Stockage d’électricité – généralité
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Définition
Un système de stockage électrique est un dispositif technique permettant de convertir une production électrique sous une forme stockable (électrochimique, chimique,
mécanique, thermique, …), de l’accumuler puis de la restituer, sous forme d’électricité ou d’une autre énergie finale utile (thermique, chimique, …).
L’électricité ne peut pas être stockée en tant que telle, elle doit nécessairement être convertie.
Dans un monde où la part de la production électrique intermittente, saisonnière et imprévisible croît et augmente le risque de désynchronisation avec les consommations, le stockage permet de rendre le système plus flexible en absorbant les éventuels
déphasages entre production et consommation d’énergie.
Le stockage sert principalement de buffer (tampon) et permet de faciliter la gestion et l’intégration des énergies renouvelables tant sur le réseau que dans les bâtiments en offrant une certaine autonomie lorsque le vent et le soleil sont absents.
Les dispositifs de stockage sont caractérisés par :
Leur puissance de charge et de décharge (exprimée en W, kW, MW, TW, …), Leur réactivité : le délai nécessaire pour fournir la puissance demandée (exprimé en secondes, minutes ou en heures),
Leur densité énergétique (exprimée en Wh/m³, kWh/m³, MWh/m³, TWh/m³, …), Leur capacité à retenir l’énergie stockée dans le temps (autodécharge),
Le rendement de conversion (en %).
L’enjeu du stockage à l’échelle du réseau
Depuis le boum des énergies renouvelables en 2010, la question du stockage est sur toutes les lèvres, mais pourquoi ?
Jusqu’il y a peu, les centrales nucléaires offraient une base relativement constante et inflexible de production électrique mais la production d’un complément d’énergie par nos centrales fossiles flexibles activées et modulées au besoin permettait de « coller » à la demande et assurer l’équilibre du réseau. Dans ce paradigme, la production est totalement maitrisée et facilement synchronisable avec la demande (la consommation).
De manière schématique, le profil classique de demande (et donc de la production) au fil d’une journée type en semaine ressemble à ceci :
De manière plus précise, le nucléaire puissant mais peu réactif, peu flexible assure
classiquement une certaine « base constante de production » et les énergies fossiles plus réactives et plus souples s’ajustent et se modulent en continu pour équilibrer le réseau.
Dans ce principe, plus la puissance demandée est élevée, plus les énergies fossiles sont sollicitées. En priorité, ce sont les centrales récentes et performantes qui sont démarrées mais plus la demande est élevée, plus ce sont, in fine, de vieilles centrales polluantes qui devront être mises en route.
Ce sont donc principalement le pic du matin mais aussi et surtout celui du soir qui ont un
possibilité d’entretien, d’évolution et d’investissement plus dense sur ces centrales restantes et ainsi un meilleur rendement.
Mais, comme la consommation finale des utilisateurs du réseau n’est pas constante, il faudrait que, pendant les creux de consommation, nous puissions stocker le surplus de production pour l’utiliser plus tard et compenser la réduction de puissance des centrales durant les pics journaliers.
Par exemple, en Belgique, du stockage gravitaire (STEP) est réalisé à cette fin à Coo-Trois-ponts (5GWh mobilisables jusqu’à 6 cycles par jour).
ENGIE –ELECTRABEL ©
Mais, comme nous l’évoquions en introduction, une nouvelle donnée est en train de changer la donne à grande vitesse. Vous vous en doutez, il s’agit des énergies
renouvelables !
Les énergies renouvelables comme l’éolien et le solaire ont la particularité d’être des énergies peu prédictibles à long terme et intermittentes, cela implique que le
gestionnaire du réseau est dépendant de la variabilité de l’ensoleillement et du vent dans son offre d’électricité alors même qu’il doit assurer le parfait équilibre du réseau. Ceci a pour conséquence d’augmenter la volatilité des prix de l’électricité et nécessite de trouver de nouvelles sources de flexibilités sur le réseau.
En réalité, toutes les sources d’énergies sont stockées avant d’être utilisées pour répondre à la demande, que ce soit le bois dans votre abri, l’essence dans votre réservoir, le gaz dans vos tuyaux et même les barres d’uranium dans les centrales. Le défi avec le vent et le soleil, pour ne citer qu’eux, c’est qu’ils ne sont pas directement stockables en tant que tels aussi facilement qu’un combustible.
