Expose Stockage de L'energie
Expose Stockage de L'energie
Expose Stockage de L'energie
lnergie lectrique
Prsent par :
Sous la direction de :
Hima SAIBOU
Dr Madougou SAIDOU
SOMMAIRE
Introduction
III-
III-
IV-
V-
VI-
VII-
Le stockage intrinsque
Le stockage dnergie thermique
1- Stockage dnergie thermique par chaleur sensible
2- Stockage de lnergie thermique par chaleur latente
Le stockage de lnergie mcanique
1- La station de transfert dnergie par pompage (STEP)
2- Stockage de lnergie sous forme dair comprim (CAES)
3- Le volant dinertie
Le stockage chimique
1- Les accumulateurs lectriques
a) Accumulateurs au Plomb
b) Accumulateurs au Nickel
c) Accumulateurs au Lithium
d) Accumulateurs Sodium- Soufre
2- Accumulateurs circulation (Redox Flow)
a) Vanadium-vanadium
b) Zinc-Soufre
c) Brome-Soufre
3- Stockage du dihydrogne
a) Stockage dhydrogne gazeux
b) Stockage dhydrogne liquide
c) Stockage sous forme de composs chimiques capables de librer facilement
le gaz
d) Les piles combustible
Le stockage lectrostatique magntique
1) Les super-condensateurs
2) Les inductances supraconductrices
Le stockage des nergies renouvelables
1) Stockage de lnergie olienne
a) Stockage par biogaz
b) Stockage par batteries
c) Stockage hydraulique
d) Stockage par transformation
2) Le stockage de lnergie photovoltaque
Le stockage par antimatire
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
INTRODUCTION
Pour assurer son avenir et celui de la plante, lhumanit doit puiser son nergie d'autres
puits que ceux de ptrole. Mais cette ncessaire transition vers les sources renouvelables ne
s'oprera qu une condition : parvenir stocker lnergie. En effet, s'il est aujourd'hui plus ou
moins simple de produire de llectricit, de la chaleur et mme de lhydrogne, stocker
durablement ces trois vecteurs dnergie reste une vritable gageure scientifique et
technologique. Le stockage de lnergie consiste prserver une quantit dnergie pour une
utilisation ultrieure. Par extension, lexpression dsigne galement le stockage de matire
contenant lnergie. Le stockage de lnergie prsente un grand intrt stratgique et
conomique dans les conditions du march dlectricit, parce quil contribue la capacit de
satisfaire les besoins nergtiques en temps rel et aussi prvenir les coupures dans
lapprovisionnement. La forte croissance des applications portables (tlphones, microordinateurs), la demande en moyens de transport non polluants et, enfin, les besoins des
rseaux de distribution dnergie ncessitent de nouvelles formes de stockage permettant
dhberger une forte densit dnergie dans un volume limit et de la restituer aisment. Le
stockage dnergie est associ lopration inverse : lopration consistant rcuprer
lnergie stocke (le dstockage dnergie).Ces deux oprations de stockage/dstockage
constituent un cycle. Lefficacit nergtique dun cycle correspond au rapport entre la
quantit dnergie rcupre sur la quantit dnergie que lon a cherch initialement
stocker. Nous allons aborder travers sept (07) parties les principaux moyens de stockage de
lnergie lectrique.
I. Le stockage intrinsque.
Les sources dnergie fossiles (charbon, gaz, ptrole) sous forme de rservoirs ltat naturel,
remplissent naturellement la fonction de stock. Les carburants provenant de ces nergies
fossiles ont un rendement de 75%.
Les biocarburants sont eux issus de la biomasse, avec un rendement de 70% <<de la biomasse
la pompe>>. Le terme biomasse dsigne lensemble des matires organiques pouvant
devenir des sources dnergie.
II. Le stockage dnergie thermique
1) Stockage dnergie thermique par chaleur sensible
Llvation de temprature dun matriau permet de stocker de lnergie. Cest le principe
utilis au niveau des chauffe-eau-solaires. Ces derniers rcuprent la chaleur dans la journe
pour la restituer ensuite, avec un rendement moyen de lordre de 40% pour les systmes les
plus rcents.
