Henri Boy 3 Novembre 2011

Le stockage de lnergie lectrique.

1 Introduction Llectricit est sans doute le vecteur nergtique la fois le plus commode utiliser et le plus difficile stocker. Le rseau lectrique mutualise lensemble des moyens de production pour fournir en nergie lectrique tous les consommateurs raccords ce rseau.A tout instant, le gestionnaire du rseau doit quilibrer la demande des abonns et la production en nergie, puisque, dune part, llectricit ne peut pas se stocker directement et que, dautre part, un excs de demande peut conduire des coupures ou un dcrochage de centrales.

Le stockage a toujours t le point faible dans la chane de distribution de lnergie lectrique entre les centres de productions (centrales lectriques) et les centres de consommation : usines, collectivits diverses, activits tertiaires, particuliers Il rsulte de cette insuffisance que 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 dveloppement de nouvelles solutions de production dlectricit dorigine renouvelable, lesquelles sont souvent intermittentes (solaire ou olien), relance la problmatique du stockage dans les Pays de Mditerrane. Lenvoi sur le rseau dnergie lectrique provenant de sources intermittentes solaires et oliennes rendra le rseau particulirement instable si lon ne peut amortir ses oscillations par un stockage et un dstockage dnergie. Dans cette perspective nouvelle dexploitation, il importe de trouver des solutions pour stocker lnergie lectrique et amliorer le comportement dynamique du rseau.

Cependant, stocker llectricit devient presque incontournable : pour faire face lintermittence des ENR et assurer la continuit du service, mais galement pour lisser les pointes de consommation et minimiser la puissance installe (optimisation du parc existant). A noter que le stockage est dautant plus rentable quil crte le haut de la pointe.

2 Un tat de lart des solutions de stockage

Nous donnons ci-aprs un tat de lart des recherches actuelles ralises dans ce domaine et une analyse des technologies de stockage qui pourraient tre envisages dans les pays PSEM.

On sait stocker lnergie mcanique, lnergie thermique, lnergie chimique, mais les lois de la physique nous apprennent quon ne peut stocker lnergie lectrique que de faon indirecte.Diverses solutions de stockage existent : volants dinertie, batteries, STEP (Station de Transfert dElectricit par Pompage), Air comprim (CAES), Thermique, Hydrogne. Aucune de ces solutions nest entirement satisfaisante elle seule, en raison de la quantit de stockage propose ou de linadquation au site naturel. Tout lart dun gestionnaire de rseau dlectricit consiste donc quilibrer loffre et la demande locale en jouant sur linterconnexion entre rgions ou pays par des lignes trs haute tension (comme Espagne/Maroc) et sur la capacit de mise en route rapide de certains gnrateurs dlectricit en complment ou en compensation dautres.

Notons aussi que les besoins et les technologies de stockage dnergie diffrent suivant quils sont centraliss et massifs, ou dcentraliss et de quantit modeste.

2.1. Les diffrents besoins de stockage dlectricit

Sont distinguer deux grands types de besoins de stockage:- centraliss et massifs, cas de la gestion sur le rseau de transport, de lnergie lectrique produite par les centrales, afin dquilibrer en temps rel la production et les demandes variables journalire, hebdomadaire, saisonnire, et, en plus, dans le futur, de la scuriser face aux fluctuations dune production importante et ncessairement intermittente dnergie lectrique dorigine renouvelable.- dcentraliss et de quantit modeste (applications stationnaires prcises, alimentation lectrique sans coupure possible, stockage pour pallier localement lintermittence dune source dnergie renouvelable) ou rpondant des applications mobiles (transports).

Les quipements ncessitant de stocker de lnergie peuvent se rpartir en plusieurs classes dapplications, dtermines par les quantits dnergie mises en jeu.

-Les applications portables correspondent des nergies infrieures quelques kWh, pour assurer le plus possible dautonomie (la plus grande dure de fonctionnement possible) des appareils portables, en gnral lectriques : tlphones, P.C., outils divers pour toutes sortes dusages professionnels et de loisirs.-Les applications mobiles ncessitent une autonomie dnergie comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de kWh durant lensemble du trajet, dans les transports ariens, terrestres et maritimes, bord de vhicules motoriss en tout genre et pour tous usages. Ceci est une contrainte forte pour les vhicules lectriques (poids des batteries, capacit limite) sauf nouveaux vecteurs nergtiques (lectricit ou hydrogne). -Les applications stationnaires concernent aujourdhui les quipements de production de lnergie lectrique alimentant un rseau de transport. Le stockage de lnergie lectrique a deux objectifs : conomique (recherche du cot minimum de lnergie lectrique) et technologique (quilibre de la production et de la consommation de lnergie). Les quantits dnergie mises en jeu dpassent les centaines de MWh.

