Thème : Stockage de l’énergie électrique
Présenté par :
Sous la direction de :
Hima SAIBOU
Dr Madougou SAIDOU
Année académique : 2012-2013
SOMMAIRE Introduction III-
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Le stockage intrinsèque Le stockage d’énergie thermique 1- Stockage d’énergie thermique par chaleur sensible 2- Stockage de l’énergie thermique par chaleur latente Le stockage de l’énergie mécanique 1- La station de transfert d’énergie par pompage (STEP) 2- Stockage de l’énergie sous forme d’air comprimé (CAES) 3- Le volant d’inertie Le stockage chimique 1- Les accumulateurs électriques a) Accumulateurs au Plomb b) Accumulateurs au Nickel c) Accumulateurs au Lithium d) Accumulateurs Sodium- Soufre 2- Accumulateurs à circulation (Redox Flow) a) Vanadium-vanadium b) Zinc-Soufre c) Brome-Soufre 3- Stockage du dihydrogène a) Stockage d’hydrogène gazeux b) Stockage d’hydrogène liquide c) Stockage sous forme de composés chimiques capables de libérer facilement le gaz d) Les piles à combustible Le stockage électrostatique magnétique 1) Les super-condensateurs 2) Les inductances supraconductrices Le stockage des énergies renouvelables 1) Stockage de l’énergie éolienne a) Stockage par biogaz b) Stockage par batteries c) Stockage hydraulique d) Stockage par transformation 2) Le stockage de l’énergie photovoltaïque Le stockage par antimatière CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE
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INTRODUCTION Pour assurer son avenir et celui de la planète, l’humanité doit puiser son énergie à d'autres puits que ceux de pétrole. Mais cette nécessaire transition vers les sources renouvelables ne s'opérera qu’à une condition : parvenir à stocker l’énergie. En effet, s'il est aujourd'hui plus ou moins simple de produire de l’électricité, de la chaleur et même de l’hydrogène, stocker durablement ces trois vecteurs d’énergie reste une véritable gageure scientifique et technologique. Le stockage de l’énergie consiste à préserver une quantité d’énergie pour une utilisation ultérieure. Par extension, l’expression désigne également le stockage de matière contenant l’énergie. Le stockage de l’énergie présente un grand intérêt stratégique et économique dans les conditions du marché d’électricité, parce qu’il contribue à la capacité de satisfaire les besoins énergétiques en temps réel et aussi à prévenir les coupures dans l’approvisionnement. La forte croissance des applications portables (téléphones, microordinateurs…), la demande en moyens de transport non polluants et, enfin, les besoins des réseaux de distribution d’énergie nécessitent de nouvelles formes de stockage permettant d’héberger une forte densité d’énergie dans un volume limité et de la restituer aisément. Le stockage d’énergie est associé à l’opération inverse : l’opération consistant à récupérer l’énergie stockée (le déstockage d’énergie).Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle. L’efficacité énergétique d’un cycle correspond au rapport entre la quantité d’énergie récupérée sur la quantité d’énergie que l’on a cherché initialement à stocker. Nous allons aborder à travers sept (07) parties les principaux moyens de stockage de l’énergie électrique.
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I. Le stockage intrinsèque. Les sources d’énergie fossiles (charbon, gaz, pétrole) sous forme de réservoirs à l’état naturel, remplissent naturellement la fonction de stock. Les carburants provenant de ces énergies fossiles ont un rendement de 75%. Les biocarburants sont eux issus de la biomasse, avec un rendement de 70% <>. Le terme biomasse désigne l’ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d’énergie. II. Le stockage d’énergie thermique 1) Stockage d’énergie thermique par chaleur sensible L’élévation de température d’un matériau permet de stocker de l’énergie. C’est le principe utilisé au niveau des chauffe-eau-solaires. Ces derniers récupèrent la chaleur dans la journée pour la restituer ensuite, avec un rendement moyen de l’ordre de 40% pour les systèmes les plus récents. Les centrales solaires à concentration utilisent une multitude de miroirs permettant de chauffer à plus de 400°C un fluide constitué la plupart du temps de sels de nitrate fondus. Ce fluide circule alors jusqu’à un générateur de vapeur d’eau qui alimente une turbine afin de produire de l’électricité. Mais l’utilisation des sels est très chère. C’est pourquoi, on développe actuellement un nouveau matériau de stockage de chaleur, solide cette fois : des éléments élaborés à partir de déchets amiantés ou de déchets métallurgiques. Ces céramiques sont capables d’absorber de la chaleur jusqu’à1000°C.
