Stockage d'énergie

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Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une quantité d'énergie en un lieu donné pour permettre son utilisation ultérieure. Par extension, le terme « stockage d'énergie » est souvent employé pour désigner le stockage de matière qui contient cette énergie. La maîtrise du stockage de l'énergie est particulièrement importante pour valoriser les énergies alternatives, telles que l'éolien ou le solaire, sûres et renouvelables, mais par nature intermittentes.

Schéma simplifié et de principe d'un système intégré de stockage dans un réseau électrique, de type « Grid energy storage (en) »

On s'intéressera ici principalement à l'opération consistant à créer un stock à partir d'énergie disponible, et non directement à la gestion des stocks (notamment des stocks d'énergie fossile), ni au déstockage.

Intérêt[modifier | modifier le code]

Le stockage d'énergie est un enjeu à la hauteur de la consommation d'énergie : primordial.

Pour les états, l'indépendance énergétique est stratégique et économiquement essentielle. Pour les individus et les entreprises, une énergie disponible à la demande, sans coupure inopinée, est un confort et une commodité pour la production.

Même pour la « production d'énergie », le stockage est essentiel : en réalité, une partie de ce qu'on appelle couramment et économiquement « production d'énergie » est la transformation d'un stock d'énergie potentielle (charbon, eau stockée en hauteur, matière fissile…) en une énergie directement utilisable pour un travail (électricité, travail mécanique).

L'autre partie de la "production d'énergie" correspond à la transformation directe de flux d'énergie naturels, flux sur lesquels l'humain n'a aucun contrôle. Ce sont les énergies renouvelables, souvent basées sur le rayonnement solaire.

Et bien sûr, du point de vue physique, il n'y a jamais "production d'énergie", seulement transformation d'une énergie disponible dans la nature.

Le stockage consiste à reconstituer un stock d'énergie potentielle à partir d’énergie dont on n'a pas l’usage immédiat. Le but est de pouvoir en disposer plus tard, lorsque la demande sera plus importante.

La nature procède naturellement à ce stockage, par exemple avec la biomasse "neuve", le cycle climatique de la Terre (vent, pluie,...), les vagues et les courants marins,...

Certains stockages naturels n'ont eu lieu qu'à l'échelle de temps géologique (création du charbon, du pétrole et du gaz,...). Aujourd'hui, il n'est pas connu d'exemple où cette création aurait encore lieu, et les stocks s'épuisent en l'absence de renouvellement, raison pour laquelle ces ressources sont appelées non-renouvelables.

Les humains ont ajouté des stockages artificiels dont ils peuvent contrôler les flux. Ceci est utile quand le rythme naturel des flux d'énergies renouvelables directes, irrégulier et non réglable (solaire photovoltaïque, éolien, hydraulique au fil de l'eau) est inférieur au niveau de consommation, irrégulier lui aussi. D'autres approches consistent à réguler les appareils à forte consommation (chauffage électrique, eau chaude et système de réfrigération par exemple) pour correspondre aux prévisions de production et éviter les irrégularités de consommation comme les pics du soir en hiver ; cependant, une partie très importante de la consommation ne peut être déplacée (ascenseurs, éclairage, cuisson des aliments, TV, ordinateurs sans onduleurs ni batteries, etc) et le délai de déplacement est limité à quelques heures : il n'est pas possible d'arrêter le chauffage pendant plusieurs jours sans vent ou sans soleil. Ces approches dites de "gestion de la demande" (demand management) n'apportent donc qu'une contribution modeste à la solution du problème de l'irrégularité de la demande et de celle de la production des énergies intermittentes.

Efficacité énergétique d'un stockage d'énergie[modifier | modifier le code]

Sauf pour les moyens naturels de stockage d'énergie ambiante, comme la lumière solaire dans la biomasse, le vent ou la pluie, 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 de stockage. À la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement "vide") ; on a alors régénéré le stockage.

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. Ce rapport est généralement inférieur à 1, sauf pour les moyens naturels de stockage d'énergie ambiante où il peut être considéré comme infini (division par zéro), puisque personne ne fournit l'énergie à stocker, qui est de fait gratuite.

