 que les médias ont parlé d’une “airpocalypse”, les citoyens supportant des niveaux de particules jusqu’à 30 fois supérieurs à ceux jugés sans danger par l’Organisation mondiale de la santé. Et malgré les efforts déployés pour combattre le problème, 48 villes chinoises figurent toujours parmi les 100 villes les plus polluées au monde.

Ces niveaux de pollution ont forcé de nouvelles mesures. En décembre 2016, le gouvernement chinois a présenté un plan de développement des énergies renouvelables en complément de son 13e plan quinquennal global de développement social et économique, couvrant la période 2016-20, qui avait été publié plus tôt dans l’année. Ce plan comportait un engagement à porter à 20 % la part de sa consommation d’énergie renouvelable et non fossile d’ici à 2030. Cet engagement, a promis le Premier ministre Li Keqiang, porterait des coups sévères aux problèmes conjoints de pollution de l’air et de l’eau découlant de la dépendance du pays au charbon.

“Développer des énergies solaire et éolienne bon marché pour remplacer les énergies fossiles est devenu la stratégie énergétique centrale de la Chine pour réduire la pollution atmosphérique”, explique Hong Li, un chercheur qui travaille sur les batteries au lithium à l’état solide au Laboratoire clé pour les énergies renouvelables à Pékin, qui fait partie de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences. Hong Li, qui participe à l’élaboration de plans nationaux pour les nouvelles technologies énergétiques, souligne également que les niveaux d’électricité générés par les sources renouvelables – qui varient en fonction de la quantité de soleil ou de vent – peuvent être moins constants que ceux des centrales électriques à combustibles fossiles.

“Il est plus difficile de fusionner l’énergie solaire et éolienne avec le réseau électrique” que d’inclure l’énergie à base de charbon, dit Hong Li. Les énergies renouvelables sont “moins fiables et cela peut rendre le réseau instable sans systèmes de contrôle avancés en place”.

Par exemple, en 2017, plus de 30% de l’énergie renouvelable produite dans les provinces ensoleillées et venteuses du Xinjiang et du Gansu, dans le nord-ouest de la Chine, n’a jamais été utilisée. C’est parce qu’elle n’a pas pu être acheminée là où elle était nécessaire : les mégapoles très peuplées de l’est de la Chine, comme Shanghai et Pékin, situées à des milliers de kilomètres (voir “Moins d’énergie gaspillée”).

C’est un dilemme qui a conduit le gouvernement chinois à investir des milliards de dollars dans des lignes à haute tension, pour transmettre l’énergie produite dans les régions ensoleillées et venteuses à travers l’immensité de la Chine. Cela comprend une ligne de 22,6 milliards de yuans (3,2 milliards de dollars), longue de 1 600 kilomètres, partant de Qinghai, dans l’ouest de la Chine, qui a été achevée en mai. Elle traverse le Gansu, jusqu’à la province du Henan, dans le centre du pays.

Un autre moyen de s’assurer que l’énergie renouvelable est disponible quand on en a besoin est d’augmenter la capacité de stockage. Cela peut être réalisé à l’aide de technologies telles que les batteries, l’hydroélectricité par pompage et le stockage thermique, explique Yuki Yu, fondateur de la société de conseil en énergie propre Energy Iceberg à Hong Kong.

“Les batteries peuvent stocker l’excès d’énergie, puis le libérer plus tard. Les responsables et les scientifiques chinois ont commencé à réaliser les implications de ce phénomène pour la stabilisation de nos réseaux électriques”, explique Xianfeng Li, qui dirige la division du stockage de l’énergie à l’Institut de physique chimique de Dalian (DICP).

En 2017, la Chine a publié son premier document de politique nationale sur le stockage de l’énergie, qui soulignait la nécessité de développer des batteries moins chères, plus sûres et capables de contenir plus d’énergie, afin d’augmenter encore la capacité du pays à stocker l’énergie qu’il produit (voir “Le coup de pouce de la Chine en matière de batteries”). Les technologies comprennent les batteries lithium-ion – le type utilisé dans les véhicules électriques – et les systèmes de batteries stationnaires à grande échelle intégrés aux approvisionnements en énergie éolienne et solaire.