Figure1 : céramiques Figure 2 : Eléments de stockage de capables de stocker de la chaleur élaborée à partir Chaleur à très haute température de déchets amiantés 2) stockage d’énergie thermique par chaleur latente Dans le stockage par chaleur latente, l’énergie est stockée sous forme d’un changement d’état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation). Ce type de stockage, contrairement au stockage sensible, peut être efficace pour des différences de température très faibles. On retrouve le stockage par chaleur sensible au niveau : -des matériaux à changement de phase (MCP) actuellement étudiés pour améliorer l’inertie thermique des parois des bâtiments. -des pompes à chaleur notamment les réfrigérateurs, les congélateurs et les climatiseurs. III. Le Stockage de l’énergie mécanique 1) La station de transfert d’énergie par pompage (STEP) La STEP consiste à pomper et turbiner cycliquement la même eau entre un bassin supérieur et un bassin inférieur. Lorsque l’on veut récupérer l’énergie, l’eau en amont est déversée dans le 4
bassin aval actionnant ainsi une turbine pour produire de l’électricité. Le principe généralement est bien connu : lors des périodes où la demande d'électricité est très élevée (heures de pointe, le plus souvent pendant la journée), l'eau s'écoule du bassin supérieur afin de produire de l'électricité. Lorsque la demande est peu élevée (heures creuses, le plus souvent pendant la nuit), l'installation d’accumulation par pompage utilise de l'électricité afin de faire remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur pour le remplir à nouveau, puis on turbine pour produire de l’électricité d’une valeur plus élevée aux heures de pointe. Le rendement d’un tel stockage varie entre 65% et 75%. Le principal avantage de cette technologie est la possibilité de stocker de grandes quantités d’énergie avec un cout faible visà-vis d’autres technologies. Principal inconvénient : la nécessité de trouver un site géographique adapté, réunissant deux bassins superposés, rend la construction de nouvelles STEP de plus en plus difficile et coûteuse. Les meilleurs sites sont utilisés en premier, d’où une raréfaction des capacités disponibles et une augmentation des coûts de construction. A cela viennent s’ajouter les problématiques d’acceptation sociétale, inhérentes à toute nouvelle mise en eau de réservoirs.
2) stockage d’énergie sous forme d’air comprimé (CAES) Le principe de cette technologie est de convertir l’énergie électrique en air comprimé que l’on stocke. Le stockage se fait soit dans des cavernes souterraines soit dans des réservoirs en surface pour de petites installations. Pour restituer l’électricité, l’air comprimé est dirigé vers une machine semblable à une turbine à gaz. Il est réchauffé dans une chambre de combustion grâce à un appoint de gaz naturel puis détendu dans la turbine. Le principal inconvénient de la technologie est la perte de chaleur liée à la compression. Cette chaleur pourrait permettre de préchauffer l’air à l’entrée de la turbine augmentant ainsi son rendement ce que n’autorise pas la décorrélation temporelle. D’où le développement d’un système avec stockage d’énergie thermique. Des efforts de recherches sont encore nécessaires pour diminuer les coûts du stockage thermique. Un premier pilote de 2 700 MW de ce système est planifié dans l’Ohio (USA) pour 2013. Le rendement de ce type de technologie est d’environ 60%.
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3) Le volant d’inertie L'énergie peut être stockée sous forme d'énergie cinétique dans un « volant d’inertie », dispositif en forme de roue tournant autour de son axe central. Une machine électrique lui fournit l’énergie cinétique (fonctionnement moteur) et la récupère selon les besoins (fonctionnement générateur), entraînant une baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie. Ce système permet de restituer plus de 80% de l’énergie accumulée mais pour un temps de stockage limité. En pratique, le volant d’inertie est utilisé pour un lissage à très court terme de la fourniture d’énergie au sein d’appareils de production. C’est notamment le cas des moteurs thermiques et surtout des moteurs Diesel. Stocker de l’énergie à l’aide d’un mobile en mouvement n’est pas une idée récente, elle a été utilisée depuis longtemps, en particulier, pour régler la vitesse de rotation des transmissions de puissance. Le principe de base est simple. Un corps solide de moment d’inertie I (Kg.m2), tournant à la vitesse angulaire ω autour d’un axe passant par son centre de gravité possède une quantité d’énergie cinétique de valeur : E=1/2Iω2=ᶴ ᶴ ᶴ 1/2V2dm, avec V=ωR la vitesse périphérique et R le rayon moyen. La puissance P transférée, pour un système stationnaire de géométrie constante est P=dE/dt=Iωdω/dt . Cette énergie stockée est limitée dans la pratique par la contrainte maximale admissible liée aux efforts centrifuges. Cette contrainte est proportionnelle à la masse volumique ρ du matériau constituant le mobile et le carré de la vitesse périphérique V : σmax=ρV2 max. La densité massique d’énergie est de la forme Emax/m=Kmσmax/ρ. Km est un coefficient de forme sans dimension appelé coefficient d’énergie massique (Km =0.5 pour un cylindre à paroi mince). Il est inférieur à un et caractérise la géométrie du solide en rotation indépendamment de son rayon moyen. La densité volumique est proportionnelle à la résistance du matériau : W/Vev=Kvσmax, où le coefficient de forme Kv est nommé coefficient d’énergie volumique. L’encombrement est caractérisé par le volume Vev, balayé par le volant. Les principaux constituants d’un volant d’inertie (accumulateur à volant d’inertie) sont : *le volant : élément principal d’accumulation *le convertisseur : généralement un moteur-générateur réversible *les paliers : les paliers (souvent magnétique) assurent la libre rotation de l’ensemble autour de l’axe principal d’inertie et minimisent les pertes. Ils assurent donc deux fonctions : sustentions et centrage. 6
*l’enceinte de confinement : elle participe au maintien d’une atmosphère contrôlée autour du volant, en particulier d’une faible pression afin de minimiser les pertes d’autodécharge.
