Stockage de l’énergie électrique
Ce dossier présente les principales solutions de stockage de l’énergie électrique : batteries, STEP, volant d’inertie et hydrogène. Il permet de comprendre leur rôle dans les installations photovoltaïques, les réseaux électriques et la transition énergétique.
Mise en situation
Vous travaillez dans une entreprise spécialisée dans les installations électriques et les énergies renouvelables. Un client souhaite améliorer son autoconsommation photovoltaïque et sécuriser une partie de son alimentation électrique.
Votre mission consiste à comprendre les différentes solutions de stockage, leurs avantages, leurs limites et les principaux points de vigilance lors de leur intégration.
- Identifier les solutions de stockage
- Comprendre les conversions d’énergie
- Comparer les rendements
- Analyser les usages possibles
- Repérer les contraintes de sécurité
1. Données du projet étudié
| Type d’installation | Maison individuelle équipée de panneaux photovoltaïques |
|---|---|
| Puissance photovoltaïque | 4 kWc |
| Consommation annuelle | 4 500 kWh/an |
| Besoin principal | Stocker le surplus de production en journée |
| Usage recherché | Autoconsommation, alimentation en soirée, secours partiel |
| Solution envisagée | Batterie lithium avec onduleur hybride |
À retenir
Le stockage ne produit pas d’énergie. Il permet de conserver une énergie produite à un moment donné pour l’utiliser plus tard.
2. Pourquoi stocker l’énergie électrique ?
L’électricité doit être produite au même moment qu’elle est consommée. Avec les énergies renouvelables, la production dépend de conditions extérieures : soleil, vent, météo, saison.
Le stockage permet donc de mieux adapter la production aux besoins réels des utilisateurs et du réseau électrique.
- Stocker le surplus photovoltaïque
- Utiliser l’énergie le soir ou la nuit
- Limiter l’injection sur le réseau
- Sécuriser certains circuits prioritaires
- Participer à la stabilité du réseau électrique
3. Les batteries électrochimiques
Les batteries électrochimiques transforment l’énergie électrique en énergie chimique pendant la charge. Lors de la décharge, cette énergie chimique est reconvertie en énergie électrique.
Batterie lithium-ion
C’est aujourd’hui la technologie la plus utilisée pour les véhicules électriques, les batteries domestiques et certains stockages industriels.
Caractéristiques générales
- Bon rendement : environ 85 à 95 %
- Temps de réponse très rapide
- Énergie stockée exprimée en kWh
- Puissance disponible exprimée en kW
- Durée de vie exprimée en cycles de charge / décharge
4. Grandeurs électriques importantes
Capacité énergétique
Elle s’exprime en kWh. Elle indique la quantité d’énergie que la batterie peut stocker.
Exemple : une batterie de 5 kWh peut théoriquement fournir 1 kW pendant 5 heures.
Puissance maximale
Elle s’exprime en kW. Elle indique la puissance que la batterie peut fournir à un instant donné.
Une batterie peut avoir beaucoup d’énergie disponible, mais une puissance limitée.
Exemple simple :
Un logement consomme environ 500 W pendant 6 heures en soirée.
Énergie nécessaire : 0,5 kW × 6 h = 3 kWh
Il faudra donc prévoir une batterie supérieure à 3 kWh, en tenant compte du rendement et de la profondeur de décharge autorisée.
5. La STEP : pompage-turbinage
Une STEP, ou Station de Transfert d’Énergie par Pompage, utilise deux bassins situés à des altitudes différentes.
Phase de stockage
Lorsque l’électricité est disponible en excès, des pompes remontent l’eau vers le bassin supérieur.
Phase de restitution
Lorsque la demande augmente, l’eau redescend vers le bassin inférieur en entraînant une turbine couplée à un alternateur.
6. Le volant d’inertie
Le volant d’inertie stocke l’énergie sous forme mécanique. Un rotor tourne à très grande vitesse. Lorsqu’il faut restituer l’énergie, la rotation permet d’entraîner une machine électrique.
- Réponse très rapide
- Bonne durée de vie
- Adapté aux appels de puissance courts
- Capacité énergétique limitée
7. Le stockage par hydrogène
L’électricité peut être utilisée pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Cet hydrogène peut ensuite être stocké, transporté puis reconverti en électricité grâce à une pile à combustible.
Avantage
L’hydrogène permet un stockage de longue durée et peut être utilisé dans l’industrie ou certains transports.
Limite
Le rendement global est plus faible qu’une batterie, car plusieurs conversions d’énergie sont nécessaires.
8. Intégration dans une installation photovoltaïque
Dans une installation photovoltaïque avec stockage, les panneaux produisent du courant continu. L’énergie peut être consommée directement, stockée dans une batterie ou injectée sur le réseau selon le type d’onduleur et la configuration de l’installation.
Onduleur hybride
Il gère à la fois la production photovoltaïque, la charge de la batterie, l’alimentation de l’installation et les échanges avec le réseau.
BMS
Le Battery Management System surveille la batterie : tension, température, courant, état de charge et sécurité.
9. Protections et sécurité
Côté courant continu
- Sectionneur DC
- Fusibles ou protections adaptées
- Parafoudre DC si nécessaire
- Respect des polarités
- Câbles adaptés au courant continu
Côté courant alternatif
- Disjoncteur de protection
- Protection différentielle adaptée
- Mise à la terre
- Repérage des circuits
- Respect des notices fabricants
Point de vigilance
Une batterie peut fournir un courant important en cas de court-circuit. Les protections, les sections de conducteurs et les consignes de sécurité sont donc essentielles.
10. Comparaison des solutions de stockage
| Solution | Forme d’énergie stockée | Usage principal | Rendement indicatif | Limite principale |
|---|---|---|---|---|
| Batterie lithium | Chimique | Habitat, véhicule, industrie | 85 à 95 % | Coût, vieillissement, recyclage |
| STEP | Potentielle hydraulique | Réseau électrique | 70 à 80 % | Relief nécessaire |
| Volant d’inertie | Cinétique mécanique | Stabilisation, industrie | Élevé | Stockage de courte durée |
| Hydrogène | Chimique | Stockage longue durée | 30 à 40 % | Rendement global faible |
11. Synthèse
- Le stockage permet de décaler l’utilisation de l’énergie dans le temps
- Les batteries sont adaptées aux installations photovoltaïques résidentielles
- Les STEP sont adaptées au stockage massif sur le réseau
- Le volant d’inertie répond rapidement mais stocke peu d’énergie
- L’hydrogène permet un stockage longue durée mais avec un rendement plus faible
- La sécurité électrique est essentielle sur les systèmes avec batteries
12. QCM de vérification
Teste tes connaissances avec ce QCM interactif.