Stockage thermique d’électricité

L’énergie électrique à stocker est convertie en énergie thermique puis accumulée dans un réservoir isolé thermiquement contenant un matériau capable de maintenir une température relativement constante dans le réservoir de stockage [10]. Lorsqu’on désire à nouveau disposer de l’électricité, cette énergie thermique est utilisée dans une machine thermique afin de produire l’électricité.

En résumé, le stockage sous forme thermique d’électricité se fait en trois étapes ; conversion de l’électricité en chaleur au moyen soit d’une résistance thermique (chaleur) ou d’un dispositif de réfrigération/cryogénie ensuite, le stockage de l’énergie thermique ainsi produite dans un maté-riau approprié contenu dans une enceinte isolée thermiquement puis enfin, utilisation de la

cha-FIGURE1.11 : Schéma de principe d’une unité de stockage électrique d’électricité (inductance su-praconductrice ; SMES) [7]

leur stockée dans un cycle thermique pour la production de l’électricité. La température à laquelle l’énergie thermique est stockée dans le réservoir thermique permet de distinguer deux groupes de stockage thermique d’énergie ; le stockage à basse température et le stockage à haute tempéra-ture. Le stockage à basse température trouve les applications dans le froid industriel (température inférieure à−18^◦C), la climatisation (0−12^◦C) et le chauffage (25−50^◦C). Celui à haute tempéra-ture (températempéra-ture supérieure à 175^◦C) est utilisé pour de nombreuses applications industrielles (pasteurisation, nettoyage, production d’électricité. . . ).

A basse température, l’eau refroidie ou la glace sont souvent utilisées comme matériaux de sto-ckage et maintenues dans les aquifères comme réservoir de stosto-ckage. Pendant les heures creuses, l’électricité est utilisée pour refroidir de l’eau ou la solidifier, l’eau ainsi refroidie est réservée dans les aquifères (ou des réservoirs) afin de maintenir sa température constante. Pendant les heures de pointe, ou des heures chaudes des journées d’été par exemple, où les grands centres commer-ciaux ont un besoin énorme en climatisation, des systèmes d’échangeurs permettent de récupérer le froid ainsi stocké. C’est donc une technique de stockage thermique d’électricité sans reconver-sion en énergie électrique tout comme les ballons d’eau chaude très rependue chez des particu-liers de nos jours. Afin de profiter de l’électricité bon marché vendue pendant les heures creuses, ces derniers l’utilisent pour la production d’eau chaude sanitaire dans les ballons d’eau chaude.

Au petit matin, lorsque le prix de l’électricité est reparti à la hausse, l’eau chaude réservée est donc utilisée pour la toilette et bien d’autres applications domestiques sans devoir exploser sont budget électricité.

La cryogénie peut aussi être utilisée pour le stockage d’électricité, c’est une technique de sto-ckage thermique à basse température d’électricité [8]. Encore au stade de l’étude, la technique permettant une telle conversion est connue sous le nom de « stockage d’électricité par pompage cryogénique » (SEPC). Le principe est théoriquement simple, l’électricité à stocker alimente une pompe à chaleur (ou machine frigorifique) qui se charge de prélever la chaleur de la source froide (réservoir contenant le fluide cryogénique ; azote liquide ou Air Liquide) pour la rejeter à l’exté-rieur (source chaude). Lorsqu’on désire à nouveau disposer de l’énergie électrique pendant les heures de pointe, la chaleur environnante est utilisée pour porter le fluide cryogénique à ébullition au moyen d’un cycle thermique afin de reproduire l’électricité comme l’illustre la Figure1.12. Les

1.2 Technologies de stockage d’énergie électrique

systèmes de SEPC ne nécessitent pas forcément des températures cryogéniques, mais juste une différence de température entre la source froide (réservoir de stockage cryogénique) et la source chaude (milieu extérieur). Leur rendement global reste néanmoins faible ; 35% pour le cas du sto-ckage thermique par chaleur latente dans la glace, et une différence de température entre la source chaude et la source froide de seulement 20K [8].

FIGURE1.12 : Schéma de principe d’un système de stockage d’électricité par pompage

cryogé-nique. Cycle de charge (à gauche) et de décharge (à droite) où (HP) désigne la pompe à chaleur ou une machine frigorifique et (PC) un cycle thermique.T1est la température du réservoir de sto-ckage du froid etT0celle du milieu extérieur [8]

Le stockage d’électricité par pompage thermique est l’une des techniques de stockage ther-mique à haute température d’électricité [9]. Le système de stockage est composé d’un compres-seur (c), d’une turbine (E), de deux réservoirs de stockage thermique ; un chaud (HS) et un froid (CS), de deux échangeurs de chaleur (HX1, HX2), il est basé sur le cycle thermodynamique de Joule-Brayton (Figure1.13).

FIGURE1.13 : Schéma de principe d’un système de stockage thermique d’électricité (pompage

thermique) [9]

Les réservoirs de stockages thermiques isolés contiennent généralement des matériaux réfrac-taires ayant une bonne capacité de stockage thermique comme un empilement de roche ou gra-vier, et parfois une matrice uniforme de céramique. Ces réservoirs utilisent le principe de la ther-mocline, c’est-à-dire que le front séparant le fluide caloporteur à haute température du fluide ca-loporteur à basse température est contenu dans un faible volume, et ceci, quelle que soit la phase de fonctionnement stockage ou déstockage. Le fluide caloporteur est l’Argon, pendant la charge, l’électricité à stocker alimente le compresseur (c) qui se charge de transférer la chaleur du réser-voir froid vers le réserréser-voir chaud ce qui entraîne une évolution du front thermique dans les deux réservoirs. Pendant la décharge, le processus est inversé, le gaz sous pression chaud est extrait du réservoir chaud (HS) puis turbiné pour reproduire l’électricité, on assiste à nouveau à un

dépla-cement des fronts thermiques dans les deux réservoirs. Les échangeurs de chaleurs permettent d’évacuer l’excédent de chaleur du système afin de limiter les effets d’irréversibilité qui seraient préjudiciables pour le rendement global du système. La technique est sous brevet et les données du rendement pas vraiment disponible, elle vise à challenger les techniques de stockage matures comme les CAES et les STEP sans contraintes de sites appropriés pour son implantation [65].

1.2.5 Comparaison des différentes technologies de stockage d’énergie électrique