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Dispositif | Stockage électrique

Stockage électrique

© Danilo Alvesd / unsplash.com

Le stockage d'électricité est indispensable pour permettre le développement des sources de production renouvelables, intermittentes et variables par nature. Actuellement, de nouvelles solutions de stockage voient le jour et d'importantes recherches continuent à être menées sur les technologies existantes pour les rendre plus fiables ou résilientes. Cette page s'intéresse aux applications pour le bâtiment et pour les moyens de transport via des batteries ou des procédés hydrauliques, mécaniques et thermiques.

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Pourquoi stocker l'électricité ?

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Quelles sont les différentes formes de stockage électrique et leurs applications ?

Stockage électrochimique 

Batterie rechargeable 

Les batteries rechargeables ou accumulateurs emmagasinent et produisent de l'électricité à partir d'une réaction d'oxydo-réduction réversible, c'est-à-dire une réaction chimique au cours de laquelle des électrons sont échangés. Les caractéristiques de tension électrique d'une batterie sont données par la différence de potentiels électrochimiques des électrodes de la batterie. Il existe de très nombreux types de batteries (plomb/acide sulfurique, cadmium/nickel, soufre/sodium, redox-vanadium, lithium-ion, solid-state, etc.) dont le champ d'application est large. Elles représentent un moyen de stockage décentralisé, idéal pour l'autoconsommation photovoltaïque (au niveau du quartier, du bâtiment ou individuel) mais aussi pour les industries par le biais d'outils de gestion électrique (de type EMS : Energy Management System).

Critères de comparaison des différents types de batteries

Il existe actuellement un grand nombre de type de batteries réversibles (i.e rechargeables) qui se différencient suivant les critères :

  • tension aux bornes des électrodes (V) ;
  • densité d'énergie stockée (kWh/kg) ;
  • température de service ;
  • auto-décharge ;

    l'auto-décharge est une réaction électrochimique, qui se produit même lorsque la batterie n'est pas sollicitée.
  • durée de vie calendaire (années / mois) ;
  • durée de vie en nombre de cycles de charge/décharge ;
  • rendement (%) ;

    le rendement du cycle charge/décharge, correspond à la proportion de l'énergie délivrée lors de la décharge, sur celle utilisée pour charger la batterie.
  • profondeur de décharge (%) ;

    la profondeur de décharge (DOD : Depth of Discharge) est la quantité d'énergie qui a été déchargée de la batterie. Des décharges profondes ont un impact négatif sur la durée de vie en nombre de cycles des batteries.
  • capacité du système (Ah) ;

    la capacité de la batterie est un indicateur permettant de quantifier la couverture en courant qu'une batterie est capable de délivrer, pendant un certain temps.

    La capacité est liée au courant et temps de décharge par la formule suivante :

    Id = Ct / Td

    avec :

    Ct : la capacité nominale de la batterie (Ah, ou Ampère-heure)

    Id : le courant de décharge de la batterie (A)

    Td : le temps de décharge de la batterie (h)

  • état de charge (%)

    l'état de charge (SoC : State-of-Charge) représente la capacité de la batterie par rapport à sa capacité maximum.  Il traduit l'état interne de la batterie et en particulier le stade d'évolution des électrodes.
  • coût ;
  • sécurité ;
  • etc.

Le document MIT, 2008, A Guide to Understanding Battery Specifications, donne d'autres critères caractérisant les batteries (uniquement en anglais)

Comparatif des différents types de batteries
Plomb-acide sulfurique (Pb-acide)Nickel-Cadmium (Ni-Cd)Sodium-Soufre (Na-S)Redox VanadiumLithium-ion (Li-ion
Tension d'un élément (V)21.252.11.4–1.63.7
Densité d'énergie (Wh/kg)30-4045-60100-11025-3580-200
Nombre de cycles500800-2 5002 000-5 000> 5 000> 5 000
Rendement (%)75-8565-7580-9070-8585-95
Coût d'investissement / Puissance (€/kWh)50-150300-500500-1 500500-2 5001000-3 000
Hydrogène

Cette technologie transforme l'électricité en hydrogène via l'électrolyse de l'eau : H2O ⇌ H2 + ½ O2. L'hydrogène peut être stocké sous forme comprimée ou stocké dans des hydrures métalliques (ou liquide), en grandes quantités dans des réservoirs et être utilisé au moment opportun (quelques jours à plusieurs mois après sa production). Les puissances concernées sont généralement moyennes à importantes (un à plusieurs MW).

