Stockage d’Energie

Le stockage d’énergie consiste à capter l’énergie produite à un moment donné pour une utilisation ultérieure. Un appareil qui stocke de l’énergie est généralement appelé un accumulateur ou une batterie. L’énergie se présente sous différentes formes: rayonnement, produit chimique, potentiel gravitationnel, potentiel électrique, électricité, température élevée, chaleur latente et cinétique. Le stockage d’énergie consiste à convertir l’énergie provenant de formes difficiles à stocker en formes stockables plus facilement ou économiquement.

Certaines technologies permettent le stockage d’énergie à court terme, tandis que d’autres peuvent durer beaucoup plus longtemps. Le stockage d’énergie en vrac est actuellement dominé par les barrages hydroélectriques, qu’ils soient conventionnels ou pompés.

Les exemples courants de stockage d’énergie sont la batterie rechargeable, qui stocke l’énergie chimique facilement convertible en électricité pour faire fonctionner un téléphone portable, le barrage hydroélectrique, qui stocke l’énergie dans un réservoir sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle, et les réservoirs de stockage de glace, qui stockent la glace gelée à moindre coût. énergie la nuit pour répondre à la demande de refroidissement maximale pendant la journée. Les combustibles fossiles, tels que le charbon et l’essence, stockent une énergie ancienne issue de la lumière du soleil provenant d’organismes qui sont morts, ont été ensevelis et ont ensuite été convertis en combustibles. La nourriture (fabriquée selon le même processus que les combustibles fossiles) est une forme d’énergie stockée sous forme chimique.

Les méthodes

Contour
La liste suivante comprend une variété de types de stockage d’énergie:

Stockage de combustibles fossiles
Mécanique
Stockage d’énergie dans l’air comprimé (CAES)
Locomotive sans fil
Stockage d’énergie au volant
Énergie potentielle gravitationnelle
Accumulateur hydraulique
Hydroélectricité à stockage pompé (stockage hydroélectrique à pompe PHS ou hydroélectricité à stockage pompé PSH)

Électrique, électromagnétique
Condensateur
Supercondensateur
Stockage d’énergie magnétique supraconducteur (SMES, également bobine de stockage supraconductrice)

Biologique
Glycogène
Amidon

Système électrochimique (système de stockage d’énergie par batterie, BESS)
Batterie de débit
Batterie rechargeable
UltraBattery

Thermique
Chauffage à accumulation de briques
Stockage d’énergie cryogénique, stockage d’énergie dans l’air liquide (LAES)
Moteur à azote liquide
Système eutectique
Stockage de glace climatisation
Stockage de sel fondu
Matériau à changement de phase
Stockage thermique saisonnier
Bassin solaire
Accumulateur de vapeur
Stockage d’énergie thermique (général)

Chimique
Biocarburants
Sels hydratés
Stockage d’hydrogène
Peroxyde d’hydrogène
Puissance au gaz
Pentoxyde de vanadium

Stockage mécanique
L’énergie peut être stockée dans de l’eau pompée à une altitude plus élevée en utilisant des méthodes de stockage par pompage ou en transportant des matières solides vers des endroits plus élevés (batteries à gravité). D’autres méthodes mécaniques commerciales incluent la compression de l’air et des volants d’inertie qui convertissent l’énergie électrique en énergie cinétique et inversement lorsque la demande électrique atteint un sommet.

L’hydroélectricité
Les barrages hydroélectriques avec des réservoirs peuvent être exploités pour fournir de l’électricité en période de pointe. L’eau est stockée dans le réservoir pendant les périodes de faible demande et libérée lorsque la demande est élevée. L’effet net est similaire à celui du stockage par pompage, mais sans perte par pompage.

Bien qu’un barrage hydroélectrique ne stocke pas directement l’énergie provenant d’autres unités de production, il se comporte de manière équivalente en réduisant la production en période d’excès d’électricité provenant d’autres sources. Dans ce mode, les barrages sont l’une des formes de stockage d’énergie les plus efficaces, car seule la synchronisation de sa génération change. Les turbines hydroélectriques ont un temps de démarrage de l’ordre de quelques minutes.

Accumulation par pompage
L’hydroélectricité à accumulation par pompage (PSH) est la plus grande capacité de stockage d’énergie disponible sur le réseau et a une capacité maximale. En mars 2012, l’EPRI (Electric Power Research Institute) signalait que PSH représentait plus de 99% de la capacité de stockage en vrac. dans le monde entier, représentant environ 127 000 MW. L’efficacité énergétique des PSH varie en pratique entre 70% et 80%, avec des revendications allant jusqu’à 87%.