Système à volant lent
système à volant rapide
IV-Le Stockage chimique 1) Les accumulateurs électrochimiques L’électricité peut servir à la formation de composés chimiques par le biais de réactions électrochimiques. Ces réactions sont réversibles et peuvent également générer de l’électricité. C’est sur ce type de réactions que repose le principe des accumulateurs électrochimiques que l’on nomme communément batteries. Les accumulateurs présentent la caractéristique de fournir une tension à ses bornes peu dépendante du courant débité. Les technologies sont nombreuses (Plomb-acide, Nickel-Cadmium, Nickel-Métal Hydrures, Lithium-ion, Sodium Soufre,…). Souvent employé à petite échelle sur des sites isolés ou pour des applications mobiles, ils peuvent servir pour du stockage à grande échelle assurant la sécurité électrique d’un réseau entier. Nous listons ici les principaux accumulateurs utilisés actuellement. a) Accumulateurs au Plomb : Très utilisé dans l’industrie automobile comme source d’énergie pour l’allumage, ce type d’accumulateur est une technologie mature. On en distingue deux types : les accumulateurs au plomb ouvert et les accumulateurs à recombinaison de gaz. Les premiers ont une durée de vie plus importante allant de 5 à 15 ans. Ils sont moins chers et moins sensibles à la température que les seconds qui ne nécessitent aucun entretien et émettent de très faible quantité de gaz. Technologie la moins chère du marché, ces accumulateurs ont l’inconvénient d’avoir un faible nombre de cycles charge/décharge. L’installation la plus importante a une capacité de 40MWh et une puissance de 10 MW. Le rendement du stockage est de l’ordre de 70%.
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Vue éclatée d’un accumulateur au Plomb b) Accumulateurs au Nickel : Les plus répandus sont le Nickel-Cadmium (Ni-Cd) et le Nickel-Métal Hydrures (Ni-MH). Le premier offre un bon compris énergie/puissance mais est interdit à la commercialisation depuis le 1er juillet 2006 en Europe du fait de la toxicité du Cadmium. La technologie Ni-MH présente l’avantage d’avoir une énergie volumique au moins 30% supérieure à celle des accumulateurs Ni-Cd. Pour éviter une surcharge, elle nécessite une recharge rapide. Le rendement énergétique est de l’ordre de 70%. Les accumulateurs Ni-MH supportent de forts courants de charge et de décharge et sont beaucoup plus sûres en cas de surchauffe que les accumulateurs au Lithium. C’est qui est explique sa prédominance sur le marché du véhicule hybride. Pour les applications stationnaires, c’est technologie Ni-Cd qui est la plus utilisée. c)Accumulateur au Lithium : Cet accumulateur s’est imposé dans les applications de l’électronique portable. Le développement des véhicules électriques a permis de mettre au point de nouveau système d’accumulateur au lithium offrant de très bonnes performances en termes de cyclabilité (durée de vie) et de densité énergétique. Les coûts sont encore assez élevés ce qui n’empêche pas la réalisation de grands projets de stockage. La plus grande installation se situe en Virginie-Occidentale aux Etats-Unis avec un stockage d’une puissance de 32 MW permettant de lisser la production d’une centrale d’éolienne de 98 MW pour une injection réseau.
Lithium-ion pour le stockage à l’échelle du particulier
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Lithium-ion pour le stockage à l’échelle du réseau d) Accumulateurs Sodium- Soufre : L’accumulateur Sodium-Soufre (NaS) fonctionne avec des électrodes liquides. Pour cela, il doit être maintenu à une température comprise entre 290°C et 350°C. Les électrodes, siègent des réactions électrochimiques sont en sodium et en soufre liquide. L’électrolyte séparant les deux électrodes est constituée de céramique ce qui garantit une bonne conduction des ions. Bien que le nombre de cycles soient théoriquement infini, il se situe en réalité autour de 1000.
La durée de vie peut atteindre les 15 ans et plus de 4000 cycles en conditions non critiques (décharges inférieures à 80%). Le rendement énergétique est très bon (85%) mais la technologie fait face à une autodécharge importante. 2) Accumulateurs à circulation (Redox Flow)
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Un accumulateur redox flow en tant que générateur électrochimique est le siège de réaction d’oxydoréduction à ces électrodes. La spécificité vient ici du fait que les réactifs et les produits sont en solution dans l’électrolyte adéquat. Les deux électrolytes positif et négatif sont stockés dans des réservoirs et mis en circulation jusqu’aux demi-cellules où se déroulent les réactions. La continuité du circuit électrique impose que les deux demi-cellules soient séparées par une paroi semi-perméable qui autorise le passage d’un ion commun aux deux électrolytes. La capacité dépend de la quantité de réactifs que contiennent les électrolytes et est extensible à l’aide de réservoirs auxiliaires. La puissance quant à elle est liée au dimensionnement du réacteur. Ce type d’accumulateurs est adapté pour de fortes puissances et un stockage journalier nuit/jour. La réactivité et les puissances réalisables leur confèrent un vaste de domaine d’utilisation. Enfin, une décharge complète est possible sans dommage pour le système. Actuellement, trois technologies semblent se distinguer
(Source :
Techniques
de
l’ingénieur) : a) Vanadium-Vanadium : Le marché est aujourd’hui dominé par la technologie au Vanadium qui est le plus connu et reconnu. Le rendement énergétique se situe entre 70 et 85%. Le nombre de cycles de charge est supérieur à 12000 et la puissance en pointe inférieure à 10 MW.
