Stockage d'énergie - Définition

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 est une priorité économique. Il concourt à l'indépendance énergétique, c'est-à-dire à la capacité d'un pays à satisfaire par lui-même ses besoins énergétiques. De ce fait, le stockage d'énergie est souvent l'objet 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 qui produira cette énergie.

Concept d'énergie stockée

Les principales formes renouvelables d'énergie (autres que géothermique et marémotrice), proviennent de l'énergie solaire, et peuvent donc être considérées comme un stockage d'énergie solaire. L'énergie hydraulique et l'énergie éolienne représentent un capacité de production d'énergie à très court terme (mise en oeuvre de l'ordre de quelques minutes à quelques heures), alors que la biomasse représente un stockage à plus long terme, mais toujours à une échelle de temps humaine, donc renouvelable à cette échelle.

Des ressources énergétiques renouvelables peuvent être employées directement comme sources d'énergie (le méthane dégagé par la biomasse par exemple) ou être transformées en d'autres formes d'énergie (la force hydraulique ou le vent 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.

Stockage de l’énergie mécanique

Stockage sous forme d’énergie potentielle

Stockage hydraulique

Les barrages hydrauliques constituent des réserves d'eau qui, en tombant, fait tourner des turbines génératrices d'électricité.

Une optimisation du système consiste à réutiliser l'eau qui a été libérée. Le stockage par pompage est utilisé par endroits pour égaliser la charge quotidienne (c'est-à-dire le besoin en électricité) : de l'eau est pompée et remontée vers des barrages d'altitude quand la demande sur le réseau est faible (pendant les heures 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 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 à proximité.

On utilise aussi ce type de dispositif dans la centrale marémotrice de la Rance (en France) : à marée haute, on ne se contente pas de stocker passivement de l'eau, on pompe 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

• Une méthode est d'employer l'électricité pour comprimer de l'air. 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 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

Stockage par volant d'inertie

L'énergie est stockée sous forme d'énergie cinétique sur un disque lourd. Pour accumuler l'énergie, un moteur accélère le disque. Pour utiliser l'énergie, on branche un générateur électrique ; en pratique, le générateur peut être le moteur (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 doit être minimum pour éviter les déperditions. C'est possible en plaçant le volant dans le vide et sur des paliers à lévitation magnétique, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra 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 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 urbains ont fonctionné avec un volant d'inertie disposé à plat sous le plancher. Ce système permet de faire plusieurs kilomètres sans pollution 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 technique de cette solution (la taille, le poids 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 du jour. L'utilisation de deux disques contrarotatifs plus légers mais tournant à très grande vitesse, grâce à de nouveaux matériaux plus résistants, et lancés par un moteur électrique intégré, permet une nette amélioration du rapport poids à vide / charge utile. 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 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 pendant plusieurs secondes et de permettre le démarrage d'un groupe de secours.

Stockage chimique et biologique

Potentiel électrochimique : accumulateur électrique

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 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 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 polluants a relancé la création de véhicules automobiles fonctionnant complètement grâce à ce type d'énergie ou de manière hybride (électricité en complément d'énergie fossile).

Les condensateurs de moyenne 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 Chimique
• Supercondensateurs

Photosynthèse 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

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. (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 tropical)

hydrogène

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 important.

• Stockage d'hydrogène liquide :

La liquéfaction 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, 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 de cette énergie.

Stockage de chaleur

Le stockage de chaleur ou le stockage thermique se fait généralement sous deux formes; le stockage par chaleur sensible et le stockage par chaleur latente.

1 Le stockage par chaleur sensible

Dans le stockage sensible, l'énergie stockée dans un matériau 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 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, et pour la même quantité 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 domestiques on utilise parfois la grande inertie thermique de certains matériaux briques, huile pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours de périodes où l'énergie est moins chère.
• Dans les fours à feu de bois, en brique et terre réfractaire, la capacité de la voûte du four 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. 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 (acides, plomb).

• Condensateur
• Stockage magnétique à supraconducteur (SMES)