Développer le stockage d'énergie valorise les énergies renouvelables

Les besoins de stockage d'énergie

L'irrégularité de la consommation d'énergie et l'insertion d'énergies renouvelables, conduisent à réserver des stockages tampon, à la régulation des flux d'énergies sur un réseau. Le stockage d'énergie participe aussi bien à la sécurisation d'un site de consommation sensible (capacité d'îlotage), qu'à l'administration d'un lieu isolé.

Les applications stationnaires seront de fait, appelées à se tenir en lieu et place, là où elles sont susceptibles d'être utilisées, en fonction des appétences réelles d'une production moderne, des sollicitations de décentralisation, des réseaux insulaires (voir définition: énergie renouvelable), concomitamment à une bonne gérance environnementale et économique (par ailleurs le surcoût environnemental n'est déjà plus entièrement étranger à l'économie).

À l'exception près de technologies avec supraconducteurs et supercondensateurs, l'énergie électrique ne se stocke pas directement, ainsi les solutions proposées au stockage d'énergie se répartissent pour le moins sur les vecteurs chimique, mécanique et thermique.
Contenu de ces multiples emplois, la multiplication des formes et systèmes de stockage d'énergie, n'est pas a priori un souci. À l'heure actuelle l'on parlerait de complémentarité des systèmes, de choix, de quantité d'énergie emmagasinée et de puissance instantanée réservée à l'exécution de la fonction.

Manque à l'appel de la présentation, l'air pressurisé en bouteille, la pile à combustible ainsi que des systèmes plus "exotiques" non moins intéressants (comme la STEP en mer pour le stockage de l'énergie éolienne). Nous laisserons faire l'actualité.

Des propriétés communes aux stockages

Il est pragmatique de débuter par fixer les propriétés qui caractérisent les systèmes de stockage, en vue d'analyse critique en avant projet et d'apprécier une combinaison technique idoine à l'endroit de son application. Il faut noter que seule une ACV (étude encadrée par la norme ISO 14044: consommation des matériaux, rejets des déchets, plateforme de stockage en gestion... ) en amorce le coût collectif (*).

*Point de vue qui nous restera à défendre sur une thématique globale, plus moralisateur qu'un coût environnemental, car synonyme d'un coût partagé, en partie ignoré. Comprenant de la sorte les dégradations fatalement répercutées sur la collectivité par la réparation ou l'organisation préventive, cela s'entend sur les produits d'activités aux risques sanitaires et à leurs accumulations. Évidemment la viabilité économique restera en fin de compte décisive, pour le commanditaire et l'avenir d'une technologie.

Ces caractéristiques attribuées, le sont, quel que soit la formule intermédiaire (thermique, mécanique... les propriétés physiques de la technologie). L'on en recherche la qualité de l'un ou l'autre sur l'application alimentée.

Caractéristiques du stockage et définitions:

Stockage d'énergie:
Le stockage d'énergie consiste en un transfert d'énergie immédiate, en énergie potentiellement transposable en un travail exécutable, à un moment voulu.
La capacité énergétique
La capacité énergétique, en wattheures ou en joules, est supérieure à l'énergie effectivement exploitable (attendu que le temps du transfert de stockage et déstockage en limitera le bilan).
La puissance maximale
Le débit maximal d'énergie par unité de temps, transféré entre deux systèmes (durant la charge ou la décharge). Plus spécifiquement, le stockage est caractérisé par son régime de transition, soit la constante de temps.
Le rendement:
Le rendement est le rapport entre l'énergie utilisable à la "décharge" et l'énergie fournie au stockage, contenu d'un modèle accumulateur/application, en fonctionnement.
La cyclabilité:
La phase complète d'un cycle se déroule, de la charge de l'accumulateur à sa décharge.
Sa cyclabilité est l'évaluation du nombre maximale de cycles réalisables, sachant que des détériorations spécifiques au cours du cycle interviendront sur chaque catégorie de stockage et de son "régime d'utilisation".

Ces traits peuvent être encore complétés: l'énergie massique, positionnement du stockage sur le réseau...

Les stockages à faible capacité d'usage

Certains de ces accumulateurs ont trouvé des débouchés sur des applications à moyenne échelle, et la réalité ne tranche pas aussi nettement sur l'étendue de leurs capacités d'usages.

Batteries électrochimiques

Les trois premières qui viennent à l'esprit sont les batteries au plomb, nickel et lithium.
La batterie au plomb est l'une des technologies la plus maîtrisée ainsi que la plus utilisée, de deux types d'électrolytes: liquide ou gélifié (ce second n'apprécie pas les surtensions). Son coût et ses performances comme son faible taux d'autodécharge, la rendent attractive malgré une "courte" durée de vie (*). *Solution au stockage de l'énergie solaire souvent adoptée en site isolé, un raccordement au réseau pouvant être prohibitif (atteindre plusieurs dizaines de milliers d'euros).