L'efficacité énergétique d'un cycle de stockage d'énergie dépend énormément de la nature du stockage et des systèmes physiques mis en œuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage.

Dans tous les cas, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d'énergie ou de matière : une partie de l'énergie initiale n'est pas réellement stockée et une partie de l'énergie stockée n'est pas réellement récupérée. Mais pour de l'énergie ambiante naturelle, ces pertes influent surtout sur l'amortissement économique des investissements éventuellement nécessaires : la lumière du soleil arrive même si l'humain ne la capte pas.

Les grandes formes de stockage[modifier | modifier le code]

Le stockage est directement lié à l'usage qu'on fait de l'énergie.

Stockage de combustible 
La combustion restant le processus énergétique le plus courant, c'est le stockage le plus développé. Tous les États disposent de stocks stratégiques de pétrole et/ou charbon, mais même en excluant ces éléments fossiles, il faut rappeler l'importance pratique du bois-énergie, dont on fait des stocks pour l'hiver, et le développement des agrocarburants.
Stockage électrochimique 
À plus faible échelle, le stockage d'énergie en vue de la production d'électricité (électrochimique dans les piles et les batteries, électrique dans les condensateurs) est bien moindre en termes de quantité d'énergie, mais très important sur le plan pratique. De nouvelles approches (ex : la Troisième révolution industrielle de J. Rifkin) et/ou de nouvelles batteries associées à un système "intelligent" de gestion de l'énergie, permettent de doper le stockage d'électricité intermittente (solaire, éolienne)[1],[2], pour stocker et autoconsommer jusqu'à plus de 75 % de la production d’électricité photovoltaïque d'une maison équipée de modules photovoltaïques[2].
Stockage de calories 
Au-delà de l'usage du cumulus, des habitations de grande inertie thermique (murs épais, bonne isolation) permettent de lisser et diminuer les besoins de chauffage et de rafraîchissement, permettant des économies directes[3].
Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) peuvent aussi dans les bâtiments accumuler de l'énergie solaire thermique de chauffe-eau solaires individuels (CESI). Les MCP permettent de lisser la production d'énergie (gratuite) fournie par le Soleil et d'augmenter la capacité de stockage grâce à leur grande densité énergétique volumique. La société Kaplan Energy a été le premier fabricant à équiper ses CESI et SSC (Système solaire combiné) de batteries solaires thermiques constituées de MCP.
Á l'échelle industrielle, on peut stocker la chaleur solaire dans des réservoirs, comme intermédiaire avant la production d'électricité, pour lisser l'apport solaire ; ce type d'usage est marginal en volume mais c'est une voie intéressante dans le cadre d'une production électrique par une centrale solaire thermodynamique.
Stockage mécanique 
C'est un élément pratiquement obligatoire dans tous les moteurs, sous forme de volant d'inertie, pour réguler le mouvement à des échelles de temps très courtes, inférieures à la seconde. Il n'est pratiquement pas utilisé pour le stockage à long terme, car les quantités d'énergie stockées sont très faibles (ainsi une automobile d'une tonne lancée à 150 km/h ne représente que 860 kJ, soit moins de 1/4 kWh !), mais a été utilisé en Formule 1 pour un gain ponctuel mais instantané de puissance[4].
Stockage sous forme d'énergie potentielle de pesanteur 
La remontée d'eau dans des barrages quand il y a surproduction d'électricité est déjà très utilisée pour la régulation et l'équilibrage des réseaux électriques (systèmes de pompage-turbinage). Son utilisation est envisagée par certains experts pour compenser l'irrégularité de la production des énergies éolienne et solaire[5].

Stockage sous forme d'énergie chimique[modifier | modifier le code]

Cette forme de stockage est, de loin, celle qui est la plus répandue, mais pas la plus importante en termes de MWh.