Dans le futur, le stockage concernera aussi les quipements locaux, ou dcentraliss, de production dnergie lectrique partir de sources renouvelables (oliennes et solaires), qui seront isols ou connects un rseau lectrique (dans le but de pallier lintermittence alatoire ou journalire de lnergie produite). Les quantits dnergie mises en jeu sont de lordre de quelques MWh.

Le stockage de lnergie lectrique produite est le seul moyen de grer en temps rel, avec la scurit maximale, la production dnergie lectrique sur un rseau de transport. Ainsi, il serait particulirement intressant de pouvoir stocker lnergie produite en priode de sous charge programme des centrales, pour la restituer la demande en priode de surcharge.

Bien que le stockage direct de lnergie lectrique ne soit pas possible, on sait par contre la stocker de faon indirecte, pour la recrer la demande. Lencadr suivant rappelle les principes en la matire.

2.2. Le stockage indirect de lnergie lectrique

Les lois de la physique empchent de stocker directement lnergie lectrique (comme on stocke le ptrole, le gaz, le charbon, leau), mais on peut la transformer en dautres formes dnergie potentielles stockables : mcanique, lectrochimique, thermique, etc., par des conversions dont certaines sont rversibles (c'est--dire capables, par transformation inverse, de recrer de lnergie lectrique).

Citons en particulier la conversion rciproque nergie mcanique / nergie lectrique; elle est toujours lorigine de la production dnergie dans les centrales hydrauliques.Citons aussi les conversions lectrochimiques de charges et de dcharges dans les batteries lectrochimiques.

Du fait de cette possibilit de rversibilit de conversion on peut stocker indirectement de lnergie lectrique que lon utilise quand on en a besoin (au rendement prs des deux conversions successives et ventuellement en-de dune limite en nombre de cycles de conversions/reconversions possibles, dans les batteries).

2.3. Le stockage : un moyen temps rel de fournir lnergie lectrique au cot minimum

Lnergie lectrique fournie au rseau provient de centrales de types diffrents : nuclaires dans certains pays, hydrauliques au fil de leau, hydrauliques de lacs, thermiques au charbon qui produisent lnergie lectrique de base, STEP (ou centrales hydrauliques de pompage stockage deau gravitaire, thermiques turbines gaz, thermiques turbines gaz en cognration chaleur lectricit, champs doliennes qui produisent lnergie lectrique intermdiaire et lnergie de pointe, solaire. Chaque type de centrale a un prix de revient du kWh diffrent.

Rappel de Principes de gestion de rseaux; Le premier principe de gestion de lnergie lectrique sur le rseau est de parvenir quilibrer exactement, en temps rel, la quantit dlectricit produite par ces diverses centrales avec la quantit dnergie consomme : du fait dune demande fluctuante, le prix de revient de llectricit fluctue donc 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 centrales ligibles, la configuration optimale de centrales mettre en production et de celles tenir en rserve. Toutes 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 que, dautre part, la quantit de CO2 rejete dans latmosphre est nulle.

Fluctuation de la production face aux fluctuations de la demande et avantages du Stockage

La demande en nergie lectrique alternative sur le rseau de distribution fluctue au long du cycle quotidien : elle est plus faible la nuit (heures creuses) que le jour (heures pleines, pointe). Elle varie galement suivant les jours de la semaine (travaills ou non), suivant les saisons et la mto (en particulier en hiver et en t, usages de chauffage et climatisation). Les courbes journalires de consommation montrent, certaines heures, des pointes de demande considrables par rapport la fourniture de base (de 1 5).

On va donc essayer de stocker de lnergie pendant les heures creuses, surtout durant les week-ends, et la dstocker pendant les heures pleines des jours de semaine.

En Europe, les STEP existantes facilitent la gestion de la production de lnergie lectrique grce leur souplesse et leur relative rapidit de marche, soit en pompage, soit en turbinage. Nanmoins ce stockage centralis ne suffit pas lui seul pour passer les pointes variables de demande dnergie lectrique : il est alors ncessaire de dmarrer ou de mettre en rgime variable des centrales thermiques au charbon, au fuel et au gaz, qui rejettent des gaz effet de serre et, souvent, doivent en plus fonctionner en surcharge pour fournir lnergie pendant la dure des pointes de consommation.

