Stockage d'énergie
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Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une énergie à un endroit donné pour faciliter son exploitation immédiate ou future. Par son importance dans notre civilisation grande consommatrice d'énergie, le stockage d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) est une priorité économique. Il concourt à l'indépendance énergétique, c'est-à-dire à la capacité d'un pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine....) à satisfaire par lui-même ses besoins énergétiques. De ce fait, le stockage d'énergie est souvent l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) d'une attention particulière de la part des pouvoirs politiques, surtout dans les pays fortement dépendants de l'étranger.

Par extension, le terme "stockage d'énergie" est souvent utilisé pour décrire le stockage de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) qui produira cette énergie.

Concept d'énergie stockée

Les principales formes renouvelables d'énergie (autres que géothermique et marémotrice), proviennent de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à...), et peuvent donc être considérées comme un stockage d'énergie solaire. L'énergie hydraulique (L'énergie hydraulique est l'énergie mise en jeu lors du déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'huile, l'eau douce ou l'eau de mer.) et l'énergie éolienne (L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent....) représentent un capacité de production d'énergie à très court terme (mise en oeuvre de l'ordre de quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. Unités et...) à quelques heures), alors que la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse...) représente un stockage à plus long terme, mais toujours à une échelle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) humaine, donc renouvelable à cette échelle.

Des ressources énergétiques renouvelables peuvent être employées directement comme sources d'énergie (le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...) dégagé par la biomasse par exemple) ou être transformées en d'autres formes d'énergie (la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) ou le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur...) convertis en électricité).

Les combustibles fossiles sont également de l'énergie solaire stockée ; mais compte tenu du rythme actuel de consommation par rapport au temps nécessaire à leur renouvellement (plusieurs millions d'années), ils ne peuvent pas être considérés comme de l'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps...).

Stockage de l’énergie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...)

Stockage sous forme d’énergie potentielle

Stockage hydraulique

Les barrages hydrauliques constituent des réserves d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qui, en tombant, fait tourner des turbines génératrices d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie...).

Une optimisation du système consiste à réutiliser l'eau qui a été libérée. Le stockage par pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance à des ondes longitudinales. Une inversion du sens d'écoulement...) est utilisé par endroits pour égaliser la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) quotidienne (c'est-à-dire le besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les...) en électricité) : de l'eau est pompée et remontée vers des barrages d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...) quand la demande sur le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) est faible (pendant les heures (L'heure est une unité de mesure  :) creuses et le week-end par exemple), en utilisant la production excédentaire des dispositifs non réglables (nucléaire, solaire, éolien,...) ; pendant les pics de consommation, cette eau redescend et produit à nouveau de l'électricité.

C'est le même dispositif électromécanique (L'électromécanique est l'association des technologies de l'électricité et de la mécanique.) réversible, qui produit de l'électricité ou remonte l'eau par pompage. Le rendement est excellent (plus de 90%). Cependant, relativement peu d'endroits ont la place pour les barrages de stockage par pompage avec une ligne à haute tension (La ligne à haute tension est le composant principal des grands réseaux de transport d'électricité. Elle transporte l'électricité de la centrale électrique au consommateur....) à proximité.

On utilise aussi ce type de dispositif dans la centrale marémotrice de la Rance (en France) : à marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de...) haute, on ne se contente pas de stocker passivement de l'eau, on pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) aussi pour augmenter la réserve, eau qui sera relâchée avantageusement à marée basse (on monte l'eau de quelques mètres, par contre on utilise son potentiel de chute sur une dizaine de mètres de plus).

Air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux alentours de 10 bars mais parfois jusque 300 bars.)

  • Une méthode est d'employer l'électricité pour comprimer de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...). Celui-ci est habituellement stocké dans une vieille mine ou autre dispositif géologique fermé. Quand la demande d'électricité est importante, on utilise l'air ainsi comprimé pour faire tourner une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) couplée à un alternateur produisant de l'électricité. Des projets de ce type ont été concluants en Alabama et en Allemagne, bien que le rendement soit médiocre (40 %).
  • Deuxième méthode en cours de développement : des batteries oléo-pneumatiques, (technique à base d'air comprimé et d'huile) permettront à terme le stockage d'électricité à l'échelle locale, régionale, voire internationale, à un coût compétitif.

Stockage sous forme d’énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.)

Stockage par volant d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une...)