Les centrales solaires concentration utilisent une multitude de miroirs permettant de
chauffer plus de 400C un fluide constitu la plupart du temps de sels de nitrate fondus. Ce
fluide circule alors jusqu un gnrateur de vapeur deau qui alimente une turbine afin de
produire de llectricit.
Mais lutilisation des sels est trs chre. Cest pourquoi, on dveloppe actuellement un
nouveau matriau de stockage de chaleur, solide cette fois : des lments labors partir de
dchets amiants ou de dchets mtallurgiques. Ces cramiques sont capables dabsorber de la
chaleur jusqu1000C.
Figure1 : cramiques
Figure 2 : Elments de stockage de
capables de stocker de la chaleur labore partir
Chaleur trs haute temprature
de dchets amiants
2) stockage dnergie thermique par chaleur latente
Dans le stockage par chaleur latente, lnergie est stocke sous forme dun changement dtat
du matriau de stockage (fusion ou vaporisation). Ce type de stockage, contrairement au
stockage sensible, peut tre efficace pour des diffrences de temprature trs faibles.
On retrouve le stockage par chaleur sensible au niveau :
-des matriaux changement de phase (MCP) actuellement tudis pour amliorer linertie
thermique des parois des btiments.
-des pompes chaleur notamment les rfrigrateurs, les conglateurs et les climatiseurs.
III. Le Stockage de lnergie mcanique
1) La station de transfert dnergie par pompage (STEP)
La STEP consiste pomper et turbiner cycliquement la mme eau entre un bassin suprieur et
un bassin infrieur. Lorsque lon veut rcuprer lnergie, leau en amont est dverse dans le
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bassin aval actionnant ainsi une turbine pour produire de llectricit. Le principe
gnralement est bien connu : lors des priodes o la demande d'lectricit est trs leve
(heures de pointe, le plus souvent pendant la journe), l'eau s'coule du bassin suprieur afin
de produire de l'lectricit. Lorsque la demande est peu leve (heures creuses, le plus souvent
pendant la nuit), l'installation daccumulation par pompage utilise de l'lectricit afin de faire
remonter l'eau du bassin infrieur vers le bassin suprieur pour le remplir nouveau, puis on
turbine pour produire de llectricit dune valeur plus leve aux heures de pointe.
Le rendement dun tel stockage varie entre 65% et 75%. Le principal avantage de cette
technologie est la possibilit de stocker de grandes quantits dnergie avec un cout faible vis-vis dautres technologies.
Principal inconvnient : la ncessit de trouver un site gographique adapt, runissant deux
bassins superposs, rend la construction de nouvelles STEP de plus en plus difficile et
coteuse. Les meilleurs sites sont utiliss en premier, do une rarfaction des capacits
disponibles et une augmentation des cots de construction. A cela viennent sajouter les
problmatiques dacceptation socitale, inhrentes toute nouvelle mise en eau de rservoirs.
3) Le volant dinertie
L'nergie peut tre stocke sous forme d'nergie cintique dans un volant dinertie ,
dispositif en forme de roue tournant autour de son axe central. Une machine lectrique lui
fournit lnergie cintique (fonctionnement moteur) et la rcupre selon les besoins
(fonctionnement gnrateur), entranant une baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie.
Ce systme permet de restituer plus de 80% de lnergie accumule mais pour un temps de
stockage limit. En pratique, le volant dinertie est utilis pour un lissage trs court terme de
la fourniture dnergie au sein dappareils de production. Cest notamment le cas des moteurs
thermiques
et
surtout
des
moteurs
Diesel.
Stocker de lnergie laide dun mobile en mouvement nest pas une ide rcente, elle a t
utilise depuis longtemps, en particulier, pour rgler la vitesse de rotation des transmissions
de puissance. Le principe de base est simple. Un corps solide de moment dinertie I (Kg.m2),
tournant la vitesse angulaire autour dun axe passant par son centre de gravit possde une
quantit dnergie cintique de valeur : E=1/2I2= 1/2V2dm, avec V=R la vitesse
priphrique et R le rayon moyen. La puissance P transfre, pour un systme stationnaire de
gomtrie constante est P=dE/dt=Id/dt .
