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6 novembre 2012 2 06 /11 /novembre /2012 07:48

Stock-energie.jpgStocks d’énergie : Batteries-Thermiques-Stationnaire-Hydrogène … ?

 

Indispensable au déploiement des énergies renouvelables, le stockage est le seul moyen pour pallier leur intermittence. qu’il s’agisse de stocker au plus près des lieux de consommation, de faciliter l’intégration dans le réseau électrique ou d’alimenter des véhicules électriques, les solutions choisies dépendent de l’usage envisagé. dans ce cadre, le Cea-liten travaille sur un large panel de technologies : utilisation de l’hydrogène pour le stockage stationnaire, développement de dispositifs électrochimiques, optimisation de vieilles recettes comme le stockage thermique... toujours d’actualité dans le menu énergétique.

 

Batteries pleines :

Stocker les énergies renouvelables pour les restituer en temps voulu, quelle que soit la météo ! telle est la quête des différentes technologies de batteries en développement, en fonction des applications nomades (transports), stationnaires (industries) ou autonomes (habitations) envisagées. Zoom sur certains projets qui mobilisent les équipes du Cea-liten.

Non émettrices de gaz à effet de serre, les énergies renouvelables présentent également l’avantage de provenir de ressources naturelles inépuisables comme le soleil ou le vent. Mais dès que le temps se couvre ou qu’il n’y a plus de vent, la production d’électricité s’arrête net. Cette intermittence appelle des solutions de stockage que les batteries, dispositif composé d’accumulateurs qui stockent de l’énergie électrique sous forme chimique et la restituent sous forme de courant, peuvent apporter. Une fois chargées, grâce à l’énergie fournie par exemple par des panneaux photovoltaïques, elles peuvent restituer de l’électricité. Si de nombreux types de batteries existent, selon la nature chimique de leurs composants, les performances diffèrent en termes de densité d’énergie, durée de vie, temps de recharge, voire coûts de production.

Dimensionner les technologies pour les industriels :

Au CEA-Liten, les équipes se positionnent en amont et en aval des technologies qu’ils développent et qu’ils dimensionnent pour les différentes applications des industriels. Ils gèrent notamment l’électronique des batteries pour en améliorer la sécurité et la durée de vie : il s’agit en effet de piloter individuellement les tensions, états de charge et décharge des accumulateurs. Objectif : optimiser leur intégration dans le réseau électrique, les véhicules ou les systèmes autonomes. « Sur la plate-forme Steeve à Grenoble, nous avons la maîtrise de toute la chaîne de production de batteries lithium-ion (de la chimie des poudres des électrodes jusqu’à la connexion des batteries dans des voitures test). Au sein d’un partenariat avec Renault, nous cherchons à gagner en autonomie et à dépasser la moyenne actuelle de 150 km sans recharge » déclare Florence Lambert, chef du Département dédié aux transports électriques au CEA-Liten.

Garantir la production d’énergie solaire :

Pour le stockage massif, destiné à prendre le relais des énergies renouvelables à l’échelle d’un quartier et/ou pour des industries, les chercheurs ont d’autres cartes en main, celles des batteries au plomb et des « Redox Flow ». Même si leur densité d’énergie est plus faible et leur temps de recharge plus lent que les batteries lithium-ion, leur coût d’investissement est trois fois moindre et leur usage tout à fait adapté aux applications stationnaires. En effet, point besoin ici de fortes montées en puissance, ce qui importe c’est que la batterie stocke un maximum d’électricité pour en injecter un peu lors des pics de consommation. C’est en tout cas le pari des ingénieurs avec leur projet de photovoltaïque (PV) « garanti » : « Il s’agit de coupler 20 kW de PV avecunebatterieRedoxFlowde10kWet100kWh.L’objectif est que la batterie puisse venir en soutien de la production d’électricité annoncée 24 heures à l’avance par la centrale solaire pour compenser ses fluctuations, liées notamment aux conditions météorologiques. Et ce, afin d’optimiser le réseau à grande échelle » explique Marion Perrin du CEA-Liten.