En période de faible demande en électricité, une capacité de production excédentaire est utilisée pour pomper de l’eau d’une source inférieure dans un réservoir plus élevé. Lorsque la demande augmente, l’eau est renvoyée dans un réservoir inférieur (ou voie d’eau ou masse d’eau) par l’intermédiaire d’une turbine, générant de l’électricité. Les groupes turbogénérateurs réversibles agissent à la fois comme une pompe et une turbine (généralement une turbine de type Francis). Presque toutes les installations utilisent la différence de hauteur entre deux masses d’eau. Les installations de stockage à pompage pure déplacent l’eau entre les réservoirs, tandis que l’approche de «pompage» combine des installations de stockage à pompage et des centrales hydroélectriques classiques utilisant le débit naturel.

Air comprimé
Le stockage d’énergie dans l’air comprimé (CAES) utilise l’énergie excédentaire pour comprimer l’air en vue de la production ultérieure d’électricité. Les systèmes à petite échelle ont longtemps été utilisés dans des applications telles que la propulsion de locomotives minières. L’air comprimé est stocké dans un réservoir souterrain, sous forme de dôme de sel.

Les installations de stockage d’énergie à air comprimé (CAES) peuvent réduire l’écart entre la volatilité de la production et la charge. Le stockage CAES répond aux besoins énergétiques des consommateurs en fournissant efficacement de l’énergie facilement disponible pour répondre à la demande. Les sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire ont des ressources variables. En conséquence, le recours à d’autres formes d’énergie est nécessaire pour répondre à la demande en énergie en période de diminution de la disponibilité des ressources. Les installations de stockage d’énergie à air comprimé peuvent absorber le surplus d’énergie provenant de sources d’énergie renouvelables en période de surproduction d’énergie. Cette énergie stockée peut être utilisée ultérieurement lorsque la demande d’électricité augmente ou que la disponibilité des ressources énergétiques diminue.

La compression de l’air crée de la chaleur; l’air est plus chaud après la compression. L’expansion nécessite de la chaleur. Si aucune chaleur supplémentaire n’est ajoutée, l’air sera beaucoup plus froid après la détente. Si la chaleur générée lors de la compression peut être stockée et utilisée lors de la détente, l’efficacité est considérablement améliorée. Un système CAES peut gérer la chaleur de trois manières. Le stockage de l’air peut être adiabatique, diabatique ou isothermique. Une autre approche utilise l’air comprimé pour faire fonctionner les véhicules.

Stockage d’énergie au volant
Le stockage d’énergie au volant d’inertie (FES) fonctionne en accélérant un rotor (volant d’inertie) à une vitesse très élevée, en retenant de l’énergie sous forme d’énergie de rotation. Lorsque l’énergie est extraite, la vitesse de rotation du volant d’inertie diminue en conséquence de la conservation de l’énergie. ajouter de l’énergie entraîne en conséquence une augmentation de la vitesse du volant.

La plupart des systèmes FES utilisent l’électricité pour accélérer et ralentir le volant d’inertie, mais des dispositifs utilisant directement de l’énergie mécanique sont à l’étude.

Les systèmes FES ont des rotors en composites de fibres de carbone à haute résistance, suspendus par des paliers magnétiques et qui tournent à une vitesse de 20 000 à plus de 50 000 tr / min dans une enceinte sous vide. Ces volants peuvent atteindre la vitesse maximale (“charge”) en quelques minutes. Le système volant est connecté à une combinaison moteur / générateur électrique.

Les systèmes FES ont une durée de vie relativement longue (plusieurs décennies avec peu ou pas d’entretien; les durées de cycle complet indiquées pour les volants d’inertie vont de plus de 105 à 107 cycles d’utilisation), une énergie spécifique élevée (100–130 W • h / kg ou 360–500 kJ / kg) et la densité de puissance.

Stockage d’énergie potentielle gravitationnelle avec des masses solides
Changer l’altitude des masses solides peut stocker ou libérer de l’énergie via un système élévateur entraîné par un moteur / générateur électrique. Le stockage d’énergie potentielle ou le stockage d’énergie par gravité était en cours de développement en 2013 en association avec l’opérateur indépendant du système de Californie. Il a examiné le mouvement des wagons-trémies remplis de terre entraînés par des locomotives électriques) des altitudes les plus basses aux plus élevées.

Les méthodes incluent l’utilisation de rails et de grues pour déplacer des masses de béton de haut en bas, de plates-formes flottantes à haute énergie alimentées par l’énergie solaire et soutenant des treuils pour lever et abaisser des masses solides, à l’aide de treuils soutenus par une barge océanique pour tirer parti des 4 km (13 000 ft) différence d’élévation entre la surface et le fond marin. Les rendements peuvent atteindre 85% de récupération de l’énergie stockée.

Stockage thermique
Le stockage d’énergie thermique (TES) est le stockage temporaire ou l’évacuation de chaleur.

Accumulation d’énergie thermique thermique sensible
Le stockage de chaleur sensible tire parti de la chaleur sensible d’un matériau pour stocker de l’énergie.

