Considération de qualité d’énergie: Stockage d’énergie électrique
Par Owen Hurst
28 mai 2018
La qualité de l’énergie a toujours été une préoccupation pour l’industrie électrique, et comme nous sommes devenus complètement dépendants d’une alimentation ininterrompue, la question du maintien de la demande est devenue de plus en plus présente. Il est essentiel que le courant demeure constant et disponible, en particulier en cas de perturbation de la production d’électricité. Pendant que j’écris cet article, l’Ontario est avertie de l’imminence d’une tempête de verglas et de se préparer à une période potentielle de 72 heures sans électricité.
Beaucoup d’entre nous se souviennent des problèmes causés par la panne d’électricité généralisée de 2003, et nous savons tous à quel point même les petites pannes de courant peuvent être gênantes, surtout si elles surviennent en plein hiver. Il y a un certain nombre de solutions qui ont été développées mais ici je voudrais regarder de plus près les options présentées par le stockage d’énergie électrique. Le stockage d’énergie est très prometteur pour assurer la qualité de l’énergie pendant les heures de pointe, pour l’intégration des sources d’énergie renouvelables dans le réseau, pour l’utilisation domestique et peut également présenter des options si des problèmes surviennent dans les installations de production d’électricité. À tout le moins, il peut offrir une solution à mettre en oeuvre pour tout problème de puissance.
En outre, le développement et la mise en œuvre de méthodes PQ telles que la SEE doivent tenir compte du fait qu’une puissance peu coûteuse et fiable est un élément essentiel du développement économique, d’autant plus que la demande mondiale en électricité devrait doubler d’ici 2050.
À ce stade, le stockage de l’énergie électrique peut être la solution optimale, d’autant plus que l’utilisation de sources d’énergie renouvelables continue d’augmenter. Historiquement, le stockage d’énergie à grande échelle n’a pas été considérée comme une option viable car la technologie disponible était coûteuse et exigeait souvent un espace physique substantiel. En tant que tel, il était plus rentable d’étendre simplement la production d’électricité et les réseaux de transport et de distribution pour répondre à la demande des clients et à la charge de pointe. Avec la quantité d’énergie consommée maintenant et avec une poussée mondiale importante pour l’efficacité énergétique, cette option n’a plus le lustre qu’elle avait autrefois.
Bien que le besoin soit répandu et que de nouvelles technologies deviennent disponibles, on peut dire sans se tromper que certaines entreprises ont hésité à entreprendre des projets impliquant le stockage d’énergie. Selon le Centre for Climate and Energy Solutions (C2ES), à partir de septembre 2017, la capacité globale de stockage électrique était de 176 GW, soit moins de 2% de la production mondiale d’électricité.2 Bien que la quantité d’énergie stockée semble faible, elle reflète une tendance croissante à la mise en œuvre du stockage d’énergie électrique à grande échelle à mesure que de nouvelles avancées sont apportées aux options de stockage d’énergie existantes et nouvelles.
Ci-dessous, nous abordons brièvement les options de stockage d’énergie qui sont actuellement développées et utilisées dans le monde entier pour le stockage d’énergie à grande échelle (au niveau des services publics) et domestique.
La forme la plus répandue de stockage d’énergie, la plus rentable et la plus durable est la centrale d’accumulation par pompage. On y utilise l’électricité générée hors des périodes de pointe pour pomper l’eau d’un réservoir de faible niveau vers un deuxième réservoir à une altitude plus élevée. Lorsque la demande augmente (en période de pointe), l’eau est libérée du réservoir supérieur via une turbine hydroélectrique vers le réservoir inférieur, générant ainsi la puissance supplémentaire nécessaire d’une manière similaire à celle d’une centrale hydroélectrique. Les centrales hydroélectriques à pompage sont utilisées plus que toute autre option de stockage d’énergie en raison de leur faible coût et de leur longue durée de vie. Aux États-Unis, plus de 90% de la capacité de stockage d’énergie repose sur cette méthode. Cependant, elle nécessite un espace important et son avenir viable est reconsidéré, en particulier avec la montée des énergies renouvelables et les nouveaux potentiels de l’énergie nucléaire.
Une autre option intéressante est le stockage de l’énergie par air comprimé (SEAC). La puissance générée hors des périodes de pointe est utilisée pour comprimer l’air et le stocker, soit dans une caverne souterraine ou dans un réservoir hors sol tel que des tuyaux ou des réservoirs. Lorsque survient une demande de charge de pointe , l’air comprimé est chauffé et l’air ainsi dilaté est dirigé à travers une turbine pour générer l’électricité nécessaire. Le SEAC n’a pas encore bénéficié d’un rôle international, mais deux systèmes de première génération ont été mis en place en Allemagne et aux États-Unis, et des unités de deuxième génération sont également en cours de déploiement. Un avantage unique des systèmes de deuxième génération est un concept appelé stockage adiabatique d’énergie par air comprimé (SAEAC). Dans ce cas, peu ou pas de carburant est consommé dans le processus, la chaleur nécessaire à la dilatation est piégée pendant la phase de compression. Le potentiel du SEAC est énorme et nous prévoyons voir le développement de cette nouvelle technologie dans les années à venir.
Jusqu’à présent, nous avons présenté deux procédés qui fournissent un moyen de stocker l’énergie potentielle, mais pas les dispositifs qui stockent physiquement l’énergie déjà générée. Pour cela, nous devons nous tourner vers les développements réalisés sur une large gamme de batteries qui, au cours des dernières années, ont commencé à avoir des implications potentielles pour les services publics. Leur potentiel de stockage d’énergie en lien avec la génération croissante d’énergie renouvelable est encore plus avantageux: « leur taille compacte rend leur usage sur des sites distribués on ne peut plus adapté et ils peuvent contrôler la fréquence pour réduire les variations de la production solaire locale et atténuer les fluctuations des parcs éoliens. “
Nous examinerons ci-dessous les principaux candidats à une utilisation généralisée en tant qu’équipement de stockage d’énergie et qui sont susceptibles d’alléger les préoccupations en matière de qualité de l’énergie.
