Le stockage de l’énergie électrique

Panorama des technologies 26/08/2017
Auteurs : Henri Boye
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-3:19549
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Le stockage de l’énergie électrique

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30 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Henri Boyé Membre permanent du CGEDD Coordonnateur du Collège Energie et Climat Introduction Parmi les différentes formes d’énergie (thermique, mécanique, chimique…), c’est surtout à l’énergie électrique que l’on pense aujourd’hui en évoquant la problématique du stockage de l’énergie. L’électricité est utilisée de plus en plus largement partout dans le monde car c’est un très bon vecteur énergétique qui peut se convertir sous d’autres formes d’énergie avec de bons rendements et être transportée sans pertes significatives sur de longues distances. Dans tout système électrique, les échanges d’énergie se font à flux tendus, grâce à une gestion en temps réel permanente de la production que l’on aligne sur la demande d’énergie pour maintenir le réseau à l’équilibre. Le stockage fait partie des tech- niques utilisées pour parvenir à cet équilibre mais il a toujours constitué un point faible dans la chaîne d’ali- mentation en énergie électrique allant des centres de productions (centrales électriques) aux centres de consommation : usines, collectivités diverses, activités tertiaires, particuliers… Longtemps consi- déré comme très difficile du fait même de la nature de l’électricité, le stockage de l’énergie électrique est aujourd’hui rendu possible grâce au perfectionne- ment des convertisseurs et des technologies. Le développement de la production d’électricité d’origine renouvelable, souvent intermittente (solaire ou éolien), pose problème au gestionnaire du réseau électrique car ce type de production ne permet pas de garantir à lui seul l’équilibre offre/demande néces- saire au bon fonctionnement des réseaux et engendre un risque réel d’instabilité. La question du stockage de l’électricité est donc d’actualité car pour permettre le développement et l’insertion des énergies renou- velables à une échelle importante, il faut trouver des solutions pour stocker l’énergie électrique. Stocker l’énergie électrique permet d’en disposer lorsque la production est interrompue ou insuffisante. Le stockage permet d’assurer la continuité du service, de faire face aux pointes tout en minimisant la puis- sance de production installée. D’une manière plus générale, la mise en œuvre de moyens de stockage permet de rendre plusieurs types de service : - duction, améliorer la rentabilité. A noter que le stoc- kage est d’autant plus rentable qu’il écrête le haut de la pointe de consommation. Pour approfondir le sujet du stockage de l’énergie, on peut l’aborder par deux approches différentes : à partir des applications nécessitant un stockage d’éner- Le stockage de l’énergie électrique Panorama des technologies Energy storage is a challenging and costly process, as electricity can only be stored by conversion into other forms of energy (e.g. potential, thermal, chemical or magnetic energy). The grids must be precisely balanced in real time and it must be made sure that the cost of electricity is the lowest possible. Storage of electricity has many advantages, in centralized mass storages used for the management of the transmission network, or in decentralized storages of smaller dimensions. This article presents an overview of the storage technologies: mechanical storage in hydroelectric and pumped storage power stations, compressed air energy storage (CAES), flywheels accumulating kinetic energy, electrochemical batteries with various technologies, tradi- tional lead acid batteries, lithium ion, sodium sulfur (NaS) and others, including vehicle to grid, sensible heat thermal storage, superconducting magnetic energy storage (SMES), super-capacitors, conversion into hydrogen... The different technologies are compared in terms of cost and level of maturity. The development of intermittent renewable energies will result in a growing need for mechanisms to regulate energy flow and innovative energy storage solutions seem well positioned to develop. ABSTRACT REE N°3/2013 31 Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies gie ou à partir des technologies permettant un tel stockage. La correspondance entre ces deux approches s’exprime en termes de puissance, d’énergie et de temps de déstockage. On peut aussi classer les stockages en deux catégories, sui- vant que les stockages sont