Le stockage de l’énergie électrique - ecolo.orgecolo.org/documents/documents_in_french/stockageEnergieElectrique... · Tite de l’aticle su toutes les pages impaies sauf la pemièe

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    Le 24 juin 2013

    Le stockage de lnergie lectrique

    Panorama des technologies

    Henri Boy

    Membre permanent du CGEDD

    Coordonnateur du Collge Energie et Climat

    Introduction

    Parmi les diffrentes formes dnergie (thermique, mcanique, chimique), cest surtout lnergie

    lectrique que lon pense aujourdhui en voquant la problmatique du stockage de lnergie.

    Llectricit est utilise de plus en plus largement partout dans le monde car cest un trs bon

    vecteur nergtique qui peut se convertir sous dautres formes dnergie avec de bons rendements

    et tre transporte sans pertes significatives sur de longues distances.

    Dans tout systme lectrique, les changes dnergie se font flux tendus, grce une gestion en

    temps rel permanente de la production que lon aligne sur la demande dnergie pour maintenir le

    rseau lquilibre. Le stockage fait partie des techniques utilises pour parvenir cet quilibre mais

    il a toujours constitu un point faible dans la chane dalimentation en nergie lectrique allant des

    les centres de productions (centrales lectriques) aux centres de consommation : usines, collectivits

    diverses, activits tertiaires, particuliers Longtemps considr comme trs difficile du fait mme de

    la nature de llectricit, le stockage de lnergie lectrique est aujourdhui rendu possible grce au

    perfectionnement des convertisseurs et des technologies.

    Le dveloppement de la production dlectricit dorigine renouvelable, souvent intermittente

    (solaire ou olien), pose problme au gestionnaire du rseau lectrique car ce type de production ne

    permet pas de garantir lui seul lquilibre offre/demande ncessaire au bon fonctionnement des

    rseaux et engendre un risque rel dinstabilit. La question du stockage de llectricit est donc

    dactualit car pour permettre le dveloppement et linsertion des nergies renouvelables une

    chelle importante, il faut trouver des solutions pour stocker lnergie lectrique.

    Stocker lnergie lectrique permet den disposer lorsque la production est interrompue ou

    insuffisante. Le stockage permet dassurer la continuit du service, de faire face aux pointes tout en

    minimisant la puissance de production installe. Dune manire plus gnrale, la mise en uvre de

    moyens de stockage permet de rendre plusieurs types de service :

    - Secours : garantir la scurit du rseau lectrique ;

    - Lissage de charge : permettre une meilleure gestion du parc de production ;

    - Contrle de la qualit : assurer en permanence la fourniture dun signal de qualit ;

    - Contrle de la production dEnR : optimiser la production, amliorer la rentabilit. A noter

    que le stockage est dautant plus rentable quil crte le haut de la pointe de consommation.

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    Pour approfondir le sujet du stockage de lnergie, on peut laborder par deux approches

    diffrentes : partir des applications ncessitant un stockage dnergie ou partir des technologies

    permettant un tel stockage. La correspondance entre ces deux approches sexprime en termes de

    puissance, dnergie et de temps de dstockage.

    On peut aussi classer les stockages en deux catgories, suivant que les stockages sont centraliss -

    dans ce case ils sont directement connects au rseau et associs la production ou au transport

    dnergie - ou bien dcentraliss et alors directement associs lutilisation de lnergie lectrique.

    Les stockages centraliss sont en rgle gnrale massifs et sont utiliss pour la gestion du rseau de

    transport afin dquilibrer en temps rel la production et les demandes variables de faon

    journalire, hebdomadaire ou saisonnire et, dans le futur, pour scuriser la production face aux

    fluctuations dune production importante et ncessairement intermittente dnergie lectrique

    dorigine renouvelable.

    Les stockages dcentraliss sont de dimensions plus modestes et viennent en appui dapplications

    stationnaires prcises, alimentation lectrique sans coupure, stockage pour pallier localement

    lintermittence dune source dnergie renouvelable, ou rpondent aux exigences particulires des

    applications mobiles dans les transports.

    Dans la suite de cet article nous avons choisi lapproche par technologie en allant vers les

    applications, sachant que dautres articles du prsent dossier partent quant eux des applications.

    On se limitera aux stockages dont limpact, direct ou indirect, sur la gestion des rseaux est

    significatif, sans aborder par consquence le problme des stockages dcentraliss de trs faible

    capacit pour les moyens informatiques portables, les tlphones, loutillage, etc.

    Considrations gnrales sur le stockage

    Aperu sur les technologies

    Diffrentes technologies plus ou moins matures existent pour stocker lnergie lectrique. Elles

    consistent pour la majeure partie convertir llectricit sous une autre forme dnergie plus

    facilement stockable. Les modes de stockage direct de lnergie lectrique, tels que les bobines

    supraconductrices, sont trs limits mais on sait stocker lnergie mcanique, lnergie thermique et

    lnergie chimique avec des performances et des cots qui dpendent de la solution considre.

    Suivant la taille du stockage et la forme dnergie stocke, la technologie sera plus ou moins apte

    remplir une fonction donne. Les principales solutions de stockage dlectricit sont prsentes ici

    selon la forme dnergie stocke.

