Énergie, stockage
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Stabilité du réseau électrique, sources intermittentes et stockage
On ne peut stocker de l’électricité comme telle que dans des condensateurs. En l’absence de tels dispositifs intégrés dans le réseau électrique, la production et la demande doivent s’équilibrer à tout moment. Or la demande varie. Il faut donc moduler la production. Parfois, il peut être plus intéressant de recourir à de l’énergie stockée à partir d’électricité dans un moment de demande faible. C’est ainsi que le recours à des stations de pompage est habituel. Le problème se complique lorsque les sources sont intermittentes. À la difficulté d’équilibrer le réseau électrique, s’il dépend principalement ou totalement de sources d’énergie intermittentes, il y a plusieurs réponses possibles, de stockage ou d’autres mesures :
- Aplatir les courbes de variation par la combinaison de sources variables différentes qui ne varient pas (du moins pas tout à fait) en phase.
- Aplatir les courbes de variation par l’extension du réseau à une grande étendue géographique (de l’ordre d’un continent ou sous-continent ; par exemple, Amérique du Nord, Chine, Europe, Europe plus Afrique du Nord…)
- Stocker de l’énergie transformée de ces sources (quand on en a trop) avant de la transformer en électricité (quand on en a besoin). C’est un stockage d’énergie en amont de la production d’électricité. C’est courant dans le cas du solaire concentré. La plupart des formes de stockage d’énergie concernent des pointes de production d’électricité dans des conditions où il n’est pas question de stockage amont ; on pourrait dire alors en aval de la production d’électricité, comme dans des points suivants.
- Produire de l’électricité non autrement demandée à ce moment et la transformer en une forme d’énergie qu’on puisse stocker en vue de la retransformer ensuite en électricité. (Exemple le plus connu : stockage hydraulique par pompage.) On pourrait appeler ça aussi, dans un raccourci (qui n’est acceptable que si on n’a bien compris ce que ça veut dire) : stockage d’électricité.
- Produire de l’électricité non demandée à ce moment et la transformer en une forme d’énergie qu’on puisse stocker, pour des usages directs, autres que la production d’électricité. C’est principalement l’électrolyse de l’eau pour produire de l’hydrogène comme combustible ailleurs que dans la production d’électricité. (La filière électricité → hydrogène → électricité est d’un rendement très mauvais. Cette piste n’est généralement par prise en considération pour le stockage d’électricité.) Il s’agit donc d’hydrogène dont on aura besoin, mais sa production est anticipée.
- Plus généralement, concentrer certaines productions consommatrices d’électricité aux moments d’électricité excédentaire. L’énergie incorporée dans la production représente une forme de stockage en aval. (Il faut cependant distinguer entre une production qui est elle-même une forme d’énergie, comme de l’hydrogène, et la production d’une marchandise autre, qui incorpore de l’énergie, parfois beaucoup — mais de la fonte ou du ciment on ne va pas récupérer l’énergie.)
- Moduler ou mettre à l’arrêt d’autres unités de production d’électricité (nucléaire, thermique, hydraulique). Les centrales nucléaires pas trop anciennes sont très modulables, mais on ne les arrête qu’en cas d’accident ou d’entretien. Les centrales à charbon ont une montée en puissance lente. Les turbines à gaz sont rapidement à plein régime et les centrales hydrauliques presque immédiatement. (Ce qui est vrai des turbines à gaz ne l’est pas des centrales avec un étage vapeur combiné.)
- Maintenir une industrie de production d’électricité dédiée à la réserve (back-up) basée sur des sources disponibles à tout moment (gaz, hydraulique naturel). (Encore que le gaz soit dépendant de fournitures étrangères, donc incertain en cas de pénurie ou de conflit. L’hydraulique peut être saisonnier.)
- Différer certaines consommations non productives (lave-vaisselle ou lave-linge, radiateurs électriques à accumulation, frigos et congélateurs, rechargement de batteries de voitures électriques…). Diverses productions différées, ci-dessus, sont aussi des consommations différées, mais une production est dans une certaine mesure un stockage d’énergie, tandis qu’une consommation ordinaire non, ou peu. Le chargement de batteries de voitures est bien un stockage. (Certains envisagent de reprendre de l’électricité de batteries de voitures et de la réinjecter dans le réseau électrique.)