Énergie chimique de la biomasse issue de l'énergie solaire[modifier | modifier le code]

La production de molécules riches en énergie issues de l'énergie solaire (photosynthèse) et facilement utilisables est à la base de la vie. L'homme récupère cette énergie stockée naturellement sous diverses formes, toutes combustibles :

  • le bois avec des durées de renouvellement de dizaines d'années ;
  • les huiles telles que colza, maïs, etc. avec un rythme annuel[6];
  • les sucres et amidon permettant de produire du bioéthanol (rythme annuel);
  • le charbon, le pétrole et les gaz pétroliers, avec des durées de renouvellement de centaines de millions d'années (donc non renouvelables à l'échelle d'une vie humaine), selon la théorie de formation du pétrole la plus commune qui fait provenir le pétrole de l'agrégation et de la transformation de biomasse ancienne enterrée et transformée par des processus complexes souterrains.

Les productions et le stockage d'énergie sous forme de biomasse nécessitent plusieurs mois, et sont d'une efficacité énergétique faible (la photosynthèse ne récupère qu'environ 1 % de l'énergie solaire disponible), mais ils sont renouvelables.

La création des stocks de charbon, de pétrole ou de gaz pétrolier a été encore moins efficace, et n'est plus réalisée actuellement selon nos connaissances. Il s'agit donc d'un stock non renouvelable, fabriqué à partir de l'énergie solaire moins efficacement encore que la biomasse renouvelable.

L'usage des dérivés pétroliers et de la biomasse comme carburant ne tire pas profit des intéressantes propriétés des molécules produites par les être vivants.

Pour la biomasse renouvelable, se pose le problème de la concurrence avec la production alimentaire.

Pour toutes ces raisons, la biomasse est un mode de stockage qui n'a pas encore atteint toute sa maturité.

Potentiel électrochimique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Accumulateur électrique.
La batterie d'accumulateurs est le mode le plus courant de stockage d'électricité, sous forme chimique

L'électricité est une énergie secondaire et un vecteur d'énergie ; c'est-à-dire qu'elle résulte de la transformation d'énergie primaire. Une fois produite elle est instantanément consommée ou perdue. Elle n'est pas directement stockable (sauf dans un condensateur), et doit donc être convertie en une autre forme d'énergie pour être stockée.

Le stockage de grandes quantités d'électricité avec des accumulateurs électrochimiques géants n'a jamais été réalisé. Les accumulateurs électrochimiques sont généralement lourds, chers, ont une durée de vie limitée et posent des problèmes de pollution (acides et métaux lourds) lors de leur fin de vie, et même parfois des risques d'incendie voire d'explosion lorsqu'on les sort de leurs conditions normales d'utilisation.

Par contre, de nombreux systèmes domestiques déconnectés du réseau de distribution d'électricité sont basés sur l'utilisation de batterie d'accumulateurs ou de piles. En pratique, elles sont utiles pour les petits appareils électroménagers ou les appareils électroniques embarqués (par exemple sur un bateau). Les batteries au lithium sont massivement utilisées pour les applications portables électroniques, à plus de 95 % pour les téléphones, les ordinateurs portables et les caméscopes / appareils photo, avec 1,15 milliards de batteries au lithium mises sur le marché en 2003[7].

Récemment un regain d'intérêt pour les véhicules produisant peu ou pas de gaz polluants a relancé la création de véhicules électriques : vélos et automobiles fonctionnant complètement grâce à ce type d'énergie ou de manière hybride (électricité en complément d'énergie fossile). On s'oriente aujourd'hui vers des batteries au lithium, solutions LiPo et surtout LMP[7].

Les condensateurs de moyenne et grosse capacité, dits « condensateurs chimiques » et les « SuperCap » sont une autre utilisation des couples électrochimiques pour stocker de l'énergie. Leur utilisation est très courante dans les appareils et machines électriques avec ou sans électronique embarquée.

Gaz[modifier | modifier le code]

L'énergie disponible peut être utilisée pour synthétiser des gaz combustibles, à partir de molécules moins riches en énergie (ou moins pratique à utiliser). Le méthane ou l'hydrogène ou même un produit intermédiaire comme l'ammoniac, sont envisagés.