L'énergie est stockée sous forme d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....) sur un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en...) lourd. Pour accumuler l'énergie, un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) accélère le disque. Pour utiliser l'énergie, on branche un générateur électrique ; en pratique, le générateur peut être le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue...) (le même engin électrique peut faire office de moteur ou de frein/générateur).

Un disque lourd tournant est actionné par un moteur électrique, qui agit en tant que générateur lorsque l'on a besoin d'énergie, ralentissant le disque et produisant l'électricité.

Le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) doit être minimum pour éviter les déperditions. C'est possible en plaçant le volant dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et sur des paliers à lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en suspension au-dessus du sol, sous l'effet d'une force plus forte que la...) magnétique, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif...) résistants pour résister à l'éclatement et éviter les effet explosifs d'une panne du système, au cours de laquelle l'énergie cinétique de rotation serait convertie en énergie cinétique de translation (autrement dit, le disque se transformerait en projectile...).

En pratique, ce type de stockage est d'un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) très courant mais il se limite pratiquement aux " volants d'inertie " au sein des appareils de production d'énergie, qui opèrent un lissage à très court terme pour régulariser la fourniture. C'est notamment le cas de tous les moteurs thermiques, surtout des moteurs turbo Diesel dont les à-coups sont importants.

Il y a déjà plusieurs décennies que des autobus (Un autobus (ou bus), comme un autocar (ou car), est un véhicule automobile pour le transport en commun de voyageurs. Le mot bus et autobus vient d'Omnés Omnibus...) urbains ont fonctionné avec un volant d'inertie disposé à plat sous le plancher. Ce système permet de faire plusieurs kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le...) sans pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par...) et en silence avant une "recharge", qui s'effectue lors des arrêts prolongés de quelques minutes dans les stations équipées à cet effet. À l'époque, la relance de l'unique gros disque se faisait par un système pneumatique ou par un moteur électrique disposé dans la chaussée. La complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en...) technique de cette solution (la taille, le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre....) de l'équipement, la complexité d'utilisation et l'effet gyroscopique qui déséquilibrait les véhicules) associé à un faible intérêt économique (comparaison du coût avec celui de l'utilisation d'autres énergies) a stoppé son utilisation.

L'évolution technique remet ce système au goût (Pour la faculté de juger les belles choses, voir Goût (esthétique)) du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...). L'utilisation de deux disques contrarotatifs plus légers mais tournant à très grande vitesse (On distingue :), grâce à de nouveaux matériaux plus résistants, et lancés par un moteur électrique intégré, permet une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...) amélioration du rapport poids à vide (Le poids à vide est le poids du véhicule sans passagers ni chargement.) / charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...). Ceci permet également une utilisation dans les villes en pente, où le poids est encore plus pénalisant.

À noter que le rendement de ce système, appelé parfois "batterie mécanique", est supérieur à l'utilisation d'accumulateurs chimiques.

Des applications dans le domaine ferroviaire ont également été tentées.

Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) est aussi utilisée dans des alimentations sans interruption statiques (ASI) et dynamiques (ADI) (Uninterruptible Power Supply en anglais) permettant de pallier la rupture de l'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) pendant plusieurs secondes et de permettre le démarrage d'un groupe de secours.

Stockage chimique et biologique

Potentiel électrochimique : accumulateur électrique (Un accumulateur électrique ou simplement un accumulateur pour les techniciens accu, est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique, sous forme électrique (condensateur) ou accumulateurs électrochimiques, parfois appelés à tort...)

Le stockage de grandes quantités d'électricité avec des accumulateurs électrochimiques géants n'a jamais été réalisé. Les accumulateurs électrochimiques sont généralement lourds, chers, ont une durée de vie (La vie est le nom donné :) limitée et posent des problèmes de pollution (acides et métaux lourds) lors de leur fin de vie.

Par contre, de nombreux systèmes domestiques déconnectés du réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue française sous la forme "resel", au XII ème siècle....) d'électricité sont basés sur l'utilisation de batterie d'accumulateurs ou de piles. En pratique, elles sont utiles pour les petits appareils électroménagers ; récemment un regain d'intérêt pour les véhicules produisant peu ou pas de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) polluants a relancé la création de véhicules automobiles fonctionnant complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique...) grâce à ce type d'énergie ou de manière hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement...) (électricité en complément d'énergie fossile).

Les condensateurs de moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur...) et grosse capacité, dits condensateurs chimiques sont une autre utilisation des couples électrochimiques pour stocker de l'énergie. Leur utilisation est très courante dans les appareils et machines électriques avec ou sans électronique embarquée.

