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Chapitre 3 : STOCKAGE DE L’ÉNERGIE : ÉLÉMENT CLÉ POUR LE DÉPLOIEMENT DES ÉNERGI

Chapitre 3 : STOCKAGE DE L’ÉNERGIE : ÉLÉMENT CLÉ POUR LE DÉPLOIEMENT DES ÉNERGIES RENOUVELABLES L’introduction des énergies intermittentes dans le mix énergétique, le développement du véhicule électrique, la conception d’un navire comme Energy Observer entraînent obligatoirement l’utilisation du stockage de l’énergie. Le stockage par voie électrochimique du fait de sa flexibilité de fonctionnement s’impose dans les applications de faible puissance/énergie, mais aussi de plus en plus dans des applications de grandes dimensions. En matière de véhicule électrique par exemple, la clé du déploiement est la batterie qui doit allier des caractéristiques de densité énergétique, de robustesse et de coût. Les apports de la chimie à l’amélioration des batteries (formulation des matériaux, nouvelles technologies, écoconception et recyclage) sont illustrés sur des exemples d’actualité. Un exemple : Energy Observer Source : https://instagram.com/enrgyobserver?igshid=199n9sadrkad5 - L’énergie solaire générée par les panneaux photovoltaïques est immédiatement consommée pour la propulsion. - En cas de chute momentanée de la production (temps couvert), les batteries prennent le relais pour alimenter les moteurs. - En cas d’interruption longue (nuit) la pile à combustible produit de l’électricité à partir des réserves d’hydrogène. - En appoint : une paire d’éoliennes verticales et une aile de traction fournissant une assistance à la navigation et produisent indirectement de l’électricité lorsque les moteurs électriques du bateau fonctionnent comme hydro générateurs. - En mode « recharge » par exemples lors des escales ou lorsque le bateau navigue lentement, l’architecture énergétique se tourne vers le stockage. La production photovoltaïque est redirigée vers les batteries ou vers l’électrolyseur produisant l’hydrogène. *Un hydro générateur fonctionne suivant le même principe qu’une éolienne. La différence vient du fait que l’énergie transformée en électricité ne vient pas du vent mais de la vitesse du bateau. Une hélice est traînée dans le sillage et fait tourner un aimant permanent en suivant exactement le même principe que celui d’une éolienne (relié à un alternateur, l’hydro générateur exploite le flux de l’eau pour produire de l’électricité). Cette électricité est la plupart du temps stockée dans des batteries. Les défis technologiques ➢ Maximiser le productible (en kWh/m²) des panneaux photovoltaïques, grâce à des cellules haut rendement (supérieur à 22 %), des architectures sur mesure pour limiter les effets d’ombrage, et des conditionnements originaux : courbe, revêtement antidérapant et biface. ➢ Assurer un stockage à court terme et haut rendement grâce aux batteries. ➢ Assurer la coexistence d’un réseau 400 volts dédié à la propulsion et un réseau 24 volts dédié aux servitudes. ➢ Adapter la pile à combustible à l’environnement marin : intégration de filtres à charbon actif sur l’entrée d’air, recirculation passive (sans pompe) de l’hydrogène, valorisation des pertes thermiques pour chauffage et eau chaude sanitaire de l’habitacle. ➢ Compacter l’électrolyseur grâce à un remontage spécifique d’un appareil standard. ➢ Intégration du stockage de l’hydrogène long terme : design des supports des bouteilles, répartition des charges. ➢ Adaptation de la motorisation électrique 2 x 45 kW au niveau de tension des batteries. Réversibilité des moteurs pour la production d’électricité par le courant 2 x 2 kWc. ➢ Mise au point d’un système de supervision énergétique pour tirer le meilleur parti des ressources à chaque instant. I- L’hydrogène vert Lorsque l’on parle de pile à hydrogène, de voiture à hydrogène, d’hydrogène gris ou vert, …, l’hydrogène dont on parle est la molécule de dihydrogène, H2, gaz qui n'existe quasiment pas à l'état naturel sur Terre. L’élément hydrogène, de symbole H, est très abondant sur la Terre mais seulement sous forme combinée. 1°) Les sources d’hydrogène Les ressources principales permettant de produire le dihydrogène H2 sont l’eau et les hydrocarbures (le charbon, le pétrole : mélanges complexes constitués essentiellement d’hydrocarbures ou le gaz naturel dont le constituant principal est le méthane CH4). 