Les sources d’énergie renouvelables et qui ne nécessitent pas de réactions de combustion sont essentiellement intermittentes : elles ne fonctionnent pas de façon continue et ne peuvent pas être produites sur demande. L’impossibilité d’adapter la production à la consommation d’énergie électrique nécessite de stocker l’excès de production.
Quelles solutions technologiques sont mises en œuvre pour stocker l’énergie électrique ?
Les Stations de Transfert d’Énergie par Pompage
Une stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) est une usine de production d’énergie hydraulique qui fonctionne de façon réversible. En cas d’excès de production d’énergie dans le réseau, l’installation utilise une pompe pour remonter une masse d’eau vers un bassin supérieur. Cette énergie potentielle stockée est ensuite utilisée pour produire de l’électricité, selon les besoins. Le rendement varie de 65 % à 80 %.
Le barrage de Grand’Maison a le plus grand réservoir supérieur français (132 millions de m3 d’eau), lui conférant une autonomie de 30 heures. La puissance cumulée des STEP françaises, de durée de vie estimée à 40 ans, atteint 5 GW pour environ 103,5 GWh de capacité de stockage. D’ici 2050, 3 GW supplémentaires devraient être déployés.
Les supercondensateurs
Un super-condensateur est constitué de deux cylindres métalliques séparés par un isolant. Cette technologie repose sur un dispositif dans lequel l’énergie est stockée sous forme de charges électriques accumulées sur deux électrodes au cours de la charge.
À la décharge, les deux électrodes redeviendront neutres par une circulation d’électrons (courant électrique) dans un circuit extérieur.
Les processus de charge et décharge sont très rapides. Avec une puissance de restitution de 10 kW à 5 MW, c’est un dispositif de choix qui stocke généralement 6 kWh par kilogramme.
L’hydrogène : un vecteur énergétique
Produire de l’électricité par l’utilisation de dihydrogène dans une pile à combustible (PAC) est possible. Pour fonctionner, cette pile assez coûteuse nécessite du dihydrogène H2 et du dioxygène O2 et produit de l’eau. Lors des transformations chimiques, les électrons produits ne peuvent traverser la membrane et circulent d’une électrode à l’autre par l’extérieur. Le dihydrogène peut être produit par électrolyse en utilisant notamment le surplus des énergies renouvelables intermittentes. Le gaz dihydrogène peut être stocké avec précaution sous très haute pression (700 bar). Sa masse volumique est alors de 42 kg·m-3.
Caractéristiques de la pile StackPack
- Puissance restituée : 40 kW
- Densité de puissance : 3,9 kW·L-1
- Durabilité : 7 000 h – Temps de recharge : < 5 min
- Densité d’énergie : 16 kWh·kg-1 de H2
- Coût d’utilisation estimé : 18 €·kg-1 de H2
Les batteries électrochimiques
Constituées d’un ou de plusieurs accumulateurs électrochimiques, les batteries stockent l’énergie sous forme d’espèces chimiques dans des compartiments physiques distincts, séparés par une paroi perméable aux charges électriques. Lors de la décharge d’un accumulateur, une réaction chimique spontanée se produit entre les deux composés et génère des électrons collectés par les deux électrodes constituant les bornes. Pendant la charge, la réaction inverse se produit sous l’effet de l’énergie cédée, permettant ainsi son stockage sous forme chimique. Le nombre de cycles de charges-décharges peut atteindre 4 000.
Les technologies sont nombreuses et leurs noms sont associés aux composés qui réagissent dans le dispositif : accumulateur au plomb, lithium-ion ou nickel-cadmium. Les batteries industrielles actuelles les plus massives peuvent stocker jusqu’à 100 MWh pendant plusieurs mois et restituer l’énergie avec une puissance maximale de 10 MW. Toutes possèdent des caractéristiques spécifiques : ainsi, une batterie lithium-ion a une densité énergétique de 0 à 150 W·h·kg-1 et une densité de puissance de l’ordre de 500 à 2 000 W·kg-1.
Choisir la technologie la plus adaptée pour stocker
- le surplus quotidien d’un réseau électrique de 54 MW·h.
- l’énergie nécessaire à l’autonomie d’un téléphone (7,7 W·h).
- l’énergie dissipée lors du freinage d’un bus (0,94 kW·h), utilisée ensuite comme appoint pour un démarrage ultérieur.
- le surplus aléatoire de production de 100 kW·h en cas de longues et fortes expositions solaires ou de vents soutenus.
Réaliser les chaînes énergétiques de la STEP lors du pompage, puis en turbinage.
Même question pour la PAC lors de la phase de production d’hydrogène comprimé puis lors de l’usage en tant que pile.
- Estimer le rendement total du stockage de l’énergie électrique en surplus par la production puis l’utilisation de dihydrogène (H2).
- Estimer pour l’exemple du StackPack le coût de production d’un kW·h.
Compléter le tableau suivant
Annexes
Schéma d’une PAC
Schéma d’un supercondensateur
Pertes énergétique d’une PAC
Schéma d’une STEP
