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LES DÉFIS DU STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ

Christian Guyard
LES DÉFIS DU STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ

Chaque conteneur, Smart Energy Matrix, de Beacon regroupe 10 unités de stockage par volant d'inertie. Il peut fournir 2,5 MW sur 5 minutes.

© M. Fourmy / Réa ; D.R.

- La montée en puissance des énergies renouvelables rend encore plus critique le délicat équilibre des grands réseaux électriques. D'où l'impérieuse nécessité du développement de solutions de stockage.

Les activités domestiques et industrielles se sont habituées à une disponibilité immédiate d'énergie électrique : on appuie sur le bouton et hop, ça démarre. Sauf que, comme sur l'autoroute, il y a parfois des bouchons. En clair : l'effondrement du réseau. Ces dernières années le réseau européen a connu deux alertes sérieuses, dans le nord de l'Italie et la Suisse et en Allemagne.

Avec la montée en puissance de multiples opérateurs qui interviennent sur le réseau, de tels épisodes risquent de devenir plus fréquents. Mais il y a pire. Le développement des énergies renouvelables (solaire, éolien...), intermittentes par nature, menace le fragile équilibre des réseaux électriques. D'autant que ces sources d'énergie décentralisées ne participent pas en général à la gestion de la distribution. Les experts estiment ainsi qu'au-dessus de 20 à 30 % d'éolien dans un réseau, la gestion devient réellement complexe. Or, le Danemark avec ses 24,4 % installés (en fait 14 % au quotidien) ; l'Allemagne à près de 15 % (environ 5 % au quotidien) et l'Espagne à 14,1 % (7,9 % au quotidien) s'approchent déjà de cette zone dangereuse.

Stocker l'énergie durant les périodes creuses

Le problème est réel. Il existe une solution : des amortisseurs pour absorber les à-coups. Autrement dit des dispositifs de stockage transitoire. En matière électrique au niveau mondial, on estime à seulement 2,6 % la puissance de stockage du réseau par rapport à sa puissance de production. Tous les pays travaillent donc sur cette problématique en lançant des programmes de recherche qui touchent aussi bien au réseau électrique, aux productions variables (éolien, photovoltaïque) qu'au stockage thermique.

La réflexion porte sur une large échelle de besoins : de celui d'un pays voire d'un continent qui veut équilibrer son réseau électrique jusqu'au besoin ponctuel d'un simple point de consommation. La gestion de l'énergie à ces différentes échelles de temps et de puissance entre points de production et de consommation nécessite les moyens de stockage idoines d'accumulation d'énergie en périodes creuses de consommation et de restitution en période de consommation élevée. Cette nécessité de gestion constante de régimes transitoires entraîne même une certaine remise en cause du schéma énergétique actuel : les réseaux électriques sont dimensionnés pour la puissance crête alors que la puissance moyenne appelée est dix fois inférieure. Il serait donc pertinent de penser à différentes échelles et avec un réseau qui échange dans les deux sens !

L'équilibre du réseau est aujourd'hui réalisé à 200 ms près ; et pour réagir très vite, les gestionnaires de réseau savent utiliser l'inertie des alternateurs : une ligne d'arbres de 300 t tournant à 3 000 tr/min représente une réserve d'énergie conséquente. Freiner un peu correspondra à une légère baisse de fréquence du réseau mais permet d'injecter de l'énergie.

L'utilisation des volants d'inertie se développe

Pour aller plus loin, l'idée du stockage par volant d'inertie (et aussi du réglage de fréquence et de tension) se développe comme le prouvent les développements de Beacon aux États-Unis. La société propose des volants d'inertie réalisés en composite carbone tournant dans le vide sur des paliers magnétiques. Paliers magnétiques et vide réduisent les frottements. Le composite carbone autorise des vitesses de rotation élevée, plus de 20 000 tr/min, comparé à ce qui existe déjà (3 600 tr/min chez Powercorp par exemple). Cette vitesse élevée fait la différence car l'énergie stockée est proportionnelle à la masse en rotation et au carré de la vitesse. L'unité de stockage d'énergie constituée par le volant d'inertie et le moteur/ générateur est couplée à l'unité de gestion électronique d'énergie (entrée, sortie, contrôle de fréquence, etc.).

