Le stockage de l’énergie : la clé d’un avenir énergétique renouvelable
Notre utilisation de l’énergie aide à faire fonctionner notre monde moderne, en mettant du carburant dans nos voitures, de la nourriture dans nos estomacs et des batteries dans nos jouets, car presque tout ce que nous utilisons dans notre monde nécessite une forme d’énergie pour fonctionner et jusqu’à ce que nous découvrions les nombreuses utilisations de l’électricité, il n’y avait pas vraiment besoin de stockage d’énergie.
À l’époque, notre consommation d’énergie était directe, par la combustion de charbon, de bois ou par l’utilisation de roues à eau pour alimenter les moulins ou pomper de l’eau lorsque nous en avions besoin. Mais aujourd’hui, le monde est devenu un endroit de plus en plus avide d’énergie, et cette demande constante et croissante d’électricité nécessite que nous trouvions de nouvelles façons non seulement de générer de l’énergie, mais aussi de la stocker.
Le stockage d’énergie est également une partie vitale de tous les processus naturels de notre planète. Le stockage de l’énergie sous une forme ou une autre pour une utilisation ultérieure a été extrêmement important non seulement pour l’humanité mais aussi pour quasiment toute autre forme de vie.
En tant qu’êtres humains, nous stockons de l’énergie sous forme de structures chimiques, telles que des glucides et des sucres dans notre corps lorsque nous mangeons. Cette énergie, une fois stockée, est progressivement libérée au fil du temps, ce qui nous permet de survivre et de fonctionner pendant de longues périodes entre les repas. Sans ce stockage d’énergie, la vie ne serait pas possible.
Mais en plus de la vie, le stockage d’énergie est un élément clé de tout système énergétique durable. Les ressources des combustibles fossiles, telles que le charbon et le pétrole, deviennent non seulement plus rares dans certaines régions, mais aussi de plus en plus inaccessibles et coûteuses à extraire.
Heureusement pour nous, la Terre a été dotée d’une abondante réserve de ressources naturelles et nous avons développé de nombreux types de systèmes d’énergie renouvelable pour convertir l’énergie abondante du soleil, du vent, des rivières et des océans en électricité.
Mais que se passe-t-il lorsque le soleil ne brille pas, que le vent ne souffle pas ou que les marées des océans atteignent leurs hauts et bas, et que cette énergie gratuite n’est pas disponible ? Nous devons alors trouver des moyens de stocker économiquement l’électricité générée pour une utilisation ultérieure. Bien que l’énergie ne puisse être ni créée ni détruite, elle peut être conservée sous diverses formes, par exemple le stockage chimique dans une batterie. C’est ce que l’on appelle l’énergie stockée, et c’est le stockage d’énergie qui jouera un rôle critique dans un avenir énergétique renouvelable et efficace.
Lorsque le terme « stockage d’énergie » est utilisé, la plupart des gens pensent au stockage de l’électricité dans des batteries, mais la capacité de stocker l’énergie provenant d’une source primaire pour une utilisation ultérieure est importante dans de nombreuses situations, surtout lorsque cette source primaire d’énergie provient d’une source variable et incontrôlable comme le solaire ou l’éolien. Le terme « support de stockage » désigne le réservoir d’énergie qui conserve l’énergie potentielle au sein d’un dispositif de stockage d’énergie pour une utilisation future.
Il existe de nombreuses façons de stocker de l’énergie, telles que : électrochimiquement (batteries, piles à hydrogène), électriquement (condensateurs, stockage d’énergie magnétique), mécaniquement (volants d’inertie, ressorts, accumulateurs hydrauliques), potentiellement gravitationnellement (barrages hydroélectriques, débits de rivières) et thermiquement (sels fondus, vapeur, corps d’eau) pour n’en nommer que quelques-uns, chacun avec ses propres avantages et inconvénients en matière de stockage d’énergie.