Dans leurs plans, les décideurs politiques ont clairement indiqué que les scientifiques et les ingénieurs du pays doivent développer des technologies de stockage de l’énergie plus efficaces pour atteindre ces objectifs (voir “Croissance de la recherche verte”).

Le stockage d’énergie en action

La ville de Dalian, dans la province du Liaoning, au nord-est de la Chine, compte environ sept millions d’habitants et constitue un site de test pour les travaux de Xianfeng Li. Les températures hivernales peuvent y descendre jusqu’à -20 °C, ce qui met le réseau électrique de la ville sous pression pour fournir des bouffées intenses et soudaines lorsque les habitants allument leur chauffage, explique-t-il.

Pour aider à répondre à ce besoin, Rongke Power, une société issue du DICP, prévoit d’ouvrir cette année une installation de stockage d’énergie de 400 mégawattheures (MWh) à Dalian. Il s’agit de la première étape d’un projet visant à fournir une installation de 800 MWh d’ici 2023, et elle utilisera des batteries à flux de vanadium – d’énormes dispositifs rechargeables qui stockent l’électrolyte liquide dans des réservoirs massifs. La capacité finale devrait répondre à environ 0,5 % de la demande totale d’électricité du Liaoning, où Dalian est la deuxième ville la plus importante.

Xianfeng Li affirme que le projet pourra contribuer à une alimentation électrique ininterrompue de la ville, tout en stockant et en régulant l’approvisionnement en énergie du réseau pour l’ensemble de la province, qui reçoit 16,2 % de son énergie de sources renouvelables. La proportion d’énergie provenant de sources renouvelables varie considérablement d’une province à l’autre : par exemple, elle est de 2,7 % dans la province méridionale de Jiangsu, mais de 30,1 % en Mongolie intérieure, province ensoleillée et peu peuplée. Parmi les voisins du Liaoning, Jilin reçoit 8 % de son énergie à partir de combustibles non fossiles, et Hebei 9,1 %.

Les batteries à flux de vanadium du type de celles que Xianfeng Li teste à Dalian présentent certains avantages par rapport aux batteries lithium-ion standard pour les applications à grande échelle telles que l’alimentation du réseau : comme l’électrolyte de vanadium est stocké dans un réservoir, il peut être mis à l’échelle de manière beaucoup plus économique que les batteries lithium-ion discrètes. Les batteries au vanadium sont également moins susceptibles de prendre feu, et ont une durée de vie environ dix fois supérieure à celle des batteries au lithium-ion.

Xianfeng Li dit que ces dernières années, il a vu le financement de ses travaux sur les batteries à flux de vanadium augmenter fortement, ainsi que l’intérêt des entreprises pour un partenariat avec son équipe. Il affirme que le DICP travaille actuellement avec une trentaine d’entreprises issues de l’institut.

“Les entreprises sont désormais intéressées par le développement de cette technologie, car elles savent que le gouvernement s’y intéresse et se sentent donc en confiance pour investir”, dit-il.

Yu affirme que les gouvernements locaux sont désormais désireux d’aider les entreprises à construire des installations de stockage de batteries. “A l’heure où les décideurs cherchent de nouveaux moyens de stimuler la croissance dans leurs régions, l’industrie de la fabrication de batteries semble très prometteuse, les gouvernements sont donc motivés pour encourager ce type d’investissement.”

Piloter le changement

Le plan quinquennal 2016-20 a également souligné la nécessité pour les chercheurs de continuer à développer la technologie des batteries afin que les voitures électriques puissent être conduites plus loin sur une seule charge. Le véhicule électrique le plus vendu en Chine, la Tesla Model 3, a une autonomie d’environ 400 kilomètres (la plupart des véhicules électriques modernes ont une autonomie de 160 à 600 km).