Alimenter au-delà du réseau :

Autre projet, celui mené sur des systèmes autonomes visant l’électrification de zones rurales éloignées. Les contraintes sont différentes puisqu’aucun réseau électrique ne peut venir en support. Là encore, le photovoltaïque, via un lampadaire solaire, est un précieux allié. Mais à quel type de batterie le coupler ? « Le projet concernant des pays du sud, la technologie doit opérer dans des conditions de température élevée. Plusieurs tests sont en cours selon différentes chimies des électrodes. Nous devons également travailler sur la gestion de l’électronique afin de limiter le vieillissement de la batterie, c’est-à-dire ne pas la charger quand cela n’est pas nécessaire » explique la chercheuse. Toutes ces expérimentations, ainsi que des travaux de modélisation et de simulation (voir ITW), permettent aux chercheurs d’assembler peu à peu les briques technologiques des dispositifs électrochimiques de stockage.

 Stock energie3

Stockage thermique ou le principe de la pierre au coin du feu… :

Si l’énergie solaire permet de fournir de l’électricité, elle produit également de la chaleur. Celle-ci peut aussi être stockée au sein de matériaux capables de la restituer pour chauffer des fluides. à la clé, la production d’électricité grâce à ces fluides caloporteurs qui génèrent suffisamment de vapeur d’eau pour activer des turbines.

Mettre une pierre à côté du feu et la déplacer, chaude, vers l’endroit à réchauffer. Si le stockage thermique est aussi vieux que la découverte du feu, il n’en demeure pas moins une solution d’avenir pour générer chaleur et électricité. L’approche porte déjà ses fruits, à l’instar de la centrale solaire à concentration thermique, technologie de conversion de la lumière du Soleil (Photons) directement en chaleur grâce aux miroirs des panneaux thermiques qui la captent, Gemasolar en Espagne qui peut fournir de l’électricité 24h/24.

Trois phénomènes physiques :

Le stockage thermique repose sur plusieurs phénomènes physiques. Le premier, appelé « chaleur sensible », est très présent dans notre quotidien. Il consiste à utiliser la chaleur pour augmenter la température d’un matériau solide ou liquide qui peut à son tour chauffer un fluide : « Cela se fait déjà avec les ballons d’eau chaude qui, couplés à des panneaux solaires thermiques, alimentent un édifice en eau chaude sanitaire » indique Jean-François Fourmigué du CEA-Liten. Le deuxième phénomène repose sur les Matériaux à changement de phase (MCP), matériaux qui changent d’état physique (solide/liquide) à une certaine température. Si son point de fusion est de 20 °C, le matériau accumule la chaleur des rayons du soleil lorsqu’elle excède 20 °C, et il la restitue lorsque cette température baisse, comme les sels ou la paraffine, qui, selon la température appliquée, accumulent ou restituent la chaleur. Enfin, le troisième phénomène résulte de réactions chimiques réversibles qui, dans un sens, ont besoin d’un apport de chaleur pour se réaliser et, dans l’autre sens, dégagent une chaleur équivalente. Le stockage thermique permet également de stocker l’électricité, notamment par pompage thermique dans un système actuellement à l’étude par le CEA- Liten avec la société SAIPEM dans le cadre du projet ANR SETHER.

Les échanges thermiques au cœur du dispositif :

Avec le développement des centrales solaires concentrées, de nouveaux dispositifs voient le jour; notamment pour le stockage massif de l’électricité ou la valorisation énergétique des rejets thermiques industriels. Pour proposer des technologies matures, ces systèmes font l’objet d’une R & D importante afin d’être mieux adaptés aux niveaux de températures, tel que l’explique le chercheur : « Les aspects transfert de chaleur sont très importants car l’énergie solaire est toujours absorbée par un fluide et doit être cédée à un solide pour être stockée. Les capacités de stockage et le temps de réponse des systèmes sont conditionnés par la qualité de ces échanges thermiques. Nous travaillons par exemple à l’optimisation de dispositifs basés sur la chaleur sensible d’un solide ou sur l’utilisation concrète des MCP dont le taux de transfert de chaleur reste à améliorer. »

Plusieurs matériaux à l’essai :