En Europe, tant que la portion de renouvelable intermittent dans le mix électrique est maintenue sous un seuil communément admis d’environ
30% https://www.aps.org/policy/reports/popa-
reports/upload/integratingelec.pdf Sandrine Selosse, Sabine Garabedian, Olivia Ricci, Nadia Maïzi. The renewable energy revolution of Reunion island. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 2018, 89, pp.99-105. ff10.1016/j.rser.2018.03.013ff.
ffhal-01740511f https://www.elia.be/~/media/files/Elia/About-
Elia/Studies/20171114_ELIA_4584_AdequacyScenario.pdf, le gestionnaire est capable d’assurer la stabilité du réseau et l’équilibre avec la demande en compensant avec le fossile. En cas de surplus d’énergies pouvant survenir vers midi quand la demande est faible et que les panneaux fournissent le maximum de leur énergie, comme les centrales nucléaires ne peuvent-être arrêtées et redémarrées d’une minute à l’autre, le
gestionnaire va pouvoir trouver une issue grâce aux STEP ou en se déchargeant, par exemple, en activant l’éclairage public. Mais ceci fonctionne uniquement tant que la part de renouvelable est contenue (<30%).
Or, pour 2018, nous recensions ±19% d’énergie renouvelable sur le réseau électrique belge ! Et, heureusement, ce chiffre va croissant. Ce qui devrait nous mener à dépasser le seuil des 30% à l’horizon 2030.
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Source : Données extraites des bilans régionaux SPW DGO4 (Wallonie), Bruxelles Environnement, VITO
(Flandre), Eurostat (Belgique) pour les années passées
N’hésitez pas à consultez l’observatoire des énergies
renouvelable de l’Apere pour des données mises à jour
régulièrement ! Ou encore
Energymap.org pour observer en temps réel l’origine de la production électrique.
Pour que le gestionnaire de réseau puisse garder la main sur l’équilibre du réseau quand la part d’énergie intermittente augmente, une des solutions consiste à utiliser des
moyens de stockage pour :
S’assurer de récolter toute la production : ne pas la gaspiller en éclairant l’espace public de jour en cas de surplus,
Pouvoir profiter de cette énergie stockée les jours et les heures où le vent ou le soleil fait défaut et éviter de devoir demander plus de puissance aux centrales fossiles.
Augmenter l’interconnexion des réseaux au niveau de l’Europe pour amortir et lisser l’intermittence du renouvelable grâce à une échelle géographique élargie et moins dépendante de phénomènes locaux.
En complément des moyens de stockage : la flexibilité électrique accrue de la demande (par l’effacement ou le déplacement des charges) permettra de ne plus uniquement tenter d’aligner l’offre à la demande mais également d’adapter notre consommation à la quantité d’énergie disponible.
L’enjeu du stockage à l’échelle du bâtiment
La règlementation Européenne et les enjeux énergétiques, climatiques et
environnementaux incitent les entreprises, les institutions et les particuliers à rejoindre l’effort et devenir eux aussi producteur d’énergie renouvelable.
Pour contribuer à l’équilibre et l’allègement du réseau, chaque bâtiment devra gagner en autonomie énergétique et autoconsommer le maximum de l’énergie qu’il produit. La Wallonie travaille d’ailleurs sur le statut de prosommateur pour inciter fiscalement à l’autoconsommation.
Or, pour maximaliser le taux d’autoconsommation dans un bâtiment, il faut soit :
Adapter sa consommation à la disponibilité intermittente d’énergie autoproduite. Ceci implique une refonte complète des comportements, une souplesse dans ses activités et une attention de chaque instant ce qui sera rarement possible dans un monde où l’organisation, la performance et la vitesse prime.
Disposer d’un système qui pourra accumuler l’énergie produite hors des heures d’utilisation dans une batterie, un ballon d’eau chaude, sous forme d’H2,
… que nous pourrons ensuite mobiliser en temps utile.
