dimanche 4 décembre 2016

Le stockage de l'énergie, vessies et lanternes

Par Jacques Treiner
Le blog de Jacques Treiner
7 juil. 2016
 

Les batteries sont envisagées pour le développement de la voiture électrique et pour l'intégration des énergies intermittentes - éolienne et photovoltaîque - au réseau. Les ordres de grandeur en jeu montrent cependant que si la première utilisation est envisageable à une échelle de masse, la seconde ne l'est pas.


Retour aux sources. On parle de l’énergie comme si c’était une chose : on la produit, on la consomme, il existe un marché de l’énergie, on cherche à la stocker etc. Sans chercher à faire la police des mots, il convient tout de même, de temps en temps, de mettre les choses à plat pour savoir de quoi on parle et quelles sont les conventions de langage.

En réalité, nous ne vivons pas d’énergie, nous vivons de transformer la matière. Regardez autour de vous : partout, vous voyez des matières premières transformées. Prenons le premier besoin, celui de se nourrir. Sur un paquet de corn-flakes, on trouve sa « valeur énergétique ». Pourtant, si on verse son contenu, on ne voit pas sortir de l’énergie, on voit sortir … des corn-flakes. En les ingérant, nous leur faisons subir une série de transformations chimiques qui permettent de maintenir notre corps à 37°C, de remplacer nos cellules, et de faire fonctionner nos muscles. Autre exemple : je lâche un objet d’une certaine hauteur. Il perd de l’altitude car il est attiré par la Terre, il gagne de la vitesse car l’exercice d’une force change l’état de mouvement de l’objet sur lequel elle s’exerce. C’est une transformation physique que l’on décrit sans avoir besoin d’utiliser le mot énergie. Mais si l’on pose la question : y a-t-il une relation quantitative entre la perte d’altitude et le gain de vitesse ? La réponse est oui, et elle s’exprime sous forme d’une relation mathématique qui, en mots, donne ceci : le produit de la masse par l’accélération de la pesanteur et par la hauteur de chute, MgH, est égal à la moitié de la masse multipliée par le carré de la vitesse, 1/2Mv2. Et pour les corn-flakes ? Dans la mesure où les transformations chimiques qu'ils subissent s'apparentent à une combustion lente, le "contenu énergétique" est déterminé en mesurant la chaleur dégagée lorsqu'on les brûle. Notons que le contenu énergétique dépend du système digestif : le contenu énergétique pour une vache, qui mangerait non seulement les corn-flakes mais aussi la boîte, serait supérieur, puisqu'elle est capab le de métaboliser la cellulose...

Revenons à la chute libre. La relation entre hauteur de chute et vitesse est tellement remarquable qu’on donne un nom à chacun des termes : MgH, c'est l'énergie potentielle gravitationnelle. 1/2Mv2, c’est l’énergie cinétique. MgH = 1/2Mv2 exprime que ce qui a été perdu sous forme d’énergie potentielle se retrouve exactement sous forme cinétique. L’énergie, c’est donc une grandeur physique qui permet d’accrocher des nombres aux transformations de la matière. Mais à quoi cela sert-il ? En particulier, à dimensionner nos systèmes énergétiques. Imaginons qu’on veuille alimenter le réseau avec une centrale hydroélectrique. L’eau d’un barrage va passer dans des canalisations – elle perd de l’altitude, elle gagne de la vitesse – et va mettre en rotation des turbines sur lesquelles sont disposés des aimants permanents, dont le déplacement à proximité d’un conducteur va mettre en mouvement des électrons. L’énergie électrique ainsi produite a donc pour origine l’énergie potentielle de l’eau du réservoir, et la puissance de l’installation est liée au débit d’énergie cinétique de l’eau au niveau des turbines. La France, par exemple, disposei de 25 GW de puissance hydroélectrique, délivrant environ 70 TWh d’énergie, soit environ 12 à 14% de la consommation annuelle d’électricité.

Une source d’énergie, c’est donc un système susceptible d’enclencher une série de transformations physiques ou chimiques permettant, en fin de chaîne des transformations, de satisfaire nos besoins.