À ce titre, des équipes du CEA analysent différents matériaux pour en déterminer les propriétés physiques thermiques, la tenue dans le temps et la compatibilité avec les fluides caloporteurs. Ils disposent de plusieurs installations expérimentales comme la boucle CLAIRE à Grenoble. Dédiée aux hautes températures (supérieures à 500 °C) avec de l’air comme fluide caloporteur, elle est déjà à l’échelle semi-industrielle avec des volumes de stockage (10 m3) et des puissances thermiques (1 MW) significatifs. De même, l’installation STONE, préfiguration de la centrale solaire de Cadarache, permet d’étudier en détail le parcours d’un fluide caloporteur dans un lit de roche grâce à une instrumentation très fine (220 mesures de température pour 3 m3 de stockage) et des simulations numériques. Parcours que résume Patrice Tochon du CEA-Liten : « Envoyé chaud dans un réservoir de stockage, le fluide cède progressivement sa chaleur aux cailloux (du haut vers le bas) puis ressort froid ; lorsque le Soleil n’est plus suffisant pour apporter de l’énergie à la centrale, le fluide est injecté froid en bas du réservoir, se réchauffe au contact du lit de roche puis est récupéré en haut du réservoir pour produire de l’électricité. » De la pierre posée sur le feu, aux cailloux installés près d’une centrale solaire, cette vieille recette est toujours d’actualité.

 Stock energie4

Stockage stationnaire de l’énergie, un enjeu pour le développement des énergies renouvelables :

Avec son équipe, Isabelle Noirot-le-Borgne, chercheuse au département biomasse et hydrogène du Cea-liten, a mis au point un outil de modélisation permettant de simuler l’insertion des énergies renouvelables dans un réseau électrique en fonction de différentes solutions de stockage.

Pourquoi le stockage stationnaire de l’énergie électrique est-il déterminant pour les énergies renouvelables ?

Le stockage stationnaire de l’énergie électrique est une solution pour pallier l’intermittence des Énergies renouvelables (EnR) et surtout pour optimiser leur intégration dans le réseau électrique. En effet, ce dernier ne doit pas être déstabilisé par l’injection de volumes de production ou de consommation non anticipés. Le stockage permet d’absorber les fluctuations et les productions ne respectant pas les prévisions. L’objectif est bien d’accroître le taux de pénétration des EnR mais, pour cela, nous devons maîtriser l’insertion complexe de ces énergies dans les systèmes électriques. En partenariat avec l’Ademe, nous avons développé un outil dénommé Odyssey, capable de simuler ces insertions.

Comment déterminer les meilleures technologies de stockage ?

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte dans le stockage : vecteur énergétique (électricité, chaleur, hydrogène), application (système autonome, nomade ou stationnaire), conditions météorologiques (ensoleillement, vent), fonctions (lissage, report, garantie ou effacement de production), profils de charge et de décharge, taux d’utilisation ou de non-satisfaction en énergie et en temps... Nous avons testé notre outil de simulation sur

le cas concret d’un appel d’offres pour la production d’électricité à partir de l’énergie solaire photovoltaïque dans une région insulaire. Au regard de différents critères, nous avons analysé trois systèmes de stockage: le premier constitué de batteries plomb-acide, le deuxième étant une chaîne « hydrogène » avec un électrolyseur, un module de stockage et une pile à combustible, le dernier combinant ces deux technologies de stockage.

Quelles sont vos conclusions ?

Cette étude de cas nous a permis de tester avec succès notre outil, lequel a confirmé l’intérêt que représente l’hybridation d’une chaîne hydrogène avec des batteries. Il a surtout révélé que l’optimisation du dimensionnement du stockage de l’électricité couplé aux EnR n’est pas chose aisée. D’autant que le critère économique n’a pas été encore pris en compte (coûts d’investissement, de fonctionnement, de remplacement des composants, etc.). D’autres projets sont en cours, notamment pour proposer une approche systémique d’évaluation de l’intérêt technique, économique et environnemental des technologies de stockage.

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Hydrogène, la quête du réservoir idéal :

L’hydrogène constitue un bon moyen de stocker l’énergie. Sa production par ailleurs peut l’être à faible coût notamment par l’utilisation du Cobalt au lieu du Platine.

Mais pour stocker ce gaz particulièrement turbulent, encore faut-il trouver un réservoir adapté, car hautement inflammable, et surtout très encombrant. différents modes de stockage sont à l’étude : sous forme gazeuse, liquide, voire solide grâce à un matériau capable de l’absorber dans un premier temps et de le libérer au moment voulu.

