Par Steven Shackell
Malgré de nouveaux gains d'efficacité, la consommation mondiale d'électricité continue d'augmenter. Les infrastructures de production et de stockage d'énergie doivent également se développer. Des méthodes de stockage telles que l'hydroélectricité pompée, les batteries, les banques de condensateurs et les volants sont actuellement utilisés pour stocker l'énergie au niveau du réseau. Chaque technologie présente divers avantages et limites en termes de capacité, de vitesse, d'efficacité et de coût.
Une autre technologie émergente, Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES), semble prometteuse pour faire avancer le stockage de l'énergie. Le SMES pourraient révolutionner la façon dont nous transférons et stockons l'énergie électrique. Cet article explore la technologie SMES pour déterminer ce qu'elle est, comment elle fonctionne, comment elle peut être utilisée et comment elle se compare aux autres technologies de stockage de l'énergie.
Qu'est-ce que le Superconducting Magnetic Energy Storage ?
SMES est une technologie de stockage d'énergie avancée qui, au plus haut niveau, stocke l'énergie de manière similaire à une batterie. L'alimentation externe charge le système SMES sur le lieu de stockage ; en cas de besoin, cette même énergie peut être déchargée et utilisée en externe. Cependant, les systèmes SMES stockent l'énergie électrique sous la forme d'un champ magnétique via le flux de courant continu dans une bobine. Cette bobine est constituée d'un matériau supraconducteur à résistance électrique nulle, rendant la création du champ magnétique parfaitement efficace. Une fois la bobine supraconductrice chargée, le courant continu dans la bobine fonctionnera en continu sans aucune perte d'énergie, permettant à l'énergie d'être parfaitement stockée indéfiniment jusqu'à ce que le système SMES soit intentionnellement déchargé. Cette efficacité élevée permet aux systèmes SMES d'atteindre des rendements de bout en bout supérieurs à 95 %.
Comment fonctionne un système Superconducting Magnetic Energy Storage ?
La technologie SMES repose sur les principes de supraconductivité et d'induction électromagnétique pour fournir une solution de stockage d'énergie électrique sophistiquée. Le stockage de l'énergie CA à partir d'une source d'énergie externe nécessite un système SMES pour d'abord convertir toute l'énergie CA en énergie CC. Il est intéressant de noter que la conversion de l'énergie est la seule partie d'un SMES qui n'est pas parfaitement efficace, puisqu'elle est responsable de toutes les pertes totales du système.
L'énergie CC est ensuite transférée via le fil supraconducteur pour générer un important champ électromagnétique, qui est finalement utilisé pour stocker cette énergie. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle lorsqu'ils sont refroidis en-deçà de leur température critique ; c'est la raison pour laquelle les systèmes SMSES n'ont aucune chute ou perte de stockage d'énergie, contrairement aux autres méthodes de stockage.
Démonstration d'une géométrie de solénoïde produisant un champ électromagnétique
Le fil supraconducteur est enroulé avec précision dans une géométrie toroïdale ou solénoïdale, à l'instar d'autres dispositifs à induction communs, pour générer le champ magnétique de stockage. À mesure que la quantité d'énergie qui doit être stockée par le système SMES augmente, la taille et la quantité de fil supraconducteur augmentent également. Par exemple, un vaste projet SMES d'Amérique du Nord a été présenté avec une capacité de stockage de 2 400 MW et un anneau de stockage de plusieurs dizaines de kilomètres de diamètre, enterré dans le sol.
Avantages des systèmes Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)
La caractéristique qui définit les systèmes SMES est leur efficacité imbattable. Un minimum d'énergie est gaspillée lors du processus de stockage de l'énergie. Les systèmes SMES ont une efficacité de bout en bout proche de 100 %, contre 80 % à 90 % d'efficacité pour les batteries aux ions de lithium et 70 % à 85 % d'efficacité pour le stockage hydroélectrique par pompage. Dans les applications où l'énergie peut être intermittente ou rare, comme dans le cas d'un micro-réseau rural ou d'un grand satellite, la conservation de l'énergie peut être primordiale et il peut être nécessaire de maximiser l'efficacité du stockage, même si cela coûte plus cher au départ.
De plus, les systèmes SMES présentent des temps de réponse rapides en termes de charge et de décharge, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant une fourniture et une stabilisation rapide et précise de l'énergie. Par exemple, les installations de fabrication de semi-conducteurs ou les installations médicales bénéficient grandement des systèmes SMES, car leurs équipements peuvent générer d'importantes surtensions qui peuvent être facilement traitées par un système SMES, même en comparaison avec des systèmes de batteries Li-Ion à haute performance..
Inconvénients des systèmes Superconducting Magnetic Energy Storage systems
Comparés aux autres solutions de stockage d'énergie, les systèmes SMES ont des coûts de départ extrêmement élevés. La fabrication de matériaux supraconducteurs est onéreuse et nécessite un système de refroidissement cryogénique pour atteindre et maintenir l'état de supraconductivité du matériau de la bobine.
Les supraconducteurs tels que l'YBCO (yttrium barium copper oxide) et le BSCCO (bismuth strontium calcium copper oxide) sont créés à l'aide de techniques de synthèse d'assemblage qui utilisent des matières premières à pureté élevée, ce qui rend leur fabrication nettement plus coûteuse que le fil de tous les jours. De plus, l'YBCO et le BSCCO ont des points critiques à 93K (-292,3F) et 110K (-261F) de pression atmosphérique, ce qui signifie qu'ils ne sont supraconducteurs que s'ils sont maintenus à des températures extrêmement basses et qu'ils nécessitent des systèmes cryogéniques complexes pour créer de tels environnements.
En outre, les systèmes SMES sont limités en termes d'extensibilité. Outre des coûts initiaux non évolutifs, les systèmes SMES ont des besoins de maintenance élevés et la capacité de stockage ne peut pas être augmentée facilement. En revanche, les systèmes de stockage par batterie aux ions de lithium peuvent être facilement connectés, tandis que la combinaison de dispositifs SMES nécessite une mise à l'échelle de l'infrastructure de refroidissement cryogénique.
Le système Superconducting Magnetic Energy Storage constitue-t-il l'avenir des infrastructures énergétiques ?
Bien que le SMES offre un avantage incroyablement unique par rapport aux autres applications de stockage d'énergie et qu'il s'agisse véritablement d'une technologie de pointe, il est peu probable que le SMES soit largement adopté dans la plupart des applications de stockage d'énergie dans un avenir proche. Actuellement, les capacités et l'offre de matériaux supraconducteurs sont limitées. Les technologies actuelles requièrent des températures cryogéniques pour faire apparaître la supraconductivité et la production de supraconducteurs en vrac, compatibles avec le réseau, n'a pas encore été réalisée.
Cependant, les physiciens travaillent à la découverte de nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température qui pourraient un jour permettre la supraconductivité à température ambiante. Si cet objectif est atteint et que le matériau peut être produit en masse, l'efficacité et la performance des SMES propulseront probablement l'adoption du marché avant d'autres technologies. Les progrès réalisés dans le domaine des matériaux supraconducteurs, des technologies cryogéniques et des stratégies de réduction des coûts pourraient améliorer considérablement la compétitivité des systèmes SMES, mais ils sont aujourd'hui limités à la recherche et aux infrastructures énergétiques de niche.
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