Le stockage d'énergie

Il n’a ainsi plus besoin d’être rattaché en permanence à une source d'alimentation fixe (réseau électrique, plomberie, etc.).

Il est alors important d'avoir un moyen de stocker l'énergie qu'ils produisent lors de leurs pics de production. Cette énergie pourra ensuite être restituée lors de leurs creux de production.

On distingue l’énergie E et la puissance P.

L’énergie s'exprime en joule (J) ou en kilowatt-heure (kWh).

La puissance s'exprime en watt (W).

Ces deux grandeurs sont liées par les formules suivantes.

Pour pouvoir fonctionner, un produit autonome a besoin de :

• stocker une quantité d'énergie importante. Plus cette quantité est grande, plus son autonomie est importante ;
• recevoir un certain flux d'énergie. Le flux d'énergie (= puissance) transmis aux autres éléments de la chaine de puissance doit être suffisamment élevé pour que le produit puisse produire une action.

Les systèmes de stockage électrochimiques sont extrêmement courants. Il permettent d’associer des éléments chimiques pour stocker une énergie électrique.

On trouve parmi eux les systèmes suivants.

• Les piles sont des unités de stockage d'énergie non-rechargeables.
• Les accumulateurs, aussi appelés « piles rechargeables », sont des unités de stockage d'énergie rechargeables.
• Les batteries d'accumulateurs, qu'on appellent communément « batteries », regroupent plusieurs accumulateurs reliés en série ou en parallèle, en fonction du besoin.

Les supercondensateurs sont un autre type de système de stockage d'énergie électrique. Ils se démarquent des systèmes électrochimiques par une meilleure puissance, relative à leur taille et à leur masse, mais ils ont une quantité d'énergie stockée moins importante.

Les supercondensateurs sont donc intéressants pour les actions de courte durée, mais elles nécessitent une grande puissance.

Les carburants sont des liquides, ou parfois des gaz, qui libèrent l'énergie qu'ils contiennent lors de leur combustion.

Ils contiennent une quantité d'énergie très importante relativement à leur volume et masse. On peut assez facilement contrôler la puissance qu'ils transmettront en contrôlant la quantité de carburant qui entre en combustion.

Les carburants les plus courants sont :

• les hydrocarbures : essence, gazole, kérosène, gaz naturel, etc. ;
• les biocarburants obtenus à partir des végétaux : bioéthanol, biodiesel, etc.

Il existe d'autre systèmes de stockage d'énergie, surtout utilisés dans des installations de production d’énergie, ou pour concevoir des produits fixes.

Il y a notamment les stockages suivants.

Le stockage fondé sur l’énergie potentielle consiste à mettre en réserve de l’énergie mécanique, la plupart du temps en mettant en hauteur un objet possédant une masse.

Exemple
Dans un barrage hydroélectrique, l’eau est maintenue en hauteur pour stocker son énergie potentielle. Elle est relâchée quand nécessaire afin de produire de l’énergie. L'énergie est ensuite convertie en énergie électrique grâce à des turbines reliées à des génératrices.

Barrage des Gloriettes dans les Pyrénées

Le stockage fondé sur l'inertie et l'énergie cinétique consiste à mettre en mouvement un objet possédant une masse ; la plupart du temps l’objet est mis en rotation.

Exemple
Les volants d'inertie (FES : Flywheel Energy Storage en anglais) sont mis en rotation par un moteur. Ils stockent ainsi l'énergie sous forme d'énergie cinétique.
En mettant le moteur en mode « génératrice », on peut ensuite récupérer cette énergie sous forme d'électricité.

Volant d'inertie utilisé dans les machines à vapeur

Le stockage fondé sur la chaleur consiste à chauffer un corps ou un fluide.

Exemple
Dans une centrale de production d’énergie solaire, la lumière du soleil est redirigée par des miroirs vers une cuve. La lumière chauffe le fluide caloporteur contenu dans la cuve, qui stocke l’énergie sous forme de chaleur.
L'énergie est ensuite convertie en énergie électrique grâce à un cycle thermodynamique et des turbines reliées à des génératrices.