Principe du stockage de l’électricité via l’hydrogène

L'électricité peut être réobtenue à partir de l'hydrogène grâce aux moyens suivants :

  • pile à combustible, avec champ d'application aux :

    • bâtiments (power-to-power) ;
    • moyens de transports (power-to-fuel) ;
  • centrale électrique en tant que gaz remplaçant le gaz naturel ou après mélange avec du gaz naturel jusqu'à quelques dizaines de % (power-to-gas) ;

Ces méthodes ne permettent pas la restitution que d'électricité. La pile à combustible produit aussi de la chaleur et le gaz naturel contenant de l'hydrogène peut être utilisé aussi pour des applications thermiques.

Note

Note : En 2018, plus de 95% de l'hydrogène produit dans le monde vient en fait du craquage du gaz naturel et non de l'électrolyse de l'eau.

Stockage hydraulique

Le stockage hydraulique, aussi connu comme sous le nom de « Stations de transfert d'énergie par pompage» (STEP), est un système de stockage de petite à grande échelle lié à l'énergie hydraulique et aux barrages. Le principe de ces installations est de stocker en hauteur une masse d'eau qui pourra être « turbinée » au moment opportun. L'opération se déroule donc en deux phases.

  1. L'eau est pompée dans un bassin inférieur pour être stockée dans un bassin supérieur au moment des pics de production d'électricité (typiquement en journée) ;
  2. L'eau repasse du bassin supérieur au bassin inférieur au travers d'une turbine qui produit de l'électricité au moment des pics de consommation d'électricité (typiquement en soirée).

Le stockage hydraulique permet de stocker de grandes quantités d'énergie, de quelques dizaines de MWh à plusieurs GWh en fonction de la taille des réservoirs et de la hauteur de l'eau.

Il s'agit d'un stockage dit « de masse » ou « par gravitation », adapté à un réseau généralement centralisé.

Fonctionnement d’une installation de stockage hydraulique

Stockage mécanique 

Volant (ou roue) d'inertie 

Un volant d'inertie permet de stocker de l'énergie en convertissant de l'énergie cinétique de rotation en électricité et inversement. Le système est constitué d'une masse, habituellement cylindrique, qui est mise en rotation autour d'un axe, dans une enceinte « sous vide » (pour limiter les frottements) grâce à un moteur électrique. Lors de la phase de décharge, le moteur électrique fonctionne en mode « génératrice » (i.e. « à l'envers ») et produit de l'électricité. Les caractéristiques de ces volants d'inertie sont :

  • rendement de conversion élevé ;
  • temps de réaction très court ;
  • auto-décharge importante ;
  • utilisation pour répondre à des besoins de puissances élevées pendant des périodes de temps très courtes.

Fonctionnement d’un volant d’inertie

Stockage électrique 

Supercondensateur 

Les supercondensateurs ont le même principe de fonctionnement que les condensateurs classiques (i.e le stockage sur ses électrodes de charges électriques opposés) mais intègrent aussi, la technologie issue des batteries électrochimiques. Ainsi, dans un supercondensateur, on a deux électrodes poreuses en charbon actif (carbone), très proches l'une de l'autre et séparées par une membrane isolante. Vu l'absence de réaction chimique, l'énergie peut être libérée rapidement avec un très bon rendement. Les applications dans le secteur automobile sont importantes vu les temps de charge et décharge très courts.

Supraconducteur

Les systèmes à supraconducteurs, aussi connus comme stockage d'énergie magnétique supraconductrice (SMES), permettent de stocker directement de l'électricité via des bobines supraconductrices plongées à très basse température. A l'état de recherche et développement, ces installations sont sujettes à une importante auto-décharge et sont encore très coûteuses. Ces applications sont pour le moment limitées au stockage de courte durée et aux hautes technologies.

Autres formes de stockage

Le stockage de l'électricité excédentaire peut aussi se faire sous forme :

  • d'air comprimé : consiste à utiliser l'électricité pour comprimer de l'air, pouvant être réutilisé à un moment opportun. L'air peut aussi servir comme comburant dans une centrale électrique en tant que suramplificateur de puissance. Le terme de CAES (Compressed Air Energy Storage) est aussi employé pour ce procédé ;
  • thermique : par le biais de ballons de stockage (type ECS) ou par stockage géothermique à l'aide d'une pompe à chaleur réversible. L'énergie est alors stockée sous forme de chaleur et ne peut pas être rétrocédée sous forme électrique (exception faite des centrales solaires).

Comparatif des différentes formes de stockage et applications

Comparatif des formes de stockage électrique

Comparatif technico-économique

Chaque technologie de stockage répond à des besoins différents (fréquence de charge /décharge, nombre de cycle, puissance, capacité de stockage, coût, vitesse, etc.).