Cette nergie stocke est limite dans la pratique par la contrainte maximale admissible lie
aux efforts centrifuges. Cette contrainte est proportionnelle la masse volumique du
matriau constituant le mobile et le carr de la vitesse priphrique V : max=V2 max. La
densit massique dnergie est de la forme Emax/m=Kmmax/. Km est un coefficient de forme
sans dimension appel coefficient dnergie massique (Km =0.5 pour un cylindre paroi
mince). Il est infrieur un et caractrise la gomtrie du solide en rotation indpendamment
de son rayon moyen. La densit volumique est proportionnelle la rsistance du matriau :
W/Vev=Kvmax, o le coefficient de forme Kv est nomm coefficient dnergie volumique.
Lencombrement est caractris par le volume Vev, balay par le volant. Les principaux
constituants dun volant dinertie (accumulateur volant dinertie) sont :
*le volant : lment principal daccumulation
*le convertisseur : gnralement un moteur-gnrateur rversible
*les paliers : les paliers (souvent magntique) assurent la libre rotation de lensemble autour
de laxe principal dinertie et minimisent les pertes. Ils assurent donc deux fonctions :
sustentions et centrage.
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La dure de vie peut atteindre les 15 ans et plus de 4000 cycles en conditions non critiques
(dcharges infrieures 80%). Le rendement nergtique est trs bon (85%) mais la
technologie fait face une autodcharge importante.
2) Accumulateurs circulation (Redox Flow)
Un accumulateur redox flow en tant que gnrateur lectrochimique est le sige de raction
doxydorduction ces lectrodes. La spcificit vient ici du fait que les ractifs et les
produits sont en solution dans llectrolyte adquat. Les deux lectrolytes positif et ngatif
sont stocks dans des rservoirs et mis en circulation jusquaux demi-cellules o se droulent
les ractions. La continuit du circuit lectrique impose que les deux demi-cellules soient
spares par une paroi semi-permable qui autorise le passage dun ion commun aux deux
lectrolytes. La capacit dpend de la quantit de ractifs que contiennent les lectrolytes et
est extensible laide de rservoirs auxiliaires. La puissance quant elle est lie au
dimensionnement du racteur.
Ce type daccumulateurs est adapt pour de fortes puissances et un stockage journalier
nuit/jour. La ractivit et les puissances ralisables leur confrent un vaste de domaine
dutilisation. Enfin, une dcharge complte est possible sans dommage pour le systme.
Actuellement,
trois
technologies
semblent
se
distinguer
(Source :
Techniques
de
lingnieur)
:
a) Vanadium-Vanadium : Le march est aujourdhui domin par la technologie au
Vanadium qui est le plus connu et reconnu. Le rendement nergtique se situe entre 70 et
85%. Le nombre de cycles de charge est suprieur 12000 et la puissance en pointe infrieure
10 MW.
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peut servir produire de lhydrogne par lectrolyse de leau. Les piles combustible sont
ensuite un des moyens pour la restituer. Le systme de stockage envisag Llectricit met en
uvre trois quipements : llectrolyse qui consomme de llectricit dheures creuses pour
produire de lhydrogne, la pile combustible qui utilise cet hydrogne et loxygne de lair
pour produire de llectricit aux heures de pointe et un rservoir tampon dhydrogne pour
assurer ladquation des ressources aux besoins.
Schmas montrant les principes de fonctionnement dune pile combustible(a) et (b) , une
pile combustible relle (c).
La pile combustible repose sur un principe fort ancien qui met en vidence la possibilit de
produire du courant lectrique par conversion directe de lnergie chimique du combustible.
Elle a la particularit dutiliser deux gaz : lhydrogne H2 et loxygne O2, comme couple
lectrochimique, les ractions doxydorduction qui soprent dans la pile sont donc
particulirement simples. La raction se produit au sein dune structure (la cellule
lectrochimique lmentaire) essentiellement compose de deux lectrodes (lanode et la
cathode) spares par un lectrolyte, matriau permettant le passage des ions. Les lectrodes
mettent en jeu des catalyseurs pour activer dun ct, la raction doxydation de lhydrogne,
et de lautre ct, la raction de rduction de loxygne. Dans le cas dune pile lectrolyte
acide (ou pile membrane changeuse de protons), lhydrogne de lanode est dissoci en
protons (ou ions hydrogne H+) et en lectrons, suivant la raction doxydation : H2 2H+ +
2e- . la cathode, loxygne, les lectrons et les protons se recombinent pour former de leau
:
2H+ +1/2O2 +2e H2O
Le principe de la pile combustible est donc inverse celui de llectrolyse de leau. La
tension thermodynamique dune telle cellule lectrochimique est de 1,23 volt (V). Toutefois,
en pratique, la pile prsente une diffrence de potentiel de lordre de 0,6 V pour des densits
de courant de 0,6 0,8 A/cm2. Le rendement dune telle cellule est donc denviron 50 %,
lnergie dissipe ltant bien videmment sous forme de chaleur.
