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Les différentes technologies stationnaires de stockage de l’électricité

Les solutions de stockage d’énergie se divisent en six catégories :

  • mécanique (barrage hydroélectrique, Station de transfert d’énergie par pompage - STEP, stockage d’énergie par air comprimé – CAES, volants d’inertie),
  • électrochimique (piles, batteries, vecteur hydrogène),
  • électromagnétique (bobines supraconductrices, supercapacités),
  • thermique (chaleur latente ou sensible).

Stockage mécanique

Station de pompage

Les stations de pompage sont des technologies de stockage par gravitation. Elles sont composées de deux retenues d’eau à des hauteurs différentes reliées par un système de canalisations. Elles sont équipées d’un système de pompage permettant de transférer l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur en heures creuses. En heures pleines, la station fonctionne comme une centrale hydroélectrique classique.

On distingue deux types de pompage :

  • les stations de pompage d’apports : elles permettent de remonter via des pompes un volume d’eau entre son propre réservoir et le réservoir supérieur d’une chute turbinage. Les eaux turbinées proviennent ainsi des apports gravitaires et des apports de la station de pompage ;
  • les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) : elles sont caractérisées par un fonctionnement en cycles pompage-turbinage entre un réservoir inférieur et un réservoir supérieur, grâce à des turbines-pompes réversibles. Le pompage peut être « mixte » (les eaux turbinées proviennent des apports gravitaires et des apports de la station de pompage) ou « pur » (les apports naturels au réservoir supérieur sont négligeables).


Source : Bernard Multon et Jacques Ruer – Stocker l’électricité : oui c’est indispensable et c’est possible

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 d’importantes capacités de puissance mobilisables en quelques minutes, de quelques dizaines de mégawatts à plusieurs gigawatts en fonction de la hauteur d’eau.

Les STEP peuvent également être installées en façade maritime, avec la mer comme retenue inférieure et une retenue amont au sommet d’une falaise ou constituée par une digue. Il existe aujourd’hui une STEP marine à Okinawa au Japon et, en France, EDF SEI a des projets à La Réunion, la Guadeloupe et en Martinique.


Source : EDF SEI

Les stations de pompage jouent un rôle important en période de pointe et sont un élément fondamental de sécurité du réseau dans la mesure où leur production est mobilisable en quelques minutes. La France compte sur son territoire 4 200 MW de capacités de STEP (4 170 MW en pompage, 4 940 MW en turbinage – Source DGEC 2010), ce qui représente 4 % de la capacité de production installée. La dernière STEP fut mise en service en 1987 et il n’y a pas aujourd’hui, en métropole, de nouvelles capacités en construction.

La Programmation Pluriannuelle des Investissements de production d’électricité prévoit d’augmenter les capacités d’énergies hydroélectriques de 3 000 MW sur la période 2009-2020. Si tout ce potentiel était exploité, on pourrait gérer les pointes de consommation hivernales en France sans faire appel aux centrales thermiques. L’attrait du stockage par STEP est donc un formidable vecteur de durabilité de l’approvisionnement électrique.

Il est probable que de nouvelles capacités de STEP soient planifiées dans le cadre du renouvellement des concessions hydroélectriques. La définition du marché de capacité prévu par la loi Nouvelle Organisation des Marchés de l’Electricité, dite loi NOME, permettrait également le développement de nouvelles capacités de stockage d’électricité.

Cependant, les projets hydroélectriques peuvent avoir des impacts environnementaux et sociaux importants qui freinent l’acceptabilité de ces ouvrages.

Stockage d’énergie par air comprimé

Les installations de stockage d’énergie par air comprimé (Compressed Air Energy Storage - CAES) de grande puissance consistent, en utilisant l’électricité disponible à bas coût en période de faible consommation, à stocker de l’air dans des cavités souterraines (ancienne mine de sel ou caverne de stockage de gaz naturel) grâce à un compresseur. Au moment de la pointe de consommation, cet air comprimé est libéré pour faire tourner des turbines qui produisent ainsi de l’électricité.


Source : Bernard Multon et Jacques Ruer – Stocker l’électricité : oui c’est indispensable et c’est possible

Le rendement des CAES est malheureusement réduit car la compression de l’air s’accompagne d’un échauffement. Afin d’en améliorer la performance, des systèmes de stockage thermique sont en cours de développement afin de récupérer la chaleur (stockage adiabatique).

Pour en savoir plus :

Intervention d’Emmanuel Puchala – Forum Stockage de la CRE
Interview d’AGNES

Stockage inertiel

Longtemps utilisé pour la régulation des machines à vapeur, le principe du volant d’inertie permet aujourd’hui de stocker temporairement l’énergie sous forme de rotation mécanique.

Un volant d’inertie 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 8 000 et 16 000 tour/min) en quelques minutes. Une fois lancée, la masse continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente.

L’électricité est donc 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 progressive 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. En effet, ce système peut absorber de très fortes variations de puissance sur de très grands nombres de cycles. Cependant, les volants d’inertie subissent des pertes de charge en raison de phénomènes d’autodécharge et ne permettent pas d’obtenir une durée d’autonomie importante. Ces systèmes sont donc adaptés pour des applications de régulation, d’optimisation énergétique d’un système et d’amélioration de qualité (micro-coupures, coupures brèves, etc.).