Le stockage saisonnier d’énergie thermique (STES) permet d’utiliser la chaleur ou le froid plusieurs mois après qu’elle a été collectée à partir d’énergie perdue ou de sources naturelles. Le matériau peut être stocké dans des aquifères confinés, des grappes de trous de forage dans des substrats géologiques tels que du sable ou du substrat rocheux cristallin, dans des fosses revêtues remplies de gravier et d’eau, ou dans des mines remplies d’eau. Les projets de stockage d’énergie thermique saisonnier (STES) ont souvent des retombées de rentabilité allant de quatre à six ans. Drake Landing Solar Community, au Canada, en est un exemple. 97% de la chaleur est chauffée toute l’année par des capteurs solaires thermiques installés sur les toits des garages, le stockage de l’énergie thermique des forages étant la technologie habilitante. À Braestrup, au Danemark, le système de chauffage urbain à énergie solaire de la communauté utilise également le STES, à une température de stockage de 65 ° C (149 ° F). Une pompe à chaleur, qui fonctionne uniquement lorsqu’il y a un surplus d’énergie éolienne disponible sur le réseau national, est utilisée pour augmenter la température à 80 ° C (176 ° F) pour la distribution. Lorsque l’électricité éolienne excédentaire n’est pas disponible, une chaudière à gaz est utilisée. Braestrup produit 20% de sa chaleur solaire.

Stockage d’énergie thermique à chaleur latente (LHTES)
Les systèmes de stockage d’énergie thermique à chaleur latente fonctionnent avec des matériaux ayant une capacité élevée de chaleur latente (chaleur de fusion), appelés matériaux à changement de phase (PCM). Le principal avantage de ces matériaux est que leur capacité de stockage de chaleur latente dépasse de beaucoup la chaleur sensible. Dans une plage de température spécifique, les changements de phase du solide au liquide absorbent une grande quantité d’énergie thermique pour une utilisation ultérieure.

Le stockage de l’énergie thermique sous forme de chaleur latente consiste en un processus selon lequel de l’énergie sous forme de chaleur est soit absorbée, soit libérée lors du changement de phase d’un matériau à changement de phase (PCM). Un PCM est un matériau avec une chaleur de fusion élevée. Un changement de phase est la fusion ou la solidification d’un matériau. Lors d’un changement de phase, un PCM a la capacité d’absorber de grandes quantités d’énergie en raison de sa chaleur de fusion élevée.

Électrochimique

Batterie rechargeable
Une batterie rechargeable comprend une ou plusieurs cellules électrochimiques. C’est ce qu’on appelle une «cellule secondaire» car ses réactions électrochimiques sont électriquement réversibles. Les piles rechargeables sont de différentes formes et tailles, allant des piles bouton aux systèmes de grille mégawatt.

Les piles rechargeables ont un coût total d’utilisation et un impact environnemental plus faibles que les piles non rechargeables (jetables). Certains types de piles rechargeables sont disponibles dans les mêmes formats que les piles jetables. Les piles rechargeables ont un coût initial plus élevé, mais peuvent être rechargées à très faible coût et utilisées plusieurs fois.

Les compositions chimiques courantes des piles rechargeables comprennent:

Batterie plomb-acide: Les batteries plomb-acide détiennent la plus grande part de marché des produits de stockage électrique. Une seule cellule produit environ 2V une fois chargée. À l’état chargé, l’électrode négative en plomb métallique et l’électrode positive en sulfate de plomb sont immergées dans un électrolyte dilué à l’acide sulfurique (H2SO4). Dans le processus de décharge, des électrons sont poussés hors de la cellule, du sulfate de plomb se formant à l’électrode négative pendant que l’électrolyte est réduit en eau.
La technologie des batteries au plomb a été développée de manière approfondie. L’entretien nécessite une main-d’œuvre minimale et son coût est faible. La capacité énergétique disponible de la batterie est sujette à une décharge rapide, ce qui entraîne une faible durée de vie et une faible densité énergétique.
Batterie au nickel-cadmium (NiCd): Utilise de l’hydroxyde d’oxyde de nickel et du cadmium métallique comme électrodes. Le cadmium est un élément toxique et a été interdit à la plupart des utilisations par l’Union européenne en 2004. Les piles au nickel-cadmium ont été presque complètement remplacées par des piles au nickel-hydrure métallique (NiMH).
Batterie nickel-métal-hydrure (NiMH): les premiers types commerciaux étaient disponibles en 1989. Ils sont maintenant courants et de type industriel. La batterie contient un alliage absorbant l’hydrogène pour l’électrode négative au lieu du cadmium.
Batterie lithium-ion: choix dans de nombreux appareils électroniques grand public et offrant l’un des meilleurs rapports énergie / masse et une très faible autodécharge en cas de non utilisation.
Batterie lithium-ion polymère: Ces batteries sont légères et peuvent être fabriquées dans n’importe quelle forme.