centralisés – dans ce cas ils sont directement connectés au réseau et associés à la production ou au transport d’énergie – ou bien décentralisés et alors di- rectement associés à l’utilisation de l’énergie électrique. Les stockages centralisés sont en règle générale mas- sifs et sont utilisés pour la gestion du réseau de transport afin d’équilibrer en temps réel la production et les demandes variables de façon journalière, hebdomadaire ou saisonnière et, dans le futur, pour sécuriser la production face aux fluctua- tions d’une production importante et nécessairement inter- mittente d’énergie électrique d’origine renouvelable. Les stockages décentralisés sont de dimensions plus modestes et viennent en appui d’applications stationnaires précises, alimentation électrique sans coupure, stockage pour pallier localement l’intermittence d’une source d’éner- gie renouvelable, ou répondent aux exigences particulières des applications mobiles dans les transports. Dans la suite de cet article, nous avons choisi l’approche par technologie en allant vers les applications, sachant que d’autres articles du présent dossier parlent quant à eux des applications. On se limitera aux stockages dont l’impact, di- rect ou indirect, sur la gestion des réseaux est significatif, sans aborder par conséquent le problème des stockages décen- tralisés de très faible capacité pour les moyens informatiques portables, les téléphones, l’outillage, etc. Considérations générales sur le stockage Aperçu sur les technologies Différentes technologies plus ou moins matures existent majeure partie à convertir l’électricité sous une autre forme d’énergie plus facilement stockable. Les modes de stockage direct de l’énergie électrique, tels que les bobines supra- conductrices, sont très limités mais on sait stocker l’énergie mécanique, l’énergie thermique et l’énergie chimique avec des performances et des coûts qui dépendent de la solution considérée. Suivant la taille du stockage et la forme d’énergie stockée, la technologie sera plus ou moins apte à remplir une fonction donnée. Les principales solutions de stockage d’élec- tricité sont présentées ici selon la forme d’énergie stockée. Parmi les solutions qui peuvent être envisagées, nous de transfert d’électricité par pompage), aux stockages par air comprimé (Compressed air energy storage volants d’inertie, aux batteries, aux stockages thermiques, à l’hydrogène et aux stockages électromagnétiques. Aucune de ces solutions n’est entièrement satisfaisante à elle seule, en raison notamment de la capacité de stockage offerte ou de l’inadéquation au site naturel. Le savoir-faire du gestion- naire de réseau d’électricité consiste à équilibrer l’offre et la demande locale en jouant sur l’interconnexion entre régions ou pays par des lignes à très haute tension mais aussi sur la capacité de mise en route rapide de certains générateurs d’électricité dont les stockages font partie en complément ou en compensation d’autres. Principes de gestion des réseaux Le stockage est un moyen, mobilisable en temps réel, de fournir l’énergie électrique au coût minimum. L’énergie élec- trique fournie au réseau provient de centrales de différents types : de l’eau, hydrauliques de lacs, thermiques au charbon, tous d’eau gravitaire, centrales thermiques à turbines à gaz, ther- miques à turbines à gaz en cogénération chaleur/électricité, l’énergie électrique de base aussi bien que de pointe mais de façon intermittente. Chaque type de centrale a un prix de revient du kWh différent. Le premier principe de gestion de l’énergie électrique sur le réseau est de parvenir à équilibrer exactement, en temps réel, la quantité d’électricité délivrée par les diverses centrales, y compris par les stockages, avec la puissance et - tuante, le prix de revient de l’électricité varie à chaque instant suivant la configuration des centrales en production effective. Le second principe de gestion est de faire en sorte que le prix de revient de l’électricité soit toujours le plus bas possible : dans ce but, le gestionnaire du réseau doit choisir en temps réel, parmi l’ensemble des moyens de production éligibles, la configuration optimale à mettre en production et celle à tenir en réserve. Les centrales hydrauliques et plus spécialement les cen- trales de pompage du fait de leur réversibilité, présentent beaucoup d’intérêt en tant que réserves potentielles d’éner- gie facilement accessibles et ajustables, d’autant que le prix de revient du kWh produit est plus faible que celui des cen- trales au gaz puisque, d’une part il n’y a pas de prix de com- bustible à payer et d’autre part, la quantité de CO2 rejetée dans l’atmosphère est nulle. 