  • Pile
  • Accumulateur électrique
  • Batterie d'accumulateurs
  • Condensateur (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est...) Chimique
  • Supercondensateurs

Photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et...) et autres systèmes vivants

La production de molécules riches en énergie et facilement utilisable pour libérer cette énergie est à la base de la vie.

carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.)

gaz

L'énergie à stocker peut en principe être utilisée pour produire, (puis stocker et transporter), des combustibles gazeux de synthèse, (tels que le méthane ou l'hydrogène), ou même un produit intermédiaire comme l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote (N) est au sommet et les trois...). (C'est d'ailleurs la solution retenue dans les projets visant à tirer profit du plus grand réservoir d'énergie solaire disponible (lien), à savoir l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...) tropical)

hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.)

L'hydrogène comme carburant a été proposé comme solution dans les problèmes d'énergie. Le stockage peut être réalisé sous plusieurs formes :

  • Stockage d'hydrogène gazeux :

Ce mode de stockage est le plus simple technologiquement, mais ils présente des inconvénients. La plupart des matériaux sont en effet poreux vis-vis de l'hydrogène, ce qui génère des pertes lors d'un stockage de longue durée. De plus, ce mode de stockage nécessite un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) important.

  • Stockage d'hydrogène liquide :

La liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la transformation inverse de la vaporisation. L'usage vulgaire appelle parfois...) de l'hydrogène permet de pallier le problème de volume du stockage gazeux, mais nécessite cependant de refroidir l'hydrogène et de le conserver à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et...), ce qui rend le stockage sur une longue durée plus compliqué et peu avantageux.

  • Stockage sous forme solide :

Le stockage solide et stable de l'hydrogène sous forme de pastilles aminées permet de résoudre à la fois les problèmes de volume et de durée. Cependant, ce mode de stockage présente des inconvénients relatifs au transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..)....) de cette énergie.

Stockage de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !)

Le stockage de chaleur ou le stockage thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) se fait généralement sous deux formes; le stockage par chaleur sensible (On appelle chaleur sensible la quantité de chaleur qui est échangée, sans transition de phase physique, entre deux corps formant un système isolé.) et le stockage par chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou...).

1 Le stockage par chaleur sensible

Dans le stockage sensible, l'énergie stockée dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) donné dépend essentiellement du volume et de l'élévation de température de ce matériau. Ainsi ce type de stockage est efficace à très grande température et nécessite de grands volumes. Cependant à des température élevées le problème de l'isolation se pose.

2 Le stockage par chaleur latente

Le stockage latent se manifeste par un changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) dans le stockage latent, l'énergie stockée dépend de la chaleur latente et du volume du matériau utilisé. Contrairement au stockage sensible, ce type de stockage peut se faire d'une manière efficace à des températures presque constantes et faibles. dans le cas changement de phase solide liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), et pour la même quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'énergie stockée, le stockage latent nécessite moins de volume que le stockage par chaleur sensible. voici quelques exemples de stockage thermique:
  • Dans les systèmes de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) domestiques on utilise parfois la grande inertie thermique de certains matériaux briques, huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau,...) pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours de périodes où l'énergie est moins chère.
  • Dans les fours à feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) de bois, en brique et terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...) réfractaire, la capacité de la voûte (Une voûte (ou voute) est un élément architectural de couvrement intérieur d'un édifice présentant un intrados. La voûte travaille comme un arc et son équilibre...) du four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de cuire des aliments. Dans un processus de production...) à emmagasiner la chaleur est utilisée, encore de nos jours, pour la confection de mets savoureux.

Stockage de l'électricité

L'électricité est une énergie secondaire, c'est-à-dire qu'elle résulte de la transformation d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas utilisable directement, elle doit être transformée en une source...). Autre caractéristique : cette énergie n'est pas stockable : l'électricité produite est instantanément consommée ou perdue. Le problème de stocker ce type d'énergie est en fait celui de la produire rapidement sur des systèmes autonomes (non reliés à un réseau de production). C'est ce qu'on obtient par exemple en utilisant le principe de la pile ou de la batterie, basé sur une réaction chimique : une pile stocke des produits chimiques qui vont réagir et produire de l'électricité à la demande. Ces technologies présentent des inconvénients majeurs qui limitent leur utilisation : leur poids, leur coût, leur faible productivité et, dans certains cas, la dangerosité des composants ou leur aspect polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions...) (acides, plomb).

  • Condensateur
  • Stockage magnétique à supraconducteur (SMES)
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