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b) Zinc-Brome : Technologie mature industriellement, le rendement énergétique oscille entre 65 et 75%. Le nombre de cycle est supérieur à 2000 pour une puissance de pointe inférieure à 4 MW. c) Brome-Soufre : Ce système en voie de développement permet d’atteindre des puissances remarquables de l’ordre de la centaine de MW. Le rendement se situe dans une fourchette de 60 à 75%. La puissance de pointe varie quant à elle entre 5 et 500 MW. 3) Stockage du dihydrogène L'hydrogène comme carburant a été proposé comme solution dans les problèmes d'énergie. Il peut aussi être utilisé comme combustible ou pour la production d'électricité par une pile à combustible ou produit par hydrolyse de l'eau pour « stocker » des énergies intermittentes (éolien, solaire) dans des zones isolées du réseau. Le stockage peut être réalisé sous plusieurs formes, qui ont toutes une faible efficacité énergétique : a)Stockage d'hydrogène gazeux : Ce mode de stockage est le plus simple technologiquement, mais il présente des inconvénients. La plupart des matériaux sont en effet poreux vis-à-vis de l'hydrogène (phénomène de diffusion intra-atomique du à la très faible taille du noyau d'hydrogène, il passe au travers des mailles cristallines des métaux et de la matière condensée en général), ce qui génère des pertes lors d'un stockage de longue durée. De plus, ce mode de stockage nécessite une masse et un volume de stockage importants, et une compression fort coûteuse sur le plan énergétique. Néanmoins le stockage à 350 bar et à 700 bar avec des matériaux composites permet d'alimenter des flottes expérimentales de véhicules en Europe.
b) Stockage d'hydrogène liquide : La liquéfaction de l'hydrogène (vers -252 °C) permet de pallier partiellement le problème de volume du stockage gazeux (bien que la densité de l'hydrogène liquide ne soit que de 70 g/l) mais nécessite de refroidir l'hydrogène et de le conserver à très basse température : ce stockage est compliqué, très consommateur d'énergie, et éventuellement dangereux. Il est réservé en général au spatial, mais il est aussi utilisé pour des voitures à hydrogène liquide. c)Stockage sous forme de composés chimiques capables de libérer facilement le gaz. On peut citer diverses propositions qui ont été faites plus ou moins récemment : *l'utilisation de nanotubes de carbone. *les hydrures métalliques : Magnésium et autres métaux légers (titane, aluminium, ...). *l'acide formique qui, par un procédé utilisant du fer comme catalyseur, se décompose en dihydrogène et en dioxyde de carbone. Cette voie catalytique permet d'après d'obtenir 53 grammes d'hydrogène pur par litre d'acide formique aux conditions normales de température et de pression, contre 28 grammes pur de l'hydrogène comprimé à 350 bars. Une alternative prometteuse est d'introduire (en une sorte de stockage diffusif) cet hydrogène dans le réseau public de gaz naturel qui peut en recevoir sans aucun problème jusqu'à 5 %. Cette solution sera expérimentée en 2013 (360 m3 d'H2 injectée par heure) par le groupe E.ON dans le nord-est de l'Allemagne (à Falkenhagen via une installation pilote). En portant la proportion de 5 à 15 %, ce qui semble techniquement faisable, « la totalité de la production actuelle (2011) d'électricité d'origine renouvelable pourrait être stockée dans le réseau gazier allemand » d) Les piles à combustible 11
peut servir à produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Les piles à combustible sont ensuite un des moyens pour la restituer. Le système de stockage envisagé L’électricité met en œuvre trois équipements : l’électrolyse qui consomme de l’électricité d’heures creuses pour produire de l’hydrogène, la pile à combustible qui utilise cet hydrogène et l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité aux heures de pointe et un réservoir tampon d’hydrogène pour assurer l’adéquation des ressources aux besoins.