Batterie de débit
Une batterie à circulation fonctionne en faisant passer une solution sur une membrane où des ions sont échangés pour charger / décharger la cellule. La tension de la cellule est déterminée chimiquement à l’aide de l’équation de Nernst et va, dans les applications pratiques, entre 1,0 et 2,2 V. Sa capacité de stockage est fonction du volume des réservoirs contenant la solution.

Techniquement, une batterie à circulation s’apparente à la fois à une pile à combustible et à une cellule d’accumulation électrochimique. Les applications commerciales sont conçues pour un stockage long d’un demi-cycle, tel que l’alimentation de secours du réseau.

Supercondensateur
Les supercondensateurs, également appelés condensateurs électriques à double couche (EDLC) ou ultracondensateurs, sont des termes génériques pour une famille de condensateurs électrochimiques qui ne possèdent pas de diélectrique solide classique. La capacité est déterminée par deux principes de stockage, la capacité double couche et la pseudocapacitance.

Les supercondensateurs font le pont entre les condensateurs conventionnels et les batteries rechargeables. Ils stockent le plus d’énergie par unité de volume ou de masse (densité d’énergie) parmi les condensateurs. Ils supportent jusqu’à 10 000 farads / 1,2 volt, soit 10 000 fois plus que les condensateurs électrolytiques, mais fournissent ou acceptent moins de la moitié de la puissance par unité de temps (densité de puissance).

Alors que les supercondensateurs ont des densités d’énergie et d’énergie spécifiques représentant environ 10% de celles des batteries, leur densité de puissance est généralement de 10 à 100 fois supérieure. Cela se traduit par des cycles de charge / décharge beaucoup plus courts. En outre, ils toléreront beaucoup plus de cycles de charge et de décharge que les batteries.

Les supercondensateurs prennent en charge un large éventail d’applications, notamment:

Faible courant d’alimentation pour la sauvegarde en mémoire dans une mémoire statique à accès aléatoire (SRAM)
Alimentation des voitures, des bus, des trains, des grues et des ascenseurs, y compris récupération de l’énergie de freinage, stockage de l’énergie à court terme et fourniture d’énergie en mode rafale

Autre produit chimique

Puissance au gaz
L’alimentation au gaz est une technologie qui convertit l’électricité en un combustible gazeux tel que l’hydrogène ou le méthane. Les trois méthodes commerciales utilisent l’électricité pour réduire l’eau en hydrogène et en oxygène par électrolyse.

Dans la première méthode, l’hydrogène est injecté dans le réseau de gaz naturel ou utilisé dans les transports ou l’industrie. La deuxième méthode consiste à combiner l’hydrogène avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane en utilisant une réaction de méthanation telle que la réaction de Sabatier ou la méthanisation biologique, entraînant une perte de conversion d’énergie supplémentaire de 8%. Le méthane peut ensuite être introduit dans le réseau de gaz naturel. La troisième méthode utilise le gaz de sortie d’un générateur de gaz de bois ou d’une installation de production de biogaz, une fois que l’usine de traitement de biogaz est mélangée à l’hydrogène provenant de l’électrolyseur, afin d’améliorer la qualité du biogaz.

Hydrogène
L’élément hydrogène peut être une forme d’énergie emmagasinée. L’hydrogène peut produire de l’électricité via une pile à combustible à hydrogène.

À des pénétrations inférieures à 20% de la demande du réseau, les énergies renouvelables ne modifient pas considérablement les données économiques; mais au-delà d’environ 20% de la demande totale, le stockage externe devient important. Si ces sources sont utilisées pour produire de l’hydrogène ionique, elles peuvent être librement dilatées. Un programme pilote communautaire d’une durée de cinq ans utilisant des éoliennes et des générateurs d’hydrogène a été lancé en 2007 dans la communauté éloignée de Ramea, à Terre-Neuve-et-Labrador. Un projet similaire a été lancé en 2004 à Utsira, une petite île norvégienne.

Les pertes d’énergie impliquées dans le cycle de stockage de l’hydrogène proviennent de l’électrolyse de l’eau, de la liquéfaction ou de la compression de l’hydrogène et de la conversion en électricité.

Il faut environ 50 kW • h (180 MJ) d’énergie solaire pour produire un kilogramme d’hydrogène. Le coût de l’électricité est donc crucial. À 0,03 USD / kWh, tarif courant aux États-Unis pour les lignes à haute tension hors pointe, l’hydrogène coûte 1,50 USD le kilogramme pour l’électricité, soit 1,50 USD / gallon pour l’essence. Les autres coûts comprennent l’usine d’électrolyseur, les compresseurs d’hydrogène ou la liquéfaction, le stockage et le transport.