On peut distinguer plusieurs types de piles combustible telles que :
_ AFC (Alkaline fuel Cell),
_ PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell),
_ DMFC (Direct Methanol Fuel Cell),
_ PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),
_ MCFC (Molten carbonate Fuel Cell),
_ SOFC (Solid Oxid Fuel Cell).
Ces piles se diffrencient selon la nature de leur lectrolyte et de l par le niveau de leur
temprature de fonctionnement, leur architecture et les domaines d'application dans lesquels
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chaque type peut tre utilis. Par ailleurs, chaque pile a des exigences diffrentes en terme de
combustibles.
Les piles combustible peuvent tre utilises pour :
- les applications portables,
- les applications spatiales,
- les applications sous marines,
- les groupes de secours,
- les applications automobiles (voiture et bus),
- la cognration (industrielle ou groupements d'habitations),
On peut distinguer la production dcentralise (en particulier les applications stationnaires de
faible puissance (rsidentiel, secours...), la production d'appoint relie ou non au rseau, ainsi
que la cognration de moyenne puissance (quelques centaines de kW) ) et la production
centralise d'lectricit sans valorisation de la chaleur. Elles peuvent constituer une solution
dans le cas de lieux isols o il est difficile ou mme coteux, d'installer des lignes lectriques
(site class, montagne ...). Les piles combustible pourraient assurer une distribution fiable et
indpendante des intempries et mme permettre une conomie dans le cot de transport et
d'installation.
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Le
stockage
magntique
supraconducteur est
appel
aussi SMES pour
"en:Superconducting magnetic energy storage" (Stockage d'nergie magntique par bobine
supraconductrice).
Le stockage dnergie dans une bobine supraconductrice est lun de deux systmes de
stockage direct de llectricit, sous la forme dun courant lectrique continu circulant dans
une bobine. Ce courant augmente pendant la charge et dcrot pendant la dcharge et doit tre
converti pour tre exploitable sous forme de tension continue ou alternative. A chaque instant,
lnergie magntique stocke dans lair W est gale la moiti du produit de linductance L de
la bobine par le carr de lintensit I du courant :W =1/2LI2 , tandis que la densit volumique
dnergie est proportionnelle au carr de linduction : W/V=1/2B2.Compte tenu des
intensits de courant trs leves, la rsistance R de la bobine doit tre extrmement faible,
sinon les pertes par chauffement (effet Joule) ne permettront pas de conserver lnergie
accumule plus de quelques fractions de seconde. Cela ncessite lemploi des bobinages
supraconducteurs (formes de cbles supraconducteurs de rsistance lectrique quasi nulle,
constitu gnralement de filaments en niobium/titane NbTi) qui oprent trs basse
temprature (-270C).Les deux types de bobinages envisags sont le solnode et le tore, tous
deux oprent lair. Le premier permet un meilleur stockage volume donn de matriau
supraconducteur, mais il rayonne beaucoup et engendre une pollution inadmissible dont la
compensation est coteuse et encombrante. Le tore se rvle, malgr un volume plus
important, la solution la plus souvent retenue.
Bobine supraconductrice qui permet de stocker lnergie sous forme dun champ
magntique.
Un des avantages de ce systme de stockage est son trs bon rendement instantan, voisin de
95% pour un cycle de charge-dcharge. La principale difficult est lie au systme de
rfrigration qui, mme sil ne pose plus aujourdhui de problme, accrot considrablement
le cot et complique lexploitation. Une station de stockage lectromagntique se compose
principalement dune grande bobine supraconductrice connecte au rseau par des
transformateurs et des convertisseurs alternatif-continu thyristors. Les projets de stockage
massif (5000 10000 MWh) font appel des bobines de grand diamtre (plusieurs centaines
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de mtres), o les forces lectromagntiques qui sexercent sont colossales. Il faut donc les
installer en sous-sol pour diminuer le cot de structure.
VI- Le Stockage des nergies renouvelables
Les nergies dites renouvelables possdent souvent le mme dfaut : elles sont intermittentes,
c'est dire que leur production n'est pas assure en permanence ni de manire constante.
C'est le cas par exemple pour l'nergie solaire et l'nergie olienne. Il arrive parfois que ces
systmes produisent plus d'nergie que ncessaire. Le surplus ne pouvant tre utilis est alors
perdu alors qu'il pourrait tre utile au moment o ces mthodes ne produisent pas d'nergie.
Afin de rsoudre ce problme, les chercheurs travaillent au dveloppement de mthode de
stockage.
1) Stockage de lnergie olienne
Lnergie olienne est une source dnergie utilise depuis des sicles. En plus de son
exploitation en mer pour faire avancer les bateaux, ce type dnergie a t exploit sur terre
durant au moins les 3000 dernires annes. En effet, des moulins vent axe vertical taient
dj utiliss dans les hautes terres afghanes 7 sicles A.C. pour moudre du grain. Ainsi, dans
un premier temps, lnergie cintique du vent tait uniquement transforme en nergie
mcanique. Cest en 1891 que le Danois Poul Lacour construisit pour la premire fois une
turbine vent gnrant de llectricit.
Depuis, la technologie des arognrateurs a videmment volue. Ceci a permis, lnergie
olienne, de devenir ces dernires annes une alternative aux sources dnergie
traditionnelles. Bien que les arognrateurs aient atteint une certaine maturit technique, il
leur reste encore une grande marge de progrs technologique. Il ny a pas de doute que les
arognrateurs voluent encore, et la recherche a un rle important jouer dans ce sens.
Les oliennes de dernire gnration fonctionnent vitesse variable. Ce type de
fonctionnement permet daugmenter le rendement nergtique, de baisser les charges
mcaniques et damliorer la qualit de lnergie lectrique produite, par rapport aux
oliennes vitesse fixe. Ce sont les algorithmes de commande qui permettent den contrler
la vitesse de rotation des oliennes chaque instant.
Les oliennes modernes sont automatises. Les forces arodynamiques qui entrent en jeu
dans leur fonctionnement sont les mmes que celles qui sont cres par les ailes dun avion.
La plupart des oliennes sont pourvues dun anmomtre qui mesure la friction du rotor, les
mcanismes de commande lui permettent de tourner et ainsi de produire une faible puissance.
Cette vitesse, appele vitesse de dmarrage, est habituellement denviron 4 m/s, soit la force
dune brise lgre. La puissance produite crot rapidement mesure que la force du vent
augmente. Lorsquelle atteint le niveau maximum admissible pour lolienne installe, les
mcanismes de commande assurent la rgulation la puissance nominale. La vitesse du vent
laquelle une machine fournit sa puissance nominale est appele vitesse nominale; en gnral,
elle quivaut environ 15 m/s. Si la vitesse du vent continue augmenter, le systme de
commande arrte le rotor pour viter que des dommages ne soient causs lolienne. Cette
vitesse darrt est gnralement denviron 25 m/s.
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batterie
daccumulateurs.
Bien que le stockage d'nergie par antimatire ne soit pour l'instant qu'une vue thorique, le
principe pourrait tre le suivant : La phase stockage pourrait tre ralise en concentrant
un photon trs nergtique en un point prcis, ce qui aurait pour effet de produire deux
particules (une de matire, l'autre d'antimatire). La phase "dstockage" serait ralise en
mettant en contact ces deux particules, qui en se rencontrant produiraient une formidable
dcharge d'nergie (la recombinaison de 10 kg de matire avec 10 kg d'antimatire produirait
500 TWh (E = m.c = 20 kg (3 108 m/s) = 1,81018 J, 1 TWh = 3,61015 J, 1,81018 J /
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PGE teste le stockage de lnergie par air comprim, Enerzine, 28 aout 2009
10questions Jean Dhers sur le stockage de lnergie lectrique, Acadmie des
technologies, dcembre 2006
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