Stockage d'énergie - Définition

Rendement d'un stockage d'énergie

L'opération de stockage d'énergie est toujours associée à l'opération inverse consistant à récupérer l'énergie stockée (le déstockage). Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle de stockage. À la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement "vide"). On a alors régénéré le stockage. Le rendement d'un cycle correspond au rapport entre la quantité d'énergie récupérée sur la quantité d'énergie que l'on a cherché initialement à stocker. En effet, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d'énergie ou de matière : une partie de l'énergie initiale n'est pas réellement stockée et une partie de l'énergie stockée n'est pas réellement récupérée. Le rendement d'un cycle de stockage d'énergie dépend énormément de la nature du stockage et des systèmes physiques mis en œuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage.

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-turbinage 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

On sait utiliser de l'air comprimé pour produire un travail mécanique, par conséquent il est possible de stocker de l'énergie en comprimant un gaz (en général avec un compresseur mu par une énergie électrique disponible). Le rendement sera médiocre, car la compression s'accompagne d'un échauffement du gaz, sauf à récuperer la chaleur produite (cogénération air comprimée + chaleur).

A grand moyen, on peut utiliser des vieilles mines. Quand il y a une grande demande d'électricité, on utilise l'air qui a été comprimée pour mettre en mouvement une turbine qui grâce à un alternateur produit de l'électricité. Des projets de ce type ont été mie en place en Alabama et en Allemagne, bien que le rendement soit de 40 %.

A plus petite échelle, les recherches continuent, par exemple sur des batteries à base d'huile.

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 minimal 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 effets 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.

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 interruptions 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.

Antimatière

Bien que le stockage d'énergie par antimatière ne soit pour l'instant qu'une vue théorique, le principe serait le suivant:

• La phase "stockage" pourrait être réalisée en concentrant un photon très énergétique en un point précis, ce qui aurait pour effet de produire deux particules (une de matière, l'autre d'antimatière).
• La phase "déstockage" serait réalisée en mettant en contact ces deux particules, qui en se rencontrant produiraient une formidable décharge d'énergie (la recombinaison de 10 kg de matière avec 10kg d'antimatière produirait 500 TWh (E = M×C² = 20 kg × (3 10⁸ m/s)² = 1,8×10¹⁸ J, 1 TWh = 3,6×10¹⁵ J, 1,8×10¹⁸ J / 3,6×10¹⁵ = 500 TWh) soit la production annuelle d'électricité de la France).

L'intérêt est l'aspect ultime de ce stockage. On ne peut pas concentrer plus d'énergie dans la matière. (en fait, n'importe quel système de stockage d'énergie voit sa masse augmenter de 40 microgramme par MWh stocké). ^{[réf. souhaitée]}

Les difficultés sont de plusieurs ordres :

• Difficulté de stockage : l'antimatière s'annihile spontanément et immédiatement au contact avec la matière.
• La recombinaison matière antimatière ne produit pas une énergie simple à récuperer (photons de tres haute énergie ?).
• La conversion photon → couple matière antimatière n'est pas systématique, le couple de particules produites n'est pas déterminé et leur séparation peut être difficile (dans le cas de particules neutres).
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