On peut également produire de l’hydrogène à partir d’aluminium et d’eau en éliminant la barrière d’oxyde d’aluminium naturelle de l’aluminium et en l’introduisant dans l’eau. Cette méthode est intéressante car les bidons d’aluminium recyclés peuvent être utilisés comme carburant pour générer de l’hydrogène. Toutefois, les systèmes permettant de tirer parti de cette option n’ont pas été mis au point sur le marché et sont beaucoup plus complexes que les systèmes à électrolyse. Les méthodes courantes pour enlever la couche d’oxyde comprennent les catalyseurs caustiques tels que l’hydroxyde de sodium et les alliages avec le gallium, le mercure et d’autres métaux.

Le stockage souterrain d’hydrogène est la pratique du stockage de l’hydrogène dans des cavernes souterraines, des dômes de sel et des champs de pétrole et de gaz épuisés. De grandes quantités d’hydrogène gazeux ont été stockées dans des cavernes souterraines par Imperial Chemical Industries pendant de nombreuses années sans aucune difficulté. Le projet européen Hyunder a indiqué en 2013 que le stockage de l’énergie éolienne et solaire au moyen d’hydrogène souterrain nécessiterait 85 cavernes.

Méthane
Le méthane est l’hydrocarbure le plus simple avec la formule moléculaire CH4. Le méthane est plus facilement stocké et transporté que l’hydrogène. Les infrastructures de stockage et de combustion (pipelines, gazomètres, centrales électriques) sont matures.

Le gaz naturel synthétique (gaz de synthèse ou SNG) peut être créé en plusieurs étapes, à partir d’hydrogène et d’oxygène. L’hydrogène réagit ensuite avec le dioxyde de carbone dans un processus Sabatier, produisant du méthane et de l’eau. Le méthane peut être stocké et utilisé plus tard pour produire de l’électricité. L’eau résultante est recyclée, réduisant ainsi le besoin en eau. Au stade de l’électrolyse, l’oxygène est stocké pour la combustion du méthane dans un environnement contenant de l’oxygène pur dans une centrale électrique adjacente, éliminant ainsi les oxydes d’azote.

La combustion du méthane produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau. Le dioxyde de carbone peut être recyclé pour renforcer le procédé Sabatier et l’eau peut être recyclée pour une électrolyse ultérieure. La production, le stockage et la combustion du méthane recyclent les produits de réaction.

Le CO2 a une valeur économique en tant que composant d’un vecteur de stockage d’énergie et non en tant que coût, comme dans le captage et le stockage du carbone.

Pouvoir liquide
L’alimentation en liquide est semblable à l’énergie en gaz. Cependant, l’hydrogène produit par électrolyse à partir de l’énergie éolienne et solaire n’est pas converti en gaz tels que le méthane, mais en liquides, tels que le méthanol. Le méthanol est plus facile à manipuler que les gaz et nécessite moins de mesures de sécurité que l’hydrogène. Il peut être utilisé pour le transport, y compris les avions, mais aussi à des fins industrielles ou dans le secteur de l’énergie.

Biocarburants
Divers biocarburants tels que le biodiesel, l’huile végétale, les carburants à base d’alcool ou la biomasse peuvent remplacer les combustibles fossiles. Divers procédés chimiques peuvent convertir le carbone et l’hydrogène présents dans le charbon, le gaz naturel, la biomasse végétale et animale et les déchets organiques en hydrocarbures courts, pouvant remplacer les combustibles hydrocarbonés existants. Les exemples sont le diesel Fischer – Tropsch, le méthanol, le diméthyléther et le gaz de synthèse. Cette source de diesel a été largement utilisée lors de la Seconde Guerre mondiale en Allemagne, qui n’a eu qu’un accès limité aux approvisionnements en pétrole brut. L’Afrique du Sud produit la majeure partie de son diesel à partir de charbon pour des raisons similaires. Un prix du pétrole à long terme supérieur à 35 USD / bar pourrait rendre rentables des carburants liquides synthétiques à grande échelle.

Aluminium
L’aluminium a été proposé comme méthode de stockage d’énergie par plusieurs chercheurs. L’équivalent électrochimique en volume de l’aluminium (8,04 Ah / cm3) est presque quatre fois supérieur à celui du lithium (2,06 Ah / cm3). L’énergie peut être extraite de l’aluminium en le faisant réagir avec de l’eau pour générer de l’hydrogène. Cependant, pour réagir avec l’eau, l’aluminium doit être débarrassé de sa couche d’oxyde naturel, processus qui nécessite une pulvérisation, des réactions chimiques avec des substances caustiques ou des alliages. Le sous-produit de la réaction permettant de créer de l’hydrogène est l’oxyde d’aluminium, qui peut être recyclé en aluminium avec le procédé de Hall – Héroult, ce qui rend la réaction théoriquement renouvelable. Si le procédé Hall-Heroult utilise l’énergie solaire ou éolienne, l’aluminium pourrait être utilisé pour stocker l’énergie produite avec un rendement supérieur à celui de l’électrolyse solaire directe.