Il y a deux raisons principales pour lesquelles le stockage d’énergie est important et pourquoi il se développera avec l’augmentation des sources d’énergie renouvelables :
- De nombreuses sources d’énergie renouvelable importantes sont intermittentes et ne produisent que lorsque les conditions météorologiques le permettent, comme le vent et le solaire, donc le stockage d’énergie permet de s’adapter aux variations de la demande énergétique.
- De nombreux systèmes de transport nécessitent que l’énergie soit stockée et transportée avec le véhicule, soit sous forme de batterie pour démarrer le moteur, de banques de batteries pour véhicules électriques ou de piles à hydrogène pour propulser un véhicule dans ses différents modes de fonctionnement.
Le stockage d’énergie est un composant important dans tout système énergétique durable, et les types de supports de stockage d’énergie qui peuvent prendre et libérer de l’énergie sous forme d’électricité ont la valeur la plus universelle, car l’électricité peut être efficacement convertie soit en énergie mécanique, soit en énergie thermique. La manière la plus courante de stocker de l’énergie pour une utilisation ultérieure est par l’utilisation de batteries.
Batteries de Stockage
Les batteries électrochimiques sont le dispositif de stockage d’énergie le plus courant en usage et demeurent le moyen prédominant de stockage d’énergie dans de nombreux systèmes énergétiques hors réseau et durables.
Cela est dû au fait que les batteries, par définition, sont des systèmes portables scellés qui stockent l’énergie électrique sous forme d’énergie chimique, et lorsque l’électricité est nécessaire, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique.
Les batteries sont capables d’avoir des rendements de conversion énergétique élevés, ce qui les rend idéales non seulement pour le transport, mais aussi pour des systèmes énergétiques alternatifs à domicile.
La batterie au plomb-acide est l’une des technologies de stockage d’énergie par batterie les plus anciennes et matures. Sous sa forme de base, la batterie au plomb-acide deep cycle est composée d’une électrode négative en plomb (Pb), d’une électrode positive en dioxyde de plomb (PbO2) et d’un séparateur pour les isoler électriquement. L’électrolyte liquide est généralement de l’acide sulfurique dilué (H2SO4), qui fournit les ions sulfate pour les réactions de décharge, mais des batteries de type gel, sans entretien, avec un électrolyte solide à base de silice deviennent de plus en plus populaires.
Dans le processus de charge de la batterie, l’énergie électrique en courant continu provenant de sources d’énergie conventionnelles ou renouvelables est stockée dans les produits chimiques actifs de la batterie à leur état chargé et énergique sous l’influence d’un contrôleur de charge de batterie. La puissance et les capacités énergétiques des batteries au plomb-acide sont basées sur la taille et la géométrie des électrodes, et un rechargement approprié est important pour obtenir la durée de vie optimale de toute batterie au plomb-acide dans toutes les conditions d’utilisation.
Cependant, maintenir les batteries de stockage d’énergie complètement chargées jour après jour pour assurer une réserve d’électricité prête à l’emploi est une priorité élevée qui nécessite une quantité considérable d’électricité. C’est parce que les batteries se déchargent d’elles-mêmes lorsqu’elles sont inactives. Pour surmonter certains de ces problèmes dans les véhicules électriques, une sorte de « super batterie », appelée pile à hydrogène, a été développée.
Piles à Hydrogène de Stockage
La pile à hydrogène est un autre type de dispositif électrochimique de stockage d’énergie qui convertit l’énergie chimique stockée d’un combustible courant (énergie hydrogène), un oxydant (oxygène), et un électrolyte coincé entre eux dans une seule cellule directement en énergie électrique.
Lorsque la demande d’électricité se manifeste, l’hydrogène stocké est passé sur l’anode (négative) et l’oxygène de l’air est passé sur la cathode (positive), et avec l’utilisation d’un catalyseur (platine, poudres de nano-fer, palladium), une réaction chimique a lieu et les électrons circulent à travers un circuit externe pour produire de l’électricité. Les piles à hydrogène sont désormais utilisées pour alimenter des véhicules.