Schémas montrant les principes de fonctionnement d’une pile à combustible(a) et (b) , une pile à combustible réelle (c). La pile à combustible repose sur un principe fort ancien qui met en évidence la possibilité de produire du courant électrique par conversion directe de l’énergie chimique du combustible. Elle a la particularité d’utiliser deux gaz : l’hydrogène H2 et l’oxygène O2, comme couple électrochimique, les réactions d’oxydoréduction qui s’opèrent dans la pile sont donc particulièrement simples. La réaction se produit au sein d’une structure (la cellule électrochimique élémentaire) essentiellement composée de deux électrodes (l’anode et la cathode) séparées par un électrolyte, matériau permettant le passage des ions. Les électrodes mettent en jeu des catalyseurs pour activer d’un côté, la réaction d’oxydation de l’hydrogène, et de l’autre côté, la réaction de réduction de l’oxygène. Dans le cas d’une pile à électrolyte acide (ou pile à membrane échangeuse de protons), l’hydrogène de l’anode est dissocié en protons (ou ions hydrogène H+) et en électrons, suivant la réaction d’oxydation : H2 →2H+ + 2e- . À la cathode, l’oxygène, les électrons et les protons se recombinent pour former de l’eau : 2H+ +1/2O2 +2e →H2O Le principe de la pile à combustible est donc inverse à celui de l’électrolyse de l’eau. La tension thermodynamique d’une telle cellule électrochimique est de 1,23 volt (V). Toutefois, en pratique, la pile présente une différence de potentiel de l’ordre de 0,6 V pour des densités de courant de 0,6 à 0,8 A/cm2. Le rendement d’une telle cellule est donc d’environ 50 %, l’énergie dissipée l’étant bien évidemment sous forme de chaleur. On peut distinguer plusieurs types de piles à combustible telles que : _ AFC (Alkaline fuel Cell), _ PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell), _ DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), _ PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), _ MCFC (Molten carbonate Fuel Cell), _ SOFC (Solid Oxid Fuel Cell). Ces piles se différencient selon la nature de leur électrolyte et de là par le niveau de leur température de fonctionnement, leur architecture et les domaines d'application dans lesquels 12
chaque type peut être utilisé. Par ailleurs, chaque pile a des exigences différentes en terme de combustibles. Les piles à combustible peuvent être utilisées pour : - les applications portables, - les applications spatiales, - les applications sous marines, - les groupes de secours, - les applications automobiles (voiture et bus), - la cogénération (industrielle ou groupements d'habitations), On peut distinguer la production décentralisée (en particulier les applications stationnaires de faible puissance (résidentiel, secours...), la production d'appoint reliée ou non au réseau, ainsi que la cogénération de moyenne puissance (quelques centaines de kW) ) et la production centralisée d'électricité sans valorisation de la chaleur. Elles peuvent constituer une solution dans le cas de lieux isolés où il est difficile ou même coûteux, d'installer des lignes électriques (site classé, montagne ...). Les piles à combustible pourraient assurer une distribution fiable et indépendante des intempéries et même permettre une économie dans le coût de transport et d'installation.
La production d’hydrogène pourrait être avantageuse en présence de réseaux d’hydrogène, elle permettrait de convertir des surplus d’électricité et de les injecter dans ces réseaux pour une utilisation directe (transports par exemple). Des systèmes ont été proposés qui conjuguent une éolienne alimentant des habitations en électricité, fabricant de l'hydrogène par électrolyse quand la production est supérieure à la demande et alimentant le village en électricité générée par une pile dans le cas inverse.
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Electrolyseur et réservoir de stockage d’hydrogène V-Le stockage électrostatique-magnétique 1) Les super-condensateurs À la différence des dispositifs électrochimiques, il n’y a pas de réaction chimique ; ce qui accroît considérablement la cyclabilité. Le principe est voisin de celui du condensateur mais l’isolant, qui sépare les électrodes, est Le stockage d’énergie dans des super-condensateurs est l’un des deux systèmes de stockage direct de l’électricité, sous la forme d’un champ électrique entre deux électrodes remplacé par un électrolyte conducteur ionique dans lequel le déplacement des ions s’effectue le long d’une électrode conductrice à très grande surface spécifique (grains de carbone percolants ou polymères conducteurs micro-fibreux : 1200m2 par gramme. On obtient ainsi de meilleures énergies volumiques que dans les condensateurs : 5 Wh/kg voire 15 Wh/kg, à un coût très élevé mais avec une constante de temps de décharge supérieure à cause de la lenteur de déplacement des ions dans l’électrolyte (puissance de 800 à 2000 W/kg).
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COUPE SCHÉMATIQUE ET VUE DE SUPER-CONDENSATEURS [ST-CEA] La tension par élément est limitée à 2,5 ou 3 V (modules jusqu’à 1500 F (Farads)) et nécessite généralement une mise en série, contrairement au condensateur, pour former des modules capables de stocker de l’ordre de 50 à 100 kW. On peut craindre un risque de déséquilibre lors de cette mise en série. Pour obtenir un bon équilibre des tensions entre les nombreux éléments en série, le convertisseur électronique de puissance est fractionné et intégré aux éléments.