32 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Les technologies de stockage de l’électricité Stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) L’énergie hydroélectrique est une forme de stockage massif d’énergie, associée à un réservoir ou à un lac artificiel situé en amont. L’énergie potentielle de la masse d’eau peut être transformée rapidement et à la demande en énergie cinétique puis en énergie électrique dans des turbines et à-dire des quantités de pluie et de neige qui tombent sur le bassin versant, et de la configuration géographique des lieux. Le pompage-turbinage est une technologie éprouvée de valorisation de l’énergie hydraulique, connue depuis la fin du 19e siècle, qui permet de stocker de grandes quantités d’énergie électrique par l’intermédiaire de l’énergie poten- d’éviter le gaspillage d’énergie pendant les heures creuses (nuit, week-end) et de pallier à l’intermittence de la produc- est une installation de stockage hydraulique gravitaire qui comprend nécessairement un lac supérieur et une retenue d’eau inférieure, entre lesquels est placée l’usine hydroélec- trique réversible de turbinage/pompage. L’usine est reliée au lac supérieur par des ouvrages d’adduction d’eau (conduites forcées, éventuellement cheminées hydrauliques d’équilibre) et vers la retenue inférieure par des canalisations (figure 1). Pendant les heures creuses (où le coût de l’énergie est minimum), on remonte l’eau par pompage pour la turbiner aux heures de pointe (où le coût de l’énergie est maximum). L’intérêt est de pomper et de turbiner quand le rapport entre la valorisation marginale en période de pointe et la valorisa- tion marginale en période creuse est supérieur à une certaine valeur qui dépend des rendements de pompage et de tur- binage. Le rapport de ces valorisations entre heures pleines et heures creuses peut atteindre des valeurs de l’ordre de 5. - page avoisinent typiquement les 50 m3 /s et de turbinage les 75 m3 la turbine/pompe (qui peut avoir un rendement de 85 % à l’optimum) de la centrale proprement dite qui fonctionne sur une gamme plus large et donc dans des gammes de rende- ments moins bons : ceux-ci peuvent être proches de 70 à 75 % pour une installation complète. La taille importante des installations permet de stocker de grandes quantités d’énergie, jusqu’à plusieurs jours de production en fonction de la taille des réservoirs, et de dis- poser d’importantes capacités de puissance mobilisables en quelques minutes : de quelques dizaines de MW à plusieurs GW en fonction de la hauteur d’eau. matériels classiques, robustes et d’une grande disponibi- lité. Chaque projet est spécifique, selon les sites à équiper et selon la géographie. La distance par rapport aux grands centres de consommation nécessite un transport d’énergie compte dans le bilan global. Le plus souvent, quand la géo- graphie et le relief le permettent, c’est par un stockage basé - kage peut être obtenue. Ceci explique que la primeur soit dans le réseau français en particulier. Quelques exemples de STEP C’est en 1933 en France, sur le lac Noir, dans les Vosges, qu’a été construite la première centrale de pompage. De nombreux sites de montagne ont depuis lors été équi- - jets de création d’îles artificielles en forme d’anneaux qui per- large de la ville voisine de Wenduine et s’étendrait sur un dia- mètre de 2,5 km, à 10 mètres au-dessus du niveau de la mer. Figure 1 : Principe de fonctionnement des phases de pompage pour stocker l’énergie et de turbinage pour produire de l’électricité. Source : Ecosources.info. REE N°3/2013 33 Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies maritime, avec la mer comme retenue inférieure et une rete- nue amont aménagée au sommet d’une falaise ou consti- Stockage d’énergie sous forme d’air comprimé (CAES : Compressed Air Energy storage) le schéma le plus simple, de l’air est comprimé aux heures creuses par un turbocompresseur accouplé à une turbine à gaz, et est stocké dans des cavités souterraines. Aux heures de pointe, l’air comprimé peut être utilisé pour mettre en mouvement une turbine produisant de l’électricité. La dé- tente de l’air s’accompagne d’une baisse de température que l’on peut compenser par un apport en gaz dans la chambre de combustion d’une turbine à gaz (éventuellement du type cogénération chaleur/électricité). Il est également possible de récupérer la chaleur dégagée lors de la compression de l’air et de la stocker, pour la restituer lors de la détente, dans un stockage de chaleur sous