Nous ne pouvons pas parler des batteries sans d’abord discuter de celle la plus couramment utilisée: la batterie plomb-acide. La méthode plomb-acide est la technologie de batterie rechargeable la plus mature actuellement disponible et offre un large éventail d’utilisations. Cependant, elle n’a pas été largement adoptée ou envisagée pour les applications des services d’électricité en raison de son poids élevé, de sa taille et de ses problèmes de cycle de vie. Cependant, on constate un certain nombre de progrès réalisés pour l’écrêtement de la demande de pointe, la régulation de fréquence, l’intégration de l’éolien, le nivellement de la production photovoltaïque et les applications automobiles.
Une batterie qui a reçu une attention supplémentaire est la batterie au sodium-soufre (NaS). Les batteries NaS constituent « une technologie de stockage d’énergie commerciale ayant des applications dans le soutien des réseaux de distribution d’électricité, l’intégration de l’énergie éolienne et les services à valeur ajoutée sur les îles.» Les batteries NaS ne datent pas d’hier; on peut retracer leur origine dans les années 60 lorsque des chercheurs de la compagnie Ford ont découvert que la β-alumine de sodium avait une conductivité ionique élevée pour les ions de sodium (Na).
Les batteries NaS sont commercialisées depuis 2002 au Japon où elles sont principalement utilisées pour le nivellement des charges et l’écrêtement de la demande de pointe.. «Parmi les avantages identifiés pour le stockage fixe, citons son encombrement relativement faible (résultat d’une forte densité énergétique), une forte efficacité coulombienne, la flexibilité des cycles de charge et des besoins d’entretien réduits. »
Des développements ont également été réalisés avec des batteries au chlorure de nickel et sodium qui utilisent également la ß-alumine comme membrane conductrice, et bien que leur potentiel principal ait été leur usage pour les véhicules électriques, il est possible de l’employer dans des applications de services d’électricité.
Un autre type populaire qui a reçu l’attention sont les batteries à flux redox. Celles-ci existent depuis les années 1970 et un certain nombre de versions différentes ont été testées, y compris le fer / chrome, vanadium / brome, brome / polysulfure, zinc-cérium, zinc / brome et vanadium uniquement pour n’en nommer que quelques-uns. La batterie redox au vanadium est la plus mature des batteries à flux. Les accumulateurs à flux emmagasinent l’énergie sous forme d’ions chargés dans deux réservoirs d’électrolytes séparés, le premier stockant l’électrolyte pour la réaction de l’électrode positive et l’autre, pour l’électrode négative. L’attrait de la batterie au vanadium est l’utilisation d’un électrolyte commun ce qui a le potentiel d’augmenter le cycle de vie. Bien que peu répandu, un certain nombre de systèmes de batteries redox vanadium ont été déployés, notamment au Danemark, aux États-Unis, en Tasmanie et au Japon.
Les systèmes de stockage d’énergie redox vanadium ont une durée de vie prévue d’environ 15 ans et on a observé qu’elles « atteignent une capacité de 10 000 cycles de charge ou plus à un degré de décharge de 100%.» Leur principal inconvénient est leur taille considérable en raison des grands volumes d’électrolyte requis pour les systèmes adaptés aux services d’électricité.
Une dernière batterie que nous allons examiner est la batterie au lithium-Ion (Li-ion) dont on constate l’augmentation rapide de l’utilisation. Les batteries Li-ion rechargeables sont largement utilisées dans l’électronique grand public, en grande partie en raison de leur taille compacte et de leur cycle de vie relativement long. Au-delà des petits appareils électroniques, les batteries Li-ion ont fait l’objet d’intenses recherches et applications pour les véhicules électriques hybrides rechargeables et les véhicules tout électrique. Cependant, le Li-ion bénéficie de plusieurs avenues potentielles qui pourraient aider à régler les problèmes de qualité de l’énergie dans des applications de soutien telles que les systèmes transportables de support du réseau de distribution électrique, systèmes domestique d’énergie d’appoint, la gestion énergétique des utilisateurs commerciaux, la régulation de fréquence, l’éolien et le nivellement de la production photovoltaïque.
Donc, soulignons en fait que le stockage d’énergie électrique a un sérieux potentiel pour soulager les préoccupations de qualité de l’énergie. En effet, une étude EPRI a “identifié plusieurs opportunités très valables pour le stockage d’énergie: services énergétiques en gros, intégration des énergies renouvelables, qualité et fiabilité de l’alimentation commerciale et industrielle, systèmes transportables pour le support des réseaux de transport et de distribution électriques et gestion énergétique.
L’avenir déterminera le niveau d’utilisation du stockage de l’énergie à l’échelle mondiale, mais nous pouvons être certains que les progrès en matière de stockage d’énergie joueront un rôle majeur, tout en tenant compte des coûts d’installation, de l’efficacité, de la durabilité et de la fiabilité.
Sources:
Bruce Dunn, Haresh Kamath and Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices,” Science, New Series 334 (6058), Nov 2011. Pp.928-935, https://www.c2es.org/content/electric-energy-storage/
EPRI, Electricity Energy Storage Technology Options, A Whitepaper Primer on Applications, Costs, and Benefits. Dec 2010, http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/doshay1/docs/EPRI.pdf
