Par Steven Shackell
La technologie des piles pourrait remonter à 2 000 ans Découverte dans les années 1930 dans l’Irak d’aujourd’hui, la batterie de Bagdad - également connue sous le nom de batterie parthe - se compose d’une jarre en argile, d’un cylindre en cuivre et d’une tige de fer qui servaient probablement d’électrodes lorsqu’ils étaient associés à une solution électrolytique telle que le vinaigre. Bien que certains chercheurs débattent encore de son utilisation, il pourrait s’agir de l’un des premiers exemples de système de stockage d’énergie.
Nous travaillons encore à perfectionner cette technologie, en nous efforçant de créer un stockage efficace de l’énergie à long terme, allant des batteries au niveau de la carte au stockage hydroélectrique au niveau du méga-réseau. Cet article examine les percées en matière de stockage de l’énergie et les systèmes de batteries modernes dans toute une série d’applications.
Stockage d’énergie au niveau de la carte
Petits systèmes de stockage d’énergie par batterie
Les piles alimentent la plupart des appareils électroniques portables modernes. Les piles au lithium, telles que la CR2032 de BeStar Technologies, sont la principale source d’énergie des montres, des petites lampes, des calculatrices, des ouvre-portes de garage, des porte-clés de voiture, des podomètres et de bien d’autres petits appareils électroniques. Les petites piles varient considérablement, avec des facteurs forme différents. Une taille courante comme le CR2032 stocke environ 230mAh d’énergie.
Les batteries lithium-ion sont un élément essentiel du stockage de l’énergie à petite échelle, représentant plus de 34 % de la part de marché des petits appareils électroniques. Leurs avantages par rapport aux technologies des batteries plomb-acide, alcalines et nickel-métal-hydrure comprennent une densité de puissance plus élevée, un poids plus léger, une durée de vie plus longue et une sensibilité limitée à la température.
Stockage d’énergie par condensateur
Les supercondensateurs constituent une nouvelle catégorie de dispositifs de stockage d’énergie, désormais utilisés dans des applications qui nécessitent un stockage et une libération rapides de l’énergie. Comme les supercondensateurs peuvent stocker de grandes quantités d’énergie à des tensions relativement faibles et avec une capacité élevée, ils présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries.
Les supercondensateurs ont une durée de vie beaucoup plus longue que les batteries. Une batterie lithium-ion typique peut subir de 500 à 10 000 cycles, tandis que les supercondensateurs peuvent tolérer de 100 000 à un million de cycles. Les supercondensateurs, comme ceux de la série NEDL, peuvent être chargés près de mille fois plus rapidement que des systèmes de batteries de capacité similaire. Malheureusement, les supercondensateurs peuvent perdre jusqu’à 20 % de leur charge par jour en raison de l’autodécharge, et ne sont donc pas idéaux pour les systèmes de stockage d’énergie à long terme.
Systèmes de stockage d’énergie au niveau du réseau
Le stockage de grandes quantités d’énergie (plus de 1 kWh) nécessite des systèmes spécialisés dont la taille et la capacité varient considérablement. Voici plusieurs exemples de systèmes de stockage d’énergie au niveau du réseau qui offrent un stockage à long terme et à court terme à grande échelle.
Stockage résidentiel de l’énergie par batterie
Les systèmes de batteries résidentielles, qui constituent peut-être la forme la plus reconnaissable des systèmes de stockage d’énergie au niveau du réseau, peuvent être utilisés comme sources d’énergie de secours pour l’usage résidentiel. Des dispositifs tels que le Tesla Powerwall et le LG Chem RESU sont généralement associés à des panneaux solaires pour collecter l’énergie excédentaire en vue d’une utilisation ultérieure.
Alors que la technologie des batteries lithium-ion est utilisée dans 34 % des petits appareils électroniques, elle représente plus de 90 % de la technologie utilisée dans les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle, selon l’EESI. La technologie lithium-ion est si largement adoptée et a un tel impact que le prix Nobel de chimie 2019 a été décerné à John B. Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour leur contribution à la technologie lithium-ion. Les systèmes de stockage par batterie lithium-ion peuvent stocker jusqu’à 100 MW d’électricité, ont une densité de puissance de 200 à 400 Wh/litre et peuvent atteindre un rendement de 95 %.
Stockage d’énergie thermique
Il existe plusieurs types de dispositifs de stockage de l’énergie thermique, notamment le sel fondu, les systèmes de stockage de glace, les réservoirs d’eau chaude et les systèmes de stockage de l’énergie thermique des aquifères (ATES), qui utilisent la température (entropie) pour stocker l’énergie. Dans de nombreux cas, la chaleur excédentaire est stockée dans des matériaux thermoconducteurs, puis récupérée pour produire de l’électricité.
