Stockage d'énergie

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 »

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) ou du déstockage.

Intérêt

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, ce qu'on appelle couramment et économiquement "production d'énergie" n'est pas, physiquement, de la production, mais de 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).
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.

Cela est en particulier indispensable quand l'énergie immédiatement disponible est variable dans le temps, comme c'est le cas des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolienne).

Rendement d'un stockage d'énergie

L'opération de stockage d'énergie est toujours associée à l'opération inverse, consistant à récupérer l'énergie stockée (le déstockage). 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. Le rendement 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. En effet, 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. Le rendement 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.

Les grandes formes de stockage

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

• La combustion étant l'usage énergétique le plus courant, le stockage de combustible est aussi le plus développé. Tous les États disposent de stocks stratégiques de pétrole, 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 bio-carburants.
• Le stockage sous forme d'énergie potentielle de chute (par remontée d'eau derrière des barrages quand il y a surproduction d'électricité) est déjà très utilisé pour la régulation et l'équilibrage des réseaux électriques. C'est une solution qui améliore la rentabilité et la disponibilité des énergies renouvelables^[1].
• A 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.
• Le stockage de calories existe également. 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.
  Une autre forme de stockage thermique est l'utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP), dans les bâtiments, ou pour accumuler 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.
• Le stockage mécanique est un élément pratiquement obligatoire dans tous les moteurs, sous forme de volant d'inertie, pour régulariser 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 de kWh !).

Stockage sous forme d'énergie chimique

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 rayonnante

La production de molécules riches en énergie par photosynthèse et facilement utilisable pour libérer cette énergie est à la base de la vie. L'homme récupère cette énergie stockée naturellement essentiellement sous deux formes, toutes deux combustibles :

• le bois
• l'huile

Le stockage d'énergie sous forme de biomasse est long (typiquement plusieurs mois), compliqué et cher, et d'un rendement faible (la photosynthèse ne récupère qu'environ 1% de l'énergie solaire disponible). De plus, l'usage de la biomasse comme carburant ne tire pas profit des intéressantes propriétés des molécules produites par les être vivants, à commencer par leur qualité alimentaire. Pour toutes ces raisons, la biomasse est un mode de stockage accessoire (ce qui ne signifie pas négligeable), et qui le restera (pour autant qu'on s'autorise un pronostic).

Potentiel électrochimique

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).

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).

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

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.

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. Le stockage peut être réalisé sous plusieurs formes, qui ont toutes un faible rendement :

• 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 depuis 2000, notamment les autobus des projets européens Ectos, CUTE, Hyfleet Cute et bientôt CHIC^[2],[3],[4].
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^[5]. 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^[6].

• 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^[7], comme une version (non disponible à la vente) de la BMW série 7^[8].

• 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
  • l'hydrure de Magnésium^[9].
  • l'acide formique qui par un procédé utilisant du fer comme catalyseur se décompose en dihydrogène et dioxyde de carbone^[10]. 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.

Stockage sous forme d’énergie mécanique

Stockage sous forme d’énergie potentielle

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

Stockage hydraulique

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. Le rendement est bon (de l'ordre de 80%^[11] aux bornes de l'usine, en tenant compte des pertes de charge dans la conduite, du rendement 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).

Air comprimé

CAES : stockage d’air comprimé dans une caverne souterraine

CAES 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). Le rendement sera médiocre, car la compression s'accompagne d'un échauffement du gaz, sauf à récupérer la chaleur produite (cogénération air comprimé + chaleur)^[12]. Un système de ce type est actuellement développé par la société Enairys.

A plus grande échelle, on peut utiliser des cavernes souterraines ou d'anciennes mines pour stocker l'air comprimé. 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)^[13], dans l'Iowa^[14] et en Allemagne^[15], bien que le rendement 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 2000 m), est en développement au Royaume-Uni avec le soutien du producteur d’électricité E.ON^[16].

Stockage sous forme d’énergie cinétique

Stockage par volant d'inertie

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 60.

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^[17] 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.
Le rendement de ce système, appelé parfois "batterie mécanique", est supérieur à celui permis 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

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

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, les déperditions thermiques du stockage (liée à son isolation thermique) et l'éventuel changement d'état que peut être amené à subir le matériau de 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.
• 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^[18] 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 GW.h dans des réservoirs de sels chauffés à 390°C.

• On peut aussi citer l'utilisation à la fin du XIX^e 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

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 du changement de phase solide/liquide, et pour une quantité d'énergie stockée et un matériau de stockage donnés, le stockage latent 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 :

• Des matériaux à changement de phase (MCP) sont actuellement étudiés pour améliorer l'inertie thermique des parois des bâtiments.
• Les pompes à chaleur, notamment les réfrigérateurs, congélateurs et climatiseurs, utilisent des fluides changeant de phase comme caloporteurs. Ceux-ci ne stockent pas à proprement parler de chaleur, l'emmagasinant uniquement le temps du transport.

Autres

Supraconductivité

Le stockage magnétique à supraconducteur est appelé aussi SMES "Superconducting Magnetic Energy Storage" (Stockage d'énergie magnétique par bobine supraconductrice). Ce système permet 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^[19]. Le coût des équipements nécessaires et l'énergie requise pour la réfrigération réservent ce type de stockage à des applications de hautes technologies.

Antimatière

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).

L'intérêt serait l'aspect ultime de ce stockage. On ne peut pas concentrer plus d'énergie dans la matière. En fait, n'importe quel système^{[réf. souhaitée]} de stockage d'énergie voit sa masse augmenter de 40 microgramme par MWh stocké^[20].

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).
• ...

Voir aussi

Articles connexes

• Alimentation sans interruption
• Matériau à changement de phase (thermique)

Liens externes

• Quelques chiffres en fonction du mode de stockage : Est-ce facile de stocker l'énergie ? par Jean-Marc Jancovici

Bibliographie

Notes et références

• Portail de l’énergie