Station de production d'énergie solaire thermique, Nevada, États-Unis

Elle est notamment caractérisée par :

• sa tension nominale, notée U, en volt (V) ;
• l'intensité maximale du courant qu'elle peut générer, notée I_max, en ampère (A) ;
• sa capacité, notée Q, habituellement donnée en ampère-heure (Ah) ou en mAh.

Elle est liée à l'intensité I et au temps t par la formule suivante.

avec : Q la capacité de la batterie, en Ah I l’intensité moyenne générée par l’utilisation du produit, en A t la durée d’utilisation du produit, en h

Exemple – Calcul d'autonomie
Une batterie de smartphone possède une capacité de 3200 mAh. L’intensité moyenne consommée par le smartphone en fonctionnement normale est de 82 mA.
On en déduit que l'autonomie, en utilisation normale, du smartphone est : t =  ≈ 39 h.

Si l'on veut déterminer l'énergie totale E contenue dans une batterie, il faut prendre en compte la capacité Q de la batterie, mais aussi sa tension nominale U.

On peut alors se servir de la formule suivante.

avec : E l’énergie contenue dans la batterie, en Wh Q la capacité de la batterie, en Ah U la tension nominale de la batterie, en V

On a également souvent besoin de connaitre la puissance maximale P_max d’une batterie : elle permet de déterminer si la batterie conviendra aux éléments qui suivent dans la chaine de puissance du produit.

La puissance maximale se calcule avec la formule suivante.

avec : Pmax la puissance maximale de la batterie, en W U la tension nominale de la batterie, en V Imax l’intensité maximale de la batterie, en A

Chaque cellule est identique. Comme la batterie dans son ensemble, une cellule est caractérisée par :

• une tension nominale U, liée à sa technologie ;
• une intensité maximale I_max, liée à sa technologie et à sa qualité ;
• une capacité Q, liée à sa technologie, à sa qualité et à ses dimensions.

À l'intérieur d'une batterie, les cellules peuvent être couplées en série, en parallèle ou de manière hybride.

Dans le cas d’un couplage en série :

• la tension nominale U de la batterie est la somme de celles des cellules ;
• l'intensité maximale I_max de la batterie est la même que celle d'une seule cellule ;
• la capacité Q de la batterie est la même que celle d'une seule cellule.

Dans le cas d’un couplage en parallèle :

• la tension nominale U de la batterie est la même que celle d'une seule cellule ;
• l'intensité I de la batterie est la somme de celles des cellules ;
• la capacité Q de la batterie est la somme de celles des cellules.

Un couplage de manière hybride consiste à mélanger les deux types de montage.

Voici un tableau qui récapitule les caractéristiques des quatre types d’accumulateurs les plus courants.

Ce tableau présente notamment deux caractéristiques des technologies d’accumulateurs, qui sont importantes dans le cadre d’un compromis masse-énergie et d’un compromis volume-énergie.

• La densité massique d'énergie, en Wh/kg, représente la quantité d'énergie stockée par kilogramme, du système de stockage.
• La densité d'énergie, en Wh/L, représente la quantité d'énergie stockée par litre, du système de stockage.

Ces deux caractéristiques sont primordiales dans certains systèmes, pour lesquels la masse et le volume sont importants, comme par exemple les drones ou les smartphones.

Pour résumer :

• les accumulateurs Plomb-acide sont bons marchés, mauvais d’un point de vue environnemental et ils ont des performances moyennes ;
• les accumulateurs Ni-MH (Nickel-Hydrure métallique) n’ont pas de vrais points faibles ou points forts, ils sont polyvalents ;
• les accumulateurs Li-ion (Lithium-ion) sont les plus performants, mais ils sont chers ;
• les accumulateurs LFP (Lithium Fer Phosphate) ont de bonnes performances, une excellente durée de vie et un impact environnemental limité. Cependant ils sont chers.