le stockage de l’énergie électrique -...
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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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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.
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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.
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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).
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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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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
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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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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.
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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,
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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.