SCHÉMA D’UN SYSTÈME UTILISANT DES SUPER-CONDENSATEURS Comme dans un condensateur, la tension varie en fonction de l’état de charge : W =1/2CV2 , ce qui conduit à la nécessité d’un convertisseur d’adaptation même en cas d’utilisation en courant continu. Les super-condensateurs se caractérisent par une durée de vie à priori sans limite mais en pratique de l’ordre de 8 à 10 ans, un rendement de l’ordre de 95% et une autodécharge de l’ordre de 5% par jour qui nécessite tout de même une consommation rapide de l’énergie stockée. La technologie est connue depuis les années 1980 et a été largement utilisée à petite échelle pour la sauvegarde mémoire sur les cartes électroniques. Ce n’est que depuis la fin des années 1990 que des dispositifs de taille significative ont permis d’envisager des applications de plus grandes puissances, plutôt impulsionnelles (fourniture brève d’énergie : quelques secondes à quelques minutes) telles que l’on peut en rencontrer dans le domaine des transports.
2) Les inductances supraconductrices 15
Le stockage magnétique à supraconducteur est appelé aussi SMES pour "en:Superconducting magnetic energy storage" (Stockage d'énergie magnétique par bobine supraconductrice). Le stockage d’énergie dans une bobine supraconductrice est l’un de deux systèmes de stockage direct de l’électricité, sous la forme d’un courant électrique continu circulant dans une bobine. Ce courant augmente pendant la charge et décroît pendant la décharge et doit être converti pour être exploitable sous forme de tension continue ou alternative. A chaque instant, l’énergie magnétique stockée dans l’air W est égale à la moitié du produit de l’inductance L de la bobine par le carré de l’intensité I du courant :W =1/2LI2 , tandis que la densité volumique d’énergie est proportionnelle au carré de l’induction : W/V=1/2μB2.Compte tenu des intensités de courant très élevées, la résistance R de la bobine doit être extrêmement faible, sinon les pertes par échauffement (effet Joule) ne permettront pas de conserver l’énergie accumulée plus de quelques fractions de seconde. Cela nécessite l’emploi des bobinages supraconducteurs (formées de câbles supraconducteurs de résistance électrique quasi nulle, constitué généralement de filaments en niobium/titane NbTi) qui opèrent à très basse température (-270ºC).Les deux types de bobinages envisagés sont le solénoïde et le tore, tous deux opèrent à l’air. Le premier permet un meilleur stockage à volume donné de matériau supraconducteur, mais il rayonne beaucoup et engendre une pollution inadmissible dont la compensation est coûteuse et encombrante. Le tore se révèle, malgré un volume plus important, la solution la plus souvent retenue.
Bobine supraconductrice qui permet de stocker l’énergie sous forme d’un champ magnétique. Un des avantages de ce système de stockage est son très bon rendement instantané, voisin de 95% pour un cycle de charge-décharge. La principale difficulté est liée au système de réfrigération qui, même s’il ne pose plus aujourd’hui de problème, accroît considérablement le coût et complique l’exploitation. Une station de stockage électromagnétique se compose principalement d’une grande bobine supraconductrice connectée au réseau par des transformateurs et des convertisseurs alternatif-continu à thyristors. Les projets de stockage massif (5000 à10000 MWh) font appel à des bobines de grand diamètre (plusieurs centaines
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de mètres), où les forces électromagnétiques qui s’exercent sont colossales. Il faut donc les installer en sous-sol pour diminuer le coût de structure. VI- Le Stockage des énergies renouvelables Les énergies dites renouvelables possèdent souvent le même défaut : elles sont intermittentes, c'est à dire que leur production n'est pas assurée en permanence ni de manière constante. C'est le cas par exemple pour l'énergie solaire et l'énergie éolienne. Il arrive parfois que ces systèmes produisent plus d'énergie que nécessaire. Le surplus ne pouvant être utilisé est alors perdu alors qu'il pourrait être utile au moment où ces méthodes ne produisent pas d'énergie. Afin de résoudre ce problème, les chercheurs travaillent au développement de méthode de stockage. 1) Stockage de l’énergie éolienne L’énergie éolienne est une source d’énergie utilisée depuis des siècles. En plus de son exploitation en mer pour faire avancer les bateaux, ce type d’énergie a été exploité sur terre durant au moins les 3000 dernières années. En effet, des moulins à vent à axe vertical étaient déjà utilisés dans les hautes terres afghanes 7 siècles A.C. pour moudre du grain. Ainsi, dans un premier temps, l’énergie cinétique du vent était uniquement transformée en énergie mécanique. C’est en 1891 que le Danois Poul Lacour construisit pour la première fois une turbine à vent générant de l’électricité. Depuis, la technologie des aérogénérateurs a évidemment évoluée. Ceci a permis, à l’énergie éolienne, de devenir ces dernières années une alternative aux sources d’énergie traditionnelles. Bien que les aérogénérateurs aient atteint une certaine maturité technique, il leur reste encore une grande marge de progrès technologique. Il n’y a pas de doute que les aérogénérateurs évoluent encore, et la recherche a un rôle important à jouer dans ce sens. Les éoliennes de dernière génération fonctionnent à vitesse variable. Ce type de fonctionnement permet d’augmenter le rendement énergétique, de baisser les charges mécaniques et d’améliorer la qualité de l’énergie électrique produite, par rapport aux éoliennes à vitesse fixe. Ce sont les algorithmes de commande qui permettent d’en contrôler la vitesse de rotation des éoliennes à chaque instant. Les éoliennes modernes sont automatisées. Les forces aérodynamiques qui entrent en jeu dans leur fonctionnement sont les mêmes que celles qui sont créées par les ailes d’un avion. La plupart des éoliennes sont pourvues d’un anémomètre qui mesure la friction du rotor, les mécanismes de commande lui permettent de tourner et ainsi de produire une faible puissance. Cette vitesse, appelée vitesse de démarrage, est habituellement d’environ 4 m/s, soit la force d’une brise légère. La puissance produite croît rapidement à mesure que la force du vent augmente. Lorsqu’elle atteint le niveau maximum admissible pour l’éolienne installée, les mécanismes de commande assurent la régulation à la puissance nominale. La vitesse du vent à laquelle une machine fournit sa puissance nominale est appelée vitesse nominale; en général, elle équivaut à environ 15 m/s. Si la vitesse du vent continue à augmenter, le système de commande arrête le rotor pour éviter que des dommages ne soient causés à l’éolienne. Cette vitesse d’arrêt est généralement d’environ 25 m/s.