Types de stockage
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Les différents types
Il existe 5 vecteurs principaux pour le stockage d’énergie : Electrochimique (Batteries) ;
Thermique (Ballons d’eau chaude, inertie du bâtiment) ; Cinétique (Volant moteur) ;
Gravitaire, potentielle (Station de pompage turbinage) ; Chimique (électrolyse > hydrogène).
En fonction de la nature de l’énergie restituée par le système de stockage, on parlera plutôt tantôt de :
« Power to power » : La production électrique est convertie en énergie intermédiaire puis restituée sous forme d’électricité.
« Power to fuel » : La production électrique est convertie en combustible.
Stockage Power-To-Power
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Le stockage électrochimique : les batteries
Les batteries ou accumulateurs électrochimiques sont les moyens de stockage les plus connus. Nous en avons dans nos smartphones, nos appareils photos et de plus en plus souvent dans nos bâtiments.
Les accumulateurs de ce type profitent des propriétés électrochimiques de certains matériaux, notamment des couples oxydant-réducteur comme le Nickel et le Cadmium.
Lors de la phase de charge, l’électricité induit un flux d’électron entre les bornes qui va polariser les électrodes. La borne négative va alors attirer les protons (+) d’un côté de la membrane. Ces protons vont s’accumuler et l’électrolyte qui était initialement neutre et homogène va se polariser: un côté va se charger positivement et l’autre, orphelin de ses protons(+), négativement.
Lorsque tous les protons (+) ont migré d’un côté, l’accumulateur est chargé à 100%.
Dans la phase de décharge (utilisation de l’énergie stockée), cette différence de polarité est utilisée pour mettre des électrons en mouvement dans le sens inverse et produire de l’électricité. Cette circulation en sens inverse des protons va progressivement rétablir l’équilibre de polarité entre les parties chargées positivement et négativement. À partir d’un moment, la tension électrique induite deviendra trop faible et l’accumulateur sera considéré comme « vide ».
Plusieurs matériaux sont utilisables pour réaliser ce principe. En fonction du type d’anode, de cathode et d’électrolyte la densité énergétique, la vitesse de charge, le coût et la stabilité seront variables.
Parmi les technologies les plus courantes, les densités énergétiques sont les suivantes :
Les autres caractéristiques principales de différentes technologies:
Vitesse de charge
Vitesse de décharge naturelle
Nombre de cycles
EFFET
mémoire* Recyclabilité Coût Commentaire
Plomb-
acide – Moyenne ±500 Extrêmement
faible Très bonne faible Supporte mal les cycles trop amples
Ni-Cd ± rapide ±2000 Oui Toxique
NiMH ± rapide ±1000 Oui mais
faible Peu polluant
Li-Ion ++ négligeable ±750 Extrêmement
faible Mauvaise, coûteuse
Ni-Zn + rapide ±300 Oui mais
faible correcte Moyen
Li-po ++ négligeable ±300
L’effet mémoire est un phénomène physique et chimique qui se manifeste dans certaines technologies d’accumulateurs plus que dans d’autres. S’il se manifeste, ces derniers doivent être déchargés complètement avant d’être rechargés sous peine d’observer une réduction de la capacité de la batterie difficilement
récupérable.
Le stockage thermique
Le stockage d’électricité sous forme de chaleur est généralement utilisé tel quel sous forme d’énergie thermique pour l’eau chaude sanitaire ou le chauffage mais peut également être reconvertie et restituée sous forme d’électricité par l’intermédiaire d’une turbine.
Le principe général consiste à chauffer un matériau à haute densité calorifique (de l’eau, de la pierre réfractaire, un matériau à changement de phase, …) dans un milieu clos fortement isolé thermiquement. Le chauffage de la masse à lieu lorsqu’il y a surplus d’électricité.
Le stockage En « STEP »
Il s’agit probablement du système de stockage à grand échelle le plus connu. La STEP (Station de transfert d’énergie par pompage) fonctionne par pompage-turbinage. Lorsque le réseau ou le bâtiment est en état de surproduction, pour ne pas gaspiller cette précieuse énergie, une pompe sera actionnée. La pompe élevera alors de l’eau pour la stocker dans un bassin en hauteur (sur la toiture, en haut d’une coline, …).