Qu’est-ce donc que stocker de l’énergie ? C’est remonter une partie de la chaîne des transformations jusqu’à la source. Aujourd’hui, le moyen de stockage le plus efficace s’appelle une STEP : station de transfert d’énergie par pompage. Lorsque l’eau d’un barrage a actionné les turbines, au lieu de la laisser s’échapper dans la rivière, on la recueille dans une retenue. Lorsqu’on dispose d’un excédent l’électricité – la nuit, par exemple – on remonte l’eau dans le réservoir haut à l’aide de pompes. On recrée MgH sans attendre que la pluie s’en charge. En France, nous disposons d’environ 5 GW de STEP. La Suisse nous achète de l’électricité excédentaire à bas prix pour remonter l’eau dans ses STEP, et nous revend au prix fort l’électricité qu’elle turbine aux heures de pointe. C’est réglo.
Un moyen de stockage dont on parle beaucoup aujourd’hui est le stockage dans des batteries électrochimiques. Deux utilisations principales sont envisagées : la voiture électrique, et l’intégration des énergies renouvelables, éolienne et photovoltaïque, au réseau. Voyons un peu l’une et l’autre.

Dit rapidement, une batterie est un système chimique hors équilibre. La chimie, c’est la discipline qui s’occupe de la façon dont des édifices moléculaires se font et se défont par échange et circulation d’électrons entre les atomes. Lorsqu’on branche la batterie, elle évolue vers l’équilibre par circulation d’électrons, qu’on s’arrange pour qu’elle ait lieu dans le circuit extérieur à la batterie, ce qui permet de disposer de courant électrique. La batterie est à plat lorsque l’équilibre est atteint. Recharger la batterie, c’est rétablir le déséquilibre initial, ce qui nécessite de faire appel à une autre source de courant (comme pour remonter l'eau dans le barrage). En ce sens, une batterie n’est pas une source d’énergie, c’est un vecteur. Au passage, du point de vue des émissions de gaz à effet de serre, il faut donc s’interroger sur l’origine du courant qui assure la recharge : d’origine fossile, ou décarbonée ? Passons.

Aujourd’hui, nous disposons à l’échelle mondiale d’environ 500 GWh sous forme de batterie, dont, en gros, 90% de batterie au plomb et 10% de batterie au lithium. Le nombre de cycle charge/décharge est limité : de l’ordre de 1000, et de quelques milliers pour les meilleures batteries.

Si l’on envisage de développer une flotte de voitures électriques, disons un milliard de voitures, de quelle énergie faut-il disposer sous forme batterie ? Avec des batteries de 10 à 20 kWh – comme pour la Zoé – cela fait de 10 à 20 TWh, soit 20 à 40 fois ce qui existe aujourd’hui. C’est beaucoup. Cela représente environ 1 à 2 Mt de lithium, alors qu’on en extrait 25000 tonnes par an aujourd’hui. C’est donc encore beaucoup. Mais en quelques décennies, c’est peut-être possible, d’autant que des recherches sont menées pour trouver des éléments plus abondants que le lithium.

Voyons maintenant ce qu’il en est des besoins pour l’intégration des renouvelables intermittents. Ces sources produisent indépendamment des besoins : personne ne commande à Éole, aux nuages ou à la nuit. Autrement dit, parfois, elles produisent parfois trop, et parfois pas assez. Pourquoi ne pas stocker quand il y en a trop, et s’en servir quand il y a manque ? Bonne idée. Il faut donc évaluer, au cours d’une année, la dynamique des manques et des excès. C’est ce à quoi se sont livrés des collègues de Grenoble[1] : ils ont envisagé un mix français avec 50 % de nucléaire, 15 % d’hydroélectricité-déchet-biomasse, et 35 % d’éolien-photovoltaïque. En se basant sur les données de l'année 2013, mises à l'échelle pour correspondre au mix choisi, il est possible de suivre cette dynamique de l'intermittence. Le manque cumulé, est d’environ 15 TWh (sur une consommation annuelle de 550 TWh), et les données de l'année 2014 confirme cet ordre de grandeur. Oui 15 TWh, soit 30 fois l’énergie de toutes les batteries au monde - pour un seul pays. Impossible !

Voilà pourquoi l’Allemagne, qui a développé une grande puissance éolienne et solaire, ne diminue pas ses émissions de gaz carbonique. Pour pallier l’intermittence, elle n’a pas recours à des batteries, elle a recours au charbon et au lignite...
[1] D. Grand, C. Le Brun et R. Vidil, Intermittence des énergies renouvelables et mix électrique, Techniques de l’ingénieur, 10 juillet 2015 



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