haute pression. Ce principe L’air comprimé est usuellement stocké dans des cavernes par injection d’eau. Dans la technologie air comprimé clas- sique où l’on réchauffe l’air lors de la détente avant de turbiner l’air chaud, on obtient plus d’électricité lors de la restitution qu’il n’en a été consommé pendant la compression, mais on consomme du gaz combustible dans le processus. Pour res- tituer 1 kWh sur le réseau, il faut consommer typiquement 0,75 kWh d’électricité en pompage et brûler 1,25 kWh de gaz. La durée de stockage peut être de quelques heures. Exemples de CAES et aux USA. Deux installations font référence : 290 MW avec une autonomie de deux heures, grâce à de l’air stocké sous 70 bars dans deux cavernes salines de 310 000 m3 situées à 500 m de profondeur. Au début, Figure 2 : Schéma de principe d’une STEP marine. Source : EDF SEI. Figure 3 : Principe de CAES en cavité souterraine fonctionnant en cycle ouvert. Source : Enea. 34 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ le site fut construit dans le but d’avoir une source d’éner- gie de réserve dont le temps de réponse était de l’ordre de quelques minutes. Aujourd’hui, il est toujours utilisé de façon ponctuelle, essentiellement pour couvrir les besoins urgents, en attendant que les centrales à gaz ou au char- bon ne soient en régime (souvent après 3-4 heures). Une deuxième application provient du développement des éo- liennes au Nord de l’Allemagne et sert à compenser les variations de cette ressource afin d’offrir un courant plus stable. Norton (près de Cleveland, Ohio). Sa puissance est de l’ordre de 2 700 MW, comportant neuf unités de production (compresseurs - turbines), fonctionnant avec de l’air compri- mé sous 110 bars. Le réservoir de stockage est une caverne, dans des carrières de calcaire à 570 m de profondeur. Avantages des CAES : localisation et rendement œuvre au voisinage des centres de consommation et d’utili- ser des turbines à gaz en cogénération chaleur/électricité, à haut rendement et à faible production de gaz à effet de serre, pouvant être mises en œuvre rapidement. Par contre, ces ins- tallations exigent de l’énergie électrique pour la compression, puis du gaz dans la turbine, avec émission de gaz à effet de qu’un entretien spécialisé des turbines et de l’étanchéité du réservoir de stockage de l’air comprimé. Comparaisons des STEP et des CAES On ne peut pas faire de comparaison dans l’absolu entre travers de scénarios de référence portant sur des objectifs d’utilisation précis, prenant en compte les investissements, les coûts d’exploitation, les quantités d’énergie à stocker, les en tant que producteur, estime que, sur tous les scénarios présentent un bilan économique global plus favorable que de coûts d’exploitation moins importants liés à l’absence de combustible et à un nombre d’heures de fonctionnement Stockage inertiel : énergie cinétique accumulée dans un volant d’inertie Un volant d’inertie stocke l’énergie électrique sous forme d’énergie cinétique via la rotation d’une masse lourde portée à des vitesses très élevées (> 8 000 tr/min) en quelques minutes. Sans apport de courant, la masse continue de tour- ner même si plus aucun courant ne l’alimente. Pour accu- pour utiliser l’énergie on freine le disque qui en ralentissant Figure 4 : Schéma de systèmes de volants d’inertie. a) Système à volant lent ; b) Système à volant rapide. Source : Thèse G.-O. CIMUCA, ENSAM Lille 2005 REE N°3/2013 35 Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies libère l’énergie. Le rendement du système est optimisé grâce aux paliers magnétiques et au confinement sous vide. On distingue les volants d’inertie lents (disques en acier) et les volants d’inertie rapides (disques en composite). L’électricité étant stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique, elle pourra être restituée en utilisant un moteur comme génératrice électrique, entraînant la baisse progres- sive de la vitesse de rotation du volant d’inertie. Les systèmes de stockage par volant d’inertie ont une très forte réactivité et une grande longévité. Ils peuvent absor- ber de très fortes variations de puissance sur de très grands nombres de cycles. La durée de vie importante d’un volant d’inertie (plus de 20 ans) et son pouvoir de restitution no- table (1 MW restituable sur une heure) en font un système de stockage de courte durée intéressant, bien adapté pour des applications de régulation, d’optimisation énergétique d’un système et d’amélioration de la qualité du courant (di- minution des microcoupures et des coupures brèves, etc.). Le rendement est