Une pile à hydrogène ne produit aucun polluant lors de la fourniture d’énergie, seulement de la chaleur et de l’eau comme sous-produit, et étant similaire aux batteries, elle n’a pas de pièces mobiles, ce qui en fait une solution de stockage d’énergie très propre.
Par conséquent, théoriquement, il devrait être possible d’obtenir une fiabilité de plus de 99 % dans des conditions idéales, ce qui est bon étant donné que le coût d’une pile à hydrogène par rapport à une batterie est très élevé.
Bien que les piles à hydrogène de stockage puissent produire de l’électricité en courant continu, les piles sont surtout associées à la fourniture de carburant pour les voitures et autres formes de transport en utilisant l’électrolyseur pour séparer l’eau en oxygène et hydrogène à l’aide de l’électricité comme moyen de stockage d’énergie. Ensuite, la pile à hydrogène utilise deux processus différents pour le cycle de stockage, de production et d’utilisation d’énergie.
L’avantage que les piles à hydrogène ont sur les batteries pour le transport est que le processus est totalement propre, car lorsque vous brulez de l’hydrogène directement dans un moteur de véhicule, le seul déchet que vous obtenez est de la chaleur et de l’eau, sans dioxyde de carbone ni autres émissions nocives. Ainsi, alimenter des moteurs spécialement conçus en hydrogène peut propulser un véhicule à combustion propre.
Les piles à hydrogène produisent une source d’énergie constante par le biais de réactions chimiques, comme une batterie conventionnelle, mais à partir d’un flux de carburant et de nombreux combustibles différents peuvent être utilisés, y compris le gaz naturel et la biomasse gazéifiée ainsi que l’hydrogène. Cependant, d’où vient le carburant hydrogène ? Produire, stocker, liquéfier et transporter le gaz hydrogène là où il est nécessaire nécessite également de l’énergie. De plus, bien que le gaz hydrogène puisse être brûlé dans un moteur, il n’est pas aussi efficace que de fonctionner avec de l’essence.
Le stockage d’énergie est un composant clé de tout système énergétique durable et le besoin de stockage d’énergie est évident face à l’impossibilité intermittente de produire de l’électricité à partir de certains dispositifs d’énergie renouvelable. Bien sûr, les systèmes d’énergie renouvelable tels que l’éolien, le solaire (photovoltaïque (PV) et thermique), la biomasse, l’hydroélectrique, les courants océaniques et fluviaux, les vagues et les marées, n’ont pas besoin d’être raccordés au réseau, mais être hors réseau signifie des coûts supplémentaires pour un système de batteries de secours, car certains de ces systèmes sont considérés comme des sources intermittentes lorsque le stockage d’énergie est absent.
Bien que l’électricité ne puisse pas être stockée directement, elle peut facilement être stockée sous d’autres formes, par exemple l’énergie chimique, et convertie de nouveau en électricité selon les besoins. Ainsi, il existe une large gamme de technologies différentes disponibles qui peuvent être utilisées pour le stockage d’énergie électrique, des batteries, aux piles à hydrogène, en passant par les supercondensateurs.
Les batteries avec différentes compositions chimiques offrent des options flexibles pouvant être utilisées à des échelles allant de quelques watts pour alimenter des téléphones mobiles à plusieurs kilowatts (kW) pour propulser des véhicules électriques, les rendant adaptées à une large gamme d’applications hors réseau et de transport. De plus, les batteries de véhicules électriques qui ne sont plus adaptées à une utilisation dans les véhicules peuvent fournir une source à faible coût de stockage d’énergie renouvelable à petite échelle.
Les piles à hydrogène sont une technologie de stockage d’énergie relativement nouvelle avec des coûts d’investissement élevés. Cependant, avec des caractéristiques telles que l’absence de pièces mobiles, aucune émission, légèreté, polyvalence et fiabilité, elles représentent une nouvelle technologie avec un potentiel futur considérable pour le stockage d’énergie.
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