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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Deuxième partie. Quelques aspects fondamentaux

15. Stockage de l’énergie, aspects fondamentaux

Pascal Brault et Annick Percheron-Guégan

Texte intégral

1Les recherches à caractère fondamental dans le domaine du stockage innovant de l’énergie ont pour objectif de relever des défis technologiques permettant de nouvelles orientations industrielles à moyen et long terme, en particulier pour le couplage des énergies renouvelables au réseau, le transport de chaleur/froid, la filière hydrogène.

2Les technologies de stockage sont très nombreuses. La figure en répertorie quelques unes utiles pour la production d’électricité.

3Certaines technologies, telles que les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) sont déjà matures et exploitées de longue date au stade industriel pour des stockages à grande échelle. D’autres ont déjà fait leur preuve mais nécessitent un effort de recherche fondamentale dans des disciplines très différentes pour améliorer leurs performances et diminuer leurs coûts.

4Par contre, le stockage de la chaleur peut s’effectuer directement dans un solide ou un liquide en utilisant la chaleur sensible* ou bien indirectement en utilisant la chaleur latente* d’une transformation de phase (exemple eau/glace) ou par transformation physico-chimique (adsorption*/absorption réversible d’un liquide ou un gaz dans un solide).

5Sans être exhaustif, les différents systèmes de stockage sont décrits en citant quelques éléments sur la recherche actuelle.

Les batteries électrochimiques

6Les accumulateurs transforment de l’énergie chimique en énergie électrique (cf. VI.2). Chaque élément de batterie comporte une électrode positive et une négative de compositions chimiques différentes qui définissent le couple redox* caractéristique du type de batterie, par exemple Ni-Cd (nickel cadmium) ou Ni-MH (nickel métal hybride). La batterie peut être aussi caractérisée par l’espèce active, par exemple Li-ion (lithium-ion). Le couple rédox définit le potentiel de la batterie. Les électrodes sont immergées dans un liquide conducteur, l’électrolyte*, parfois gélifié en polymère solide. L’électrolyte peut être aqueux, acide ou organique.

7Les recherches actuelles portent sur l’augmentation de la capacité des matériaux actifs des électrodes positives et négatives en maintenant une bonne cyclabilité* et sur l’augmentation de la puissance en proposant de nouvelles architectures. Pour augmenter la durée de vie des batteries, des études sont menées sur la passivation des interfaces* électrodes-électrolyte et l’analyse de fin de vie des électrodes. De nouveaux systèmes redox et de nouveaux concepts sont en cours d’étude tels que les technologies Na-ion (sodium-ion), Li-air (lithium-air), Li-S (lithium-sulfure).

Les différentes technologies de stockage relatives à l’électricité

Le stockage par l’hydrogène

8L’hydrogène en tant que vecteur d’énergie peut être produit par électrolyse de l’eau*, stocké, puis utilisé dans une pile à combustible pour produire de l’électricité (cf. VI.4). Il existe plusieurs moyens de stockage, sous pression, liquide (20 K) et solide dans des hydrures métalliques et matériaux absorbants (cf. VI.6). Dans ce dernier cas, le stockage réversible de densité volumique intéressante (1,5 fois l’hydrogène liquide) s’effectue dans des conditions de température et pression proche de l’ambiante. La recherche sur ces matériaux reste très active pour améliorer leurs performances sur les aspects cinétiques, vieillissement en cyclage, augmentation de leur capacité massique…

Les supercondensateurs

9Les supercondensateurs* sont des dispositifs capables de délivrer des courants élevés pendant des temps de l’ordre de quelques secondes (cf. VI.3). Un supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement du charbon actif*, et imprégnées d’électrolyte, séparées par une membrane isolante électriquement et de texture poreuse assurant la conduction ionique. Le stockage est électrostatique, il n’y a pas de réaction électrochimique. Le nombre de cycles de charge/décharge est donc très important. Les électrolytes présentant une bonne conductivité ionique sont aqueux ou organiques.

10Les recherches actuelles ont pour objectif essentiel l’augmentation de la densité d’énergie*. L’exploration de nouveaux systèmes comportant des matériaux de type oxydes ou nitrures de métaux et de nouveaux électrolytes aqueux respectueux de l’environnement est aussi une voie en cours de développement.

Le stockage mécanique

11Un volant d’inertie stocke l’énergie électrique sous forme d’énergie cinétique de rotation (cf. VI.9). Un moteur électrique lance le disque en rotation et le maintient, l’énergie est récupérée via un générateur électrique. Ces systèmes emmagasinent de petites quantités d’énergie (10 Wh/Kg) instantanément disponibles et restituées dans des temps très courts (1 à 10 W/Kg). Un point important des recherches en cours pour l’amélioration des performances est le remplacement des matériaux métalliques par des matériaux composites plus légers.

12Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES) est un stockage de masse allant du MW au GW (cf. VI.9). Il consiste à comprimer massivement de l’air dans une cavité géologique avec l’électricité produite en excès puis à récupérer l’énergie par turbinage. C’est un moyen de lissage de la production journalière d’électricité. L’essentiel des recherches concerne les CAES adiabatiques* dans lesquels la chaleur de compression serait récupérée et stockée indépendamment de l’air comprimé pour être réinjectée au moment du turbinage.

Le stockage magnétique

13Ces systèmes sont constitués d’un bobinage supraconducteur incluant un cryostat* et un convertisseur de puissance* d’interface permettant de le charger ou le décharger (cf. VI.8). Ils sont adaptés à des fonctionnements rapides de l’ordre de quelques millisecondes à quelques secondes. C’est une source impulsionnelle de courant, de densité d’énergie modérée (quelques Wh/Kg). Les recherches concernent les matériaux supraconducteurs mais aussi la mise en œuvre des éléments constituants, le système cryogénique, les connexions, les structures mécaniques…

Le stockage thermique

14Parmi les critères de performance du procédé de stockage, la densité énergétique (quantité de chaleur stockée par unité de masse ou de volume) est celui qui discrimine le plus nettement les trois filières (chaleur sensible, chaleur latente*, chaleur de réaction). Les autres critères étant le rendement, les puissances de stockage et de restitution, le coût, la facilité de gestion.

Bibliographie

Références bibliographiques

• P. ODRU – Le stockage de l’énergie, Dunod, 2010.

• B. MULTON et J. RUER – Stocker l’électricité : oui c’est indispensable et c’est possible, Publication ECRIN, ecrin.asso.free.fr/pdf/energies.pdf, 2003.

• T. DESRUE, J. RUER, P. MARTY et J. F. FOURMIQUE – A Thermal Energy Storage Process for Large Scale Electric Applications, Applied Thermal Engineering, 2010.

Table des illustrations

Légende Les différentes technologies de stockage relatives à l’électricité
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10943/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 369k

Auteurs

Physicien, Directeur de Recherche au CNRS, GREMI, Orléans.
pascal.brault@univ-orleans.fr

Chimiste des matériaux métalliques, Directeur de Recherche au CNRS, ICMPE, Thiais.
apg@icmpe.cnrs.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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