Cette eau située en hauteur réprésente une énergie potentielle considérable. Ensuite, le fonctionnement est le même que pour un barrage hydroélectrique : au moment opportun, l’eau sera libérée et turbinée pour produire de l’électricité avant de rejoindre le bassin inférieur.
L’énergie disponible est alors égale à :
[La masse] x [la gravité] x [la hauteur de la masse]
Soit, pour un bassin de 1000 m³ (un cube de 10 mètres de côté) situé sur terre (g=9,81 m/s²) à une hauteur moyenne de 20 m par rapport au bassin bas :
1.000.000 kg x 9,81 m/s² x 20 m = 196.200.000 Joules Soit 54 kWh
Autres systèmes de stockage
Le stockage d’électricité est probablement le Graal du XXIème siècle. C’est pourquoi les ingénieurs rivalisent de créativité pour inventer la solution la plus abordable, verte et performante.
Parmi les solutions que nous rencontrons aujourd’hui, citons le stockage par air comprimé.
Le principe est simple : on profite d’une cavité étanche existante ou on en crée une. Cette cavité sert alors d’espace de stockage pour notre air comprimé. Lorsqu’il y a surproduction, l’électricité va actionner un compresseur, ce dernier va alors faire monter la pression dans notre cavité. Si celle-ci est parfaitement étanche, l’énergie potentielle contenue dans la haute pression peut être conservée très longtemps. Seule la chaleur produite lors de la compression sera perdue en cours de route.
Ensuite, lorsque le bâtiment ou le réseau a besoin d’électricité, cette pression sera libérée et turbinée afin de produire de l’électricité.
Ce système est à la fois relativement simple et compact (l’essentiel se passant en sous-sol) mais nécessite la présence d’une cavité suffisamment grande, étanche, solide et profonde pour résister aux fortes pressions sans se déformer de manière sensible, ce qui provoquerait des désordres à l’installation et son environnement.
Un autre système qui a de beaux jours devant lui dans le secteur des transports et des énergies
renouvelables notamment est celui du stockage d’électricité par volant d’inertie. Ici, le système est encore plus simple. L’électricité OU un mouvement rotatif (roue de voiture, éolienne, …) entraine à la rotation un cylindre extrêmement lourd. Ce surplus d’énergie va accélérer la rotation du cylindre à des vitesses pouvant atteindre les 10.000 tours par minute ! Afin de limiter les frottements et donc l’auto-décharge, ce cylindre est monté sur des roulements performants et confiné sous vide.
qui prend de la vitesse et ralenti le bus jusqu’à son arrêt complet. À ce moment, le volant est débrayé et le cylindre tourne à vive allure avec peu de frottement. Lorsque les passagers sont tous à bord, le volant d’inertie va être progressivement ré-embrayé au système de traction du bus et lui restituer la quasi-totalité de son énergie de freinage mais sous forme d’accélération cette fois-ci.
Dans le cadre des énergies renouvelables, ce type de système est envisagé comme stockage tampon entre le dispositif de production renouvelable et le bâtiment afin d’éviter que, nous n’ayons à rebasculer sur le réseau au moindre nuage ou manque de vent.
Stockage Power-To-Fuel : l’électrolyse
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Le principal représentant de ce type de stockage est l’électrolyse de l’eau qui permet de produire de l’hydrogène.
Contrairement au stockage thermique ou en accumulateurs, ce type de système permet une conservation plus longue, inter-saisonnière, de l’énergie sous forme d’hydrogène.
L’hydrogène comme carburant peut ensuite être valorisé de différentes manières : Comme carburant combustible directement via le réseau de gaz,
Soit dans une centrale à gaz adaptée. Dans ce cas, in fine, de l’électricité sera reproduite à partir du carburant.
Par production de méthane : en faisant réagir 4 molécules de H avec du CO du méthane et de l’eau sont produits.
Via une pile à combustible qui fera réagir 2 molécules de H avec une molécule de dioxygène pour produire de l’électricité avec un rendement de ±60% et rejeter de l’eau. Ce rendement sera meilleur si la pile à combustible est utilisée en
cogénération pour valoriser le dégagement de chaleur.
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