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Université frères mentouri Constantine Master 1 énergie renovlables en mécaniqu

Université frères mentouri Constantine Master 1 énergie renovlables en mécanique Mai aymen Dandene amine La fonction du stockage d’énergie est essentielle pour apporter de la flexibilité et renforcer la fiabilité des systèmes énergétiques. On distingue dans la présente fiche deux types de stockage : le stockage d’énergie électrique et le stockage de chaleur ou de froid. Le stockage d’électricité permet d’apporter une capacité de production à faible émissions en soutien des énergies intermittentes (éolien, solaire) ou pour répondre à des aléas systémiques (secours, systèmes de haute disponibilité). Le stockage d’énergie sous forme de chaleur ou de froid permet d’optimiser le dimensionnement d’installations et leurs coûts opérationnels face à une grande variation temporelle 1-Définition Le stockage de l’énergie consiste à préserver une quantité d’énergie pour une utilisation ultérieure. Par extension, l’expression désigne également le stockage de matière contenant l’énergie. Le stockage de l’énergie est au cœur des enjeux actuels, qu’il s’agisse d’optimiser les ressources énergétiques ou d’en favoriser l’accès. Il permet d’ajuster la « production » et la « consommation » d’énergie en limitant les pertes. L’énergie, stockée lorsque sa disponibilité est supérieure aux besoins, peut être restituée à un moment où la demande s’avère plus importante. Face à l’intermittence ou la fluctuation de production de certaines énergies, par exemple renouvelables, cette opération permet également de répondre à une demande constante. Les méthodes de stockage dépendent du type d’énergie. Les sources d’énergies fossiles (charbon, gaz, pétrole), sous forme de réservoirs à l’état naturel, remplissent naturellement la fonction de stocks. Une fois extraites, elles peuvent facilement être isolées, hébergées et transportées d’un point de vue technique. Le stockage s’avère plus complexe pour les énergies intermittentes : leur production est relayée par des vecteurs énergétiques tels que l’électricité, la chaleur ou l’hydrogène, nécessitant des systèmes spécifiques de stockage. (journaliére ou saisonnière) de la demande. 2-LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES Le stockage de l’énergie s’inscrit dans un contexte où : - l’utilisation de l’énergie électrique s’accroîtra fortement dans les prochaines décennies afin de réduire globalement les utilisations d’énergies fossiles - dans un souci de réduire les émissions de gaz à effet de serre, la part des énergies renouvelables intermittentes dans la production d’énergie électrique s’accroîtra également fortement -l’intensité de la pointe de demande en électricité devrait augmenter fortement si les habitudes de consommations ne sont pas modifiées. Ces trois aspects auront un impact majeur sur la sécurité des systèmes électriques, déjà soumis à de fortes tensions lors des pointes saisonnières. Le stockage de l’énergie, en permettant de réduire la quantité nécessaire en moyens de pointe et en fournissant d’importants services aux réseaux apparaît comme l’une des solutions complémentaires à la maîtrise de la demande en énergie et au déploiement des réseaux énergétiques intelligents. Les solutions de stockage d’énergie se divisent en quatre catégories principales : -l’énergie mécanique potentielle (barrage hydroélectrique, Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP), STEP en façade maritime, stockage d’énergie par air comprimé (CAES)) ; -l’énergie mécanique cinétique (volants d’inertie) ; -l’énergie électrochimique (piles, batteries, condensateurs, vecteur hydrogène) ; - l’énergie thermique (chaleur latente ou sensible). Le périmètre décrit se limite aux applications stationnaires de stockage. Les applicationsembarquées sont évoquées dans la fiche relative aux véhicules décarbonés. Les technologies sont décrites ci-dessous en ordre décroissant des capacités de puissance et d’énergie. 2-1* Station de Transfert d’Énergie par Pompage, dite STEP Les STEP sont composées de deux retenues d’eau à des hauteurs différentes reliées par un système de canalisations. En aval, un système de turbinage et de pompage permet De générer ou de stocker de l’électricité en fonction de l’équilibre offredemande et des demandes du réseau en services systèmes (notamment la régulation de fréquence). La taille importante des installations permet de stocker d’importantes quantités d’énergie, jusqu’à plusieurs jours de production en fonction de la taille des réservoirs, et d'importantes capacités de puissance mobilisables en quelques minutes, de quelques dizaines de MW à plusieurs GW en fonction de la hauteur d'eau. Les coûts de construction d'un STEP et de conversion d'un barrage hydro-électrique en STEP sont de l'ordre de 500 à 1500 euros par kW en fonction du site (Electricity Storage Association). Les STEP peuvent également être installées en façade maritime, avec la mer comme retenue inférieure et une retenue amont en sommet d’une falaise ou constituée par une digue. Il n’existe à ce jour qu’une seule installation de ce type à Okinawa au Japon. 