Bore, silicium et zinc
Le bore, le silicium et le zinc ont été proposés comme solutions de stockage d’énergie.

Autre produit chimique
Le composé organique norbornadiène se transforme en quadricyclane lors de l’exposition à la lumière, stockant l’énergie solaire sous forme d’énergie des liaisons chimiques. Un système de travail a été développé en Suède en tant que système thermique solaire moléculaire.

Méthodes électriques

Condensateur
Un condensateur (à l’origine appelé «condensateur») est un composant électrique passif à deux bornes utilisé pour stocker de l’énergie électrostatiquement. Les condensateurs pratiques varient beaucoup, mais ils contiennent tous au moins deux conducteurs électriques (plaques) séparés par un diélectrique (c’est-à-dire un isolant). Un condensateur peut stocker de l’énergie électrique lorsqu’il est déconnecté de son circuit de charge. Il peut donc être utilisé comme une batterie temporaire ou comme tout autre type de système de stockage d’énergie rechargeable. Les condensateurs sont couramment utilisés dans les appareils électroniques pour maintenir l’alimentation pendant le changement de batterie. (Cela évite les pertes d’informations dans la mémoire volatile.) Les condensateurs conventionnels fournissent moins de 360 ​​joules par kilogramme, alors qu’une batterie alcaline classique a une densité de 590 kJ / kg.

Les condensateurs emmagasinent de l’énergie dans un champ électrostatique entre leurs plaques. Compte tenu de la différence de potentiel entre les conducteurs (par exemple, lorsqu’un condensateur est fixé sur une batterie), un champ électrique se développe sur le diélectrique, provoquant la collecte d’une charge positive (+ Q) sur une plaque et d’une charge négative (-Q) sur l’autre assiette. Si une batterie est attachée à un condensateur pendant une durée suffisante, aucun courant ne peut circuler à travers le condensateur. Cependant, si une tension d’accélération ou alternative est appliquée sur les conducteurs du condensateur, un courant de déplacement peut circuler. Outre les plaques de condensateur, la charge peut également être stockée dans une couche diélectrique.

La capacité est plus grande étant donné une séparation plus étroite entre les conducteurs et lorsque les conducteurs ont une plus grande surface. En pratique, le diélectrique entre les plaques émet une faible quantité de courant de fuite et possède une limite d’intensité de champ électrique, appelée tension de claquage. Cependant, l’effet de la récupération d’un diélectrique après une panne haute tension est prometteur pour une nouvelle génération de condensateurs à régénération automatique. Les conducteurs et les conducteurs introduisent une inductance et une résistance indésirables.

La recherche évalue les effets quantiques des condensateurs nanométriques pour les batteries quantiques numériques.

Magnetique supraconducteur
Les systèmes de stockage d’énergie magnétique supraconducteurs (SMES) stockent de l’énergie dans un champ magnétique créé par le flux de courant continu dans une bobine supraconductrice qui a été refroidie à une température inférieure à sa température critique supraconductrice. Un système SMES typique comprend une bobine supraconductrice, un système de climatisation et un réfrigérateur. Une fois la bobine supraconductrice chargée, le courant ne décroît pas et l’énergie magnétique peut être stockée indéfiniment.

L’énergie stockée peut être libérée sur le réseau en déchargeant la bobine. L’onduleur / redresseur associé génère environ 2 à 3% de perte d’énergie dans chaque sens. Les PME perdent le moins d’électricité dans le processus de stockage d’énergie par rapport aux autres méthodes de stockage d’énergie. Les systèmes SMES offrent une efficacité aller-retour supérieure à 95%.

En raison des besoins en énergie de la réfrigération et du coût du fil supraconducteur, SMES est utilisé pour un stockage de courte durée, tel que l’amélioration de la qualité de l’énergie. Il a également des applications dans l’équilibrage du réseau.

Applications

Moulins
Avant la révolution industrielle, l’application classique était le contrôle des voies navigables pour faire fonctionner les moulins à eau destinés à la transformation du grain ou à l’alimentation des machines. Des systèmes complexes de réservoirs et de barrages ont été construits pour stocker et libérer l’eau (et l’énergie potentielle qu’elle contient) en cas de besoin.