Par exemple, les installations de stockage d’énergie par sels fondus (MSES) sont utilisées dans des applications commerciales pour le stockage d’énergie à court terme. Les sels fondus sont chauffés à plus de 1000 degrés F et stockés dans des conteneurs isolés. Lorsque de l’énergie est nécessaire, de l’eau froide est pompée à travers le sel fondu pour créer de la vapeur, qui passe ensuite dans des turbines pour produire de l’électricité. Ces systèmes peuvent généralement stocker jusqu’à 150 MW, ont une densité énergétique de 70 à 210 Wh/litre et peuvent avoir un rendement de 90 %.
Systèmes de stockage d’énergie à air comprimé
La pression peut également être utilisée pour stocker de l’énergie potentielle. Les systèmes de stockage d’air comprimé (CAES) utilisent l’électricité pour pomper l’air en profondeur dans des trous scellés pouvant supporter une pression élevée. Cet air à haute pression peut ensuite être chauffé et passer dans une turbine à air pour produire de l’électricité.
L’un des avantages des systèmes CAES est qu’ils peuvent être utilisés comme systèmes de stockage d’énergie à moyen et long terme. Il existe seulement un certain nombre de systèmes CAES dans le monde, mais leurs capacités de stockage d’énergie sont énormes, allant de 110 MW à 315 MW tout en atteignant un rendement de 70 %. Plusieurs autres systèmes CAES sont prévus aux États-Unis, au Canada, en Chine, en Australie, en Allemagne et dans d’autres parties de l’Europe. Théoriquement, des systèmes CAES à plus petite échelle pourraient être utilisés à des fins résidentielles, mais ces systèmes n’ont pas encore atteint le marché.
Hydroélectricité par pompage
La forme de stockage d’énergie la plus performante actuellement disponible est l’hydroélectricité par pompage (PSH). Ces installations de stockage d’énergie à grande échelle utilisent la gravité pour stocker l’électricité. Les systèmes PSH fonctionnent par pompage électrique de l’eau d’une basse altitude vers une altitude plus élevée où elle peut être stockée. Lorsque de l’électricité est nécessaire, l’eau est relâchée dans le bassin d’altitude inférieure par l’intermédiaire de turbines, qui produisent de l’électricité de la même manière que les barrages hydroélectriques.
Légende : la centrale de pompage-turbinage de Kruonis en Lituanie
Les systèmes de stockage d’énergie hydroélectrique par pompage peuvent être de taille variable. Par exemple, une nouvelle installation de stockage d’énergie par pompage à Walpole, en Australie occidentale, peut stocker 1,5 MW d’électricité, soit suffisamment pour alimenter 500 foyers pendant deux jours. Le plus grand système de stockage d’énergie PSH de la planète se trouve dans le comté de Bath, en Virginie, et peut produire plus de 3 000 MW avec une capacité de stockage totale de 24 000 MWhs. Cela représente l’équivalent en énergie stockée de 34,7 milliards de batteries lithium-ion CR2032.
Les systèmes PSH sont les plus grands systèmes de stockage d’énergie utilisés à l’ère moderne. Cependant, leur densité énergétique est l’une des plus faibles de toutes les solutions de stockage, allant de 0,2 à 2 wattheures par litre (1/200e d’une batterie au lithium). Le stockage de la même quantité d’énergie dans une batterie au lithium ordinaire nécessite 200 fois la surface totale d’un système PSH. Malgré leur besoin en surface, les systèmes de logement social atteignent un rendement de 85 %.
Systèmes de stockage d’énergie modernes
Les technologies de stockage de l’énergie sont aujourd’hui très diverses. Que ces systèmes reposent sur la pression, la gravité, le potentiel chimique, le potentiel thermique ou la capacité, ils visent tous le même objectif : stabiliser et alimenter la demande d’électricité à différentes échelles. Qu’il s’agisse de petites applications au niveau de la carte, comme l’électronique portable, ou de systèmes à grande échelle au niveau du réseau qui permettent l’intégration des énergies renouvelables, chacune de ces technologies représente une solution moderne pour le stockage de l’énergie. Si les applications les plus courantes sont les systèmes de stockage d’énergie par batteries lithium-ion, le paysage évolue vers des solutions plus efficaces, plus rentables et plus respectueuses de l’environnement.
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