La variation de charge des centrales a des consquences ngatives sur leur bon fonctionnement, techniques (usures prmatures dquipements dues aux fatigues alternes) et financires (entretien important et surdimensionnement en puissance des quipements prvoir lorigine). Une restitution sur le rseau dnergie lectrique stocke pendant des heures creuses permet en grande partie dviter cette succession de dmarrages et darrts ou de marches en surcharge de centrales.

2.4.COMMENT BIEN STOCKER LNERGIE LECTRIQUE POUR LEXPLOITER SUR LE RSEAU ? TYPES ET FACTEURS DE MRITE DES STOCKAGES DNERGIE ET DE PUISSANCE RVERSIBLES

Procds de stockage rversibles possiblesDiffrents procds usuels sont qualifis de rversibles, c'est--dire quils sont capables, la demande, de transformer de lnergie lectrique en une nergie intermdiaire potentielle, puis de la reconvertir ultrieurement en nergie lectrique.

Les moyens de stockage dlectricit grande chelle sont destins un fonctionnement au niveau du rseau pour les systmes intermittents. Il sagit de stockage dnergies suprieures 50 ou 100 MWh pour la production dnergie lectrique sur le rseau de transport, principalement sous trois formes:-Hydraulique gravitaire (STEP)-Gaz comprim (CAES)-nergie thermique

-le stockage dair comprim et sa dtente dans des turbines gaz sans tage de compression, pour la fabrication dlectricit (CAES) ;

-le stockage dnergie thermique (fluides divers dont la vapeur deau, les els fondus..) et sa restitution dans une turbine comme prcdemment.

2.5 Etat de lArt

Les deux technologies exprimentes de faon industrielle sont les STEP, en France et en de nombreux endroits dans le monde, et les CAES, en Allemagne et aux USA. Nous citerons aussi le stockage chimique par batteries, le stockage thermique, qui sapplique au solaire thermodynamique, le stockage par volant dinertie, et lHydrogne

A Les stations de transfert dnergie par pompage (STEP)

Lnergie hydrolectrique est une forme gnrale de stockage massif dnergie, associe un rservoir ou un lac artificiel en amont. En effet, lnergie potentielle de la masse deau est transforme la demande et rapidement 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. Par contre si lon doit rendre rversible et dynamique le stockage de lnergie, par exemple pour grer limpact sur le rseau des dsquilibres de consommation dnergie aux heures pleines et aux heures creuses, il faut utiliser dautres technologies, comme le stockage deau par gravit associ des centrales hydrauliques de pompage (STEP) ;

Le pompage-turbinage est une technologie prouve, connue depuis la fin du 19me sicle, et qui permet de stocker de grandes quantits d'nergie lectrique par l'intermdiaire de l'nergie potentielle de l'eau.

Utilisant cette technique, les stations de transfert d'nergie par pompage (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 de transfert dnergie par pompage (STEP) est une installation de stockage hydraulique gravitaire. Elle 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 (conduites forces, ventuellement chemines hydrauliques dquilibre) et vers la retenue infrieure par des canalisations. (schmas ci-aprs)

Le principe de fonctionnement des STEP est simple : pendant les heures creuses (au cot de lnergie minimum) on remonte leau par pompage, pour la turbiner aux heures de pointe (cot de lnergie maximum). Lintrt est de pomper et de turbiner quand le rapport entre le cot marginal en priode de pointe et le cot marginal en priode creuse est suprieur une certaine valeur, qui dpend des rendements en pompe et en turbinage. Le seul rapport de prix de revient entre heure pleine et heure creuse atteint des valeurs de lordre de 5.Pour restituer 1 kWh sur le rseau il faut consommer 1,25 kWh en turbinage et 1,65 kWh en pompage /turbinage. La dure de stockage est quelconque, les dbits de pompage avoisinent les 50 m3/s, et de turbinage les 75 m3/s. Le rendement est proche de 70 75 %.

Exemples de STEPCest en 1933 sur le lac Noir, dans les Vosges, qua t construite la premire centrale de pompage. Seuls des sites avec de bons dnivels peuvent tre quips: montagne ou falaises en bord de mer : en France, les STEP de GrandMaison (1400 MW en pompage et 1800 MW en turbinage avec 400 GWh stocks), Montzic (4x220 MW), Revin (4x180 MW), Le Cheylas (2x240 MW) ; en Belgique, dans les Ardennes, la STEP de Coo-Trois Ponts de 1060 MW. Quelques sites sont encore susceptibles dtre quips, dans les Alpes et dans les Pyrnes, pour une puissance totale de quelques milliers de MW.Par extension, une usine mare motrice (comme celle de la Rance) peut aussi tre considre comme une STEP, base sur le jeu des mares et le dnivel des hauteurs deau.

Les STEP sont une technologie prouve et cologique, matriels classique robuste, grande disponibilit.

Chaque projet est spcifique, selon les sites quiper et les investissements correspondants.

La distance par rapport aux grands centres de consommation, en particulier de ceux qui provoquent des pics de consommation, ncessite un transport dnergie lectrique sur dassez grandes distances, il faut donc en tenir compte dans le bilan global.

B Le stockage dnergie sous forme dair comprim (CAES, Compressed Air Energy storage)

Dans les CAES, de lair est comprim aux heures creuses par un turbocompresseur accoupl la turbine gaz, puis est stock dans des cavits souterraines. Aux heures de pointe, lair comprim est co-aliment en gaz dans la chambre de combustion dune turbine gaz (ventuellement du type cognration chaleur/lectricit). Ce Systme hybride gaz + lectricit consiste stocker de lair comprim dans des cavernes souterraines.

On ralise une cavit dans un dme de sel en y envoyant de leau pour se dbarrasser du sel, afin dy stocker de lair comprim. Dans la technologie air comprim classique, on rchauffe cet air dans la dtente et on turbine lair chaud. Ainsi 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 0,75 kWh dlectricit en pompage, et brler 1,22 kWh de gaz. La dure de stockage est de quelques heures.

Schma de CAES en cavit souterraine

Exemples de CAES Les CAES sont expriments depuis 1979 essentiellement en Allemagne. 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 ; aux USA prs de Cleveland, le CAES de Norton dlivre 2700 MW, grce de lair stock sous 110 bars dans des carrires de calcaire 570 m de profondeur.

Avantages des CAES : localisation et rendement Cette solution prouve a pour avantage de pouvoir tre dlocalise 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 une consommation dnergie lectrique pour la compression, puis une consommation de gaz dans la turbine avec mission de gaz effet de serre. Certes elles consomment moins de gaz, et rejettent moins de CO2 que des turbines gaz classiques, mais cela doit ncessairement tre pris en compte dans les bilans.Elles exigent aussi une surveillance permanente ainsi quun entretien spcialis des turbines et de ltanchit du rservoir de stockage de lair comprim.

C STOCKAGE PAR BATTERIES LECTROCHIMIQUES Les exemples type de stockage lectrochimique rversible sont les batteries lectrochimiques (par dfinition rechargeables) et les piles (non rechargeables), 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. Si la rgnration des lments initiaux sous leffet du passage dun courant lectrique est possible (recharge), on parle de batterie. Dans le cas contraire, on parle de pile, jetable car non rutilisable.

Les facteurs de mrite des batteries sont les suivants : 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), o elles sont souvent utilises comme batteries de dmarrage. La majorit de ces batteries (95 %) sont de type plomb-acide, mais dautres technologies sont dveloppes (cadnium nickel, lithium ion).

Les batteries actuelles prsentent trois points faibles dans les applications (comme lalimentation des voitures lectriques) : 1linsuffisance de lnergie massique, un nombre de cycles de charges/dcharges trop faible pour la dure de vie des applications qui les utilisent, et surtout un temps de recharge trop grand. En outre les batteries et les piles (particulirement) posent un problme de recyclage en fin de vie.Batteries de secours de rseau lectrique.Des batteries prototypes de trs grande puissance ont t dveloppes pour secourir des rseaux lectriques locaux, dans les gammes de 10 100 MWh. Compte tenu du caractre encore exprimental de ces productions, elles sont en nombre trs limit. Ce type de batterie pourrait tre utilis pour faire du stockage journalier nuit/jour.(Les procds les plus connus sont les batteries Redox-flow et le procd Regenesys de Innogy circulation dlectrolyte liquide.)Les batteries lectrochimiques ont connu des expriences grande chelle. Il y a eu plusieurs grandes batteries de stockage dlectricit, notamment une Berlin pour soutenir le rseau local pendant la priode o Berlin tait isol politiquement. Aussi en Alaska, avec 1000 tonnes de batterie cadmium-nickel fournissant 40 MW pour 7 minutes (4,7 MWh) ou bien 27 MW pendant 15 minutes (6,7 MWh). Dans les batteries circulation, on stocke lnergie sous forme liquide. On a une cellule dlectrolyse avec une membrane de sparation avec dun cot du bromure, et du vanadium de lautre ct. Quand on lectrolyse, on transforme le bromure en brome qui va rester dissous dans le liquide. De lautre ct, on rduit le vanadium et, inversement pendant le dstockage. Plusieurs couples sont utiliss: zinc-brome, sodium-brome, vanadium-brome, brome-polysulfure. (Allemagne, en Irlande: linstallation de Little Bardford avec ses deux fois 1800 m3 dlectrolyte).