Stockage d’énergie domestique
Le stockage d’énergie domestique devrait devenir de plus en plus courant compte tenu de l’importance croissante de la production décentralisée d’énergies renouvelables (en particulier du photovoltaïque) et de la part importante de la consommation d’énergie dans les bâtiments. Le stockage de l’énergie est nécessaire pour dépasser une autonomie de 40% dans un ménage équipé de systèmes photovoltaïques. De nombreux fabricants produisent des systèmes de batteries rechargeables pour stocker l’énergie, généralement pour conserver le surplus d’énergie provenant de la production solaire / éolienne domestique. Aujourd’hui, pour le stockage d’énergie domestique, les batteries Li-ion sont préférables aux batteries au plomb, en raison de leur coût similaire mais de leurs performances bien meilleures.

Tesla Motors produit deux modèles de Tesla Powerwall. L’une est une version à cycle hebdomadaire de 10 kWh pour les applications de sauvegarde et l’autre, une version à 7 kWh pour les applications à cycle quotidien. En 2016, une version limitée du Telsa Powerpack 2 coûtait 398 USD / kWh pour stocker de l’électricité à une valeur de 12,5 cents / kWh (prix moyen du réseau aux États-Unis), rendant le retour sur investissement positif douteux si les prix de l’électricité ne dépassaient pas 30 cents / kWh.

Enphase Energy a annoncé un système intégré permettant aux utilisateurs à domicile de stocker, surveiller et gérer l’électricité. Le système stocke 1,2 kWh d’énergie et une puissance de sortie de 275W / 500W.

Stocker l’énergie éolienne ou solaire en utilisant le stockage d’énergie thermique, bien que moins flexible, coûte considérablement moins cher que les batteries. Un simple chauffe-eau électrique de 52 gallons peut stocker environ 12 kWh d’énergie pour compléter l’eau chaude ou le chauffage.

À des fins purement financières, dans les zones où la facturation nette est disponible, l’électricité générée à la maison peut être vendue au réseau via un onduleur réseau sans utilisation de batteries pour le stockage.

Réseau électrique et centrales électriques

Stockage d’énergie renouvelable
Les barrages hydroélectriques constituent la source la plus importante et le plus important réservoir d’énergie renouvelable. Un grand réservoir derrière un barrage peut stocker suffisamment d’eau pour faire la moyenne du débit annuel d’une rivière entre les saisons sèches et humides. Un très grand réservoir peut stocker suffisamment d’eau pour calculer le débit moyen d’une rivière entre les années sèches et humides. Bien qu’un barrage hydroélectrique ne stocke pas directement de l’énergie provenant de sources intermittentes, il équilibre le réseau en diminuant sa production et en retenant son eau lorsque l’énergie solaire ou éolienne est générée. Si la production éolienne ou solaire dépasse la capacité hydroélectrique de la région, une source d’énergie supplémentaire sera nécessaire.

De nombreuses sources d’énergie renouvelables (notamment l’énergie solaire et éolienne) produisent une énergie variable. Les systèmes de stockage peuvent compenser les déséquilibres entre l’offre et la demande qui en découlent. L’électricité doit être utilisée telle qu’elle est générée ou convertie immédiatement en formes stockables.

La principale méthode de stockage sur réseau électrique est l’hydroélectricité à stockage pompé. Des régions du monde telles que la Norvège, le Pays de Galles, le Japon et les États-Unis ont utilisé des caractéristiques géographiques élevées pour les réservoirs, en utilisant des pompes à alimentation électrique pour les remplir. Lorsque cela est nécessaire, l’eau passe à travers des générateurs et convertit le potentiel gravitationnel de la chute d’eau en électricité. Le stockage par pompage en Norvège, qui tire presque toute son électricité de l’hydroélectricité, a actuellement une capacité de 1,4 GW, mais dans la mesure où la capacité totale installée est de 32 GW et dont 75% est régulable, elle peut être considérablement étendue.

Parmi les formes de stockage produisant de l’électricité figurent les barrages hydroélectriques à accumulation par pompage, les batteries rechargeables, le stockage thermique comprenant des sels fondus capables de stocker et de libérer efficacement de très grandes quantités d’énergie thermique, le stockage d’énergie par air comprimé, les volants d’inertie, les systèmes cryogéniques et les bobines magnétiques supraconductrices.

L’énergie excédentaire peut également être convertie en méthane (procédé sabatier) avec stockage dans le réseau de gaz naturel.

En 2011, la Bonneville Power Administration, dans le nord-ouest des États-Unis, a créé un programme expérimental visant à absorber les excès d’énergie éolienne et hydroélectrique générés pendant la nuit ou lors de périodes orageuses accompagnées de vents violents. Sous contrôle central, les appareils électroménagers absorbent le surplus d’énergie en chauffant des centaines de degrés de briques en céramique dans des appareils de chauffage autonomes et en augmentant la température des réservoirs de chauffe-eau modifiés. Une fois rechargés, les appareils fournissent le chauffage domestique et l’eau chaude au besoin. Le système expérimental a été créé à la suite d’une violente tempête de 2010 qui a provoqué une surproduction d’énergie renouvelable dans la mesure où toutes les sources d’énergie classiques ont été fermées ou, dans le cas d’une centrale nucléaire, ramenées à leur niveau de fonctionnement le plus bas possible, ce qui a laissé un grand risque. zone fonctionnant presque entièrement sur les énergies renouvelables.

