Thème : Stockage de l’énergie électrique

Présenté par : Sous la direction de :

Hima SAIBOU Dr Madougou SAIDOU

Année académique : 2012-2013

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SOMMAIRE

Introduction

I- Le stockage intrinsèque

II- Le stockage d’énergie thermique

1- Stockage d’énergie thermique par chaleur sensible

2- Stockage de l’énergie thermique par chaleur latente

III- 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

IV- 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

V- Le stockage électrostatique magnétique

1) Les super-condensateurs

2) Les inductances supraconductrices

VI- 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

VII- 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, micro-

ordinateurs…), 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% <<de la biomasse

à la pompe>>. 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

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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 vis-

à-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 1/2V

2dm, 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.

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*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

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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

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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

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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

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20

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,

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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 hydro-

éoliennes. 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

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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 /

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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

25

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