Beacon produit des unités standards capables de fournir 250 kW en continu sur 4 minutes. L'avantage d'une telle machine est sa durée de vie (annoncée pour vingt ans), sa propreté (pas de carburant ou d'électrolyte), son temps de réponse immédiat (moins de 5 ms) ; la densité d'énergie atteint 80 Wh/kg. Ces unités standards sont regroupées en modules de 10 unités en conteneur standard sous le nom de Smart energy matrix, capables de fournir 2,5 MW sur 5 minutes ou 1 MW sur 15 minutes. De quoi absorber une pointe de puissance. Le conditionnement en conteneur permet une mise en oeuvre très rapide et quelques installations commencent à fonctionner aux États-Unis. Une unité de 20 MW est déjà calculée. Beacon vient en outre d'annoncer un accord avec la Commission de l'énergie de Californie sur la fourniture de tels systèmes couplés à des éoliennes. Le projet de Tehachapi de 4 200 MW éolien sur les cinq ans à venir en Californie utilisera du stockage cinétique.

Autre manière de stocker l'énergie électrique sous forme potentielle, les chutes d'eau. En France, le barrage de Grand-Maison dans les Alpes joue ce rôle avec une puissance installée de 1 800 MW. L'eau est remontée la nuit dans le réservoir et sert à compenser les pointes de consommation. La vitesse de réponse est de l'ordre de la minute. On estime à 60 000 MW dans le monde cette capacité qui reste limitée en raison de la rareté des sites disponibles.

L'air comprimé au coeur de la recherche de GDF

« Une autre manière de stocker de l'énergie à grande échelle est la compression d'air à haute pression (250 bar) dans de grands volumes. Tous les grands turbiniers s'y intéressent », indique Jean-Paul Reich de la direction de la recherche de Gaz de France (GdF). La société, qui dispose d'une bonne expérience des grands réservoirs avec les stockages de gaz naturel souterrains, précise qu'elle poursuit des recherches dans ce sens. En utilisant le sous-sol on ne bute pas sur des problèmes de disponibilité de site même pour des puissances de l'ordre du gigawatt, avec des temps de stockage de plusieurs heures à quelques jours. « Gaz de France est présent sur toutes les énergies, gaz, pétrole et électricité, il est donc normal que nous nous intéressions aux systèmes de stockage car la volatilité des prix devient une source de richesse : il y a une réelle demande d'équilibrage et cela va créer un marché », dit Jean-Paul Reich. GdF lance ainsi un important programme de R&D sur les systèmes avancés de stockage par air comprimé (advanced CAES). « Dans les trois ans à venir il y aura des décisions d'investissement en matière de grosses installations de stockage d'énergie, en complément de solutions plus locales dans le cadre d'accompagnement de nos clients sur leurs investissements énergétiques. »

Si l'air est une matière première disponible sans problème, son utilisation pose toutefois des problèmes de rendement vu son caractère compressible : la compression génère de la chaleur qu'il faut conserver pour la restituer lors de la détente si l'on veut conserver un rendement de stockage intéressant. Cela demande donc des stockages à haute température et haute pression dans des couches géologiques adaptées (sel gemme) et des compresseurs et turbines adaptés. Deux projets expérimentaux se sont développés aux États-Unis (McIntosh 1991, 110 MW sur 26 heures pression 45 à 76 bar dans une cavité de 538 000 m3) et en Allemagne (Huntorf, 1978, 290 MW sur 2 heures, pression 50 à 70 bar dans deux cavités de 150 000 m3).

Les accumulateurs toujours à l'étude

Autre moyen de stockage électrique déjà pratiqué mais appelé à se développer : les batteries. Les accumulateurs au plomb permettent de gros stockages, jusqu'à plusieurs mégawatts disponibles sur quelques heures ; idem pour les batteries nickel cadmium moins sensibles à des décharges profondes. Les accumulateurs au lithium font l'objet de développement (programme européen Alistore dans le PCRD 6). D'autres couples sont explorés et, surtout, les batteries à circulation d'électrolytes. Dans ce cas, la génération de courant s'effectue dans une cellule avec deux compartiments séparés par une membrane échangeuse d'ions dans lesquels circulent deux électrolytes stockés séparément. La capacité de stockage correspondra au volume des électrolytes stockables (dizaines de mètres cubes voire plus) et la puissance disponible sera proportionnelle à la surface de membrane mise en jeu. Les couples chimiques basés sur le soufre et le brome ont été testés au Japon et aux États-Unis pour des puissances de l'ordre du mégawatt. Elles cèdent la place aujourd'hui à des couples basés sur différents états d'oxydation du vanadium. Il s'agit de systèmes réversibles, les électrolytes sont reconstitués par électrolyse.