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Voici les principaux composants d’une éolienne moderne : - Un rotor, bipale ou tripale, qui convertit l’énergie du vent en énergie mécanique par l’entraînement de son arbre, - Un multiplicateur (boîte de vitesses), qui relie le rotor au générateur, - une génératrice triphasée, - Une tour sur laquelle est fixé le rotor et qui est assez élevée pour exploiter les vents plus forts en altitude, - Une fondation solide qui assure la résistance de l’ensemble par grands vents et/ou dans des conditions de givrage, - Un dispositif d'interconnexion et un système de contrôle qui commande le démarrage et l’arrêt de l’éolienne et surveille son fonctionnement.
Schéma typique d’une éolienne 18
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Schéma montrant les éléments mécaniques et électriques de l’éolienne Le vent, source de l’énergie électrique produite par les aérogénérateurs, est une grandeur stochastique. Tout en étant l’entrée et la raison d’être du système éolien, c’est également la perturbation principale. Il est très important de chercher à minimiser l’impact des perturbations éoliennes sur la production d’électricité par des aérogénérateurs à vitesse variable et c’est dans ce cas là où apparaît l’importance du stockage dans l’atténuation de ces perturbations. L'énergie éolienne est par essence une énergie intermittente. Elle n'est prévisible que dans la limite des prévisions météorologiques et ne peut être stockée sous sa forme primaire. Les partisans des énergies renouvelables voient dans le mix-énergétique, 20
combinant éolien, solaire et géothermie, dans le stockage de l'énergie et les économies d'énergie, des solutions pour pallier les problèmes d'intermittence de l'éolien. Il existe plusieurs méthodes de stockage de l’énergie éolienne : a) Stockage par biogaz Les difficultés à stocker cette énergie à grande échelle et de manière connectée au réseau conduit parfois à une non exploitation du plein potentiel de cette ressource. L'utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique est une des pistes les plus sérieusement envisagées. L’électrolyse est un procédé connu et maitrisé qui permet d’utiliser le surplus d’énergie pour produire de l’hydrogène. La pile à combustible est une des pistes de recherche, comme l’atteste le projet Myrte, plateforme de recherche et développement des productions de faible importance qui a pour objectif de stocker l'énergie solaire sous forme d'hydrogène, inauguré au début de l’année 2012. On peut également citer le projet de recherche européen INGRID lancé en juillet 2012, qui explore la piste du stockage de l’hydrogène sous forme solide grâce à un alliage d'hydrure de magnésium. Le groupe E.ON teste de son coté l’injection de l’hydrogène directement dans le réseau gazier allemand. Un site pilote devrait être construit à Falkenhagen (Nord-est de l’Allemagne). b) Stockage par batteries La solution du stockage de l'énergie électrique dans des batteries n'est envisagée que pour des sites isolés et des productions de faible importance. Ce type de stockage est limité par l'investissement représenté par des batteries de grande capacité et par la pollution engendrée par leur recyclage. c) Stockage hydraulique Une méthode utilisée pour exploiter et stocker les productions excédentaires des éoliennes consiste à les coupler avec des techniques de pompage-turbinage au sein de centrales hydroéoliennes. Cette technique est à la fois la plus simple et la plus prometteuse après le simple couplage à un potentiel hydraulique supérieur ou égal au potentiel éolien. Principe Une ferme éolienne génère de l'électricité grâce à des aérogénérateurs. Cette électricité est utilisée à 70 % pour pomper de l'eau vers une retenue d'altitude. Les 30 % restants sont envoyés sur le réseau. En périodes de moindre vent, l'eau de la retenue est turbinée dans une unité hydroélectrique et stockée dans une retenue basse. L'électricité obtenue est envoyée sur le réseau. Le principe peut être inversé avec un puits vidé de son eau grâce aux surplus d'électricité, et rempli gravitairement en alimentant en eau des turbines. d) Stockage par transformation Aux États-Unis, une entreprise conçoit de nouvelles éoliennes qui produisent de l'air comprimé au lieu de l'électricité. Dans la nacelle des éoliennes, au lieu d'un alternateur se trouve donc un compresseur d'air. L'air comprimé est stocké et permet de faire tourner un alternateur aux moments où les besoins se font le plus sentir. Du point de vue du stockage de l'énergie, cette façon de faire impose une conversion d'énergie (de l'air comprimé vers l'électricité, avec un rendement réduit), mais permet de positionner la production électrique sur le pic de consommation, où l'électricité est payée plus cher, avec une conversion de moins que par le processus classique (électricité vers stockage puis stockage vers électricité). Certains pensent même que l'on pourrait utiliser directement l'air comprimé ainsi produit pour alimenter des voitures automobiles propulsées avec ce fluide. 2) Le stockage de l’énergie photovoltaïque 21