élevé puisque 80 % de l’énergie absor- bée pourront être restitués. Le temps de réponse est très court, de l’ordre de la milliseconde, ce qui permet d’utiliser ce type de stockage pour la régulation de fréquence sur un réseau. La technologie est fiable et demande peu d’entretien. L’inconvénient majeur est la durée de stockage qui est limitée à une quinzaine de minutes. Batteries électrochimiques Généralités L’énergie électrique peut également être stockée par voie électrochimique. On distingue deux principaux systèmes de stockage : les piles, non rechargeables, dont l’usage n’est pas réversible, et les accumulateurs, pouvant être rechargés à travers des réactions électrochimiques inverses, qui four- nissent de l’énergie électrique à un circuit extérieur sous forme de courant continu en basse tension, en transformant progressivement leurs éléments chimiques internes suivant de transformation (décharge), le stockage énergétique est vidé. Les facteurs de mérite des batteries sont le nombre de cycles de charge/décharge supportés avec un niveau de dé- gradation acceptable de l’électrolyte, la puissance massique, l’énergie massique, la durée de la recharge, la plage de tem- pérature de fonctionnement et évidemment le coût. Les batteries sont pour l’essentiel utilisées dans les trans- ports terrestres, notamment dans l’automobile comme bat- teries de démarrage. La majorité de ces batteries (95 %) sont de type plomb-acide, mais d’autres technologies ont été développées telles que les accumulateurs cadmium-nickel et lithium-ion ainsi que les batteries à circulation ou "flow batte- ries” utilisant différents couples électrolytiques1 . L’utilisation des batteries électrochimiques dans les réseaux a fait l’objet d’expériences à grande échelle. Plusieurs grandes batteries de stockage d’électricité ont été installées, notam- batterie nickel-cadmium de 1 000 tonnes a fourni 40 MW pendant 7 minutes (4,7 MWh) et 27 MW pendant 15 minutes (6,7 MWh). Dans les batteries à circulation, on stocke l’énergie sous forme liquide. Plusieurs couples sont utilisés : zinc-brome, sodium-brome, vanadium-brome, brome-polysulfure. De tels systèmes se mettent en route en Allemagne mais aussi dans 1 800 m3 d’électrolyte. Batteries au plomb Très utilisé dans l’industrie automobile comme source d’énergie pour l’allumage, ce type d’accumulateur relève d’une technologie mature. Connues depuis plus de 100 ans, ces batteries demeures compétitives sur de nombreux plans, à commencer par leur coût et leur autonomie. On en dis- tingue 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 se- conds qui ne nécessitent aucun entretien et émettent de très faible quantité de gaz. Technologie la moins chère du mar- ché, ces accumulateurs ont l’inconvénient d’offrir un faible nombre de cycle charge/décharge (500 à 1 000 cycles) et une capacité massique assez faible (de l’ordre de 30 à 40 Wh/kg). L’installation la plus importante a une capacité de Californie. Le rendement du stockage est de l’ordre de 70 %. Batteries lithium-ion2 Les batteries lithium-ion utilisent la circulation d’ions Li+ d’une électrode négative en graphite vers un oxyde de métal de transition (manganèse ou dioxyde de cobalt) pour générer un courant lors de la décharge. L’avantage de cette techno- logie est la densité d’énergie massique et volumique qu’elle offre (160 Wh/kg) supérieure de plus de cinq fois à celles de batteries classiques au plomb. Par ailleurs, ces batteries subissent une auto-décharge relativement faible par rapport à d’autres accumulateurs et nécessitent peu de maintenance. 1 Le lecteur pour se référer au flash-info sur le sujet dans ce numéro. 2 On se référera sur ce sujet à l’article de Romain Tessard et Marion Perrin dans le présent dossier. 36 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ ce qui concerne le stockage de très courte durée destiné à lisser la production d’électricité ou à améliorer la disponibilité de l’alimentation. Cependant leur coût élevé est un élément pénalisant leur compétitivité. De même, la recyclabilité et l’élimination en fin de vie sont d’autres axes d’études présen- tant des marges de progrès notables. Batteries sodium-soufre L’accumulateur sodium-soufre (NaS) fonctionne avec des électrodes liquides. Pour cela, il doit être maintenu à une tem- pérature comprise entre 290 °C et 350 °C. Les électrodes, siège des réactions électrochimiques, sont en sodium et en soufre liquide. L’électrolyte séparant les deux électrodes est constitué de céramique, ce qui garantit une bonne conduc- tion des ions. La durée de vie peut atteindre 15 ans et plus