Faut-il disposer de gros accumulateurs ou d'une multitude de petits ? Après tout, si les véhicules électriques se développaient, chaque véhicule pourrait jouer le rôle de stockage... si l'on se donne les moyens de réguler le réseau. Pourquoi pas. L'idée fait son chemin en Allemagne, aux États-Unis. Recharger les batteries de véhicule la nuit et les rebrancher sur le réseau lorsqu'elles sont au parking pourrait représenter quelques gigawatts disponibles. Et dans ce genre de réflexion, une autre forme de stockage chimique est l'hydrogène et son utilisation dans les piles à combustible de futurs véhicules électriques. Production d'hydrogène pendant les périodes creuses, stockage sans perte notable. Les solutions ne manquent pas, mais qui se lancera dans une telle politique énergétique ?

TROIS PARAMÈTRES ÉNERGIE PUISSANCE TEMPS

- Un stockage se définit par son contenu énergétique (capacité), sa durée (problème des pertes), la puissance disponible à la décharge du stockage, la durée de reconstitution du stock (secondes, heures, jours, mois). Ces différents paramètres devront être ajustés en fonction du besoin à couvrir. - L'action de stocker s'accompagne ou non d'une transformation énergétique. L'électricité stockée dans un condensateur reste sous forme électrique. Elle peut l'être sous forme mécanique dans un volant d'inertie mais on passe alors par un moteur réversible, ou sous forme potentielle dans un lac d'altitude au travers de turbines-pompes. Une batterie électrique réalise du stockage chimique. La réactivité de ces différents types de stockage n'est pas la même.

DES PROGRAMMES DE RECHERCHE À PROFUSION

> En France, il existe une stratégie nationale de recherche énergétique. Plusieurs programmes sont dédiés au stockage d'énergie.

- Stock-E est un programme enveloppe lancé en 2007 qui favorise les ruptures technologiques et qui recouvre les stockages électrochimique (batteries), thermique et mécanique. En 2008 s'ajoute le stockage magnétique.- À l'Inés, Institut national de l'énergie solaire, la plate-forme stockage de l'énergie teste des batteries de nouvelle génération pour le stockage des énergies intermittentes dans une gamme de puissance de 300 W à 130 kW sur différentes technologies, pour des applications statiques comme mobiles.- Le CEA a coordonné un réseau thématique européen Investire pour la comparaison des différentes technologies de stockage selon les utilisations en évaluant les performances, les coûts et les impacts environnementaux.

> En Grande-Bretagne, ESC Energy Storage Consortium, un sous-programme de l'initiative Supergen a été lancé mi 2006 pour développer les batteries lithium et les supercapacités. > L'Europe n'est pas en reste dans les différents volets des programmes communs de recherche depuis les programmes Joule dans le programme commun FP 3. Plus de 30 millions d'euros sur une vingtaine de projets ont déjà été investis.

ÉOLIENNES L'ESPAGNE MONTRE LA VOIE

- Avec ses 15 000 MW éoliens installés (contre 3 000 MW en France) et environ 25 % de son électricité consommée d'origine renouvelable (essentiellement hydraulique et éolienne), l'Espagne est confrontée au problème de l'intégration de cette électricité intermittente dans le réseau. D'autant que, contrairement à d'autres pays, ses connexions avec le réseau électrique européen sont peu nombreuses et il lui est difficile de partager la variabilité éolienne avec ses voisins. En attendant de pouvoir, un jour peut-être, stocker cette énergie, l'Espagne a dû trouver une solution pour limiter les risques liés à l'éolien, au manque d'approvisionnement et aux pannes liées aux courts-circuits. Un contrôle centralisé des éoliennes En 2006, REE, la société gestionnaire du réseau électrique espagnol, s'est donc doté du Crece, un centre de contrôle des énergies renouvelables. Elle devient ainsi le premier pays à pouvoir gérer toutes ses éoliennes à partir d'un même centre de contrôle. En plus de suivre la production électrique en temps réel, le Crece simule tous les courts-circuits potentiels du réseau (les éoliennes ne supportant pas les chutes de tension) et permet ainsi à l'opérateur de prendre les décisions en meilleure connaissance de cause. Encore très en retard par rapport à l'Espagne, la France compte s'inspirer de cet exemple pour développer les énergies renouvelables. « Au premier janvier 2009, nous aurons un outil comme le Crece », annonce Dominique Maillard, président du directoire de RTE (Réseau de transport d'électricité). S.P.

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