    Parmi les solutions qui peuvent tre envisages, nous nous intresserons plus particulirement aux

    STEP (station de transfert dlectricit par pompage), aux stockages par air comprim (Compressed

    air energy storage ou CAES), aux volants dinertie, aux batteries, aux stockages thermiques,

    lhydrogne et aux stockages lectromagntiques. Aucune de ces solutions nest entirement

    satisfaisante elle seule, en raison notamment de la capacit de stockage offerte ou de

    linadquation au site naturel. La savoir-faire du gestionnaire de rseau dlectricit consiste

    quilibrer loffre et la demande locale en jouant sur linterconnexion entre rgions ou pays par des

    lignes trs haute tension mais aussi sur la capacit de mise en route rapide de certains gnrateurs

    dlectricit dont les stockages font partie en complment ou en compensation dautres.

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    Principes de gestion des rseaux

    Le stockage est un moyen, mobilisable en temps rel, de fournir lnergie lectrique au cot

    minimum. Lnergie lectrique fournie au rseau provient de centrales de diffrents types :

    - centrales nuclaires, dans certains pays, hydrauliques au fil de leau, hydrauliques de lacs,

    thermiques au charbon, tous moyens qui produisent lnergie lectrique de base ;

    - STEP ou centrales hydrauliques de pompage stockage deau gravitaire, centrales

    thermiques turbines gaz, thermiques turbines gaz en cognration

    chaleur/lectricit, tous moyens appels de faon prfrentielle en pointe ;

    - champs doliennes et centrales solaires qui produisent de lnergie lectrique de base

    aussi bien que de pointe mais de faon intermittente.

    Chaque type de centrale a un prix de revient du kWh diffrent.

    Le premier principe de gestion de lnergie lectrique sur le rseau est de parvenir quilibrer

    exactement, en temps rel, la quantit dlectricit dlivre par les diverses centrales, y compris

    par les stockages, avec la puissance et la quantit dnergie requises ; du fait dune demande

    fluctuante, le prix de revient de llectricit varie chaque instant suivant la configuration des

    centrales en production effective.

    Le second principe de gestion est de faire en sorte que le prix de revient de llectricit soit toujours

    le plus bas possible : dans ce but, le gestionnaire du rseau doit choisir en temps rel, parmi

    lensemble des moyens de production ligibles, la configuration optimale mettre en production et

    celle tenir en rserve.

    Les centrales hydrauliques et plus spcialement les centrales de pompage du fait de leur rversibilit,

    prsentent beaucoup dintrt en tant que rserves potentielles dnergie facilement accessibles et

    ajustables, dautant que le prix de revient du kWh produit est plus faible que celui des centrales au

    gaz puisque, dune part il ny a pas de prix de combustible payer et dautre part, la quantit de CO2

    rejete dans latmosphre est nulle.

    Les technologies de stockage de llectricit

    Stations de transfert dnergie par pompage (STEP)

    Lnergie hydrolectrique est une forme de stockage massif dnergie, associe un rservoir ou

    un lac artificiel situ en amont. Lnergie potentielle de la masse deau peut tre transforme

    rapidement et la demande en nergie cintique puis en nergie lectrique dans des turbines et

    alternateurs hydrauliques. Elle dpend de lhydrologie, c'est--dire des quantits de pluie et de neige

    qui tombent sur le bassin versant, et de la configuration gographique des lieux.

    Le pompage-turbinage est une technologie prouve de valorisation de lnergie hydraulique,

    connue depuis la fin du 19esicle, qui permet de stocker de grandes quantits d'nergie lectrique

    par l'intermdiaire de l'nergie potentielle de l'eau. Utilisant cette technique, les STEP permettent

    d'viter le gaspillage d'nergie pendant les heures creuses (nuit, week-end) et de pallier

    l'intermittence de la production lectrique du secteur olien et solaire. Une station STEP est une

    installation de stockage hydraulique gravitaire qui comprend ncessairement un lac suprieur et une

    retenue deau infrieure, entre lesquels est place lusine hydrolectrique rversible de

    turbinage/pompage. Lusine est relie au lac suprieur par des ouvrages dadduction deau

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    (conduites forces, ventuellement chemines hydrauliques dquilibre) et vers la retenue infrieure

    par des canalisations (figure 1).

    Figure 1 : Principe de fonctionnement des phases de pompage pour stocker l'nergie et de turbinage pour produire de

    l'lectricit Source : Ecosources.info.

    Pendant les heures creuses (o le cot de lnergie est minimum), on remonte leau par pompage

    pour la turbiner aux heures de pointe (o le cot de lnergie est maximum). Lintrt est de pomper

    et de turbiner quand le rapport entre la valorisation marginale en priode de pointe et la valorisation

    marginale en priode creuse est suprieure une certaine valeur qui dpend des rendements de

    pompage et de turbinage. Le rapport de ces valorisations entre heures pleines et heures creuses peut

    atteindre des valeurs de lordre de 5. La dure de stockage est quelconque ; les dbits de pompage

    avoisinent typiquement les 50 m3/s et de turbinage les 75 m3/s. Pour le rendement des STEP il faut

    distinguer la turbine/pompe (qui peut avoir un rendement de 85 % loptimum) de la centrale

    proprement dite qui fonctionne sur une gamme plus large et donc dans des gammes de rendements

    moins bons : ceux-ci peuvent tre proches de 70 75 % pour une installation complte.

    La taille importante des installations permet de stocker de grandes quantits dnergie, jusqu

    plusieurs jours de production en fonction de la taille des rservoirs, et de disposer dimportantes

    capacits de puissance mobilisables en quelques minutes : de quelques dizaines de MW plusieurs

    GW en fonction de la hauteur deau.

    La technologie des STEP est prouve et cologique : matriels classiques, robustes et dune

    grande disponibilit. Chaque projet est spcifique, selon les sites quiper et selon la gographie. La

    distance par rapport aux grands centres de consommation ncessite un transport dnergie

    lectrique sur dassez grandes distances ; il faut donc en tenir compte dans le bilan global. Le plus

    souvent, quand la gographie et le relief le permettent, cest par un stockage bas sur des STEP que

    la meilleure rentabilit en matire de stockage peut tre obtenue Ceci explique que la primeur soit

    donne aux STEP dans beaucoup de rseaux lectriques et dans le rseau franais en particulier.

    Quelques exemples de STEP

    Cest en 1933 en France, sur le lac Noir, dans les Vosges, qua t construite la premire centrale de

    pompage. De nombreux sites de montagne ont depuis lors t quips : en France, les STEP de

    GrandMaison (1 700 MW), Montzic (4x220 MW), Revin (4x180 MW), Le Cheylas (2x240 MW) ; en

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    Belgique, dans les Ardennes, la STEP de Coo-Trois Ponts (1 060 MW), au Maroc la STEP dAfourer et

    le projet de la STEP dAbdelmoumen.

    En tant que forme innovante de STEP, il faut citer les projets de cration dles artificielles en forme

    d'anneaux qui permettraient de "stocker" l'nergie produite par des champs d'oliennes. En

    Belgique, une le pourrait tre cre 3 km au large de la ville voisine de Wenduine et s'tendrait sur

    un diamtre de 2,5 km, 10 mtres au-dessus du niveau de la mer.

    Les STEP peuvent galement tre installes en faade maritime, avec la mer comme retenue

    infrieure et une retenue amont amnage au sommet dune falaise ou constitue par une digue. Il

    existe aujourdhui une STEP marine Okinawa au Japon et, en France, EDF SEI a des projets la

    Runion, la Guadeloupe et en Martinique (figure 2)

    Figure 2 : Schma de principe dune STEP marine. Source : EDF SEI.

    Stockage dnergie sous forme dair comprim (CAES : Compressed Air Energy storage) Il existe diffrents types de CAES ainsi quil est expos en dtail dans larticle de Jacques Ruer du

    prsent dossier. Dans le schma le plus simple, de lair est comprim aux heures creuses par un

    turbocompresseur accoupl une turbine gaz, et est stock dans des cavits souterraines. Aux

    heures de pointe, lair comprim peut tre utilis pour mettre en mouvement une turbine produisant

    de llectricit. La dtente de lair saccompagne dune baisse de temprature que lon peut

    compenser par un apport en gaz dans la chambre de combustion dune turbine gaz

    (ventuellement du type cognration chaleur/lectricit). Il est galement possible de rcuprer la

    chaleur dgage lors de la compression de lair et de la stocker, pour la restituer lors de la dtente,

    dans un stockage de chaleur sous haute pression. Ce principe conduit au concept de stockage

    adiabatique ou ACAES.

    Lair comprim est usuellement stock dans des cavernes souterraines, par exemple dans des dmes

    de sel amnags par injection deau. Dans la technologie air comprim classique o lon rchauffe

    lair lors de la dtente avant de turbiner lair chaud, on obtient plus dlectricit lors de la restitution

    quil nen a t consomm pendant la compression, mais on consomme du gaz combustible dans le

    processus. Pour restituer 1 kWh sur le rseau, il faut consommer typiquement 0,75 kWh dlectricit

    en pompage et brler 1,25 kWh de gaz. La dure de stockage peut tre de quelques heures.

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    Figure 3 : Principe de CAES en cavit souterraine fonctionnant en cycle ouvert - Source : Enea.

    Exemples de CAES

    Les CAES sont expriments depuis 1979 en Allemagne et aux USA. Deux installations font

    rfrence :

    - en Allemagne prs de Brme, lusine de Huntorf dlivre 290 MW avec une autonomie de

    deux heures, grce de lair stock sous 70 bars dans deux cavernes salines de 310 000 m3

    situes 500 m de profondeur. Au dbut, le site fut construit dans le but davoir une

    source dnergie de rserve dont le temps de rponse tait de lordre de quelques

    minutes. Aujourdhui, il est toujours utilis de faon ponctuelle, essentiellement pour

    couvrir les besoins urgents, en attendant que les centrales gaz ou au charbon ne soit en

    rgime (souvent aprs 3-4 heures). Une deuxime application provient du dveloppement

    des oliennes au Nord de lAllemagne et sert compenser les variations de cette ressource

    afin doffrir un courant plus stable.

    - Aux USA, le plus grand projet de CAES du monde est Norton (prs de Cleveland, Ohio). Sa

    puissance est de lordre de 2 700 MW, comportant neuf units de production

    (compresseurs - turbines), fonctionnant avec de lair comprim sous 110 bars. Le rservoir

    de stockage est une caverne, dans des carrires de calcaire 570 m de profondeur.

    Avantages des CAES : localisation et rendement.

    La solution CAES a pour avantage de pouvoir tre mise en uvre au voisinage des centres de

    consommation et dutiliser des turbines gaz en cognration chaleur/lectricit, haut rendement

    et faible production de gaz effet de serre, pouvant tre mises en uvre rapidement. Par contre,

    ces installations exigent de lnergie lectrique pour la compression, puis du gaz dans la turbine, avec

    mission de gaz effet de serre. Elles exigent aussi une surveillance permanente ainsi quun

    entretien spcialis des turbines et de ltanchit du rservoir de stockage de lair comprim.

    Comparaisons des STEP et des CAES

    On ne peut pas faire de comparaison dans labsolu entre les STEP et les CAES. La comparaison na de

    sens quau travers de scnarios de rfrence portant sur des objectifs dutilisation prcis, prenant en

    compte les investissements, les cots dexploitation, les quantits dnergie stocker, les dures de

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    stockage et de production, etc. En France, EDF, en tant que producteur, estime que, sur tous les

    scnarios tudis y compris pour les productions de pointe, les STEP prsentent un bilan conomique

    global plus favorable que les CAES malgr un investissement plus important, du fait de cots

    dexploitation moins importants lis labsence de combustible et un nombre dheures de

    fonctionnement plus lev (2 400 heures/an contre 1 200 pour un CAES).

    Stockage inertiel : nergie cintique accumule dans un volant dinertie

    Un volant dinertie stocke lnergie lectrique sous forme dnergie cintique via la rotation d'une

    masse lourde porte des vitesses trs leves (>8 000 tr/min) en quelques minutes. Sans apport de

    courant la masse continue de tourner mme si plus aucun courant ne lalimente. Pour accumuler

    l'nergie, un moteur lectrique acclre le disque ; pour utiliser l'nergie on freine le disque qui en

    ralentissant libre l'nergie. Le rendement du systme est optimis grce aux paliers magntiques et

    au confinement sous vide. On distingue les volants dinertie lents (disques en acier) et les volants

    dinertie rapides (disques en composite). Llectricit tant stocke dans le volant dinertie sous

    forme dnergie cintique, elle pourra tre restitue en utilisant un moteur comme gnratrice

    lectrique, entranant la baisse progressive de la vitesse de rotation du volant dinertie.

    Les systmes de stockage par volant dinertie ont une trs forte ractivit et une grande longvit. Ils

    peuvent absorber de trs fortes variations de puissance sur de trs grands nombres de cycles. La

    dure de vie importante dun volant dinertie (plus de 20 ans) et son pouvoir de restitution notable

    (1 MW restituable sur une heure) en font un systme de stockage de courte dure intressant, bien

    adapt pour des applications de rgulation, doptimisation nergtique dun systme et

    damlioration de la qualit du courant (diminution des microcoupures et des coupures brves, etc.).

    Le rendement est lev puisque 80 % de lnergie absorbe pourront tre restitus. Le temps de

    rponse est trs court, de lordre de la milliseconde, ce qui permet dutiliser ce type de stockage pour

    la rgulation de frquence sur un rseau. La technologie est fiable et demande peu dentretien.

    Linconvnient majeur est la dure de stockage qui est limit une quinzaine de minutes.

    Figure 4 : Schma de systmes de volants dinertie. a) Systme volant lent ; b) Systme volant rapide - Source : Thse G.-O. CIMUCA, ENSAM Lille 2005

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    Batteries lectrochimiques

    Gnralits

    Lnergie lectrique peut galement tre stocke par voie lectrochimique. On distingue deux

    principaux systmes de stockage : les piles, non rechargeables, dont lusage nest pas rversible, et

    les accumulateurs, pouvant tre rechargs travers des ractions lectrochimiques inverses, qui

    fournissent de lnergie lectrique un circuit extrieur sous forme de courant continu en basse

    tension, en transformant progressivement leurs lments chimiques internes suivant une raction

    doxydation/rduction aux lectrodes. En fin de transformation (dcharge), le stockage nergtique

    est vid.

    Les facteurs de mrite des batteries sont le nombre de cycles de charge/dcharge supports avec un

    niveau de dgradation acceptable de llectrolyte, la puissance massique, lnergie massique, la

    dure de la recharge, la plage de temprature de fonctionnement et videmment le cot.

    Les batteries sont pour lessentiel utilises dans les transports terrestres, notamment dans

    lautomobile comme batteries de dmarrage. La majorit de ces batteries (95 %) sont de type plomb-

    acide, mais dautres technologies ont t dveloppes telles que les accumulateurs cadmium-nickel

    et lithium-ion ainsi que les batteries circulation ou flow batteries utilisant diffrent couples

    lectrolytiques1.

    Lutilisation des batteries lectrochimiques dans les rseaux a fait lobjet dexpriences grande

    chelle. Plusieurs grandes batteries de stockage dlectricit ont t installes, notamment une

    Berlin pour soutenir le rseau local pendant la priode o Berlin tait isol politiquement. En Alaska,

    une batterie nickel-cadmium de 1 000 tonnes a fourni 40 MW pendant 7 minutes (4,7 MWh) et

    27 MW pendant 15 minutes (6,7 MWh).

    Dans les batteries circulation, on stocke lnergie sous forme liquide. Plusieurs couples sont

    utiliss : zinc-brome, sodium-brome, vanadium-brome, brome-polysulfure. De tels systmes se

    mettent en route en Allemagne mais aussi en Irlande : installation de Little Bardford avec deux fois

    1 800 m3 dlectrolyte.

    Batteries au plomb

    Trs utilis dans lindustrie automobile comme source dnergie pour lallumage, ce type

    daccumulateur relve dune technologie mature. Connues depuis plus de 100 ans, ces batteries

    demeures comptitives sur de nombreux plans, commencer par leur cot et leur autonomie. On en

    distingue deux types : les accumulateurs au plomb ouvert et les accumulateurs recombinaison de

    gaz. Les premiers ont une dure de vie plus importante allant de 5 15 ans. Ils sont moins chers et

    moins sensibles la temprature que les seconds qui ne ncessitent aucun entretien et mettent de

    trs faible quantit de gaz. Technologie la moins chre du march, ces accumulateurs ont

    linconvnient doffrir un faible nombre de cycle charge/dcharge (500 1 000 cycles) et une

    capacit massique assez faible (de lordre de 30 40 Wh/kg). Linstallation la plus importante a une

    capacit de 40 MWh et une puissance de 10 MW. Elle se situe Chino en Californie. Le rendement du

    stockage est de lordre de 70 %.

    1 Le lecteur pour se rfrer au flash-info sur le sujet dans ce numro.

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    9

    Batteries lithium-ion2

    Les batteries lithium-ion utilisent la circulation dions Li+ dune lectrode ngative en graphite vers

    un oxyde de mtal de transition (manganse ou dioxyde de cobalt) pour gnrer un courant lors de

    la dcharge. Lavantage de cette technologie est la densit dnergie massique et volumique quelle

    offre (160 Wh/kg) suprieure de plus de cinq fois celles de batteries classiques au plomb. Par

    ailleurs, ces batteries subissent une auto-dcharge relativement faible par rapport dautres

    accumulateurs et ncessitent peu de maintenance. Elles constituent donc une voie prometteuse

    notamment en ce qui concerne le stockage de trs courte dure destin lisser la production

    dlectricit ou amliorer la disponibilit de lalimentation. Cependant leur cot lev est un

    lment pnalisant leur comptitivit. De mme, la recyclabilit et llimination en fin de vie sont

    dautres axes dtudes prsentant des marges de progrs notables.

    Batteries sodium -soufre

    Laccumulateur sodium-soufre (NaS) fonctionne avec des lectrodes liquides. Pour cela, il doit tre

    maintenu une temprature comprise entre 290 C et 350 C. Les lectrodes, sige des ractions

    lectrochimiques, sont en sodium et en soufre liquide. Llectrolyte sparant les deux lectrodes est

    constitu de cramique, ce qui garantit une bonne conduction des ions. La dure de vie peut

    atteindre 15 ans et plus de 4 000 cycles en conditions non critiques (dcharges infrieures 80 %)

    Figure 5 : Schma de principe des lments sodium-soufre et de leur assemblage en batterie. Source : NGK Insulator.

    La filire sodium-soufre peut tre utilise pour de grandes capacits (plusieurs MW), ce qui permet

    dy recourir pour des systmes de stockage en soutien aux rseaux lectriques. Des batteries NaS ont

    t installes sur l'Ile de la Runion (1 MW), au Texas (4 MW) et de nombreuses applications existent

    au Japon (plusieurs centaines de MW). La technologie NaS faisant appel des matriaux largement

    disponibles et peu onreux (sulfure de sodium, alumine, aluminium) est une solution attractive pour

    le stockage d'nergie dans les batteries fixes, en charge de la rgulation des rseaux ou de

    loptimisation du fonctionnement des centrales sur des priodes de plusieurs heures. Cette

    technologie est mise en uvre par NGK au Japon, qui affirme pouvoir accrotre la puissance de ses

    batteries pour en rduire la taille et le prix au watt. Les classements des divers types de batteries en

    2 On se rfrera sur ce sujet larticle de Marion Perrin dans le prsent dossier.

  • 10

    termes de cots et de disponibilit des matriaux de base classent frquemment le couple sodium-

    soufre en N1 toutes catgories.

    Le vhicule lectrique comme moyen de stockage.

    Par lutilisation de leurs batteries, larrive des vhicules lectriques (VE) constitue un lment

    nouveau dans la gestion du rseau lectrique en tant que possible moyen de stockage. Une voiture

    est inutilise 95 % de son temps de vie et lutilisation moyenne dun vhicule lectrique ncessitera

    moins de 80 % de la capacit de la batterie pour les trajets quotidiens. Il apparait donc envisageable

    dutiliser llectricit stocke pour linjecter sur le rseau pendant les priodes o le vhicule est

    branch au rseau lectrique afin de faire face aux pics de demande ou, inversement et plus

    facilement, de charger la batterie du vhicule en heures creuses. Il sagit du concept du vehicle-to-

    grid , ou V2G, qui consiste utiliser les batteries des vhicules lectriques comme une capacit de

    stockage mobile.

    Pour un parc dun million de VE branches (le plan du gouvernement franais prvoit un total de 2

    millions de VE lhorizon 2020), la capacit de stockage pourrait atteindre 10 GWh. Les vhicules

    lectriques pourraient donc reprsenter une capacit additionnelle de stockage dnergie

    apprciable, sous rserve que cet usage soit technologiquement et conomiquement pertinent :

    contrairement au stockage de masse de lnergie, cette utilisation de la batterie ncessite des cycles

    de charge et dcharge trs rapides et nombreux, ainsi quune trs forte densit dnergie. Par

    ailleurs, ltat du systme lectrique devra tre pris en compte lors de la charge ou de la dcharge du

    vhicule.

    Stockage lectromagntique par inductances supraconductrices (SMES)

    Figure 6 : Bobine supraconductrice Source : Inf'OSE 2011 - Mars 2012.

    SMES est lacronyme anglais de Superconducting Magnetic Energy Storage. Dans un tel systme,

    lnergie lectrique est stocke via un courant lectrique envoy dans une bobine de fil

    supraconducteur (sinon lnergie est dissipe par leffet Joule en quelques millisecondes) refroidie en

    dessous de sa temprature critique. Le courant reste emprisonn dans lenroulement et circule

    presque indfiniment grce aux pertes quasi-nulles. Le SMES constitue ainsi une rserve dnergie

    lectromagntique qui peut tre rcupre en un temps trs court en plaant la bobine aux bornes

    dun circuit alimenter. Lnergie stocke variant comme le carr du courant, le recours la

    supraconductivit permet de faire circuler de forts courants pour y stocker de grandes quantits

    dnergie.

  • Titre de larticle sur toutes les pages impaires sauf la premire page

    11

    Le principe de cette utilisation dun enroulement supraconducteur pour stocker de lnergie

    magntique a t propos pour la premire fois par un chercheur franais dEDF, M. Ferrier, en

    19703.

    SMES pour les rseaux lectriques

    Suivant la quantit dnergie stocke, on peut distinguer trois familles dutilisations possibles pour

    les SMES sur un rseau lectrique :

    - les alimentations sans interruption (nergie stocke de lordre de quelques kWh) ;

    - le lissage de la production ou de la consommation lchelle locale (nergie stocke de 1

    100 MWh) ;

    - la stabilisation des rseaux en modulant la transmission de puissance (Flexible AC

    Transmission Systems, nergie stocke suprieure 100 MWh).

    Pour ces applications, le SMES apporte des avantages rels par rapport aux solutions

    conventionnelles :

    - un rendement lev de la conversion dnergie (suprieur 85 %) ;

    - un temps de rponse trs court ;

    - une grande dure de vie (grand nombre de cycles de charge/ dcharge possible).

    La taille des SMES est modulable et permet dobtenir des capacits comprises. Leur implantation ne

    se heurte pas des contraintes particulires.

    Cependant, le cot des investissements constitue un norme frein au dveloppement de cette

    technologie car les matriaux supraconducteurs et les dispositifs de cryognie sont encore

    excessivement chers. De plus, la consommation dnergie pour le refroidissement de la bobine

    supraconductrice grve fortement le rendement global de linstallation. Les installations sont

    principalement des pilotes de dmonstration qui se situent aux Etats-Unis, avec un dbut

    dindustrialisation.

    Figure 7 : Schma de fonctionnement dun SMES - Source : Intech

    Les SMES auront-ils un rle important jouer sur les rseaux lectriques de demain ? Cela dpendra

    du cot de cette technologie ; il faudrait voir baisser sensiblement le cot des supraconducteurs et

    de la cryognie dont il conviendrait galement damliorer les performances.

    3 Energy Storage in a Superconducting Winding (Stockage d'nergie dans un enroulement supraconducteur).

  • 12

    Super-condensateurs

    Apparu dans les annes 2000, les super-condensateurs sont des composants ddis au stockage de

    puissance plutt qu celui dnergie. Ils se prsentent sous la forme de cellules lmentaires dans

    lesquelles le stockage est de type lectrostatique. Cela permet dobtenir des puissances massiques

    leves, de lordre de 10 kW/kg, supportant de 500 000 1 million de cycles de charge/dcharge. Le

    principe des super-capacits repose sur la cration dune double couche lectrochimique par

    laccumulation de charges lectriques linterface entre une solution ionique (lectrolyte) et un

    conducteur lectronique (lectrode). A la diffrence des batteries, il ny a pas de raction

    doxydorduction. Un dpt de charbon actif sur un film en aluminium permet dobtenir une surface

    importante et donc une forte capacit. Les lectrodes baignent dans un lectrolyte aqueux ou

    organique. Les charges lectriques sont stockes linterface lectrode-lectrolyte. Le temps de

    rponse est de quelques secondes.

    Figure 8 : Schma de principe dun supercondensateur lectrolytique double couche Source : Wikipdia.

    Stockage dlectricit sous forme thermique

    Dans les stockages dnergie par chaleur sensible, l'nergie est stocke sous la forme d'une

    lvation de temprature du matriau de stockage. La quantit d'nergie stocke est alors

    directement proportionnelle au volume, l'lvation de temprature et la capacit thermique du

    matriau de stockage. Cette solution ne dpend pas de contraintes gographiques, contrairement

    aux solutions gravitaire et air comprim. Elle vient gnralement en appui de systmes purement

    thermiques tels que le stockage thermique quipant le chauffage urbain de la ville de Krems sur le

    Danube (figure 9).

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    13

    Figure 9 : Stockage par chaleur sensible stockage thermique Krems en Autriche, 50.000 m3 d'eau, 2 GWh Source : Wikipdia.

    Ces stockages thermiques peuvent cependant venir en appui de systmes lectriques. La technique

    du stockage par chaleur sensible est en particulier utilise dans les centrales solaires

    thermodynamiques concentration (CSP, Concentrated Solar Power). Lnergie excdentaire

    produite le jour par les centrales est stocke dans des rservoirs de sels fondus ports haute

    temprature (350 400 C) et est rcupre le soir et la nuit pour assurer un lissage de la production.

    En Espagne, Les trois centrales d'Andasol peuvent ainsi stocker chacune 0,35 GWh. A la centrale

    Gemasolar, prs de Sville, en Andalousie, le solaire thermique concentration produit de

    l'lectricit en continu grce au stockage de l'nergie thermique emmagasine dans la journe. Elle

    utilise des sels fondus (un mlange de nitrate de potassium et nitrate de sodium fondu) et est

    dimensionne pour stocker l'nergie et lisser la production lectrique sur 24 heures4. Dans le plan

    solaire marocain, la premire centrale dOuarzazate 1 comporte aussi du stockage. Le surcot li au

    stockage dlectricit dorigine solaire est dun cot relativement modr avec la technologie des

    centrales tours et sels fondus ; il reste important de progresser pour rduire le montant.

    Figure 10 : Centrale Gemasolar prs de Sville en Espagne.

    4 Voir REE 2011-5 Dossier Les grands projets solaires du pourtour mditerranen.

    http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_solaire_d%27Andasolhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Kilowatt-heurehttp://www.actu-environnement.com/ae/news/step-enr-smart-grid-13701.php4

  • 14

    Stockage dnergie grce lhydrogne

    Les systmes de stockage dnergie grce lhydrogne utilisent un lectrolyseur intermittent.

    Pendant les priodes de faible consommation dlectricit, llectrolyseur dcompose de leau en

    oxygne et en hydrogne, selon lquation 2 H2O = 2H2 + O2. Ce gaz est ensuite stock, sous forme

    liquide, comprime ou solide, par formation dans ce dernier cas de composs chimiques,

    gnralement des hydrures mtalliques. Il existe ensuite trois moyens diffrents de rinjecter de

    llectricit sur le rseau partir de lhydrogne ainsi stock :

    - alimenter une pile combustible, ce qui suppose que lhydrogne soit trait pour atteindre un niveau de puret ;

    - synthtiser du gaz naturel selon le procd de la mthanation et, soit linjecter directement dans le rseau de gaz existant 5 , soit lutiliser pour alimenter une centrale gaz

    classique , produisant de llectricit ;

    - enfin utiliser lhydrogne directement dans une centrale gaz spcialement conue cet effet.

    Ces technologies sont assez prometteuses puisque lhydrogne a une densit nergtique trs leve

    et permettrait ainsi de stocker dimportantes quantits dnergie. Mais pour lheure, elles souffrent

    de plusieurs inconvnients : un faible rendement du processus qui est au mieux de lordre de 30 %,

    un prix lev, une puissance limite et une faible dure de vie des gnrateurs lectrochimiques.

    Des travaux de R&D sont encore en cours. Un pilote de dmonstration de 200 kW et 1,75 MWh a

    rcemment vu le jour en Corse, sur le site de Vignola, prs dAjaccio, dans le cadre du projet MYRTE

    Mission hydrogne renouvelable pour lintgration au rseau lectrique , qui vise grer de

    manire optimale la production dune centrale photovoltaque de 560 kW. Le projet MYRTE a pour

    objectif de dvelopper un systme et une stratgie de pilotage visant amliorer la gestion et la

    stabilisation du rseau lectrique en zone insulaire, afin de dpasser le seuil des 30 % dans les zones

    non interconnectes.

    AREVA a dvelopp une solution de stockage et de gestion nergtique base dhydrogne : la

    Greenergy BoxTM. Ce concept industriel innovant, compos dun lectrolyseur et dune pile

    combustible, permet le stockage dhydrogne et doxygne obtenus par lectrolyse de leau en

    priode de faible demande dnergie et leur recombinaison pour produire de llectricit lors des

    pics de consommation.

    Comparaison des diffrentes technologies de stockage

    Le tableau 1 compare, sur le plan technique, les performances de stockage et rsume les principaux

    points voqus dans tout au long de cet article.

    5 Il est galement possible de rinjecter de lhydrogne directement dans le rseau de gaz, dans de faibles

    proportions (voir Flash Info dans la REE 2012-5 sur la construction en Allemagne dune usine power to gas .

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    15

    Hydraulique Air comprim Batteries

    lectrochimiques Batteries circulation

    Thermique

    Forme dnergie

    Gravitaire Air comprim Chimique Chimique chaleur

    Densit dnergie

    1 kWh/m3 pour une

    chute de 360 m 12 kWh par m

    3 de

    caverne 100 bars Batteries au Pb : 33 Wh/kg

    Batteries Li-ion : 100 Wh/kg 33 kWh/m

    3 200 kWh/m

    3

    Capacit ralisable

    1 000-100 000 MWh 100-10 000 MWh 0,1-10 MWh 10-100MWh 1000-100 000

    MWh

    Puissance ralisable

    100-1 000 MW 100-1000 MW 0,1-10 MW 1-10 MW 1-10 MW

    Rendement lectrique

    65 %-80 % 50 % avec lapport

    de gaz naturel 70 % 70 % 60 %

    Installations existantes

    100 000 MWh 1 000 MW

    600 MWh 290 MW

    40 MWh 10 MW

    120 MWh 15 MW

    Remarques Sites avec retenue

    deau Sites avec cavernes Mtaux lourds

    Produits chimiques

    A valuer

    Tableau 1 : Comparaison sur le plan technique des principales formes de stockage.

    Ltude comparative des diffrentes solutions de stockage implique galement une analyse

    conomique, avec pour chaque technologie valuation de leur cot dinvestissement dclin en

    termes de puissance et dnergie et de leurs cots dopration. Les structures de cot sont

    sensiblement diffrentes selon les technologies. Les STEP sont trs capitalistiques tandis que les

    batteries ont des cots levs de remplacement. Pour comparer les cots rels des diverses

    solutions, il est galement ncessaire dintgrer les paramtres dusage (dure de vie, frquence de

    sollicitation)

    Le tableau 2 compare les diffrentes technologies de stockage de llectricit, en capacit,

    puissance, dlais de raction, et cots des investissements.