de 4 000 cycles en conditions non critiques (décharges infé- rieures à 80 %). La filière sodium-soufre peut être utilisée pour de grandes capacités (plusieurs MW), ce qui permet d’y recourir pour des systèmes de stockage en soutien aux réseaux électriques. (1 MW), au Texas (4 MW) et de nombreuses applications existent au Japon (plusieurs centaines de MW). La technolo- gie NaS faisant appel à des matériaux largement disponibles et peu onéreux (sulfure de sodium, alumine, aluminium) est une solution attractive pour le stockage d’énergie dans les batteries fixes, en charge de la régulation des réseaux ou de l’optimisation du fonctionnement des centrales sur des périodes de plusieurs heures. Cette technologie est mise en œuvre par NGK au Japon, qui affirme pouvoir accroître la puissance de ses batteries pour en réduire la taille et le prix au watt. Les classements des divers types de batteries en termes de coûts et de disponibilité des matériaux de base classent fréquemment le couple sodium-soufre en N°1 toutes catégories. Le véhicule électrique comme moyen de stockage. Par l’utilisation de leurs batteries, l’arrivée des véhicules - tion du réseau électrique en tant que possible moyen de stockage. Une voiture est inutilisée 95 % de son temps de vie Figure 5 : Schéma de principe des éléments sodium-soufre et de leur assemblage en batterie. Source : NGK Insulator. Figure 6 : Bobine supraconductrice. Source : Inf’OSE 2011 - Mars 2012. REE N°3/2013 37 Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies et l’utilisation moyenne d’un véhicule électrique nécessitera moins de 80 % de la capacité de la batterie pour les trajets quotidiens. Il apparaît donc envisageable d’utiliser l’électricité stockée pour l’injecter sur le réseau pendant les périodes où le véhicule est branché au réseau électrique afin de faire face aux pics de demande ou, inversement et plus facilement, de charger la batterie du véhicule en heures creuses. Il s’agit du concept du “vehicle-to-grid”, ou V2G, qui consiste à utiliser les batteries des véhicules électriques comme une capacité de stockage mobile. à l’horizon 2020), la capacité de stockage pourrait atteindre 10 GWh. Les véhicules électriques pourraient donc représen- ter une capacité additionnelle de stockage d’énergie appré- ciable, sous réserve que cet usage soit technologiquement et économiquement pertinent : contrairement au stockage de masse de l’énergie, cette utilisation de la batterie nécessite des cycles de charge et décharge très rapides et nombreux, ainsi qu’une très forte densité d’énergie. Par ailleurs, l’état du système électrique devra être pris en compte lors de la charge ou de la décharge du véhicule. Stockage électromagnétique par inductances supraconductrices (SMES) Superconducting Ma- gnetic Energy Storage. Dans un tel système, l’énergie élec- trique est stockée via un courant électrique envoyé dans une bobine de fil supraconducteur (sinon l’énergie est dissipée par l’effet Joule en quelques millisecondes) refroidie en dessous de sa température critique. Le courant reste empri- sonné dans l’enroulement et circule presque indéfiniment réserve d’énergie électromagnétique qui peut être récupérée en un temps très court en plaçant la bobine aux bornes d’un circuit à alimenter. L’énergie stockée variant comme le carré du courant, le recours à la supraconductivité permet de faire circuler de forts courants pour y stocker de grandes quantités d’énergie. Le principe de cette utilisation d’un enroulement supra- conducteur pour stocker de l’énergie magnétique a été pro- M. Ferrier, en 19703 . SMES pour les réseaux électriques Suivant la quantité d’énergie stockée, on peut distinguer réseau électrique : puissance (Flexible AC Transmission Systems, énergie stoc- kée supérieure à 100 MWh). réels par rapport aux solutions conventionnelles : charge/décharge possible). capacités comprises entre 10 kW et 5 MW, avec une valeur cible espérée à 100 MW. Leur implantation ne se heurte pas à des contraintes particulières. Cependant,lecoûtdesinvestissementsconstitueunénorme frein au développement de cette technologie car les matériaux supraconducteurs et les dispositifs de cryogénie sont encore excessivement chers. De plus, la consommation d’énergie pour le refroidissement de la bobine supraconductrice grève 3 Energy Storage in a Superconducting Winding (Stockage d’énergie dans un enroulement supraconducteur). Figure 7 : Schéma de fonctionnement d’un SMES. Source : Intech. 