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Henri Boyé 3 Novembre 2011 Le stockage de l’énergie électrique . 1 Introduction

Henri Boyé 3 Novembre 2011 Le stockage de l’énergie électrique . 1 Introduction L’électricité est sans doute le vecteur énergétique à la fois le plus commode à utiliser et le plus difficile à stocker. Le réseau électrique mutualise l’ensemble des moyens de production pour fournir en énergie électrique tous les consommateurs raccordés à ce réseau. A tout instant, le gestionnaire du réseau doit équilibrer la demande des abonnés et la production en énergie, puisque, d’une part, l’électricité ne peut pas se stocker directement et que, d’autre part, un excès de demande peut conduire à des coupures ou à un décrochage de centrales. Le stockage a toujours été le point faible dans la chaîne de distribution de l’énergie électrique entre les centres de productions (centrales électriques) et les centres de consommation : usines, collectivités diverses, activités tertiaires, particuliers… Il résulte de cette insuffisance que les échanges d’énergie se font à flux tendus, grâce à une gestion en temps réel permanente de la production que l’on aligne sur la demande d’énergie pour maintenir le réseau à l’équilibre. Le développement de nouvelles solutions de production d’électricité d’origine renouvelable, lesquelles sont souvent intermittentes (solaire ou éolien), relance la problématique du stockage dans les Pays de Méditerranée. L’envoi sur le réseau d’énergie électrique provenant de sources intermittentes solaires et éoliennes rendra le réseau particulièrement instable si l’on ne peut amortir ses oscillations par un stockage et un déstockage d’énergie. Dans cette perspective nouvelle d’exploitation, il importe de trouver des solutions pour stocker l’énergie électrique et améliorer le comportement dynamique du réseau. Cependant, stocker l’électricité devient presque incontournable : pour faire face à l’intermittence des ENR et assurer la continuité du service, mais également pour lisser les pointes de consommation et minimiser la puissance installée (optimisation du parc existant). A noter que le stockage est d’autant plus rentable qu’il écrête le haut de la pointe. 2 Un état de l’art des solutions de stockage Nous donnons ci-après un état de l’art des recherches actuelles réalisées dans ce domaine et une analyse des technologies de stockage qui pourraient être envisagées dans les pays PSEM. On sait stocker l’énergie mécanique, l’énergie thermique, l’énergie chimique, mais les lois de la physique nous apprennent qu’on ne peut stocker l’énergie électrique que de façon indirecte. Diverses solutions de stockage existent : volants d’inertie, batteries, STEP (Station de Transfert d’Electricité par Pompage), Air comprimé (CAES), Thermique, Hydrogène. Aucune de ces solutions n’est entièrement satisfaisante à elle seule, en raison de la quantité de stockage proposée ou de l’inadéquation au site naturel. Tout l’art d’un gestionnaire de réseau d’électricité consiste donc à équilibrer l’offre et la demande locale en jouant sur l’interconnexion entre régions ou pays par des lignes à très haute tension (comme Espagne/Maroc) et sur la capacité de mise en route rapide de certains générateurs d’électricité en complément ou en compensation d’autres. 1 Notons aussi que les besoins et les technologies de stockage d’énergie différent suivant qu’ils sont centralisés et massifs, ou décentralisés et de quantité modeste. 2.1. Les différents besoins de stockage d’électricité Sont à distinguer deux grands types de besoins de stockage : - centralisés et massifs, cas de la gestion sur le réseau de transport, de l’énergie électrique produite par les centrales, afin d’équilibrer en temps réel la production et les demandes variables journalière, hebdomadaire, saisonnière, et, en plus, dans le futur, de la sécuriser face aux fluctuations d’une production importante et nécessairement intermittente d’énergie électrique d’origine renouvelable. - décentralisés et de quantité modeste (applications stationnaires précises, alimentation électrique sans coupure possible, stockage pour pallier localement l’intermittence d’une source d’énergie renouvelable) ou répondant à des applications mobiles (transports). Les équipements nécessitant de stocker de l’énergie peuvent se répartir en plusieurs classes d’applications, déterminées par les quantités d’énergie mises en jeu. -Les applications portables correspondent à des énergies inférieures à quelques kWh, pour assurer le plus possible d’autonomie (la plus grande durée de fonctionnement possible) des appareils portables, en général électriques : téléphones, P.C., outils divers pour toutes sortes d’usages professionnels et de loisirs. -Les applications mobiles nécessitent une autonomie d’énergie comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de kWh durant l’ensemble du trajet, dans les transports aériens, terrestres et maritimes, à bord de véhicules motorisés en tout genre et pour tous usages. Ceci est une contrainte forte pour les véhicules électriques (poids des batteries, capacité limitée) sauf nouveaux