Méthane[modifier | modifier le code]

Dans la perspective d'une transition vers des énergies renouvelables, des chercheurs de l'entreprise autrichienne Solar Fuel Technology (Salzbourg), en coopération avec l'Institut Fraunhofer de recherche sur l'énergie éolienne de Leipzig (IWES), le centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène de Stuttgart (ZSW) et l'université de Linz ont mis au point une solution de stockage de l'énergie sous forme de méthane[8],[9]. L'énergie électrique excédentaire d'origine éolienne ou photovoltaïque est utilisée pour décomposer de l'eau en dihydrogène et dioxygène (électrolyse de l'eau), puis le dihydrogène est utilisé pour méthaniser du dioxyde de carbone (réaction de Sabatier).
L'un des principaux intérêts de ce procédé est d'utiliser les infrastructures (réservoirs et conduites de gaz) existantes, dont la capacité de stockage serait suffisante pour couvrir les besoins de méthane de l'Allemagne pendant plusieurs mois[10], par exemple pendant les périodes où le solaire et l'éolien ne peuvent couvrir les besoins énergétiques.

Hydrogène[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Stockage d'hydrogène.

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 électrolyse de l'eau pour « stocker » des énergies intermittentes (éolien, solaire) dans des zones isolées du réseau[11]. Le stockage peut être réalisé sous plusieurs formes, qui ont toutes une faible efficacité énergétique :

  • 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 dû 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 très 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 depuis 2000, notamment les autobus des projets européens Ectos, CUTE, Hyfleet Cute et bientôt CHIC[12],[13],[14].
Quatre constructeurs automobiles prévoient un lancement en série de voitures à piles à combustible en 2015 : Mercedes-Benz, Honda, Général Motors et Hyundai. La Mercedes "fuel cell" class B est en location à Oslo depuis janvier 2011[15]. Vingt-deux stations services hydrogène mises en place en 2010 et un total de 212 dans le monde distribuent l'hydrogène à 350 et/ou 700 bars et/ou sous forme liquide[16].
  • 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[17], comme une version (non disponible à la vente) de la BMW série 7[18].
  • Stockage sous forme de composés physiques ou chimiques capables de libérer facilement le gaz, par :
    • l'utilisation de nanotubes de carbone.
    • les hydrures métalliques : magnésium[19] 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[20]. Cette voie catalytique permet d'après ces travaux d'obtenir 53 grammes d'hydrogène pur par litre d'acide formique aux conditions normales de température et de pression, contre 28 grammes pour de l'hydrogène comprimé à 350 bars.

Une alternative prometteuse est d'introduire (en une sorte de stockage diffusif) de l'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[21]). 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 »[21].

Stockage sous forme d’énergie mécanique[modifier | modifier le code]

Stockage sous forme d’énergie potentielle[modifier | modifier le code]

L'énergie est stockée sous forme d'un fluide (eau ou air comprimé).

Stockage hydraulique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Pompage-turbinage.

Les barrages hydrauliques constituent des réserves d'eau qui en tombant dans des conduites, actionnent des turbines fournissant l'énergie mécanique aux générateurs d'électricité.

Une optimisation du système consiste à réutiliser l'eau conservée ou issue d'un fleuve au pied de la centrale hydroélectrique. Le stockage par pompage-turbinage (également appelé STEP : Station de Transfert d'Énergie par Pompage) est utilisé pour égaliser la charge quotidienne (c'est-à-dire le besoin en électricité) : de l'eau est pompée et remontée vers les barrages d'altitude quand la demande sur le réseau est faible (pendant les heures creuses et le week-end par exemple), en utilisant la production excédentaire de sources d'énergie non ajustables (nucléaire, solaire, éolien…) ; pendant les pics de consommation, cette eau redescend sous-pression et produit à nouveau de l'électricité.