38 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ fortement le rendement global de l’installation. Les installa- tions sont principalement des pilotes de démonstration qui - seaux électriques de demain ? Cela dépendra du coût de des supraconducteurs et de la cryogénie dont il conviendrait également d’améliorer les performances. Supercondensateurs Apparus dans les années 2000, les supercondensateurs sont des composants dédiés au stockage de puissance de cellules élémentaires dans lesquelles le stockage est de type électrostatique. Cela permet d’obtenir des puissances massiques élevées, de l’ordre de 10 kW/kg, supportant de 500 000 à 1 million de cycles de charge/décharge. Le prin- cipe des super capacités repose sur la création d’une double couche électrochimique par l’accumulation de charges élec- triques à l’interface entre une solution ionique (électrolyte) et un conducteur électronique (électrode). A la différence des de charbon actif sur un film en aluminium permet d’obtenir une surface importante et donc une forte capacité. Les élec- trodes baignent dans un électrolyte aqueux ou organique. Les charges électriques sont stockées à l’interface électrode- électrolyte. Le temps de réponse est de quelques secondes. Stockage d’électricité sous forme thermique Dans les stockages d’énergie par chaleur sensible, l’énergie est stockée sous la forme d’une élévation de tempé- rature du matériau de stockage. La quantité d’énergie stockée est alors directement proportionnelle au volume, à l’éléva- tion de température et à la capacité thermique du matériau de stockage. Cette solution ne dépend pas de contraintes géographiques, contrairement aux solutions gravitaire et à air purement thermiques tels que le stockage thermique équi- pant le chauffage urbain de la ville de Krems sur le Danube (figure 9). Ces stockages thermiques peuvent cependant venir en appui de systèmes électriques. La technique du stockage par chaleur sensible est en particulier utilisée dans les centrales solaires thermodynamiques à concentration (CSP, Concentra- ted Solar Power). L’énergie excédentaire produite le jour par les centrales est stockée dans des réservoirs de sels fondus portés à haute température (350 à 400 °C) et est récupérée chacune 0,35 GWh. A la centrale Gemasolar, près de Séville, en Andalousie, le solaire thermique à concentration produit Figure 8 : Schéma de principe d’un supercondensateur électrolytique double couche. Source : Wikipédia. Figure 9 : Stockage par chaleur sensible stockage thermique à Krems en Autriche, 50 000 m3 d’eau, 2 GWh. Source : Wikipédia. Figure 10 : Centrale Gemasolar près de Séville en Espagne. REE N°3/2013 39 Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies de l’électricité en continu grâce au stockage de l’énergie ther- fondus (un mélange de nitrate de potassium et nitrate de sodium fondu) et est dimensionnée pour stocker l’énergie et lisser la production électrique sur 24 heures4 . Dans le plan solaire marocain, la première centrale d’Ouarzazate 1 com- porte aussi du stockage. Le surcoût lié au stockage d’électri- cité d’origine solaire est d’un coût relativement modéré avec important de progresser pour réduire le montant. Stockage d’énergie grâce à l’hydrogène Les systèmes de stockage d’énergie grâce à l’hydrogène utilisent un électrolyseur intermittent. Pendant les périodes de faible consommation d’électricité, l’électrolyseur décompose 2 O = 2 + O2 . Ce gaz est ensuite stocké, sous forme liquide, com- primée ou solide, par formation dans ce dernier cas de com- posés chimiques, généralement des hydrures métalliques. Il existe ensuite trois moyens différents de réinjecter de l’électri- cité sur le réseau à partir de l’hydrogène ainsi stocké : - - nation et, soit l’injecter directement dans le réseau de gaz existant5 , soit l’utiliser pour alimenter une centrale à gaz gaz spécialement conçue à cet effet. 4 Voir REE 2011-5 – Dossier Les grands projets solaires du pourtour médi- terranéen. 5 Il est également possible de réinjecter de l’hydrogène directement dans le réseau de gaz, dans de faibles proportions (voir Flash Info dans la REE 2012-5 sur la construction en Allemagne d’une usine “power to gas”. Ces technologies sont assez prometteuses puisque l’hy- drogène a une densité énergétique très élevée et permet- trait ainsi de stocker d’importantes quantités d’énergie. Mais pour l’heure, elles souffrent de plusieurs inconvénients : un faible rendement du processus qui est au mieux de l’ordre de 30 %, un prix élevé, une puissance limitée et une faible du- rée de vie des générateurs électrochimiques. démonstration de 200 kW et 1,75 MWh a récemment vu le jour en Corse, sur le site de Vignola, près d’Ajaccio, dans