Pour en savoir plus :

www.ecosources.info : Stockage d'énergie par volant d’inertie

Stockage électrochimique

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 utilise de l’électricité pour décomposer de l’eau en oxygène et en hydrogène, selon l’équation 2 H2O= 2H2 + O2. Cet hydrogène est ensuite comprimé, liquéfié ou stocké sous forme d’hydrure métallique.

Ensuite, il existe trois moyens différents pour réinjecter de l’électricité sur le réseau à partir de l’hydrogène stocké :

  • le premier consiste à alimenter une pile à combustible ;
  • le deuxième consiste à synthétiser du gaz naturel selon le procédé de la méthanation. Ce gaz peut certes être injecté directement dans le réseau de gaz existant mais surtout être utilisé pour alimenter une centrale à gaz « classique », produisant de l’électricité ;
  • le troisième consiste à utiliser l’hydrogène directement dans une centrale à gaz spécialement conçue à cet effet, afin de fabriquer de l’électricité.


Source : Sénat, Commission d’enquête sur le coût réel de l’électricité

L’intérêt de ce type de système réside :

  • dans la grande flexibilité d’usage du vecteur d’hydrogène, qui a pour particularité d’être facilement stocké et transporté, que ce soit sous forme liquide ou gazeuse ;
  • et dans le découplage énergie-puissance : en effet, la capacité de puissance en absorption ou en production est dimensionnée par l’électrolyseur ou la pile à combustible. La capacité en énergie est dimensionnée par la taille des réservoirs et peut aller de plusieurs heures à plusieurs jours en fonction de l’application du système (secours, décalage de consommation).

Pendant leur utilisation, les électrolyseurs et les piles à combustible dégagent de la chaleur (entre 20 et 50 % de l’énergie du système selon la technologie), dont la valorisation améliore la rentabilité économique du système.

Pour en savoir plus :

Interview d’ERH2 Bretagne

Batteries électrochimiques

Les batteries électrochimiques sont conçues par empilement de disques composés de différents types d’éléments chimiques. Il existe ainsi des batteries plomb-acide, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, lithium-ion, lithium-polymère, lithium-air, sodium-soufre, chlorure de sodium (zebra), etc.

Tableau comparatif des différentes technologies de batteries
Pb
Ni-Cd
Ni-Mh
Ni-Zn
Zebra
LMP
Li-ion
Li-Po
LiFePo4
Li-air
Wh/kg
40
60
90
80
120
110
150
190
110
1000
Durée de vie (cycles)
500
2000
1500
nc
nc
1800
1000
2000
2000
nc
Source : Avem

L’empilement est ensuite relié à un système d’électronique de puissance qui, lors de la décharge, convertit le courant continu des batteries en courant alternatif à la tension, la fréquence et la puissance voulues. Ce système est aussi utilisé dans le sens inverse pour recharger les batteries.

Dans les systèmes de stockage par batteries électrochimiques, les assemblages de batteries sont conçus pour fournir la puissance et la capacité en fonction des usages (par exemple stabilisation des réseaux, alimentation de secours). La capacité de stockage de puissance et d’énergie varie en fonction des technologies. Les principaux avantages des batteries sont leur flexibilité de dimensionnement et leur réactivité.

Batteries à circulation

Dans les systèmes de stockage par batteries à circulation, deux électrolytes liquides contenant des ions métalliques (couples d’ions métalliques zinc/brome, polybromure/ polysulfure de sodium et vanadium/vanadium), séparés par une membrane échangeuse de protons, circulent à travers des électrodes. L’échange de charges permet de produire ou d’absorber l’électricité.

La puissance produite ou absorbée est dépendante du dimensionnement de la membrane d’échange et des électrodes, tandis que l’énergie stockée est dépendante du volume des électrolytes.


Source : Regenesys

Stockage électromagnétique

Le principe des supercapacités repose sur la création d’une double couche électrochimique par l’accumulation de charges électriques à l’interface entre une solution ionique (électrolyte) et un conducteur électronique (électrode). A la différence des batteries, il n’y a pas de réaction d’oxydo-réduction.

L’interface entre les charges joue le rôle d’un diélectrique. L’électrode contient du charbon actif de surface spécifique très élevée. La combinaison d’une surface conductrice élevée et d’une épaisseur de diélectrique très faible permet d’atteindre des valeurs de capacité extrêmement élevées en comparaison des condensateurs traditionnels. L’électrolyte limite la tension des éléments à quelques volts.

Stockage thermique (chaleur et froid)

Les installations de stockage thermique (chaleur et froid) concernent majoritairement les marchés industriels et tertiaires avec des réalisations de l’ordre de 1 à 10 MW, les réseaux de chaleur, et le marché résidentiel par le biais des ballons d’eau chaude sanitaire (ECS).

Ces installations ont un potentiel important en termes de compétitivité pour les activités tertiaires et industrielles et en matière d’impact sur la demande en électricité à la pointe. En effet, en stockant la chaleur ou le froid en période de faible demande d’électricité, le potentiel de décalage des appels de puissance est important. Sur les réseaux de chaleur, le stockage de chaleur permet d’optimiser le dimensionnement des installations, notamment dans le cadre d’extension de réseaux existants.

Le stockage de chaleur dans les ballons d’eau chaude sanitaire mobilise aujourd’hui un parc de plusieurs millions d’installations, ce qui représente un appel de puissance de plusieurs gigawatts au maximum. Cet appel de puissance est prédictible et commandable, ce qui permet de décaler cet appel de puissance de manière programmée.


Source : Bernard Multon et Jacques Ruer – Stocker l’électricité : oui c’est indispensable et c’est possible

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