Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD

25/04/2016
Auteurs : Richad DAYA
Publication 3EI 3EI 2016-84
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-84:16439
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Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD

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Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 42 Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD Richad DAYA Lycée Jean Jaurès Argenteuil 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. Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une énergie à un endroit donné pour faciliter son exploitation immédiate ou future. Par son importance dans notre civilisation grande consommatrice d'énergie, le stockage d'énergie est une priorité économique. Il concourt à l'indépendance énergétique, c'est-à-dire à la capacité d'un pays à satisfaire par lui-même ses besoins énergétiques. De ce fait, le stockage d'énergie est souvent l'objet d'une attention particulière de la part des pouvoirs politiques, surtout dans les pays fortement dépendants de l'étranger. 1 LES ENERGIES EMMAGASINEES Le stockage d’énergie a une double fonction dans un système : le rendre autonome ou emmagasiner une énergie pour l’utiliser avec un temps de décalage. Exemples : Véhicule hybride et système thermique de production d’eau chaude Véhicule hybride : besoin d’énergie électrique embarquée Solution batterie de stockage. Autres exemples : téléphone, ordinateur portable… Système thermique de production d’eau chaude : besoin d’emmagasiner de l’eau chauffée pour l’utiliser au fil du temps. Solution ballon de stockage d’eau. Autres exemples : réserve d’air comprimé, réserve de carburant… Il existe différents moyens d’emmagasiner de l’énergie primaire ou secondaire : Résumé : Cet article présente un cours de STIDD portant sur le stockage d'énergie. Il à pour Objectifs de réaliser le bilan d’un système de stockage d’énergie pour effectuer un choix judicieux dans une application de chaine d’énergie. - Décrire les principes de fonctionnement des systèmes de stockage d’énergie - Citer les ordres de grandeurs des performances énergétiques des stockages - Etre capable de proposer ou de justifier une solution de stockage d’énergie Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 43 2- LES FORMES D’ENERGIES SECONDAIRES STOCKABLES Le stockage d’une énergie consiste à utiliser un « réservoir » dont le but est d’emmagasiner une grandeur physique qui sera exploitée à un moment choisi. Sauf pour le stockage d’électricité, les autres procédés ne nécessitent pas de conversion finale. En fonction des besoins d’énergie, il est possible de choisir différentes formes de stockage : 3- LES GRANDEURS LIEES AU STOCKAGE Forme de l’énergie stockée Moyen de stockage Grandeur physique Unité(s) Relation physique Electrique Batteries d’accumulateurs Quantité de charge Coulomb (C) W= U.I.t (1) U : tension en volts (V) I : intensité courant en Ampères (A) t : durée en secondes (s) Q= I.t (2) Charge électrique en Coulomb (C) Electrique Condensateur et supercondensateur Tension Volt (V) W= ½. C. U2 (3) C : Capacité en Farads (F) U : Tension en volts (V) Thermique sensible Accumulateur thermique Température Degré Celsius (°C) ou Kelvin (K) W= m.C.ϴ (4) m : masse en kilogrammes (kg) C : capacité thermique massique en J/kg/K ϴ : température en Kelvins (K) Mécanique Ressort (constante K) déplacement Mètre (m) W= ½.K.d2 (5) K : constante du ressort en newton/mètres (N/m) d : allongement du ressort en mètres (m) Mécanique inertielle Volant d’inertie de moment J Taux de rotation Radian par seconde (rad/s) W= ½. J. Ω2 (6) J : moment d’inertie en kg.m2 Ω : taux de rotation en rad/s Mécanique cinétique Retenue de fluide Hauteur Mètre (m) W= r.V.g.h (7) r : masse volumique en kg/m3 V : volume en m3 g : accélération due à la pesanteur en m/s2 h : hauteur en m Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 44 Compléments : (explications supplémentaires sur chacune des expressions) Rappel l’énergie est homogène à une puissance multipliée par un temps E= P.t avec P=U.I Le joule est l’unité de l’énergie dans le Système international : 1 J = 1 W. 1 s EDF a introduit la notion d’énergie en Wh E (Wh) = P.t avec P en Watts (W) et t en heures (h) d’où 1 Wh=3600 J car nous avons 3600 s dans une heure. E (Wh) = C.U , C capacité en Ah et U tension en V Explication expression (2) : 1 C = 1 A. 1s d’où 1 Ah = 3600 C L’expression (3) représente la notion d’énergie stockée dans un condensateur Dans l’expression (4), nous avons souvent ∆θ à la place de θ car nous avons souvent une différence de température (entre deux moments, entre deux milieux) 0 ° C = 273.15 K L’expression (5), le d est souvent un x soit ½.K.x2 (d et x étant une notion d’allongement ou d’élongation en mètres (m)). (En physique énergie potentielle élastique) Dans l’expression (6), nous avons aussi souvent l’habitude de retrouver la notion de vitesse angulaire en rad/s pour Ω. Dans l’expression (7), r est souvent noté µ ou ρ représentant la masse volumique En chimie, la masse est le produit de la masse volumique par le volume (m = ρ.V) D’où l’expression (7) deviendrait W= m.g.h (appelée énergie potentielle de pesanteur en physique) g = 9.81 m/s2 (constante de pesanteur ou accélération due à la pesanteur). Batterie, supercondensateur, ballons d’eau chaude, ressort, volant d’inertie, barrage Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 45 Dans tous les cas, lors du stockage, des pertes apparaissent. Pour que le stockage de l’énergie soit considéré comme efficace, un bilan énergétique doit être réalisé. Il ne s’agit pas de transformer de l’énergie puis de la stocker pour qu’elle se dissipe en grande partie sous forme de pertes, à moins de pouvoir les valoriser. 4- STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE 4.1 Chimique : piles et accumulateurs L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des batteries d’accumulateur appelées aussi électro-générateurs. L’énergie stockée dans une pile est épuisable et le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est irréversible : cycle de décharge uniquement. Une pile alcaline est un type de pile fonctionnant par oxydoréduction entre le zinc (Zn) et le dioxyde de manganèse (MnO2). La pile alcaline tire son nom du fait que ses deux électrodes nommées pôle positif et pôle négatif sont plongées dans un électrolyte alcalin d'hydroxyde de potassium, par opposition à l'électrolyte acide de la pile zinc-carbone qui offre la même tension nominale et la même taille. L’énergie stockée dans un accumulateur est épuisable mais le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est réversible : cycles de décharge et de charge possibles. L’accumulateur, réversible partiellement et une batterie type lithium ion 12 V. la plupart (voire tous) les téléphones portables possèdent une batterie de type Li Ion. Une batterie lithium-ion, ou accumulateur lithium- ion est un type d'accumulateur lithium. Ses principaux avantages sont une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le nickel-hydrure métallique par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'autodécharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille. L’énergie emmagasinée dans un accumulateur : W = Q . U avec Q = I . t 4.2 Electrostatique : condensateur et supercondensateur L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des condensateurs. Un condensateur est un composant électronique ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est : • i est l'intensité du courant qui traverse le composant, exprimée en ampères (symbole : A); Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 46 • u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volts (symbole : V) ; • C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farads (symbole : F) ; • du/dt est la dérivée de la tension par rapport au temps. Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant) voit son potentiel augmenter. Le condensateur est utilisé principalement pour : • stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ; • traiter des signaux périodiques (filtrage…) ; • séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ; • stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur car la capacité de charge électrique est beaucoup plus importante que celle d’un condensateur à usage électronique. Les condensateurs s’appellent aussi « capacité » par abus de langage. Energie emmagasinée L’énergie accumulée dans un condensateur est égale au travail fourni pour le charger : W = ½ . C U2 5- STOCKAGE DE L’ENERGIE THERMIQUE Deux formes de chaleur : chaleur sensible et chaleur latente En fonction des contraintes et des besoins des utilisateurs, les bâtiments ou les systèmes font appel à des technologies de stockage d’énergie thermique dans l’eau. Dans certains cas, pour le chauffage des locaux, on utilise aussi des matériaux comme le béton (plancher chauffant) afin de restituer la chaleur par inertie. Energie emmagasinée : L’eau est utilisée pour le stockage de chaleur sensible en raison de son important coefficient de capacité thermique 4180 J.kg-1 .K-1 , pour l’air ambiant 1015. W = m.C.θ Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 47 Les matériaux peuvent aussi être utilisés pour stocker la chaleur sensible. Lorsqu’une masse M de matériau de chaleur massique C subit un accroissement de température ∆T , la quantité de chaleur Q fournie est Q = M C ∆T En Architecture, on raisonne plus simplement sur des volumes que sur des masses. Il est plus intéressant de considérer le volume V de la masse M , l’expression ci-dessus deviendra donc Q = V r C ∆T. Le produit r C s’appelle chaleur volumique (kJ/m3 .°C) c’est-à-dire la quantité de chaleur absorbée ou fournie par 1 m3 de matériau dont la température varie de 1°C. 6- STOCKAGE DE L’ENERGIE MECANIQUE Certains systèmes ont besoin d’énergie cinétique pour assurer un stockage ou la régulation de l’énergie lors de fortes irrégularités de couple. On peut lisser le couple en stockant de l’énergie cinétique de rotation lorsque le couple est fort, pour la restituer lorsque celle-ci est faible. L’objet réalisant cette fonction est le volant d’inertie. Il s’agit d’un cylindre accouplé à un arbre mécanique en rotation dont le fort moment d’inertie joue le rôle de lisseur de couple. Avantages : pas d’émissions de CO2, réponse rapide. Accumulateur d’énergie cinétique : Inconvénients : doivent être solides pour éviter l’éclatement, éviter les effets explosifs dus aux grandes vitesses du volant permettant de plus grandes capacités de stockages. Energie emmagasinée : W = ½ . J . Ω2 Un volant d'inertie moderne est constitué d'une masse (anneau ou tube) en fibre de carbone entraînée par un moteur électrique. L'apport d'énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (entre 8000 et 16000 tour/min pour le modèle ci-contre) en quelques minutes. Une fois lancée, la masse continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente. L'énergie est alors stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique, elle pourra ensuite être restituée instantanément en utilisant le moteur comme génératrice électrique, entraînant la baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie. Le système est monté sur roulements magnétiques et confiné sous vide dans une enceinte de protection afin d'optimiser le rendement du dispositif (temps de rotation) et ainsi prolonger la durée de stockage. Avantages : Haut rendement (environ 80% de l'énergie absorbée pourra être restituée) Phase de stockage très rapide par rapport à une batterie électrochimique Temps de réponse très court, permet de réguler la fréquence du réseau Aucune pollution : ni combustible fossile, ni produits chimiques Technologie fiable, peu d'entretien Inconvénients : Temps de stockage limité (environ 15 minutes). Le stockage d'énergie par volant d'inertie est utile pour la régulation et l'optimisation énergétique d'un système, il ne permet pas d'obtenir une durée d'autonomie importante comme les batteries électrochimiques ou le stockage d'énergie par pompage/turbinage.