Stockage de l'énergie électrique

Ce système de stockage repose sur le principe physique qui consiste à emmagasiner de l’énergie cinétique en faisant tourner à très grande vitesse une masse autour d’un axe. Le volant d’inertie est accéléré ou freiné par un moteur-générateur électrique qui permet ainsi d’effectuer les charges et décharges du système. Pour éviter les frottements, les parties tournantes sont guidées par des paliers souvent magnétiques. L’ensemble du système est logé dans une enceinte de confinement sous basse pression, afin de limiter les pertes aérodynamiques sources d’auto-décharge. Les volants d’inertie sont principalement utilisés dans le stockage stationnaire pour répondre à des demandes de puissance importantes sur de courtes durées. Ce type de stockage est aussi testé dans le domaine du transport sur rails.

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III.1 . Lister les avantages et inconvénients de cette technologie

III.2 . Exercice d'application:     Centrale de régulation électrique à stockage inertiel de Stephentown (état de New York - USA)

L'énergie est stockée sous forme d'énergie cinétique sur un disque lourd  qui tourne à la vitesse de 8 000 à 16 000 tours par minute. Le système de stockage inertiel se veut aussi efficace, car il serait en mesure de restituer environ 85% de l'énergie emmagasinée.
Le concept de volant d'inertie appliqué au stockage et à la régulation de l'énergie n'est pas nouveau, mais celui développé par Beacon utilise les matériaux les plus récents et les plus solides comme la fibre de carbone. En effet, de plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra résistants pour résister à l'éclatement et éviter les effets explosifs.
"Un des gros avantages du stockage d'énergie par inertie, au-delà du fait qu'il n'y a pas d'émissions de CO2, est sa réponse rapide", affirme Gene Hunt, le porte-parole du groupe. "Il répondra en quelques secondes." Le système mis au point par Beacon Power est également évolutif. Par exemple, 10 volants d'inertie (250 kWh) reliés entre eux représentent l'équivalent d'1 MW de puissance.

Un volant d'inertie moderne est constitué d'une masse (anneau ou tube) en fibre de carbone entraînée par un moteur électrique. L'apport d'énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (entre 8000 et 16000 tour/min pour le modèle ci-contre) en quelques minutes. Une fois lancée, la masse continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente.

L'énergie est alors stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique, elle pourra ensuite être restituée instantanément en utilisant le moteur comme génératrice électrique, entraînant la baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie.  Le système est monté sur roulements magnétiques et confiné sous vide dans une enceinte de protection afin d'optimiser le rendement du dispositif (temps de rotation en limitant les frottements mécaniques) et ainsi prolonger la durée de stockage.

Principe :

- En charge, le convertisseur pilote la machine électrique de sorte qu’elle fonctionne en moteur, le volant est accéléré, il emmagasine donc de l’énergie.

- En décharge, le convertisseur pilote la machine électrique de sorte qu’elle fonctionne en générateur, le volant est freiné, l’énergie est restituée au réseau électrique.

Formule d'énergie cinétique d'un volant d'inertie :                 W = 1/2 J Ω2          avec J = 1/2 m r2 pour un cylindre en rotation                                J : moment d'inertie en kg . m²                                m : masse en kg                                r : rayon en mètre

 

Principe de la pile à combustible cliquer ici ou ci-dessous

Les trois étapes du processus de stockage par le vecteur hydrogène sont : l’électrolyse de l’eau, le stockage de l’hydrogène produit et la pile à combustible.

- Tout d’abord la production d’hydrogène lors des périodes creuses grâce à la décomposition de l’eau par électrolyse.

  L’apport d’électricité permet à l’électrolyseur de décomposer l’eau H20 en oxygène et hydrogène. (H20 → H2 + ½ 02).

- Ensuite l’hydrogène est stocké dans un réservoir sous forme gazeuse, liquide ou solide.

- Il est enfin re transformé dans une pile à combustible. Selon la réaction inverse de l’électrolyse, l’hydrogène s’associe avec l’oxygène (les ions traversent une membrane tandis que les électrons circulent dans un circuit créant un courant électrique), la réaction ne rejette que de l’eau et de la chaleur.

Avantages:

- Produit par électrolyse à partir d'une grande variété d'énergie comme éolien, photovoltaïque, nucléaire, d'hydrocarbures....

- Produit de l'eau pendant la combustion.

- Très forte densité énergétique rapporté à la masse (ex: 120 MJ / kg comparé à 55 MJ / kg au gaz naturel)

Inconvénients:

- Production de CO2 lors de la transformation

- Rendement faible

- Coût d'investissement élevé

Projet Myrte: Voir la vidéo cliquer ici ou visualisez là ci-dessous:

Le stockage par chaleur sensible a fait ses preuves depuis des milliers d’années. Il s’agit par exemple du simple fait de poser une pierre près d’un feu, de la déplacer et de profiter de la chaleur qu’elle restitue dans le temps. C’est aussi le principe que l’on retrouve dans l’utilisation d’un ballon d’eau chaude ou d’une simple bouillote. Dans le cas d’une centrale thermodynamique, il s’agit de stocker la chaleur emmagasinée au cours de la journée d’ensoleillement. Le fluide caloporteur (qui transporte la chaleur) circule jusqu’à un échangeur thermique relié à deux réservoirs de sels fondus. Les sels fondus froids passent à travers l’échangeur et emmagasinent à leur tour la chaleur du fluide, ils sont ensuite stockés dans un réservoir de sels chauds. Au coucher du soleil, le circuit s’inverse et les sels chauds circulent, à travers l’échangeur, vers le réservoir à sels froids. La chaleur est ainsi cédée au fluide caloporteur (autour de 500°) et permet d’alimenter une turbine pour produire de l’électricité.