D LE STOCKAGE INERTIEL (nergie cintique accumule dans un volant dinertie)Ce stockage est relatif une utilisation locale dnergie lectrique, stationnaire ou mobile. Il se fonde sur la conversion instantane de lnergie mcanique en nergie lectrique et, rciproquement, conversion dont les machines lectriques sont naturellement le sige suivant quelles sont gnratrices (si elles sont entranes) ou motrices (si elles sont entranantes). L'nergie est stocke sous forme d'nergie cintique par la rotation d'un disque lourd (volant dinertie). Pour accumuler l'nergie, un moteur acclre le disque. Pour utiliser l'nergie, on freine le disque qui en ralentissant libre l'nergie. En pratique, pour le stockage d'nergie lectrique, le gnrateur peut tre le moteur (le mme engin lectrique peut faire office de moteur ou de frein/gnrateur), accoupl sur une mme ligne darbre une ou deux machines lectriques tournantes. Il ny a pas de limites de puissance autres que celles de la faisabilit dimensionnelle de chaque partie tournante et de la ligne darbre. Les moteurs et les alternateurs (dimensionns suivant les applications) ont une puissance variant entre quelques kW et quelques MW, pour une vitesse de rotation de quelques 50 000 tours/min quelques 1 000 tours/min.La puissance massique stocke dpend du matriau constituant le volant, choisi pour sa rsistance la force centrifuge : 1700 W/kg pour lacier frett, 2800 W/kg pour un verre poxy, 3700 W/kg pour un kevlar poxy. Le nombre de cycles de charges/dcharges peut tre trs lev, limit par les contraintes de fatigue. Le frottement doit tre minimal pour viter les dperditions. C'est possible en plaant le volant dans le vide et sur des paliers lvitation magntique, systmes rendant la mthode chre. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacit de stockage, mais exigent des matriaux ultra rsistants pour rsister l'clatement et viter les effets explosifs d'une panne du systme, o le disque se transformerait en projectile...)En pratique, ce type de stockage est d'un usage trs courant mais il se limite principalement aux volants d'inertie au sein des moteurs et des appareils de production d'nergie de puissance limite; ils y oprent un lissage trs court terme pour rgulariser la fourniture d'nergie. C'est notamment le cas de tous les moteurs thermiques, surtout des moteurs turbo Diesel dont les -coups sont importants.

E Stockage dlectricit sous forme thermiqueLa solution thermique ne dpend pas de contraintes gographiques, contrairement aux solutions gravitaire et air comprim.Exemple de stockage par chaleur sensible stockage thermique Krems en Autriche, 50.000 m3 d'eau, 2 GWh Dans le stockage 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 directement proportionnelle au volume, l'lvation de temprature et la capacit thermique du matriau de stockage. Ce type de stockage n'est limit que par la diffrence de temprature disponible, les dperditions thermiques du stockage (lie son isolation thermique) et l'ventuel changement d'tat que peut tre amen subir le matriau de stockage (fusion ou vaporisation).Un exemple de stockage de chaleur sensible: Le stockage de l'nergie excdentaire produite par les centrales solaires le jour, afin d'tre utilise le soir et la nuit (exemple: chauffage urbain de la ville de Krems sur le Danube, voir photo). Cette technique est utilise dans des centrales solaires thermiques, telles les trois centrales d'Andasol en Espagne qui peuvent stocker chacune 0,35 GW.h dans des rservoirs de sels chauffs 390C.Andasol 1, situe prs de Guadix en Andalousie (Espagne), a dmarr en novembre 2008 et gnre une puissance-crte de 50 MWe, en solaire thermodynamique sels fondus. La chaleur est transfre vers un fluide caloporteur constitu d'un mlange de sels fondus compos de 60% de nitrate de sodium et de 40% de nitrate de potassium atteignant une temprature finale de 400 C. Un circuit secondaire est utilis pour le transfert la chaleur vers un gnrateur de vapeur haute pression, entrainant un groupe turbine + alternateur. Cette unit de stockage thermique qui absorbe une partie de la chaleur produite durant la journe afin de la restituer la nuit ou durant les priodes nuageuses, doublant ainsi pratiquement le nombre d'heures oprationnelles dans le cours d'une anne. Le rservoir thermique plein reprsente une rserve de 1010 MW.h de chaleur, soit une rserve suffisante pour actionner la turbine durant 7,5 heures pleine charge lorsqu'il pleut ou aprs le coucher du soleil ( la pointe). Les capacits thermiques consistent en 2 rservoirs de 36 mtres de diamtre sur 14 de haut stockant 28500 tonnes de sels.Avec la centrale espagnole Gemasolar, inaugure en Octobre 2011, le solaire thermique concentration espre franchir un nouveau pallier et produire de l'lectricit en continu grce au stockage de l'nergie thermique emmagasine en journe.