de manière optimale la production d’une centrale photo- développer un système et une stratégie de pilotage visant à améliorer la gestion et la stabilisation du réseau électrique en zone insulaire, afin de dépasser le seuil des 30 % dans les zones non interconnectées. gestion énergétique à base d’hydrogène : la Greenergy - trolyseur et d’une pile à combustible, permet le stockage d’hydrogène et d’oxygène obtenus par électrolyse de l’eau en période de faible demande d’énergie et leur recombinai- son pour produire de l’électricité lors des pics de consom- mation. Comparaison des différentes technologies de stockage Le tableau 1 compare, sur le plan technique, les perfor- mances de stockage et résume les principaux points évoqués tout au long de cet article. L’étude comparative des différentes solutions de stockage implique également une analyse économique, avec pour chaque technologie l'évaluation de leur coût d’investisse- Tableau 1 : Comparaison sur le plan technique des principales formes de stockage. Hydraulique Air comprimé Batteries électrochimiques Batteries à circulation Thermique Forme d’énergie Gravitaire Air comprimé Chimique Chimique Chaleur Densité d’énergie 1 kWh/m3 pour une chute de 360 m 12 kWh par m3 de caverne à 100 bars Batteries au Pb : 33 Wh/kg Batteries Li-ion : 100 Wh/kg 33 kWh/m3 200 kWh/m3 Capacité réalisable 1 000-100 000 MWh 100-10 000 MWh 0,1-10 MWh 10-100 MWh 1 000-100 000 MWh Puissance réalisable 100-1 000 MW 100 - 1 000 MW 0,1-10 MW 1-10 MW 1-10 MW Rendement électrique 65 %-80 % 50 % avec l’apport de gaz naturel 70 % 70 % 60 % Installations existantes 100 000 MWh 1 000 MW 600 MWh 290 MW 40 MWh 10 MW 120 MWh 15 MW Remarques Sites avec retenue d’eau Sites avec cavernes Métaux lourds Produits chimiques A évaluer 40 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Tableau 2 : Comparaison technico-économique de différentes technologies de stockage. Les valeurs présentées sont des ordres de grandeur. Source : ENEA mars 2012. Figure 11 : Niveau de maturité des différents moyens de stockage d’électricité. Source : ENEA. REE N°3/2013 41 Le stockage de l’énergie électrique. Panorama des technologies ment décliné en termes de puissance, d’énergie et de leurs coûts d’opération. Les structures de coût sont sensiblement - talistiques tandis que les batteries ont des coûts élevés de remplacement. Pour comparer les coûts réels des diverses solutions, il est également nécessaire d’intégrer les para- mètres d’usage (durée de vie, fréquence de sollicitation). Le tableau 2 compare les différentes technologies de stoc- kage de l’électricité, en capacité, puissance, délais de réaction, et coûts des investissements. même niveau de maturité technologique. Nous repro- duisons (figure 11) un tableau résumé de la maturité des principales technologies de stockage stationnaire d’électricité fournis à titre indicatif, avec des incertitudes encore signifi- catives, vu le caractère encore émergent de la filière et le manque de retour d’expérience. Conclusion Il existe un grand nombre de technologies de stockage de l’électricité. Chacune a ses spécificités en termes de taille, de puissance délivrée, de coût, de nombre de cycles et donc de durée de vie, de densité énergétique, de maturité technolo- gique et bien des interrogations se posent quant au choix de la technologie la plus adaptée aux besoins. La plupart des technologies industrielles de stockage d’électricité sont de grande taille et centralisées. Le stoc- kage décentralisé (au niveau du consommateur) est aussi d’un grand intérêt : possibilité d’ilotage (sûreté), meilleur dimensionnement du réseau, plus grande acceptation des ressources fluctuantes… (citons les appels à manifestation bien sûr prendre en compte les spécificités énergétiques, en France et dans chaque situation, et le caractère encore expé- rimental de plusieurs filières industrielles de stockage, face à l’extension des réseaux, les centrales de pointe et même l’effacement. Le développement des énergies renouvelables intermit- tentes va amener un besoin croissant en dispositifs de régu- lation des flux d’énergie et de la puissance disponible sur le réseau. Ce marché, encore émergent aujourd’hui, devrait ex- ploser d’ici quelques décennies et des solutions innovantes de stockage d’énergie semblent en bonne posture pour percer. Henri Boyé Collège énergie et climat, spécialiste en énergies renouvelables. Il a été en poste au ministère de l’Industrie, en nucléaire, écono- Afrique et Méditerranée, délégué général au Maroc, président de ingénieur du corps des ponts, eaux et forêts. L'AUTEUR