Certains de ces points sont parents. Les 1 et 2 sont généralement envisagés ensemble. Les 7 et 8 ne sont qu’une différence de degré ou de point de vue. On qualifie de back-up des unités qui sont pensées pour être plus souvent à l’arrêt, mais toute unité modulée en fonction de l’insuffisance des sources intermittentes fonctionne en un sens en back-up. Les 4 à 6 ont en commun d’être des industries intermittentes pour absorber l’électricité excédentaire venant des sources intermittentes. Cela fait, en tout, de 4 à 8 des industries intermittentes à cause de sources intermittentes d’énergie.
Toutes ces réponses impliquent des investissements importants :
- Investissements directs : dispositifs de stockage ; réseaux d’interconnexions à grande distance ; réseaux « intelligents » et appareils consommateurs de courants différant leur consommation en fonction de signaux du réseau ; surcapacité de production électrique, centrales de back-up.
- Investissements indirects : surcapacité de production couvrant les périodes d’inactivité ou d’activité réduite ; capacité de stockage des productions anticipées. Ces investissements indirects sont probablement perdus de vue ou sous-évalués dans beaucoup de considérations sur le recours à des sources intermittentes.
Si les solutions directes d’aplatissement des variations (1 et 2), avec des lignes à courant continu de grande capacité sur de grandes distances garantissaient un approvisionnement régulier (avec un peu de stockage pour le suivi de la demande), cela dispenserait des coûts d’investissements indirects en industrie intermittente (et du problème social associé à l’intermittence d’activité). Il n’est pas prouvé que ce soit possible.
Quelques techniques de stockage d’énergie
| energieopslagtechniek | large-scale energy storage | |
| buffercentrale | grid energy storage |
On stocke de l’énergie sous un grand nombre de formes différentes dans des circonstances différentes et dans différents buts. Par exemple, le carburant dans le réservoir d’une automobile est un stockage d’énergie. Un autre exemple est l’eau de pluie accumulée derrière un barrage. Diverses formes de stockage sont considérées ci-dessous. Il y en a d’autres. Voir entre autres www.mpoweruk.com/alternatives.htm.
Stockage d’électricité dans des condensateurs
condensateurOn ne peut stocker de l’électricité comme telle que dans des condensateurs. Il en existe des réalisations industrielles, mais il y a des contraintes physiques et de coût qui réservent cette technique à des usages particuliers. Les condensateurs se chargent vite, mais ne gardent pas bien la charge. Les batteries au contraire ne se chargent que lentement. On envisage par exemple de passer temporairement à des condensateurs l’énergie de freinage d’une voiture électrique, qu’une batterie ne peut pas absorber.
En général on ne stocke pas l’électricité comme telle, mais l’énergie transformée sous une autre forme.
Horloge à poids, grandfather clock, staand horloge (GNU). Stockage d’énergie sous forme d’énergie potentielle
Un poids à un certaine hauteur peut fournir de l’énergie quand on le laisse descendre. Ç’a été longtemps un moyen d’alimenter des horloges en énergie (poids pendus à des chaînes) et c’est la base de l’énergie hydraulique. Élever un poids est donc une manière de stocker de l’énergie.
Stockage d’énergie par élévation de poids
Comme la hauteur permet de stocker plus d’énergie à poids égal, on a imaginé de suspendre des poids à des treuils sur barges flottant au-dessus de profondes fosses océaniques. Pour servir un grand nombre de poids avec moins de treuils et de chaînes, un projet envisage que des robots accrochent la chaîne au poids. D’autres imaginent de faire monter en montagne des trains électriques qui peuvent restituer l’électricité par freinage en redescendant. (Il y a trop de projets inventifs — et pas seulement en énergie potentielle — pour les référencer ici et les nouveaux rendraient la tentative rapidement obsolète. Chercher avec Google.)
Stockage d’énergie hydraulique
La retenue d’eau dans une vallée fermée par un barrage hydroélectrique constitue un stockage d’énergie, qu’on pourrait appeler amont par rapport à la production d’électricité.