C'est le même dispositif électromécanique réversible, qui produit de l'électricité en turbinage ou en consomme pour remonter de l'eau par pompage. L'efficacité énergétique est bonne (de l'ordre de 80 %[22] aux bornes de l'usine, en tenant compte des pertes de charge dans la conduite, des pertes des moteurs/alternateurs, des pompes/turbines et des transformateurs). Cependant, relativement peu de lieux conviennent : dotés des barrages de stockage de taille suffisante et avec un grand dénivelé entre les barrages/réserves d'eau inférieur et supérieur.

On utilise aussi une variante de ce dispositif dans la centrale marémotrice de la Rance (en France) : à marée haute, on ne se contente pas de stocker passivement l'eau, on pompe aussi pour augmenter la réserve, cette eau sera relâchée avantageusement à marée basse (on monte l'eau de quelques mètres, par contre on utilise son potentiel de chute sur une dizaine de mètres de plus).

Une autre variante consiste à installer une centrale en bord de mer (STEP marine), au pied d'une falaise sur laquelle est aménagé un réservoir dans lequel l'eau de mer est pompée pendant les périodes de vent fort ou de faible demande, eau qui sera turbinée pendant les périodes de faible vent ou de demande élevée. Une telle centrale existe dans l'île japonaise d'Okinawa[23], et de nombreux projets sont en cours d'évaluation, par exemple en France pour les DOM et sur les côtes de la Manche et en Bretagne[24].

Air comprimé[modifier | modifier le code]

CAES (Compress Air Energy Storage) sous-marin

On sait utiliser de l'air comprimé pour produire un travail mécanique, par conséquent il est possible de stocker de l'énergie en comprimant un gaz (en général avec un compresseur mu par de l'énergie électrique disponible). L'efficacité énergétique est médiocre, car la compression s'accompagne d'un échauffement du gaz, sauf à récupérer la chaleur produite (cogénération air comprimé + chaleur)[25]. Un système de stockage est actuellement développé par la société Enairys à petite échelle, ou par les sociétés RWE (projet ADELE[26]), ou SustainX à plus grande échelle.

SustainX a par exemple développé une méthode de maintien de la température de l'air durant la compression, par l'injection d'une mousse avec l'air, et prétend limiter la hausse de température à 50°C[27].

À plus grande échelle, on peut utiliser des cavernes souterraines ou d'anciennes mines pour stocker l'air comprimé; IFP Énergies nouvelles a récemment (2013) publié une étude sur cette technologie[28]. Quand il y a une forte demande d'électricité, on utilise l'air qui a été précédemment comprimé et stocké pour mettre en mouvement une turbine qui grâce à un alternateur produit de l'électricité. Des installations de ce type ont été mises en place ou sont en projet à McIntosh dans l'Alabama (États-Unis)[29], dans l'Iowa[30] et en Allemagne[31], bien que l'efficacité énergétique ne soit que d'environ 40 %.

Une variante de ce système visant à stocker l’air comprimé dans un réservoir sous-marin profond (1000 à 2 000 m), est en développement au Royaume-Uni avec le soutien du producteur d’électricité E.ON[32].

Une solution innovante « l'Hybrid Air»[33] est en cours de test chez Peugeot et Citroen, il présente un alternative intéressante à l'hybride classique avec batterie, il utilise un accumulateur oléo-pneumatique (hydro-pneumatique) à base d'azote.

Stockage sous forme d’énergie cinétique[modifier | modifier le code]

Stockage par volant d'inertie[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Volant d'inertie et Kers.

L'énergie est stockée sous forme d'énergie cinétique par la rotation d'un disque lourd. Pour accumuler l'énergie, un moteur accélère le disque. Pour utiliser l'énergie, on freine le disque qui en ralentissant libère l'énergie. En pratique, dans le cas de stockage d'énergie électrique, le générateur peut être le moteur (le même engin électrique peut faire office de moteur ou de frein/générateur).