Gemasolar revendique dtre le premier stockage sur 24h. Inaugure le 4 octobre 2011, la centrale Gemasolar, Fuentes de Andalucia,prs de Sville en Andalousie, est base sur la technologie solaire thermique concentration, avec un stockage renforc. 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 heures. Dune puissance de 19,9 MW, elle devrait produire 110 GWh par an. 2.650 hliostats, (miroirs de 110 m2 avec trackers) suivent la course du soleil, rpartis sur 185 hectares, et font converger les rayons solaires vers un rceptacle au sommet d'une tour de 140 mtres pour atteindre une temprature de 900C. La chaleur est transmise aux sels fondus qui sont ports 565C et produisent, via un changeur thermique, la vapeur alimentant une turbine couple un alternateur. Le solde de l'nergie non utilise en journe peut tre stock dans un rservoir pour alimenter l'changeur thermique de nuit, et ainsi produire de l'lectricit de jour comme de nuit.En juillet 2011, la centrale a russi pour la premire fois produire de l'lectricit pendant 24 heures sans interruption. Une production lectrique en continu ou en base, partir de l'nergie solaire est vise. La centrale est dimensionne pour pouvoir fournir de l'lectricit pendant 15 heures sans rayonnement solaire, c'est--dire de nuit ou lorsque l'ensoleillement est limit par la nbulosit, et elle devrait assurer son rle raison de 6.500 heures par an, soit quelque 270 jours complets. Ces projets solaires pilote avec stockage ont encore un caractre de dmonstration. Le surcot pour le stockage dlectricit solaire est notable, mais relativement moins lev, avec la technologie des centrales tours et sels fondus; et il est important de progresser pour rduire les cots dans le stockage solaire.

F Lutilisation de lhydrogne comme stockage indirect

Rappelons que dans les annes 1980, une production de masse dhydrogne avait t envisage pour stocker de faon indirecte lnergie lectrique. Lide consistait profiter des heures creuses de consommation pour faire fabriquer par les centrales nuclaires de lhydrogne par lectrolyse de leau. Ce projet a t rapidement abandonn pour des raisons conomiques et technologiques ( lpoque on ne savait pas reconvertir lhydrogne en nergie lectrique sans utiliser de piles combustibles).

Aujourdhui on sait brler lhydrogne dans des centrales lectriques spcialement quipes, et lhydrogne stock peut tre considr comme un stockage indirect de llectricit.(Cependant, mme si des piles combustibles parviennent tre dveloppes pour les applications stationnaires et pour les transports, dautres mthodes semblent aujourdhui plus efficaces et plus conomiques que llectrolyse pour produire en masse de lhydrogne : par exemple les diverses dissociations thermiques possibles de la vapeur deau ou llectrolyse de leau haute temprature.)