Les Ni-Cd contrairement à la batterie au plomb supportent les décharges profondes. Elles ont une bonne tenue au froid ce qui en font des candidats pré-sélectionnés dans les pays Nordiques.

Stockage par inductance supraconductrice

Le courant circule sans résistance dans une bobine à supraconducteur (maintenu sous une température critique) donc sans dégagement de chaleur par effet Joule.
Le stockage par inductance supraconductrice délivre une puissance instantanée élevée (qui peut aussi servir de contrepartie de charge sur un dispositif combiné) associé à un temps de stockage rapide, mais son système de refroidissement particulièrement onéreux, en affecte l'utilisation aux technologies de pointe.

Accumulateurs à volants d'inerties

Un volant d'inertie accumule une énergie sous forme cinétique par l'entremise d'un moteur aussi générateur (réversible), et en restitue durant la phase de production d'électricité, sur le freinage de sa course.
La minimisation des frictions sur le mobile par des paliers magnétiques et une enceinte sous basse pression, réduisent les déperditions du système (existent aussi des paliers à roulements céramiques aux rôles d'assistance).

Avec une "forte" cyclabilité et une constante de temps de quelques minutes, un accumulateur par volant d'inertie complète un stockage électrochimique, en lissage de production (régulation des flux électriques) sur site mais peut être dimensionné pour couvrir des cycles longs (réalisations [2010]: société Pentadyne ou Beacon Power).

Stockages à grande et moyenne échelle

Le stockage à grande capacité tendrait à s'éloigner des contraintes de localisation coutumières (relief et sous-sol) en étendant son champs d'étude aux matériaux réfractaires (particulièrement prometteur et avec des mises en avant rapides) et à la circulation d'électrolyte (liquide conductible).

Le stockages hydrauliques gravitaires

Une centrale de pompage-turbinage est une station de transfert d'énergie par pompage (STEP), l'eau est refoulée d'un bassin vers un autre, d'altitude supérieure, par une station de pompage-turbinage. En phase de production, sous l'action de la gravité, l'eau en mouvement se reverse sur le plan inférieur, la puissance motrice de l'eau est convertie en électricité par la centrale.

Le stockage hydraulique gravitaire utilise des technologies confirmées mais l'investissement peut se révéler important et ne peut s'établir que sur des lieux topographiquement et géologiquement propices.

STEP en mer

Le transfert d'énergie par pompage peut servir la redistribution des outils de production, en faveur des énergies marines et de l'énergie éolienne offshore.

Avec un rendement jusqu'à 80% et sans saut technologique majeur, il est normal de songer à l'idée de Mr François Lempérière de pompage-turbinage en atolls (l'occupation de 23Km2, équivalent au stockage de 160 GWh et de 5 GW de puissance est estimé à 6 milliards d'Euros). D'autres configurations côtières peuvent être étudiées sur site.

Les stockages d'air comprimé en caverne

L'exploitation de sites de stockage d'air comprimé (en caverne) peut se prévaloir d'une expérience relativement ancienne.
L'antécédent du site de Huntorf en Allemagne (1978): les surplus d'électricité sont utilisés pour comprimer de l'air dans une cavité souterraine, s'en suit en phase de déstockage un cycle de turbine à gaz couplée à un générateur (cas de figure combinant une source fossile à la sortie du stockage).
La phase conventionnelle de compression de l'air "préludant" la combustion du gaz est ainsi déduite de l'activité directe de la centrale à turbine à gaz, avec précisons le, un gain rapporté à l'ensemble de la plateforme de stockage.

Pour autant ces technologies sont en forte évolution et des systèmes de stockages hybrides sont proposés ou à l'étude, promettant des résultats proches de 90% (soyons de nature optimiste). Nous retiendrons l'addition d'un circuit récupérant les calories de l'air comprimé (jusqu'à 600 degrés) du projet ADELE et y reviendrons dans la mesure où l'actualité nous le permettra.

Le stockage thermique à haute température

Technologie en voie d'expérimentation, l'électricité y est stockée par des réfractaires (sous forme thermique) pour alimenter en air chaud une centrale électrique à cycle combiné (plus d'un cycle thermodynamique augmente l'efficacité énergétique).
Pour exemple SETHER, en phase préliminaire de développement.

Batteries à circulation (batterie redox)

De plus grande capacité que les batteries conventionnelles, les batteries à circulation d'électrolyte utilisent en solution un composé Vanadium, ou Zinc, ou Sodium, ou encore Polysulfure de sodium agrégé à du Brome (Vbr, ZnBr... ).
Est constituée de deux réservoirs (de solutions conductibles) extérieurs et d'une cellule compartimentée d'une membrane perméable aux ions. La mise en circulation des électrolytes jusqu'aux compartiments anodique et cathodique entraîne la migration des ions des électrolytes par la membrane (le séparateur), accompagnée de la réaction d'oxydation et de réduction sans formation de masses solides sur les électrodes.

L'alimentation en électrolytes peut être étendue (voir à d'autres réservoirs) ou bien renouvelées (possible débouché sur des applications embarquées).