V.Exercices d'application:     Centrale solaire Andasol (Espagne)

Andasol 1 est la plus puissante centrale solaire thermodynamique d'Europe en 2008. Elle est située près de Guadix en Andalousie (Espagne). La centrale a démarré en novembre 2008. Elle génère une puissance-crête de 50 MWc (150 MW avec les extensions Andasol 2 et 3) et sa production est de 175 à 180 GW.h d'énergie électrique par an. Construite sur un site privilégié à 1 100 mètres d'altitude, elle bénéficie d'un climat semi-aride qui se traduit par une insolation directe de 2 200 kWh/m2/an. Les 625 collecteurs solaires occupent plus de 510 000 m2 de surface, la centrale occupant au total 195 hectares (ce qui fait une densité de puissance moyenne prévue pour la centrale de 10 W/m2). La chaleur est transférée vers un fluide caloporteur constitué d'un mélange de sels fondus composé de 60 % de nitrate de sodium et de 40 % de nitrate de potassium atteignant une température de 392 °C. Un circuit secondaire est utilisé pour le transfert la chaleur vers un générateur de vapeur haute pression. La vapeur produite est dirigée vers un groupe turbine + alternateur.

Andasol 1 est équipé d'une unité de stockage thermique qui absorbe une partie de la chaleur produite durant la journée afin de la restituer la nuit ou durant les périodes nuageuses1, doublant ainsi pratiquement le nombre d'heures opérationnelles dans le cours d'une année. Le réservoir thermique plein représente une réserve de 880 MW.h de chaleur, soit une réserve suffisante pour actionner la turbine durant 7,5 heures à pleine charge lorsqu'il pleut ou après le coucher du soleil. Les capacités thermiques consistent en 2 réservoirs de 38 mètres de diamètre sur 13 m de haut, stockant 25 000 tonnes de sels.

Principe:

Le principe repose sur l’utilisation d’un réactif (bromure de strontium pour des installations dans l’habitat), stocké dans une cuve. En période estivale, l’eau chaude apportée par le système solaire combiné va céder sa chaleur à l’air apporté de l’extérieur via l’échangeur eau-air. Cet air chaud va ensuite permettre d’assécher le réactif. Le réactif peut être conservé sec pendant plusieurs mois. En période hivernale, le circuit est inversé, l’air extérieur frais et humide circule à travers le réactif qui, en se réhumidifiant, va dégager de la chaleur grâce à une réaction chimique exothermique. L’air ainsi chauffé (autour de 70°C) passe dans l’échangeur et cède sa chaleur à l’eau qui va circuler jusqu’au ballon et permettre une utilisation sanitaire.

Le principe du stockage via des matériaux à changement de phase (MCP) consiste à utiliser des matériaux qui passent d’un état solide à liquide lors d’un apport de chaleur. Par exemple, la paraffine. Placée dans une cuve de stockage sous forme solide à température ambiante, elle est traversée par des tuyaux en cuivre dans lesquels circule de l’eau. Lorsque l’eau chaude arrive, la paraffine se réchauffe et passe de la forme solide à liquide. A l’inverse, la paraffine va céder sa chaleur en se resolidifiant si c’est de l’eau froide (autour de 15°C) qui circule dans le tube.

Une installation classique consiste à mettre le MCP dans un grand réservoir au milieu duquel passent des tubes pour transporter le fluide caloporteur. Le MCP et le fluide peuvent être différents suivant la production de chaleur qui lui est associée, et donc la température ou quantité de chaleur que l’on souhaite stocker.

L'énergie est stockée par l'intermédiaire d'un courant électrique envoyé dans une bobine constituée d'un fil supraconducteur. Une fois la bobine court-circuitée (fermée), le courant circule sans perte d’énergie car il n’y a pas de frottement (les électrons circulent en continu). Il y a alors production d’un champ magnétique dans les bobines. L'énergie est donc stockée dans la bobine sous une forme magnétique et électrique, et peut être récupérée dans un très court laps de temps. Les rendements peuvent être très élevés et les principales pertes sont localisées dans les connexions et dans le convertisseur électronique de puissance. Le rendement instantané en puissance peut dépasser les 95%.

Le supercondensateur est un moyen de stocker l’énergie sous forme électrostatique. Il est constitué de 2 électrodes poreuses, généralement en carbone activé, plongées dans un électrolyte liquide et séparées par un séparateur laissant circuler les ions mais pas les électrons.

L’interaction des électrodes et de l’électrolyte entraîne l’apparition spontanée d’une accumulation de charges aux interfaces, on parle de formation d’une double couche électrochimique : une couche de charges positives et une couche de charge négatives, l’ensemble étant électriquement neutre.

Les plus gros supercondensateurs ont été développés majoritairement pour une utilisation dans le domaine des transports.

Exercice: