Nouveaux systèmes de stockage d’électricité.

Nouveaux systèmes de stockage d’électricité

Les batteries, c’est pas top, mais il existe pleins de systèmes de stockages, ou au moins d’idées pour faire mieux. Ce document à donc pour but de vous faire découvrir 3 technologies de stockage d’électricité alternatives aux batteries.

1 – Les défauts des batteries

a) Utilisation

Jusqu’à aujourd’hui, le stockage d’électricité va presque exclusivement de paire avec les batteries, il en existe de nombreux types répartis sur le marché de la façons suivante (en 2009).

Les batteries lithium-ion sont notamment utilisées pour les smartphones ou plus largement pour tous les petits appareils rechargeables. Elles ont le meilleur rapport poids – énergie.
Les plomb-acide (gros truc carré) ou simplement batteries au plomb sont plutôt utilisées pour les machines comme les démarreurs de voiture.

b) Fonctionnement

A titre indicatif, une batterie est pour faire vite, une boite dans laquelle une
réaction chimique est produite lorsqu’on la charge, cette réaction est réversible, et
produit dans l’autre sens de électricité.
Pour plus de précisions, demandez à Jamy :
https://www.youtube.com/watch?v=EDRDrT8zSHA

c) Les défauts

Alors, où est le problème ? Tout d’abord, les batteries se déchargent toutes
seules avec le temps (pas beaucoup, 10% par mois pour les Li-ion). Mais en
réalité en s’en fout un peu, aucun système n’est parfait et cette caractéristique est
négligeable pour la plupart des usages.

Maintenant, imaginez ce petit scénario. Nous arrivons en 2050 en ayant par
miracle évité un effondrement économique et industriel trop conséquent, nous avons enfin décarboné complètement l’électricité et la société en général. Même le nucléaire (qui malgré tout le bien que j’ai pu en dire est fossile), à été remplacé par des systèmes de production renouvelables. Comme vous le savez, les éoliennes ne marchent pas sans vent, les panneaux photovoltaïques pas la nuit et les barrages pas tout le temps et en montagne ou sur les fleuves seulement. Comment vont donc faire les habitants de la Beauce pour s’éclairer en cette agréable soirée de noël ou le vent n’est pas ?

Ils auront besoin de stocker l’énergie de la journée pour l’utilisée durant la soirée, où bien celle des jours venteux pour les périodes plus calmes. Avec des batterie, voilà ce que cela couterai.

Je vais calculer avec les données passées puisque je ne trouve bizarrement pas celles du futur.

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La consommation française est de :
415 325 milliards Wh / 365,25 jours = 1 137,1 milliard Wh/jour. Je pense qu’une réserve d’un jour serait vraiment un minimum pour gérer les fluctuation naturelles de production et humaines de consommation.

Avec la densité énergétique (max. 265 Wh/kg) du lithium, il faudrait /
1 137,1 milliards / 265 = 4 291 millions kg de lithium, soit 4 291 000 tonnes.
Ou encore, (100 x 4,291) / 25,5 = 16,8 % des réserves mondiales. (La
population française correspond à 0,86% de la population mondiale)

Je rappelle quand même que tous ces calculs sont des estimations assez
grossières pour vous faire prendre conscience de l’impasse qui s’oppose à mon petit scénario, de plus l’aspect écologique des batteries est largement discutable quand on parle de l’extraction notamment.

Bien que plutôt belles, ces zones d’exploitation (ici au Chili) détruisent la
biodiversité et les écosystèmes où ils sont implantés, en plus de contaminer
l’environnement proche. L’extraction de lithium est aussi très énergivore.
Nous voilà au point où je voulais en venir, ils nous faut absolument d’autres
moyens de stocker notre électricité à grande échelle.

2 – Le pompage hydro-électrique

Aussi appelé pompage-turbinage, la technique est vraiment simple, lorsqu’on à de l’électricité, elle est utilisée pour amener l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. Quand la demande d’électricité est de nouveau présente, l’installation fonctionne comme un barrage hydro-électrique classique et produit de l’électricité.

En fait, la technologie est tellement simple qu’elle est déjà utilisée dans quelques endroits comme en ci-dessus en Espagne à Cortes. J’ai choisi cet exemple car il est très visuel, mais en vérité énormément de barrages utilisent cette technologie, par ailleurs un barrage hydroélectrique qui n’est pas sur un fleuve et donc qui à un bassin ne peut pas fonctionner en permanence, puisque le bassin supérieur doit se remplir. La technique du pompage – turbinage semble donc être une façons intelligente d’utiliser ces structures.

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Notons aussi la possibilité d’installer ce genre de structures sur le littoral (eau de mer) pour gérer la variabilité de production des éoliennes maritimes ou même éventuellement des marémotrices.
Il y à quand même quelques problèmes avec ce système, notamment son
rendement, qui n’est pas vraiment haut, de 70 à 85%.

Pour en revenir à notre scénario du début, cette technologie est plutôt très
adaptée, puisque la capacité de stockage est assez conséquente et peut donc servir pour des milliers de foyers en même temps, et pour réguler plusieurs mode de production différents.

En revanche, le pompage turbinage ne concurrence pas du tout les batteries sur leurs usages actuels. Mais surtout, on ne peut pas construire ces structures de partout, la moitié Nord – Ouest de la France à l’exception peut être du littoral breton et normand n’offre pas beaucoup de relief pour implanter ce genre de structures.

Comme souvent, la solution sera la diversité.

3 – Stockage par volant d’inertie

a) Fonctionnement

Les volants d’inertie sont, pour ceux qui ne le savent pas, de gros cylindres assez lourd qui tournent sur eux même. A l’heure actuelle, ils sont utilisés dans certains blocs moteurs pour lisser le couple de par leur forte inertie, bref.

Le principe du système de stockage qui utilise cet élément est, encore une fois, simple. Quand on à un excédant d’électricité, le moteur réversible se met en marche et met donc en mouvement le volant d’inertie. Grace à sa masse, le volant tournera à haute vitesse pendant très longtemps. Quand ensuite la demande en électricité supérieure à la production, le moteur sert de générateur et récupère l’électricité en ralentissant peu à peu le volant.

Evidement en conditions normales, le volant perdrait vite de sa vitesse de rotation à cause des différents frottements. C’est pour cette raison que l’ensemble du système se trouve dans chambre à vide, pour quasiment annuler les frottements de l’air sur le volant. L’arbre est lui maintenue par des roulements magnétiques, qui provoque beaucoup moins de frottements que des roulements à bille
classiques.

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b) Application

Ce système peut donc être utilisé par exemple à proximité des centrales photovoltaïques où il pourrait remplir le même rôle que les barrages vus précédemment dans les zones ou leur installation est impossible.

Cependant, restons critiques, bien que le rendement énergétique du système soit très élevé (97% pour la charge + décharge), le vide n’est jamais vraiment vide et les roulement jamais parfaits, de ce fait, le volant perdra environ 20 % de son énergie cinétique en 2 jours. Ceci représente en fait une perte colossale à l’échelle d’une ville par exemple. C’est là le principal problème de ce système, pour le pompage – turbinage, l’eau reste où on la met, plusieurs semaines si il le faut. Les volants d’inertie ne sont pour l’instant pas capables de tenir aussi longtemps.

Mais alors pour un particulier ?

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Dans les régions ensoleillées, le besoin en stockage d’énergie pour un particulier ayant des panneaux photovoltaïques est, dons la majorité des cas, d’avoir de l’électricité la nuit. Je rappelle au passage que même par temps nuageux, les panneaux fonctionnent mais simplement (un peu) moins bien. Donc, je pense qu’un volant d’inertie serait très bien adapté à un usage particulier. Bon, vous avez peut être vu que le coup d’une tel machine est assez élevé.

Vous vous demandez peut-être si ce genre de système est envisageable pour
remplacer les batteries d’une voiture électrique. Premièrement, plus un volant est petit (léger), plus il s’arrête vite, l’autonomie devient alors un véritables problème. Et, j’imagine personnellement que l’effet gyroscopique énorme produit par les volants peut poser des problèmes de comportement sur les systèmes mobiles que sont les voitures.

4 – Stockage par air comprimé

a) Fonctionnement

wow je m’améliore en graphisme !

Le principe est très simple (quel plaisir), l’électricité produite en surplus de la demande alimente un compresseur d’air qui rempli soit une cavité géologique (ci-dessus) pour les versions à grande échelle, soit une bombonne d’air (photo plus loin) pour les versions plus petites. Ensuite, quand c’est nécessaire, une vanne s’ouvre, et l’air passe par une turbine qui donc produit de l’électricité avant de l’injectée dans le réseau ou dans le système en question.

b) Application

A petite échelle, le système est quelque fois utilisé, notamment comme système de secours en cas de coupure électrique par exemple. C’est le cas de cette bombonne du métro parisien.

Bon, ce système à des avantages conséquents. Notamment le fait qu’on peut y laisser l’énergie pour des années si nécessaire… Mais ce n’est pas vraiment ce que nous recherchons ici. Un autre avantage est la diversité de tailles envisageables. Un barrage doit être immense, un volant d’inertie massif, mais une bombonne peut avoir des formats vraiment variables.

Les deux meilleures utilisations de ce système me semblent être le système de secours comme ci dessus, mais de façons plus intéressante peut être, les bonbonnes pourraient remplacer les batteries de voitures thermiques, si elles sont suffisamment sécurisées.

A part ça, je pense manquer de données pour construire une critique sur une utilisation à grande échelle de l’air comprimé.

5 – Les autres

La liste ci-dessus est loin d’être exhaustive, cependant, je ne vais pas détailler les autres systèmes découverts pendant mes recherches, puisqu’ils me semblent nettement moins efficaces et simples, notamment par leur aspect « high-tech » qui me semblent assez déconnecté des objectifs recherchés ici, et des contraintes futures.

Comme le but n’est pas pour autant de cacher des informations, ce qui serait malhonnête, voici les systèmes en question.

D’une par, le stockage dans un champ magnétique supraconducteur qui
fonctionne grâce à la résistance nulle de certains matériaux très froids (0 kelvin pour les premières versions, et plus pour les autres). Des versions
expérimentales ont fonctionné.

Enfin, les supercapacitors sont en gros des batteries mais en mieux.

6 – Conclusion

Je trouve qu’en arrivant à la fin de ce document, on trouve un résultat assez
satisfaisant.

Le pompage-turbinage sera utile à l’échelle des communauté pouvant être assez large si les conditions géographiques s’y prêtent.

Les volants d’inertie pourront eux être disponibles de partout pour un usage particulier notamment.

Enfin, le stockage par air comprimé pourra s’il se développe bien servir de
complément à ces deux choses.

Par ailleurs, si vous êtes comme moi déçu de ne pas avoir vu ici une solution complètement satisfaisante pour les voitures électriques, vous le serez moins le mois prochain, puisque nous traiterons du « moteur hydrogène ».

Document réalisé par Pierre Courtois.

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