vecteurs énergétiques (électricité ou hydrogène). -Les applications stationnaires concernent aujourd’hui les équipements de production de l’énergie électrique alimentant un réseau de transport. Le stockage de l’énergie électrique a deux objectifs : économique (recherche du coût minimum de l’énergie électrique) et technologique (équilibre de la production et de la consommation de l’énergie). Les quantités d’énergie mises en jeu dépassent les centaines de MWh. Dans le futur, le stockage concernera aussi les équipements locaux, ou décentralisés, de production d’énergie électrique à partir de sources renouvelables (éoliennes et solaires), qui seront isolés ou connectés à un réseau électrique (dans le but de pallier l’intermittence aléatoire ou journalière de l’énergie produite). Les quantités d’énergie mises en jeu sont de l’ordre de quelques MWh. Le stockage de l’énergie électrique produite est le seul moyen de gérer en temps réel, avec la sécurité maximale, la production d’énergie électrique sur un réseau de transport. Ainsi, il serait particulièrement intéressant de pouvoir stocker l’énergie produite en période de sous charge programmée des centrales, pour la restituer à la demande en période de surcharge. Bien que le stockage direct de l’énergie électrique ne soit pas possible, on sait par contre la stocker de façon indirecte, pour la recréer à la demande. L’encadré suivant rappelle les principes en la matière. 2.2. Le stockage indirect de l’énergie électrique Les lois de la physique empêchent de stocker directement l’énergie électrique (comme on stocke le pétrole, le gaz, le charbon, l’eau), mais on peut la transformer en d’autres formes d’énergie potentielles stockables : mécanique, électrochimique, thermique, etc., par des conversions dont certaines sont réversibles (c'est-à-dire capables, par transformation inverse, de recréer de l’énergie électrique). 2 Citons en particulier la conversion réciproque énergie mécanique / énergie électrique; elle est toujours à l’origine de la production d’énergie dans les centrales hydrauliques. Citons aussi les conversions électrochimiques de charges et de décharges dans les batteries électrochimiques. Du fait de cette possibilité de réversibilité de conversion on peut stocker indirectement de l’énergie électrique que l’on utilise quand on en a besoin (au rendement près des deux conversions successives et éventuellement en-deçà d’une limite en nombre de cycles de conversions/reconversions possibles, dans les batteries). 2.3. Le stockage : un moyen temps réel de fournir l’énergie électrique au coût minimum L’énergie électrique fournie au réseau provient de centrales de types différents : nucléaires dans certains pays, hydrauliques au fil de l’eau, hydrauliques de lacs, thermiques au charbon qui produisent l’énergie électrique de base, STEP (ou centrales hydrauliques de pompage à stockage d’eau gravitaire, thermiques à turbines à gaz, thermiques à turbines à gaz en cogénération chaleur électricité, champs d’éoliennes qui produisent l’énergie électrique intermédiaire et l’énergie de pointe, solaire. Chaque type de centrale a un prix de revient du kWh différent. Rappel de Principes de gestion de réseaux ; Le premier principe de gestion de l’énergie électrique sur le réseau est de parvenir à équilibrer exactement, en temps réel, la quantité d’électricité produite par ces diverses centrales avec la quantité d’énergie consommée : du fait d’une demande fluctuante, le prix de revient de l’électricité fluctue donc à 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 l’électricité soit toujours le plus bas possible : dans ce but, le gestionnaire du réseau doit choisir en temps réel, parmi l’ensemble des centrales éligibles, la configuration optimale de centrales à mettre en production et de celles à tenir en réserve. Toutes les centrales hydrauliques, et plus spécialement les centrales de pompage du fait de leur réversibilité, présentent beaucoup d’intérêt en tant que réserves potentielles d’énergie facilement accessibles et ajustables, d’autant que le prix de revient du kWh produit est plus faible que celui des centrales au gaz puisque, d’une part, il n’y a pas de prix de combustible à payer et que, d’autre part, la quantité de CO2 rejetée dans l’atmosphère est nulle. Fluctuation de la production face aux fluctuations de la demande et avantages du Stockage La demande en énergie électrique alternative sur le réseau de distribution fluctue au long du cycle quotidien : elle est plus faible la nuit (heures creuses) que le jour (heures pleines, pointe). Elle varie également suivant les jours de la semaine (travaillés ou non), suivant les saisons et la météo (en particulier en hiver et en été, usages de chauffage et climatisation). Les courbes journalières de consommation montrent, à certaines heures, des pointes de demande considérables par rapport à la fourniture de base (de 1 à 5). 3 On va donc essayer de stocker de l’énergie pendant les heures creuses, surtout durant les week-ends, et la déstocker pendant les heures pleines des jours de semaine. En Europe, les uploads/Industriel/ stockage-deferent-type.pdf