Le frottement doit être minimal pour éviter les déperditions. C'est possible en plaçant le volant dans le vide et sur des paliers à lévitation magnétique, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra résistants pour résister à l'éclatement et éviter les effets explosifs d'une panne du système, au cours de laquelle l'énergie cinétique de rotation serait convertie en énergie cinétique de translation (autrement dit, le disque se transformerait en projectile…)

En pratique, ce type de stockage est d'un usage très courant mais il se limite principalement aux volants d'inertie au sein des moteurs et des appareils de production d'énergie ; ils y opèrent un lissage à très court terme pour régulariser la fourniture d'énergie. C'est notamment le cas de tous les moteurs thermiques, surtout des moteurs turbo Diesel dont les à-coups sont importants.

Il y a déjà plusieurs décennies, des autobus urbains (Trolleybus) ont fonctionné avec un volant d'inertie disposé à plat sous le plancher, tels les Gyrobus qui ont circulé dans les années soixante dans plusieurs villes belges. Ce système permettait de faire plusieurs kilomètres sans pollution et en silence avant une "recharge", qui s'effectuait en quelques minutes lors des arrêts, dans des stations équipées à cet effet. À l'époque, la relance de l'unique gros disque se faisait par un système pneumatique ou par un moteur électrique disposé dans la chaussée. La complexité technique de cette solution (la taille, le poids de l'équipement, des problèmes d’usure du volant, la complexité d'utilisation et l'effet gyroscopique qui déséquilibrait les véhicules) associé à un faible intérêt économique ont stoppé son utilisation au début des années 1960.

L'évolution technique remet ce système au goût du jour. L'utilisation de deux disques contra-rotatifs plus légers, tournant à très grande vitesse grâce à de nouveaux matériaux plus résistants, et lancés par un moteur électrique intégré, permet une nette amélioration du rapport poids à vide / charge utile. Ceci permet également une utilisation dans les villes en pente, où le poids est encore plus pénalisant.
Plusieurs constructeurs travaillent ainsi sur l'application du volant d’inertie aux transports en commun, notamment Alstom pour ses tramways[34] qui expérimente cette technique sur le réseau de Rotterdam depuis 2005.

Des applications dans le domaine ferroviaire ont également été tentées. Des volants d'inertie sont aussi utilisés depuis 2009 sur des voitures de Formule 1 (système SREC) et sur certaines voitures de sport pour récupérer l'énergie cinétique lors des freinages.
L'efficacité énergétique de ce système, appelé parfois "batterie mécanique", est supérieure à celle permise par l'utilisation d'accumulateurs chimiques.

Cette technologie est aussi utilisée dans des alimentations sans interruptions statiques (ASI) et dynamiques (ADI) (Uninterruptible Power Supply en anglais) permettant de pallier la rupture de l'alimentation électrique pendant plusieurs secondes et de permettre d'attendre le démarrage d'un groupe de secours.

Stockage de l'énergie thermique[modifier | modifier le code]

Le stockage de chaleur peut être réalisé à travers deux phénomènes différents associés aux matériaux qui assurent le stockage. On parle alors de stockage par chaleur sensible et de stockage par chaleur latente.

Le stockage par chaleur sensible[modifier | modifier le code]

stockage thermique à Krems en Autriche, 50 000 m3 d'eau, 2 GWh

Dans le stockage par chaleur sensible, l'énergie est stockée sous la forme d'une élévation de température du matériau de stockage. La quantité d'énergie stockée est alors directement proportionnelle au volume, à l'élévation de température et à la capacité thermique du matériau de stockage. Ce type de stockage n'est limité que par la différence de température disponible et celle supportée par le matériau ou son conteneur, par les déperditions thermiques du stockage (liée à son isolation thermique) et par l'éventuel changement d'état que peut être amené à subir le matériau servant au stockage (fusion ou vaporisation).