“Le développement des véhicules électriques est une autre stratégie importante pour réduire la pollution, surtout lorsque cette électricité provient d’une énergie propre. Par conséquent, nous devons développer la technologie des batteries pour les véhicules électriques”, explique Hong Li, qui dit avoir remarqué une augmentation du financement de la recherche sur le stockage de l’énergie, les véhicules électriques et d’autres technologies en Chine en 2012. Toutefois, souligne-t-il, le pays est encore en retard sur la science fondamentale du stockage de l’énergie par rapport aux grands laboratoires des États-Unis et d’Europe, qui excellent dans la compréhension de la chimie fondamentale et de la science des matériaux. Malgré cela, dit-il, la Chine est plus active dans l’application de ces connaissances pour créer des innovations dans les systèmes de batteries avancés. Et l’échelle de l’environnement de recherche du pays, des universités aux équipes industrielles, a aidé les scientifiques chinois à atteindre une compréhension globale de la façon de développer des matériaux et des dispositifs pour le monde réel.

Planification de l’avenir

La Chine a des prix de l’électricité parmi les moins chers du monde développé (voir ‘Les prix de l’électricité baissent’). Les coûts sont fixés par les gouvernements locaux et approuvés par le bureau de l’énergie de la Commission nationale du développement et de la réforme, qui supervise la politique macroéconomique. Les prix sont maintenus bas pour stimuler la croissance économique.

Mais malgré cet élan, le pays a commencé à supprimer progressivement certaines subventions pour les combustibles propres : par exemple, il arrêtera celles pour l’éolien terrestre après cette année. Les dirigeants chinois espèrent que les sources d’énergie renouvelables deviendront économiquement compétitives par rapport aux combustibles fossiles dans un avenir proche. La réponse réside dans le développement d’une infrastructure de stockage de l’énergie plus solide.

Hong Li est conseiller au sein du comité national de planification de la Chine pour le développement du stockage de l’énergie. Avec des ingénieurs et des décideurs politiques, le comité travaille sur un plan quinquennal de recherche et de développement qui débutera l’année prochaine. Entre autres éléments, il encouragera les scientifiques à développer des technologies de stockage de l’énergie pour le réseau électrique qui soient intrinsèquement plus sûres, moins chères et d’une durée de vie plus longue.

Le chercheur en énergie solaire Xianglei Liu, à l’École d’ingénierie de l’énergie et de la puissance de l’Université aéronautique et astronautique de Nanjing, affirme que des financements sont disponibles pour les scientifiques de son domaine afin d’améliorer la production d’énergie propre de la Chine. “L’objectif ambitieux du gouvernement d’utiliser plus d’énergie propre signifie qu’il y a beaucoup de financement”, dit Liu.

Par exemple, l’année dernière, Liu a obtenu une subvention de 1,3 million de yuans de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, la principale agence de financement du pays, pour améliorer la capacité de stockage de la chaleur des matériaux utilisés dans les centrales solaires thermiques, qui génèrent de l’énergie à partir de la chaleur du Soleil, plutôt que de sa lumière comme le font les panneaux photovoltaïques. Le projet, d’une durée de cinq ans, implique une quarantaine de scientifiques issus de six instituts universitaires chinois. Liu a également commencé récemment à travailler avec la société Nanjing Jinhe Energy Materials pour développer un matériau qui a une grande densité de stockage d’énergie et une conductivité thermique élevée.

Yi Jin, directeur de la recherche et du développement à Nanjing Jinhe Energy Materials, dit que parce que le gouvernement prévoit de réduire les subventions aux entreprises d’énergie renouvelable, les entreprises qui gèrent les centrales vertes sont désireuses d’acheter ou d’investir dans la technologie qui augmentera leur rendement et diminuera les coûts de production.

“Notre technologie améliore la stabilité de l’énergie renouvelable et réduit ainsi les coûts des centrales électriques, en les rendant plus efficaces”, explique Jin.

Dans l’ensemble, Hong Li est optimiste et pense que les investissements du gouvernement et le progrès scientifique l’emporteront. “Tant que nous développons les bonnes politiques et technologies pour les soutenir, dit-il, nous pouvons progressivement réduire notre dépendance au charbon.”

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