G Le tableau suivant rsume les diffrentes technologies : HydrauliqueAir comprimBatteries lectrochimiquesBatteries circulationThermique

Forme dnergieGravitaireAir comprimChimiqueChimiquechaleur

Densit dnergie1 kWh/m3 pour unechute de 360 m12 kWh par m3 de caverne 100 bars Batterie au plomb 33 kWh/tBatterie Li-ion 100 kWh/t33 kWh/m3200 kWh/m3

Capacit ralisable1 000-100 000 MWh100-10 000 MWh0,1-10 MWh10-100MWh1000-100 000 MWh

Puissanceralisable100-1000 MW100-1000 MW0,1-10 MW1-10 MW1-10 MW

Rendement lectrique65 %-80 %50 % avec lapportde gaz naturel70 %70 %60 %

Installations existantes100 000 MWh1000 MW600 MWh290 MW40 MWh10MW120 MWh15 MW

RemarquesSites avec retenuedeauSites avec cavernesMtaux lourdsProduits chimiquesA valuer

H Comparaisons entre STEP et CAES

Ces deux solutions prouves, de lHydraulique et de lair comprim, semblent premire vue complmentaires puisque les STEP conviennent mieux aux rgions montagneuses ayant des lacs en altitude ou plus simplement des rgions accidentes permettant de creuser des bassins surlevs au dessus dun ruisseau, et que les CAES sadaptent mieux aux rgions fortes densits humaine et industrielle qui sont lorigine des demandes de pointes dnergie. Dans toutes les comparaisons chiffres que lon pourrait tre amen faire entre CAES et STEP, on ne doit pas oublier de confronter les rsultats avec ceux que lon obtiendrait avec des turbines gaz TAC en cognration chaleur/lectricit, alimentes de faon continue en gaz, qui prsentent trois avantages majeurs sur les STEP et CAES (rapidit de rponse, rendement lev), et nont pas de problme de stockage de gaz, mais un inconvnient majeur : le prix de revient du kWh !

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, sur les investissements, les cots dexploitation, les quantits dnergie stocker, les dures de stockage et de production, etc.

EDF (ainsi que dautres lectriciens europens) en tant que producteur, estime que, sur tous les scnarios tudis y compris pour les productions de pointe, les STEP prsenteraient un bilan conomique global plus favorable que les CAES malgr un investissement plus important, en tenant compte des cots dexploitation lis labsence de combustible et un nombre dheures de fonctionnement plus lev (2400 heures /an contre 1200 pour un CAES). Pour EDF, derrire les STEP viendraient plutt les TAC que les CAES dans la plupart des scnarios.

3 Application aux Pays PSEM

Dans les Pays PSEM, la courbe de charge lectrique est souvent trs contraste (pointe du soir leve, faible utilisation de llectricit aux heures creuses.)

Le stockage de llectricit pour le lissage de la consommation est donc a priori particulirement justifi dans les PSEM. Et le dveloppement dENR grande taille, envisag hauteur de 20000 MW lhorizon 2020 dans le PSM Plan Solaire Mditerrane, augmente la problmatique et parait de nature justifier conomiquement une importante puissance de stockage, peut-tre denviron 10000 MW en ordre de grandeur pour les PSEM.

Cas du Stockage au Maroc

Les besoins en stockage du Maroc peuvent tre valus partir de la courbe de charge, le stockage permettant de faire face la pointe. Ces besoins paraissent tre de plus de 1000MW en puissance aujourdhui, et ils devraient fortement augmenter avec la mise en uvre du PSM, (Plan Solaire Marocain), qui prvoit 2000 MWe de centrales solaires sur quatre sites.

Le stockage par STEP au Maroc. Du point de vue STEP et parmi les pays cibles retenus, le Maroc prsente un potentiel trs intressant grce son relief (Montagne de lAtlas, hauteurs dans le Rif). La technologie de stockage dlectricit actuellement privilgie au Maroc (car la plus comptitive) est la STEP (Station de Transfert dElectricit par Pompage). Il existe dj la STEP dAFOURER Afourer: dans la province dAzilal, la STEP double dAFOURER a t construite en 2001-2005. Elle dlivre 463 MW grce deux stations de pompage/ turbinage, chacune deux veines deau, ainsi que deux lacs suprieurs, situs 800 mtres au dessus de la centrale hydraulique dAFOURER (92 MW) et de son bassin sur lOued El Abid (ce bassin irrigue la rgion de Beni Mellal).D'une puissance totale de 463 MW pour un productible annuel moyen de 800 MWh, cette STEP permet d'optimiser lexploitation du parc de production en utilisant les capacits disponibles pour rpondre la forte demande d'nergie en pointe la nuit. Entre 22h et 7h du matin, lorsque la demande en lectricit est faible, l'eau est ainsi pompe grce des turbines rversibles pour tre stocke sous forme d'nergie potentielle dans un bassin suprieur, et elle est ensuite turbine pour produire de l'lectricit quand la demande est maximale. Cette STEP, mise en service en 2005, a ncessit un investissement de 1 600 millions de dirhams (141 Millions deuros). Elle a t finance grce des emprunts octroys par la Banque Europenne d'Investissement (BEI) et par le Fonds Arabe de Dveloppement Economique et Social.