Quelques exemples de stockage de chaleur sensible :

  • Dans les systèmes de chauffage domestiques, on utilise parfois la grande inertie thermique de certains matériaux (briques, huile) pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours des périodes où la chaleur a été produite ou captée. Mais le plus souvent, le stockage est assuré par un ballon d'eau chaude isolé. Il est aussi possible de stocker de l'eau chaude l'été pour l'hiver avec un dimensionnement correct du réservoir[35], même si le climat est froid.
  • Dans les fours à feu de bois, en brique et terre réfractaire, la capacité de la voûte du four à emmagasiner la chaleur est utilisée pour la cuisson d'objets (poterie, émaux, etc.) ou de plats (pain, pizza, etc.).
  • Le stockage de l'énergie excédentaire produite par les centrales solaires[36] le jour, afin d'être utilisée le soir et la nuit (exemple : chauffage urbain de la ville de Krems sur le Danube, voir photo). Cette technique est utilisée dans des centrales solaires thermiques, telles les trois centrales d'Andasol en Espagne qui peuvent stocker chacune 0,35 GWh dans des réservoirs de sels chauffés à 390 °C.
  • On peut aussi citer l'utilisation à la fin du XIXe siècle des locomotives Francq sans foyer et à eau surchauffée. Un réservoir d'eau de 3 m3 chauffée à 180 °C constituait la source principale d'énergie et permettait de tracter plusieurs wagons de tramway et leurs voyageurs sur des trajets de plus de 10 km.

Le stockage par chaleur latente[modifier | modifier le code]

Dans le stockage par chaleur latente, l'énergie est stockée sous la forme d'un changement d'état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation). L'énergie stockée dépend alors de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage qui change d'état. Contrairement au stockage sensible, ce type de stockage peut être efficace pour des différences de températures très faibles. Dans le cas des changements de phase solide/liquide ou liquide/vapeur, et pour une quantité d'énergie stockée et un matériau de stockage donnés, le stockage par chaleur latente nécessite moins de volume que le stockage par chaleur sensible du fait que la chaleur latente est généralement beaucoup plus élevée que la capacité calorifique.

Ces deux types de stockage peuvent être utilisés pour stocker du froid.

Quelques exemples de stockage de chaleur latente :

Autres[modifier | modifier le code]

Stockage magnétique supraconducteur[modifier | modifier le code]

Le stockage magnétique à supraconducteur est appelé aussi SMES pour "en:Superconducting magnetic energy storage" (Stockage d'énergie magnétique par bobine supraconductrice). Le SMES permet de disposer quasiment instantanément d'une grande quantité d'électricité, mais il ne pourra se généraliser tant que l'on n'arrivera pas à produire des aimants supraconducteurs performants, durables et moins coûteux. Il permet aujourd'hui, encore expérimentalement, de stocker de l'énergie sous la forme d'un champ magnétique créé par la circulation d'un courant continu de très haute intensité dans un anneau supraconducteur refroidi sous sa température critique de transition vers l'état supraconducteur[38]. Le champ magnétique est généré par la circulation d’un courant électrique dans une bobine constituée d'un matériau supraconducteur et court-circuitée qui devait être refroidie à 4 kelvins, soit – 269°C dans les premiers modèles, mais à Grenoble, l’Institut Néel et le G2Elab ont réussi à faire fonctionner des SMES à une température de 20 kelvins, rendant le refroidissement moins difficile, et le système plus léger et performant. Il suffit de connecter la bobine au réseau pour la décharger. Pour l'instant, le coût des équipements (et l'énergie requise pour la réfrigération) réservent ce type de stockage à des applications de hautes technologies, civiles ou militaires (lanceur électromagnétique…)[39].

Antimatière[modifier | modifier le code]