Une autre méthode avancée utilisée dans l’ancien projet Solar Two aux États-Unis et dans la tour solaire Solar Tres en Espagne utilise du sel fondu pour stocker l’énergie thermique capturée par le soleil, puis la convertir et l’envoyer sous forme d’énergie électrique. Le système pompe le sel fondu à travers une tour ou d’autres conduits spéciaux chauffés au soleil. Les réservoirs isolés stockent la solution. L’électricité est produite en transformant l’eau en vapeur alimentant les turbines.

Depuis le début du XXIe siècle, les batteries ont été mises au service de la mise à niveau et de la régulation de la fréquence des équipements.

Dans le stockage de véhicule à réseau, les véhicules électriques branchés au réseau d’énergie peuvent, au besoin, acheminer l’énergie électrique stockée de leurs batteries dans le réseau.

Climatisation
Le stockage d’énergie thermique (TES) peut être utilisé pour la climatisation. Il est le plus largement utilisé pour le refroidissement de grands bâtiments individuels et / ou de groupes de bâtiments plus petits. Les systèmes de climatisation commerciaux sont les principaux contributeurs aux charges électriques de pointe. En 2009, le stockage thermique était utilisé dans plus de 3 300 bâtiments dans plus de 35 pays. Cela fonctionne en créant de la glace la nuit et en utilisant la glace pour se refroidir pendant les périodes de jour les plus chaudes.

La technique la plus populaire est le stockage de la glace, qui nécessite moins d’espace que l’eau et coûte moins cher que les piles à combustible ou les volants d’inertie. Dans cette application, un refroidisseur standard fonctionne la nuit pour produire une pile de glace. L’eau circule ensuite dans la pile pendant la journée pour refroidir l’eau qui serait normalement la sortie du refroidisseur.

Un système de stockage partiel minimise les investissements en faisant fonctionner les refroidisseurs presque 24 heures par jour. La nuit, ils produisent de la glace pour le stockage et pendant la journée, ils refroidissent l’eau. L’eau qui circule dans la glace en fusion augmente la production d’eau glacée. Un tel système produit de la glace 16 à 18 heures par jour et la fait fondre six heures par jour. Les dépenses en capital sont réduites car les refroidisseurs ne peuvent représenter que 40 à 50% de la taille requise pour une conception conventionnelle sans stockage. Un stockage suffisant pour stocker une demi-journée de chaleur disponible est généralement suffisant.

Un système de stockage complet ferme les refroidisseurs pendant les heures de pointe. Les coûts d’investissement sont plus élevés, car un tel système nécessite de plus grands refroidisseurs et un plus grand système de stockage de glace.

Cette glace est produite lorsque les tarifs des services d’électricité sont moins élevés. Les systèmes de refroidissement hors pointe peuvent réduire les coûts énergétiques. Le US Green Building Council a mis au point le programme LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) pour encourager la conception de bâtiments à impact environnemental réduit. Le refroidissement en période creuse peut aider à obtenir la certification LEED.

Le stockage thermique pour le chauffage est moins courant que pour le refroidissement. Un exemple de stockage thermique est le stockage de la chaleur solaire pour le chauffage nocturne.

La chaleur latente peut également être stockée dans des matériaux à changement de phase technique (PCM). Ceux-ci peuvent être encapsulés dans des panneaux de mur et de plafond, pour modérer les températures ambiantes.

Transport
Les hydrocarbures liquides sont les formes de stockage d’énergie les plus couramment utilisées dans les transports, suivis de l’utilisation croissante des véhicules électriques à batterie et des véhicules électriques hybrides. D’autres sources d’énergie telles que l’hydrogène peuvent être utilisées pour éviter la production de gaz à effet de serre.

Les systèmes de transport public tels que les tramways et les trolleybus nécessitent de l’électricité, mais du fait de la variabilité de leurs mouvements, un approvisionnement régulier en électricité via des énergies renouvelables est un défi. Les systèmes photovoltaïques installés sur les toits des bâtiments peuvent être utilisés pour alimenter les systèmes de transport en commun pendant les périodes de demande croissante en électricité et d’accès à d’autres formes d’énergie difficiles à obtenir.

Électronique
Les condensateurs sont largement utilisés dans les circuits électroniques pour bloquer le courant continu tout en laissant passer le courant alternatif. Dans les réseaux de filtres analogiques, ils lissent la sortie des alimentations. Dans les circuits résonnants, ils accordent les radios à des fréquences particulières. Dans les systèmes de transmission d’énergie électrique, ils stabilisent la tension et le flux d’énergie.