Stockage électrochimique

Le stockage électrochimique est un des plus répandu puisque le stockage par batteries en fait partie. Le principe de ce stockage réside dans l’utilisation d’énergie chimique générée lors de réactions chimiques, avant d’être stockée dans la batterie, puis convertie en énergie électrique, directement utilisable dans le réseau. Ces batteries peuvent fonctionner durant plusieurs heures, voire plusieurs jours pour les plus performantes et sont créées pour un certain nombre de cycles de charge/décharge équivalent à leur durée de vie. Ce type de stockage permet principalement de lisser la demande d’énergie durant la journée, ou même de combler une partie de la demande lors du pic d’utilisation de puissance. Il existe différents types de batteries telles que les batteries à hydrogène, les batteries Lithium-ion, pour n’en nommer que deux, mais les batteries les plus utilisées pour une application de stockage sont actuellement les batteries à flux,

également appelées batteries à circulation. Il existe différents moyens pour charger la batterie avant son utilisation, il est ainsi possible d’utiliser l’énergie créée par la biomasse (cycle naturel de la Terre), l’énergie créée par une installation photovoltaïque ou éolienne, ou bien tout simplement en la chargeant sur le réseau en dehors des pics importants de consommation, la nuit par exemple. Cependant, ce sont des systèmes qui, pour la plupart, ne permettent de stocker que de faibles quantités d’énergie pour de petits espaces.

1.4.1 Batteries à flux (ou circulation)

La batterie à flux est un des stockages de type électrochimique les plus utilisé. Son fonctionnement est basé sur une réaction d’oxydoréduction, soit un échange entre des électrons contenus dans les ions circulant dans la batterie, qui est réalisé par l’intermédiaire d’une membrane d’échange. Les électrons, qui possèdent une certaine charge, créent ainsi un courant en se déplaçant. Ce phénomène permet ainsi de stocker de l’énergie grâce au potentiel chimique, avant de le restituer lorsqu’il y a besoin. Les ions sont contenus dans deux électrolytes liquides, un négatif et un positif, qui constituent un couple électrochimique pour l’échange des ions. Les couples plus répandus sont le couple Zn/Br (Zinc/Brome), ou encore le couple Vanadium/Vanadium, qui empêche la contamination interne puisque c’est le même composant, et qui servira d’exemple ici. Le couple Vanadium/Vanadium met en place une réaction de réduction à l’électrode positive avec les espèces VO2+/VO2+ (équation 1.6) et une

réaction d’oxydation à l’électrode négative avec les espèces V2+_/V3+ _{(équation 1.7),}

respectivement selon les équations de réactions suivantes (Xie, 2012) :

+ − → + 2 (1.6)

+ → (1.7)

La batterie au vanadium permet de stocker, puis générer jusqu’à 20 Wh/kg. Ce type de système est réversible, puisque l’échange des charges permet d’absorber ou de produire de l’électricité, dépendamment du sens de fonctionnement, en charge et décharge. La durée de vie de la batterie

correspond au nombre de cycles de charge/décharge réalisables. Un schéma du principe de fonctionnement de la batterie est présenté en figure 1.5.

Figure 1.5 Principe de fonctionnement d'une batterie à circulation Tiré de Multon, B., Robin, G., Erambert, E., & Ben Ahmed, H. (2003)

repéré à www.smartgrids-cre.fr

Les avantages des batteries à flux résident dans leur grande durée de vie, leur temps de charge/décharge rapide et leur bon rendement énergétique (70 à 80%). Cependant, leurs capacités sont plutôt faibles, ces batteries doivent donc souvent être utilisées de manière couplées pour permettre d’atteindre une capacité non négligeable (Dincer & Rosen, 2002). Certaines installations fixes utilisant des batteries en série peuvent ainsi permettre de stocker jusqu’à plusieurs 100 MW. Cependant, leur prix relativement élevé et la quantité de batteries nécessaires pour obtenir des puissances approchant 1 MW rend ce procédé difficilement utilisable dans le contexte du CDS.

1.4.2 Batteries conventionnelles

Les batteries, aussi appelées accumulateurs, plus conventionnelles comme les batteries sodium ou les batteries lithium-ion sont également populaires. Leur fonctionnement est similaire aux batteries à flux, puisqu’il y a toujours un échange entre les charges des ions à travers une réaction d’oxydo-réduction, dans un empilement de différents éléments chimiques. Dans le cas de la batterie lithium-ion, il y a échange de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative en graphite. Grâce aux ions se déplaçant dans le système et qui transportent une certaine quantité de charge, il est possible de générer un courant. L’empilement est ensuite relié à un système qui convertit le tout en énergie électrique et qui peut être utilisé de manière réversible pour recharger la batterie. Le lithium est un matériau qui possède une grande énergie massique, permettant de créer des accumulateurs avec une capacité allant jusqu’à 200 Wh/kg, ce qui rend son utilisation intéressante (Multon & Ruer, 2003). En revanche, les accumulateurs lithium-ions nécessitent l’utilisation d’un autre matériau au niveau de la cathode, qui possède un potentiel standard proche du lithium et qui est placé à l’anode. Le matériau utilisé à l’anode est souvent du graphite, qui possède qui possède de bonnes propriétés d’insertions dans le lithium (Vinh, 2010). La capacité de stockage finale dépend ensuite de la taille des électrodes et du système, puisque ces batteries peuvent également être utilisées en série pour stocker une plus grande quantité d’énergie électrochimique. Cependant, malgré une maturité technologie reconnue, les batteries souffrent d’un inconvénient majeur au niveau de leur durée de vie pour des cycles de grandes amplitudes, qui ne dépassent que rarement 1000 cycles. Ce procédé de stockage est ainsi plus souvent utilisé pour des solutions portatives, pour une capacité allant jusqu’à une dizaine de kWh (Robin, Ruellan, Multon, Ben Ahmed & Glorennec, 2004). Les plus grosses batteries li-ion couplées peuvent aller jusqu’à 20 MW rendus sur 4 h (en Chine), sous réserve que la production d’énergie avant stockage soit assez importante. L’utilisation des batteries paraît difficile à mettre en place, concernant le transport et les problèmes de place.

1.4.3 Supercondensateurs

Le supercondenstaur présente un fonctionnement similaire à celui d’un condensateur ou d’une batterie, mais ne met pas en jeu une réaction d’oxydo-réduction pour produire et stocker

l’électricité. Le stockage d’énergie se fait grâce au déplacement des ions, soumis à un champ électrique, qui vont se fixer ou se détacher des électrodes, imprégnées dans les électrolytes qui contiennent les ions. Le champ électrostatique ainsi créé permet d’emmagasiner l’énergie. Plus la surface des électrodes est grande, plus la quantité d’ions qui peuvent s’y fixer est grande, ce qui augmente la quantité d’énergie qu’il est possible de stocker. De plus, le fait de ne pas avoir de réaction chimique dans le système a pour effet d’accroitre la durabilité des supercondensateurs et donc le nombre de cycles réalisables, mais aussi leur vitesse de charge et de décharge. Leur puissance spécifique est plus élevée que pour des batteries, jusqu’à 2 kW/kg environ, mais leur vitesse de charge/décharge étant très rapide, leur énergie massique n’atteint qu’environ 10Wh/kg (Robin, Ruellan, Multon, Ben Ahmed & Glorennec, 2004), ce qui ne permet de stocker qu’une quantité d’énergie limitée, plus faible que pour des batteries. Ainsi, leur utilisation se fait souvent à court terme, pour répondre à des pics de demande ou dans des situations d’urgence.