La lumière du soleil est transformée en électricité par des panneaux photovoltaïques. L’électricité produite peut être soit stockée dans des batteries, soit convertie par un onduleur pour être distribuée aux normes sur le réseau. Les photopiles sont constituées de matériaux semi-conducteurs (souvent du silicium) qui transforment directement la lumière du rayonnement solaire en énergie électrique
Les systèmes autonomes dépendent uniquement de l’énergie solaire pour répondre à la demande d’électricité. Ils peuvent comporter des accumulateurs qui emmagasinent l’énergie produite par les modules, servant la nuit ou quand le rayonnement solaire est insuffisant. En règle générale, ces systèmes sont installés là où ils constituent la source d’énergie la plus économique. Les systèmes raccordés au réseau sont une résultante de la décentralisation du réseau électrique. L’énergie est produite plus près des lieux de consommation et non pas seulement par de grandes centrales électriques ou hydroélectriques. Un système connecté à un réseau produit sa propre électricité et achemine son excédent d'énergie vers le réseau, auprès duquel il s'approvisionne au besoin. Ces transferts éliminent le besoin d'acheter et d'entretenir une
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batterie
d’accumulateurs.
VII-Stockage par antimatière L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est « l'opposée » de la matière. L'opposition se fait au niveau des charges (dont la charge électrique) : les particules composant l'antimatière ont des charges opposées à celles des particules jouant le même rôle dans la matière. Par exemple, la matière comprend les protons, positifs, et les électrons, négatifs. L'antimatière comprend donc les antiprotons, négatifs, et les antiélectrons (ou positrons), positifs. Ce qui n'empêche pas l'existence de particules d'antimatières de charge nulle (par exemple les antineutrons). Il existe pour chaque particule une antiparticule correspondante
Bien que le stockage d'énergie par antimatière ne soit pour l'instant qu'une vue théorique, le principe pourrait être le suivant : La phase « stockage » pourrait être réalisée en concentrant un photon très énergétique en un point précis, ce qui aurait pour effet de produire deux particules (une de matière, l'autre d'antimatière). La phase "déstockage" serait réalisée en mettant en contact ces deux particules, qui en se rencontrant produiraient une formidable décharge d'énergie (la recombinaison de 10 kg de matière avec 10 kg d'antimatière produirait 500 TWh (E = m.c² = 20 kg × (3 108 m/s)² = 1,8×1018 J, 1 TWh = 3,6×1015 J, 1,8×1018 J / 23
3,6×1015 = 500 TWh) soit la production annuelle d'électricité de la France).Les difficultés sont de plusieurs ordres : *Difficulté de stockage : l'antimatière s'annihile spontanément et immédiatement au contact avec la matière. Il faut donc totalement l'isoler. *La recombinaison matière antimatière ne produit pas une énergie simple à récupérer (photons de très haute énergie.). *La conversion photon → couple matière antimatière n'est pas systématique, le couple de particules produites n'est pas déterminé et leur séparation peut être difficile (dans le cas de particules neutres). CONCLUSION Notre avenir énergétique dépendra de notre capacité à développer des dispositifs plus performants pour stocker et restituer l’énergie électrique. Le stockage d’énergie est un moyen de limiter les pertes lors d’une surproduction et donc de réduire la consommation globale d’énergie ; Le principe ayant la plus grande capacité de stockage d'énergie électrique est, et restera, l'accumulateur électrochimique. Il n'y a que de faibles améliorations à attendre des technologies classiques, le progrès réel viendra des technologies nouvelles. Le tableau comparatif suivant permet de récapituler les principales caractéristiques de quelques unes des technologies étudiées.
(*PdD : profondeur de décharge) BIBLIOGRAPHIE
PGɤE teste le stockage de l’énergie par air comprimé, Enerzine, 28 aout 2009 10questions à Jean Dhers sur le stockage de l’énergie électrique, Académie des technologies, décembre 2006
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Activité : Conversion, Transport, stockage de l’énergie consulté le 11mai 2013, tiré de www.planete_energies.com Le photovoltaïque consulté le 11mai2013 tiré de www paysnelamer.fr Bernard M. (1996). Le stockage de l’énergie électrique pour la production décentralisée de l’électricité, Ecole Normale Supérieure de Cachan Antenne de Bretagne. Consulté le 10 mai 2013 tiré de www. maxwell.com
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