2-2*Stockage d'énergie par air comprimé, dit CAES Les installations de stockage par air comprimé (ou CAES pour Compressed Air Energy Storage) de grande puissance se situent au-dessus d'une caverne souterraine (ancienne mine de sel ou caverne de stockage de gaz naturel). L'air est comprimé lorsque la demande en électricité est faible (lorsque les tarifs d'achat sont bas) qui est ensuite utilisé pour faire tourner une turbine lorsque la demande est forte (le prix de l'électricité est élevé). Le rendement des CAES est réduit à cause de la dissipation de la chaleur du gaz comprimé. Afin d'en améliorer la performance, des systèmes de stockage thermique sont en cours de développement. Les technologies CAESde1ère génération ont un coût d'investissement de l'ordre de 700 à 1000€ par kW (d’après la « Electricity Storage Association ») pour des puissances comprises entre quelques MW (stockage d'air comprimé dans des bonbonnes) à plusieurs centaines de MW et des réserves d'énergies allant jusqu'à une dizaine d'heures. Grâce à des rendements plus élevés, les technologies CAES de 2nde génération et adiabatiques ont un potentiel économique réel. Deux unités de CAES de 1ère génération sont aujourd’hui en opération à Huntorf en Allemagne (280 MW) et à McIntosh (110 MW) aux Etats-Unis. Des démonstrations de nouvelles générations de CAES sont programmées aux EtatsUnis et en Allemagne. 2-3*Stockage d’énergie via l’hydrogène Pour les systèmes de stockage via l’hydrogène, les systèmes proposés combinent l’avance technologique française sur l’électrolyse intermittente et sur le stockage, et une combinaison d’usages de l’hydrogène pour des applications énergétiques, industrielles, de transport ou de secours. Un électrolyseur intermittent convertit, pendant les périodes de faible demande, l’énergie électrique en hydrogène qui est ensuite comprimé, liquéfié ou stocké sous forme d’hydrure métallique. En période de forte demande d’électricité, une pile à combustible convertit l’hydrogène en électricité. L’intérêt de ce type de système réside dans la grande flexibilité d’usage du vecteur d’hydrogène et dans le découplage énergie-puissance. En effet, la capacité de puissance en absorption ou en production est dimensionnée par l’électrolyseur ou la pile à combustible, dont les puissances peuvent aller de quelques dizaines de kW à plusieurs MW. La capacité en énergie est dimensionné par la taille des réservoirs et peut aller de plusieurs heures à plusieurs jours en fonction de l’application du système (secours, décalage de consommation). Pendant leur utilisation, les électrolyseurs et les piles à combustible dégagent de la chaleur (entre 20 et 50% de l’énergie du système selon la technologie), dont la valorisation améliore la rentabilité économique du système. Un projet de démonstration, à l’initiative d’Enertrag (Enertrag Hybrid Power Plant), est en cours près de l’aéroport de Berlin en Allemagne pour alimenter une station service en hydrogène. Stockage stationnaire par batteries électrochimiques Dans les systèmes de stockage par batteries électrochimiques, les assemblages de batteries sont conçus pour fournir la puissance et la capacité en fonction des usages (stabilisation des réseaux, alimentation de secours par exemple). L’empilement est ensuite relié à un système d’électronique de puissance qui, à la décharge, convertit le courant continu des piles en courant alternatif à la tension, la fréquence et la puissance voulues. Ce système est aussi utilisé dans le sens inverse pour recharger les cellules. La capacité de stockage de puissance et d’énergie varie en fonction des technologies (plomb-acide, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, lithium-ion, lithiumpolymère, sodium-soufre, zebra). Par exemple, pour les technologies lithium-ion et sodium-soufre,les capacités d’énergie des systèmes stationnaires sont respectivement de l’ordre de 0,5 à 5 MWh et de 7 à 10 MWh pour fournir 1MW de puissance. Ce type de système pourrait moduler l’intermittence de la production électrique d’une ferme solaire photovoltaïque de 5MWc avec une capacité de secours de 30 minutes. Les coûts d’investissement de ces systèmes sont de l’ordre de 300 à 3000 €/kW installé en fonction de leur taille et de leur utilisation. A terme, les véhicules électriques, lorsqu’ils sont connectés au réseau électrique, pourraient représenter une capacité additionnelle de stockage d’énergie, sous réserve que cet usage soit économiquement pertinent. Parmi les technologies encore au stade de développement, les batteries métal-air (zinc-air rechargeable et lithium-air) suscitent beaucoup d’attention. 3- Stockage stationnaire par batteries àcirculation Dans les systèmes de stockage par batteries à circulation (appelées batteries« redox-flow »), deux électrolytes liquides contenant des ions métalliques, séparés par une membrane échangeuse de protons, circulent à travers des électrodes. L’échange de charges permet de produire ou d’absorber l’électricité. Les couples d’ions métalliques zinc/brome, polybromure/polysulfure de sodium et vanadium/vanadium sont les plus étudiés aujourd’hui. La puissance produite ou absorbée est dépendante du dimensionnement de la membrane d’échange et des électrodes, tandis que l’énergie stockée est dépendante du volume des électrolytes. Les systèmesdisponibles aujourd’hui ont des puissances de l’ordre de 10 à 500 kW et des énergies stockées de l’ordre de uploads/Industriel/ stockage-d-x27-energie.pdf