Aprs Afourer, il est prvu une deuxime STEP dans la rgion dAgadir : la STEP dAbdelmoumen de 300 MW.Il y a aussi un projet de lONE (Office national dElectricit) au nord du Pays, (rgion de Tanger/Ttouan), et un autre projet de STEP propos lpoque par EDF utilisant la mer mditerrane comme bassin infrieur. Ces STEPs auraient chacune des puissances comprises entre 200 et 400 MW. Le Maroc peut donc atteindre moyen terme une puissance installe de plus de 1000 MW en STEP.

Toutefois, tant donn les contraintes environnementales inhrentes aux STEP, ces dernires ne permettront probablement pas de satisfaire lintgralit des besoins en stockage du Maroc et dans le pays voisins interconnects.

Dans un systme lectrique, service rendu gal cest le stockage le moins couteux qui est recherch. La meilleure forme de stockage est celle qui est la moins coteuse service donn : do la primeur des STEP aujourdhui. Le plus souvent, quand la gographie et le relief le permettent, ce sera par un stockage bas sur des STEP que la meilleure rentabilit devrait tre obtenue.

Stockage solaire au Maroc.

Dun point de vue conomique, le stockage solaire ne devrait simposer de lui-mme quune fois les capacits daccueil des STEP satures.

Pour lheure, le stockage solaire nest impuls que par les appels doffre lancs par le Maroc, (via MASEN, premier appel doffres pour la centrale de Ouarzazte,) ceux-ci imposant aux centrales solaires une dure minimale de stockage pour faire face la pointe et mieux grer lintermittence de cette source dnergie.

Les perspectives pour le stockage solaire paraissent se situer dans un futur relativement proche (2020) et dans les technologies les moins coteuses service nergtique rendu identique. Une part importante des centrales du Plan Solaire Marocain est prvue avec un stockage intgr la centrale solaire (ce qui influe en ltat actuel de la technologie, plutt vers des centrales solaires concentration tour et sels fondus). Le lobby des constructeurs pousse cette technologie.

Cependant, il est possible que dautres techniques solaires sans stockage intgr (notamment Photovoltaque) avec un stockage par le rseau lectrique et par des STEP, puissent tre globalement plus comptitives.

Une analyse technico conomique parait donc mener, pour les pays PSEM, en tenant compte de leurs spcificits, et notamment les contraintes gographiques particulires requises pour les STEP, qui justifie pour chaque projet des tudes de sites approfondies. Des sites de nouvelles STEP sont dj des niveaux dtude avancs. Les autres techniques de stockage, paraissent moins bien adaptes aux pays PSEM, et plus couteuses (notamment le CAES par air comprim en cavit souterraine, o les batteries chimiques de grande taille, pour lequel il ny a dailleurs pas de projets connus ce jour).

En conclusion, Le stockage de masse de lnergie lectrique pourrait tre un des composants importants des systmes lectriques du futur. De nouvelles technologies sont en cours dinvestigation un peu partout dans le monde (STep, Compressed Air Energy Storage CAES-). La prsence de capacits de stockage significatives dans un systme lectrique modifierait fondamentalement ses rgles dexploitation et rduirait ses cots marginaux de production. Le stockage pourrait galement favoriser le dveloppement des EnR, source dnergie naturellement disperse, intermittente et difficilement prvisibles. Il permettrait une pntration plus importante des EnR en amliorant la sret du systme.En particulier, les centrales solaires concentration prvoient de plus en plus un stockage thermique pour dplacer la production lectrique en dehors des heures densoleillement, en particulier vers les heures de pointe de consommation. Les centrales thermodynamiques sels fondus, comme Andasol et Gemasolar, paraissent les mieux adapts et les lus comptitives pour le stockage solaire.Du point de vue des technologies traditionnelles que sont les sites de pompages-turbinage (STEP), et parmi les pays cibles retenus, le Maroc prsente un potentiel trs intressant grce son relief. Il existe dj la STEP dAFOURER qui est en fonctionnement avec une puissance de 350 MW, et plusieurs autres sites sont au stade dtude avance.Le Maroc, bnficiant du relief le plus propice, peut-il devenir un chteau deau des PSEM, assurant une fonction de stockage grande chelle, (un peu comme la Suisse en Europe)?

1