Comparaison technico-économique des différents moyens de stockage d'électricité

Gamme de

puissance

Temps de

réaction

Rendement énergétiqueDurée de vie

Coût d'investissement /

Puissance

(€/kW)

Coût d'investissement /

Énergie stockée

(€/kWh)

Stockage hydraulique100 MW-1 GWs-min70-85%>40 ans500-1 50070-150
Hydrogène1 kW-10 MWs-min23-35%5-10 ans>5 000<500
Batteries*

1 W-10 kW (seul)

1 kW-10 MW (en série)

ms70-95%500-10 000 cycles50-3 00050-1 000
Volants d'inertie1-100 kWms>90%100 000 cycles500-2 0002 000-8 000
Supraconducteur10 kW-5 MWms>90%20-30 ans>200>10 000
Supercondensateur10 kW-5 MWms90-95%50 000 cycles100-50010 000-20 000

* un comparatif plus fin, des différents types de batteries entre elles, peut être trouvé dans la section précédente

Source : ENEA-consulting

Pour quel type de stockage opter dans le secteur résidentiel et tertiaire ?

Avec la fin du principe de compensation en Région Bruxelles-Capitale, la réinjection d'électricité verte sur le réseau ne sera plus avantageuse financièrement, d'où l'intérêt de trouver des solutions d'autoconsommation par le biais d'un stockage. En pratique, dans le cas des « petits » auto-producteurs, on pourra avoir recourt à un stockage par batteries ou à un stockage thermique.

Le stockage d'électricité par batterie

On utilise dans ce cas des batteries (stockage électrochimique) plomb-acide ou lithium-ion. L'excèdent de production électrique est stocké dans les batteries avant d'être restituée lorsque la production ne suffit plus à couvrir les besoins. Le consommateur reste donc toujours connecté au réseau, qu'il utilise en appoint.

Pour des plus gros consommateurs (gros tertiaire ou industriel), l'utilisation de l'électricité stockée dans des batteries peut aussi permettre, au moment opportun, de réduire les pointes de puissance soutirées au réseau (écrêtement des pointes ¼ horaires) et ainsi de réaliser des gains sur les abonnements de fourniture d'électricité.

Quels sont les points d'attention lors du choix d'une batterie ?

Points d'attention particuliers lors du choix d'une batterie :

  • impact de la profondeur de décharge : de nombreuses batteries ne supportent pas les décharges profondes, impactant directement leur durée de vie (typiquement 50% seulement sur une batterie plomb-acide). Il peut être conseillé d'installer un régulateur qui permettra de protéger la batterie contre ce type de décharge ;
  • nombre de cycles de charge-décharge;
  • durée de vie hors cycles;
  • auto-décharge peu importante ;
  • capacité de stockage(Ah ou mieux kWh): à choisir pour permettre une autonomie du système suivant les besoins.

Le tableau comparatif des différents types de batterie, dans la section précédente, peut aussi être utile dans la sélection de sa batterie.

Le stockage sous forme d'eau chaude

Cette solution se différencie du stockage électrochimique puisque l'électricité une fois convertie en énergie thermique sera utilisée comme telle.

Le surplus de production électrique est utilisé pour combler, via un régulateur spécifique et un ballon de stockage (avec stockage possible à différentes températures), une partie des besoins en eau chaude (ECS ou chauffage) et dès lors diminuer la facture en combustible fossile. Le régulateur, compare en permanence la production d'énergie verte du bâtiment par rapport à sa consommation et envoie l'excès de production dans une résistance électrique ou une pompe à chaleur (pour bénéficier d'un meilleur rendement), chauffant de l'eau qui est ensuite stockée.

Le système présente les caractéristiques suivantes :

  • haute réactivité (1s) ;
  • système de stockage court terme (quelques heures à 2 jours) ;
  • moins cher que le système par batteries ;
  • puissances limitées aux caractéristiques du ballon de stockage, le surplus étant renvoyé au réseau.

Voir aussi le Dispositif | Chauffe-eau solaire

Installation photovoltaïque avec contrôleur de puissance et stockage thermique

Quelles sont les limitations des technologies de stockage d'énergie ?

Le stockage présente les difficultés techniques et économiques suivantes :

  • coût assez élevé d'investissement : les procédés d'industrialisation ne permettent pas actuellement de bénéficier d'effets d'échelle ;
  • coût élevé d'exploitation (pour les technologies autres que par batteries) : barrières techniques concernant les infrastructures, les interconnections, la flexibilité de la production, la maitrise de la demande d'énergie, etc. ;
  • limitations techniques des technologies : capacité, durée de vie, résistance, pertes d'énergie, performance du régulateur, etc. ;
  • impact environnemental des phases de production et de fin de vie des systèmes de stockage.

Aller plus loin

Dans le Guide

En lien avec la production d'électricité verte :

En lien avec le stockage thermique :

Documents

Sites Web

mis à jour le 08/02/2021

N° de Code : G_ENE11 - Thématiques : Energie - Composants du projet liés : Photovoltaïque | Energies renouvelables