Les technologies de l’hydrogène ont de l’avenir ! Une perspective qui explique l’investissement du CEA sur cette thématique depuis vingt ans, et qui propose aujourd’hui des solutions innovantes pour produire, transporter et aussi stocker ce précieux gaz. L’une des applications ciblées est le stockage stationnaire avec l’objectif de valoriser les énergies renouvelables. En effet, l’électricité de source solaire ou éolienne peut être stockée dans des batteries (voir p. 18-19) mais peut aussi servir à alimenter des électrolyseurs, dispositif de séparation chimique d’éléments grâce à un courant électrique. En l’état, il s’agit de décomposer l’eau en oxygène et hydrogène, pour produire de l’hydrogène. L’intérêt? Cet hydrogène peut être durablement stocké et réinjecté à n’importe quel moment dans une pile à combustible, dispositif produisant de l’électricité grâce à l’oxydation de l’hydrogène sur une électrode avec de l’eau pour seul produit de réaction pour fournir une électricité « propre ».

Hydrogène compressé, hydrogène liquéfié... :

Pour relever le défi de cette « chaîne » vertueuse, les réservoirs stockant l’hydrogène doivent être compétitifs,

sûrs et compacts. En effet, ce gaz est difficile à maîtriser : avec une densité d’énergie, énergie par unité de volume. Plus elle est élevée, plus il y a d’énergie pouvant être stockée ou transportée pour un volume ou une masse donnés. Très élevée, le gaz reste très léger. Dans des conditions normales de température et de pression (20 °C, 1 bar), il occupe un volume de 333 litres/ kWh, quand l’essence en occupe 0,1 litre/kWh. Des pistes sont étudiées pour réduire son encombrement. La première consiste à le comprimer: à 700 bars, son volume atteint 0,47 litre/kWh. « La compression est très gourmande en énergie avec une dépense qui peut atteindre 25 %. Nous poursuivons nos développements, notamment grâce aux innovations de nos collègues du CEA-DAM sur les matériaux des réservoirs pour leur garantir une meilleure étanchéité et une meilleure tenue mécanique » explique Olivier Gilla, chercheur au CEA-Liten.

La liquéfaction est la deuxième solution pour optimiser le volume, qui passe à 0,38 litre/kWh ; mais cela exige de refroidir le gaz en dessous de 20,3 kelvins (- 253,15 °C), ce qui suppose des moyens onéreux.

Des granules de magnésium « farcis » à l’hydrogène :

Dès lors, les chercheurs investiguent une troisième voie dite de stockage solide via un matériau qui absorbe l’hydrogène. Dépendant des matériaux (principalement métalliques), le volume peut être de 0,25 litre/kWh. Avec la société McPhy Energy, le CEA s’intéresse à l’hydrure de magnésium qui offre de bonnes perspectives : « Ces composés permettent un stockage de l’hydrogène sécurisé, du fait des basses pressions, qui plus est avec un matériau abondant sur terre » énonce le chercheur. Le procédé consiste à mettre en présence de l’hydrogène, des poudres de magnésium nanostructurées et des catalyseurs dans une réaction (à 340 °C et moins de 10 bars) qui donne de l’hydrure de magnésium. L’hydrogène peut y être durablement stocké sous forme solide et il suffit de baisser la pression pour le relâcher sous forme gazeuse, avec un rendement de 97 %. Le système se présente sous la forme de cartouches pouvant stocker chacune 4 kg d’hydrogène, soit l’équivalent de 132 kWh. Les chercheurs travaillent à présent sur de nouveaux réservoirs dont une version de 15 kg (500 kWh) testée récemment avec succès.

Au niveau du stockage embarqué, si le secteur de l’automobile reste hors de portée des hydrures métalliques, composés chimiques formés lorsque l’hydrogène réagit avec certains métaux., des réservoirs sont développés pour des applications « lourdes » comme des engins agricoles ou maritimes, où le poids n’est pas rédhibitoire. Dans ce cas, les chercheurs ont recours à des hydrures plus basses températures, compatibles avec les PAC basse température qui alimentent les engins.

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