2°) Les modes de production de l’hydrogène Les techniques de production consistent à extraire l’hydrogène de la ressource primaire. Différentes techniques de production existent : ➢ L’hydrogène « gris » obtenu à partir des hydrocarbures • Le reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau est la technique la plus répandue. Il s’agit de faire réagir du méthane avec de l’eau à haute température (nécessitant donc une consommation d’énergie) pour obtenir un mélange contenant du dihydrogène H2 et du dioxyde de carbone CO2. Le dioxyde de carbone émis par ce procédé pourrait éventuellement être capté et stocké pour produire un hydrogène décarboné : hydrogène « bleu ». Remarque : Le reformage du méthane nécessite de travailler entre 800 et 900 °C et sous 350 bars, en présence de catalyseur à base d’oxyde de nickel sur des anneaux d’alumine imprégnés par 10 à 16 % en masse de Ni (leur durée de vie est comprise entre 8 et 10 ans). • En lieu et place du gaz naturel, l’utilisation du biométhane (méthane issu de la fermentation de la biomasse) constitue aussi une solution pour produire un hydrogène décarboné. • On peut aussi faire le reformage des hydrocarbures liquides (pétrole) ou la gazéification du charbon. En plus de la consommation d’hydrocarbures, on notera que pour faire 1 kg d’hydrogène par reformage, on émet de 6 à 10 kg de CO2. ➢ L’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité par électrolyse de l’eau. L’apport d’énergie électrique via deux électrodes, plongées dans de l’eau en milieu basique (ou de l’eau acidifiée), reliées aux bornes d’un générateur de courant continu, permet la décomposition de l’eau et la création de dihydrogène, selon la réaction : 2H2O 2H2 + O2 L’hydrogène décarboné est vert si la source d’électricité est elle- même décarboné et renouvelable, courant électrique provenant de barrages hydrauliques, d’éoliennes ou de panneaux solaires. Remarque 1 : Le grand intérêt de cette électrolyse est de permettre le stockage de l’énergie sous forme de dihydrogène pour ces sources intermittentes d’énergie avant de récupérer ultérieurement l’énergie via sa combustion dans une pile à combustible ou dans un moteur. C’est en ce sens que l’hydrogène vert participe à la transition énergétique. Il faut cependant garder à l’esprit que chacun des rendements de l’électrolyse et de la pile à hydrogène sont inférieurs à 1 et que le stockage consomme aussi de l’énergie. Remarque 2 : Aujourd'hui, 96 % de l'hydrogène est produit à partir d’hydrocarbures (pétrole, gaz naturel et charbon) donc d’origine fossile, solution la moins coûteuse. Cependant, ce processus est émetteur de CO2, gaz à effet de serre. 3°) La valorisation de l’hydrogène décarboné Si l’on dispose de dihydrogène, il est possible de récupérer de l’énergie : • soit sous forme de chaleur via sa combustion directe avec le dioxygène (c’est le cas des moteurs à hydrogène) ; • soit sous forme d’électricité via une pile à combustible à hydrogène ou pile à hydrogène. Dans les deux cas la réaction globale ne produit que de l’eau selon : 2 H2 + O2 → 2 H2O Ainsi le dihydrogène est un vecteur d’énergie mais pas une source d'énergie car n'existant pas à l'état naturel, il faut préalablement le produire à partir d’eau ou d’hydrocarbures, ce qui nécessite d’abord une dépense d’énergie. Le dihydrogène est un vecteur énergétique c.à.d. est un mode de stockage de l’énergie avant sa consommation. • La combustion du dihydrogène Sa combustion en présence d’oxygène génère de l’eau selon 2 H2 + O2 →2 H2O, et s’accompagne d’un très important dégagement de chaleur soit 143 MJ pour un kilogramme de H2 soit trois fois plus que l’essence ou le diesel). Comme c’est un gaz très léger, 11 fois plus léger que l’air, il faut pour l’utiliser, le comprimer très fort ou le liquéfier. C'est ainsi l'un des combustibles liquides les plus utilisés au décollage, dans les étages cryogéniques des lanceurs de fusée. Par exemple, la navette spatiale Ariane 5 emporte jusqu'à 26 tonnes d'hydrogène liquide dans ses réservoirs ! • La pile à hydrogène ou pile à combustible à hydrogène Le principe de fonctionnement est extrêmement simple : il s’agit d’une oxydoréduction électrochimique et contrôlée d’hydrogène et d’oxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur Q, selon une réaction chimique globale universellement connue : 2 H2 + O2 → 2 H2O (1) Lors du fonctionnement de la pile à hydrogène, elle émet seulement de la vapeur d’eau et non plus des oxydes d’azote ni de dioxyde de carbone. Remarque : Globalement l’électrolyse de l’eau (qui permet la production de dihydrogène), le transport et la compression du gaz à 700 bars consomment environ 75 % de l’énergie que l’on aurait pu récupérer lors du fonctionnement de la pile. En effet, pour qu’un véhicule ou que le bateau Energy Observer fonctionne avec une pile à hydrogène vert, il est nécessaire en amont de faire l’électrolyse de l’eau, d’acheminer le dihydrogène à la station et enfin de comprimer fortement le gaz pour qu’il occupe un volume réduit dans le véhicule ou dans le bateau. On admet que l'électrolyse de l'eau a un rendement compris entre 50 et 60 % par rapport à la puissance électrique fournie. Les rendements de l’électrolyse à haute température peuvent monter plus haut (80 à 90 %) mais il faut faire de la vapeur à uploads/Industriel/ chapitre-iii-stokage-de-lenergie.pdf