STOCKAGE DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

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L’électricité, correspondant à la mise en mouvement d’électrons dans des matériaux conducteurs, est un vecteur énergétique qui permet de transporter de l’énergie entre une source (générateur) et un dispositif dédié à un usage. La spécificité de l’électricité est la multiplicité des services qu’elle peut rendre : à travers de nombreux dispositifs techniques, elle peut en effet aisément permettre de produire de la chaleur, du froid, de la lumière ou de la force motrice (grâce au moteur électrique). N’existant pas à l’état naturel sous une forme exploitable, l’électricité est une forme d’énergie dite « secondaire », c’est-à-dire issue de la transformation d’énergies primaires. Ces dernières peuvent être fossiles (pétrole, gaz, charbon), nucléaires ou renouvelables (provenant du rayonnement solaire, du vent, du cycle de l’eau, de la biomasse…). L’utilisation des énergies renouvelables pour produire de l’électricité constitue une alternative à notre schéma énergétique. Mais, contrairement aux ressources fossiles, l’électricité, qui n’a d’existence que si elle est utilisée, ne se stocke pas en tant que telle et doit être convertie en une autre forme d’énergie pour pouvoir être réutilisée plus tard. Si différents moyens de stockage existent, ils sont largement insuffisants pour répondre aux besoins croissants d’électricité dans le monde, ce qui constitue un défi important pour la recherche, l’innovation et le développement industriel. Les recherches dans ce domaine sont nombreuses, variées et fécondes.

Pourquoi et comment stocker l’énergie électrique

Sur une production mondiale d’énergie primaire de quelque 13 800 millions de tonnes équivalent pétrole (Mtep), 80 p. 100 proviennent de ressources fossiles. Or, la lutte contre le réchauffement climatique est devenue un enjeu stratégique majeur. En 2015, la Conférence des parties de Paris (COP21) a dans ce sens marqué un tournant avec, entre autres, des prises de décisions historiques sur les objectifs de diminution des émissions de gaz à effet de serre dont au premier plan le dioxyde de carbone (CO2). La réduction des émissions de CO2 implique, d’une part, de réduire la consommation d’énergies fossiles, en particulier dans le domaine des transports (remplacement des véhicules thermiques) et, d’autre part, de trouver des alternatives aux centrales thermiques (utilisant les énergies fossiles) et nucléaires (pour des raisons liées à la problématique des déchets et à la sécurité) pour la production d’énergie électrique. On pense alors aux énergies renouvelables, avec principalement l’éolien et le solaire, qui sont disponibles en quantités quasi illimitées. Leur contribution dans notre approvisionnement énergétique est donc appelée à progresser rapidement. Cependant, ces deux sources d’énergies renouvelables souffrent d’un défaut majeur : elles sont par nature intermittentes – c’est-à-dire qu’elles ont une production variable et discontinue dans le temps, dépendant des conditions météorologiques ou du cycle jour-nuit – et ne sont donc que rarement en adéquation temporelle avec la demande d’électricité. Ainsi, il est illusoire de chercher à s’éclairer la nuit grâce à de l’électricité directement issue de panneaux photovoltaïques puisque ceux-ci ne peuvent en produire qu’en journée. La production d’électricité par les éoliennes est quant à elle soumise aux caprices du vent et ne peut assurer directement et de façon continue l’alimentation en énergie des foyers et des industries. Parallèlement au développement et à l’amélioration des technologies de collecte des énergies renouvelables, il est donc indispensable de développer des solutions de stockage adaptées pour gérer ce décalage entre production et utilisation de l’électricité.

Une autre stratégie pour diminuer l’émission de polluants dans l’atmosphère et la consommation d’énergie fossile est de remplacer progressivement les véhicules à moteur thermique par des véhicules à moteur hybride ou entièrement électrique. L’énergie étant embarquée dans le véhicule, des solutions de stockage de l’électricité sont, là aussi, indispensables.

Il y a donc lieu de distinguer systèmes de stockage embarqués et systèmes stationnaires. En fonction des utilisations, les cahiers des charges relatifs aux modes de stockage peuvent ainsi être très différents, en termes d’énergie et de puissance spécifique (par rapport à la masse ou au volume), de coût, de sécurité et de durée de vie. Pour alimenter un objet mobile (véhicule) ou portable (ordinateur, téléphone…), le poids et le volume du système de stockage embarqué sont des paramètres essentiels, auxquels il faut ajouter la durée de vie et le niveau de sécurité. En ce qui concerne le mode stationnaire, les exigences en termes de masse et de volume sont beaucoup moins contraignantes mais, compte tenu de la grande quantité d’électricité à stocker, qui peut atteindre quelques milliers de mégawattheures (MWh), le coût du système (construction, maintenance) et sa durée de vie sont des paramètres essentiels. Ces considérations justifient les importants travaux menés pour évaluer les coûts et les retours sur investissement de ces systèmes de stockage.

La capacité de stockage de l’énergie électrique sous forme stationnaire, principalement pour venir en appui des réseaux électriques, n’excède pas 1 p. 100 de la consommation énergétique totale – soit 166,7 gigawatts (GW) en 2016. Ce pourcentage, alarmant, donne une idée du défi que constitue la mise en place d’infrastructures de stockage à très grande échelle (stockage dit massif), condition indispensable à un développement significatif des sources renouvelables d’électricité dans notre consommation énergétique.

Quelque 96 p. 100 du stockage stationnaire sont assurés par les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP). Le reste correspond aux autres modes électromécaniques (volants d’inertie et air comprimé, soit 1 p. 100), au stockage thermique (2 p. 100) et au stockage électrochimique (1 p. 100).

Capacités et types de stockage de l’électricité dans le monde pour les applications stationnaires

Dessin : Capacités et types de stockage de l’électricité dans le monde pour les applications stationnaires

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), qui sont des centrales hydroélectriques « réversibles », sont de très loin les systèmes les plus utilisés dans le monde pour le stockage stationnaire de l'électricité. Elles assurent 96 p. 100 de ce stockage (161 GW en 2016). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Capacités et types de stockage de l’électricité dans le monde pour les applications stationnaires

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Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Principe de fonctionnement d’une station de transfert d’énergie par pompage

Principe de fonctionnement d’une station de transfert d’énergie par pompage
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Représentation schématique d’un accumulateur et ses caractéristiques

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Différentes technologies de batteries

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Écrit par :

  • : professeur de chimie, enseignant-chercheur, université de Picardie Jules-Verne, Amiens
  • : ingénieur de recherche CNRS, directeur du Laboratoire de réactivité et de chimie des solides, université de Picardie Jules-Verne, Amiens
  • : professeur en sciences des matériaux à l'université Toulouse-III-Paul-Sabatier, membre de l'Académie des Sciences

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Dominique LARCHER, Mathieu MORCRETTE, Patrice SIMON, « STOCKAGE DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/stockage-de-l-energie-electrique/