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 / 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).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Projet franco-allemand Sol-Ion,Objets et objectifs, consulté 2012-09-06
  2. a et b projetSol-ION
  3. Voir Mur Trombe
  4. voir KERS par volant d'inertie
  5. "Cinq fois plus d’énergie et moins d’effet de serre (avec ou sans nucléaire)" 27 mars 2009 - par François Lempérière, Polytechnicien ; Stockage d'énergie en mer : les « Lacs Emeraudes », consulté le 16 aout 2010
  6. parfois plus dans les régions sub-tropicales (deux, voire trois récoltes par an)
  7. a et b Philippe Bihouix et Benoît de Guillebon, Quel futur pour les métaux ? Raréfaction des métaux : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences, p. 213
  8. Communiqué sur le site de veille technologique de l'ADIT
  9. (de) Communiqué sur le site de l'entreprise Fraunhofer (en allemand)
  10. (en) Specht et al. Storing bioenergy and renewable electricity in the natural gas grid p. 70 (en anglais)
  11. Julien LABBÉ (2006), L’hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d'électricité pour systèmes photovoltaïques isolés ; Thèse de doctorat Spécialité “Énergétique” ; École des Mines de Paris, le 21 décembre 2006
  12. CHIC: Projet européen "Clean Hydrogen In European Cities"
  13. ERH2-Bretagne: CHIC Bus à hydrogène 26 bus à hydrogène dans 5 villes européennes
  14. (en) Projet européen C.H.I.C.
  15. http://erh2-bretagne.over-blog.com/pages/Vehicules_hydrogene_Piles_a_combustibles_FCEV_1-1305318.html
  16. http://erh2-bretagne.over-blog.com/article-19-07-2011-22-nouvelles-stations-service-a-hydrogene-en-2010-pour-un-total-de-212-dans-le-monde-79779791.html
  17. ERH2-Bretagne: Stockage hydrogène : économie de l’hydrogène
  18. Cartech - BMW série 7 hydrogène
  19. McPhy Energy révolutionne le stockage de l’hydrogène sous forme solide
  20. L’hydrogène stocké ce gaz sous forme d'acide formique. EPFL de Lausanne et Leibniz-Institut für Katalyse de Rostock L’Express - mars 2011
  21. a et b Enerzine.com)
  22. APERe Belgique - Le pompage-turbinage
  23. (en)Development of Pump Turbine for Seawater Pumped-Storage Power Plant, sur le site d'Hitachi consulté le 22 juillet 2013.
  24. Innovation : EDF développe le stockage d'énergie à partir de la mer, sur le site d'EDF Guadeloupe consulté le 22 juillet 2013.
  25. Atlas COPO - Carbon Zéro compresseurs
  26. https://www.rwe.com/web/cms/en/365478/rwe/innovation/projects-technologies/energy-storage/project-adele-adele-ing/
  27. http://www.sustainx.com/166d2963-206b-4b8d-9aa0-dfa0c0c3aa2d/resources-white-papers-detail.htm
  28. De l'air comprimé pour doper les énergies renouvelables lefigaro.fr, février 2013
  29. (en) SECO: CAES - McIntosh Alabama États-Unis
  30. (en) Iowa Stored Energy Park (USA)
  31. ADELE : un accumulateur adiabatique à air comprimé
  32. (en) Stockage d’air comprimé sous-marin offshore www.renewableenergyfocus.com
  33. Hybrid Air, une solution innovante psa-peugeot-citroen.com, consulté en aout 2013
  34. Alstom transport, Citadis, volant d’inertie, sur le site citadismag.transport.alstom.com
  35. [http://www.jenni.ch/fr/index.html?html/solaire/chauffage.htm Jenni Installation solaire pour l’eau chaude et le chauffage] Jenni.ch, consulté en avril 2014
  36. Centrale solaire au sel, Archimède – Sicile Cryonie.com
  37. Voir Pompe à chaleur#Coefficient de performance d'une PAC
  38. (en) SMES CNRS, institut Louis Néel
  39. Enerzine, Recherche : Stocker l'énergie sous forme d'un champ magnétique ! , 15/03/2013, consulté 12/05/2013,

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • B. Mufron (2003), Stocker l'électricité : Oui, c'est indispensable, et c'est possible! pourquoi, où, comment (travail réalisé au sein du club industriel énergies alternatives avec Écrin dans le cadre du débat national sur les énergies) ; ENSCA de Bretagne, PDF, 29 pages
  • Bal, J. L., & Philibert, C. (2013). Les caractéristiques des énergies intermittentes électriques sont-elles problématiques? Les particularités techniques du solaire et de l'éolien. Responsabilité et environnement, (1), 8-15 (résumé).

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]