    Technologie Capacit

    disponible Gamme de puissance

    Temps de raction

    Efficacit Dure de vie CAPEX

    puissance (/kW)

    CAPEX nergie (/kWh)

    STEP 1 100 GWh 100 MW 1 GW s - min 70 85 % > 40 ans 500 1 500 70 150

    CAES 10 MWh 10 GWh 10 300 MW min 50 % (1re gen.) 70 % (AA-CAES) > 30 ans 400 1 200 50 150

    Hydrogne et Pile Combustible 10 kWh 10 GWh 1 kW 10 MW s - min 25 35 % 5 10 ans 6 000 < 500

    Batteries Sodium-Soufre < 100 MWh < 10 MW ms 75 85 % 2 000 5 000 cycles 5 00 1 500 150 500

    Batteries Lithium-Ion < 10 MWh < 10 MW ms 85 95 % 2 000 10 000 cycles 1 000 3 000 300 1 200

    Batteries Red-Ox Flow < 100 MWh < 10 MW ms 65 80 % 2 000 12 000 cycles 500 2 300 100 400

    Volants dinertie 5 10 kWh 1 20 MW ms > 90 % 100 000 cycles 500 2 000 2 000 8 000

    SMES 1 10 kWh 10 kW 5 MW ms > 90 % 20 30 ans 300 > 10 000

    Super condensateurs 1 5 kWh 10 kW 5 MW ms 90 95 % 500 000 cycles 100 500 10 000 20 000

    Tableau 2 : Comparaison technico-conomique de diffrentes technologies de stockage. Les valeurs prsentes sont des ordres de grandeur. Source : ENEA mars 2012.

  • 16

    Enfin les technologies ne sont pas toutes aujourdhui au mme niveau de maturit technologique.

    Nous reproduisons ci-dessous (figure 11) un tableau rsum de la maturit des principales

    technologies de stockage stationnaire dlectricit (source ENEA Consulting). Les cots

    dinvestissement sont fournis titre indicatif, avec des incertitudes encore significatives, vu le

    caractre encore mergent de la filire et le manque de retour dexprience.

    Figure 11 : Niveau de maturit des diffrents moyens de stockage dlectricit Source : ENEA.

    Conclusion

    Il existe un grand nombre de technologies de stockage de llectricit. Chacune a ses spcificits en

    termes de taille, de puissance dlivre, de cot, de nombre de cycles et donc de dure de vie, de

    densit nergtique, de maturit technologique et bien des interrogations se posent quant au choix

    de la technologie la plus adapte aux besoins.

    La plupart des technologies industrielles de stockage dlectricit sont de grande taille et

    centralises. Le stockage dcentralis (au niveau du consommateur) est aussi dun grand intrt :

    possibilit dilotage (sret), meilleur dimensionnement du rseau, plus grande acceptation des

    ressources fluctuantes (Citons les appels manifestation dintrt sur le stockage dnergies lanc

    par lADEME). Il faut bien sr prendre en compte les spcificits nergtiques, en France et dans

    chaque situation, et le caractre encore exprimental de plusieurs filires industrielles de stockage,

    face lextension des rseaux, les centrales de pointe et mme leffacement.

    Le dveloppement des nergies renouvelables intermittentes va amener un besoin croissant en

    dispositifs de rgulation des flux dnergie et de la puissance disponible sur le rseau. Ce march,

  • Titre de larticle sur toutes les pages impaires sauf la premire page

    17

    encore mergent aujourdhui, devrait exploser dici quelques dcennies et des solutions innovantes

    de stockage dnergie semblent en bonne posture pour percer.

    Abstract

    Energy storage is a challenging and costly process, as electricity can only be stored by conversion into

    other forms of energy (e.g. potential, thermal, chemical or magnetic energy). The grids must be

    precisely balanced in real time and it must be made sure that the cost of electricity is the lowest

    possible Storage of electricity has many advantages, in centralized mass storages used for the

    management of the transmission network, or in decentralized storages of smaller dimensions. This

    article presents an overview of the storage technologies: mechanical storage in hydroelectric and

    pumped storage power stations, compressed air energy storage (CAES), flywheels accumulating

    kinetic energy, electrochemical batteries with various technologies, traditional lead acid batteries,

    lithium ion, sodium sulfur (NaS) and others, including vehicle to grid, sensible heat thermal storage,

    superconducting magnetic energy storage (SMES), super-capacitors, conversion into hydrogen... The

    different technologies are compared in terms of cost and level of maturity. The development of

    intermittent renewable energies will result in a growing need for mechanisms to regulate energy

    flow and innovative energy storage solutions seem well positioned to develop.

    Lauteur

    Henri Boy est membre du Conseil Gnral de lEnvironnement et du Dveloppement Durable

    (CDEDD), coordonnateur du Collge nergie et climat, spcialiste en nergies renouvelables. Il a t

    en poste au ministre de lIndustrie, en nuclaire, conomies dnergie, innovation. Puis EDF

    linternational, directeur Afrique et Mditerrane, dlgu gnral au Maroc, prsident de TEMASOL.

    Il est diplm de lcole Polytechnique et de lENPC, ingnieur du corps des ponts, eaux et forts.