Si on a un excédent d’énergie électrique, on peut pomper de l’eau dans une station de pompage : pomper de l’eau d’un bassin inférieur vers un bassin supérieur. L’énergie ainsi stockée peut être utilisée ultérieurement à produire de nouveau de l’électricité pour couvrir des pointes de demande ou un manque de production. C’est une forme stockage importante, à laquelle je consacre un article particulier.
Stockage d’énergie par volant d’inertie
Volant d’inertie, flywheel, vliegwiel. Il y a une page Wikipedia spécifique au stockage par volant. Généralement utilisé pour des temps courts et de faibles puissances (quelques kWh ou dizaines de kWh, idem en puissance 33).
Stockage d’énergie sous forme d’air comprimé
La compression d’air est une solution séduisante de stockage d’énergie. On peut en stocker de grandes quantités dans des réservoirs souterrains s’ils sont suffisamment étanches. Il y a cependant un problème thermique : l’air chauffe à la compression. C’est de l’énergie perdue. L’air se refroidit à la décompression. Il peut se former de la glace qui bloque des vannes. On doit envisager de conserver la chaleur de la compression et de la restituer à la décompression. Voir Wikipédia ou des articles spécialisés.
Stockage de chaleur
On peut stocker de la chaleur sous des formes diverses : eau chaude, sel fondu, matériau solide. Sous cette forme, il y a une perte d’énergie dans le temps. C’est une possibilité dans les installations de concentration de rayons solaires où une partie de la chaleur peut être stockée pour continuer à produire de l’électricité la nuit.
Eau chaude
Pour le chauffage urbain, on peut combiner la chaleur sources diverses (géothermie, récupération de chaleur de processus industriels, résistances électriques) dans une réserve d’eau chaude dont la chaleur est utilisée de manière différée en fonction de la demande.
Sel fondu
| sel fondu | gesmolten zout | molten salt |
Dans un dispositif de concentration de rayons solaires utilisant un sel fondu comme caloporteur, une partie du sel fondu peut être stockée pour assurer la production d’électricité la nuit. C’est donc une forme de stockage en amont de la production d’électricité.
Stockage chimique d’énergie
Dissociation de l’ammoniac
| ammoniac | ammoniak | ammonia |
Un projet australien porte sur la dissociation de l’ammoniac à haute température par concentration de rayons solaires. L’azote et l’hydrogène peuvent par la suite être recombinés de manière exothermique. Il s’agit d’un stockage d’énergie en amont d’une production d’électricité pour assurer une production la nuit aussi. Les promoteurs de cette idée invoquent le fait qu’on évite le coût d’isolation thermique et la perte thermique du sel fondu. Voir Australian National University (ANU) pour la recherche et Wizard Power pour la réalisation industrielle. Par exemple peakenergy.blogspot.be/2008/04/were-off-to-see-wizard-storing-energy.html. Publications de 1999 à 2008 et peu de nouvelles depuis. Il y a peut-être des difficultés imprévues.
Puissance, capacité et rendement
Dans les caractéristiques d’une installation de stockage d’énergie, il faut distinguer la puissance et la capacité de stockage. Par exemple, la station de pompage de Coo peut rendre de l’électricité à la puissance respectable de 1,2 GW, mais ne stocke que 5 GWh, ce qui, à cette puissance, est vite épuisé. Par analogie avec les batteries, on appelle C rate le rapport de la puissance à la capacité de stockage. Par ailleurs, il y a le rendement de la transformation de l’électricité à la forme d’énergie stockée et retour à l’électricité. Le rendement d’une station de pompage est entre 70 et 80 %. Le rendement de stockage en hydrogène obtenue par électrolyse pour en refaire de l’électricité se situe dans les 40 %. Cette voie n’est donc généralement pas prise en considération.
Il faut penser aux limites de la fourniture d’électricité en cas de pénurie, mais aussi aux limites en puissance et en capacité de stockage en cas d’excès d’électricité. Pour une source dont le facteur de charge est inférieur à ½, cette limite est plus sévère que la limite de fourniture d’électricité. Voir l’article sur l’intermittence.