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Intermittentes, les énergies renouvelables, à commencer par celle du vent et celle du soleilsoleil, imposent leur stockage, ce qui pose problème. À l'échelle d'un réseau, le stockage d'énergie est possible dans les barrages hydroélectriques qui pompent l'eau vers le haut quand la production excède la demande. En France, la première installation a été mise en service dans les années 1930 entre deux petits lacs vosgiens, non loin de Colmar.
Mais pour le stockage individuel et l'autonomieautonomie énergétique à l'échelle des particuliers, qui font fleurir les panneaux photovoltaïques et les mini-éoliennes, ce genre de solution est impraticable et la seule voie est celle des batteries. Cependant, la banalisation de ces énergies nouvelles est enrayée par leur coût, leur duréedurée de vie et leurs performances. En cette ére de réchauffement climatique, les enjeux environnementaux poussent la science à s'acharner dans cette direction. Les progrès sont notables depuis plusieurs décennies, laissant espérer des solutions raisonnables pour les prochaines années.
La principale innovation récente actuellement largement diffusée est celle des batteries dites à lithiumlithium-ionion. Elles ont envahi les innombrables appareils mobilesmobiles, et même la voiture électriquevoiture électrique Blue Car, grâce à leur densité énergétique élevée. Elle atteint aujourd'hui 150 WH/kg. Autrement dit, un kilogrammekilogramme de batterie stocke de quoi alimenter pendant 150 heures un appareil consommant 1 wattwatt. Les premières batteries de ce type, commercialisées par Sony en 1991, proposaient 80 WH/kg. Les batteries au plomb, elles, se situent en dessous des 50 WH/kg et le nickelnickel-cadmiumcadmium fait un peu mieux.
Une batterie lithium-ion au travail. Sous l'anode (en bleu), les atomes de lithium émettent un électron vers l'électrode tout en se déplaçant à travers l'électrolyte vers la cathode. C'est la décharge. L'ensemble cathode-électrolyte-anode est enroulé pour occuper une volume plus faible, comme on le voit sur le dessin de gauche. © Idé Graphic pour Planète-Énergies
Stockage d'énergie chimique pour le photovoltaïque et l'éolien
Le principe des batteries est toujours le même : tandis que l'électricité circule entre les bornes positives et négatives, des ions positifs migrent, dans l'électrolyte, de l'anodeanode à la cathodecathode. Les lois de la chimiechimie expliquent le mécanisme : comme dans une pile, le milieu autour de l'anode doit être « oxydant », et celui autour de la cathode est « réducteur ». Ainsi, chaque atomeatome de lithium libère un électronélectron qui s'échappe sur l'électrodeélectrode négative (l'anode) puis vers le circuit extérieur. Il reste un ion lithium (Li+) qui migre à l'intérieur de la batterie, traverse une membrane et rejoint l'électrode positive (la cathode). Lors de la recharge, les ions migrent dans l'autre sens, rejoignant l'anode.
Les performances varient largement d'un type à l'autre. Elles se mesurent, entre autres, en nombre de cycle de charge et de décharge tolérables, en d'autres termes sa durée de vie, et en puissance, exprimée en watts-heureswatts-heures (Wh). Un autre point crucial est la vitessevitesse à laquelle une batterie peut se décharger. On peut avoir besoin de courants très forts durant des temps courts. À l'inverse, les applicationsapplications de stockage pour les énergies renouvelables chez les particuliers (comme l'énergie photovoltaïqueénergie photovoltaïque) réclament une tolérance aux décharges lentes.
Une éolienne ou des panneaux solaires alimentent une batterie électrique lithium-ion à travers des régulateurs, indispensables pour contrôler la charge. Une tension de 12 V en continu est alors directement exploitable. Un convertisseur (transformateur et redresseur) transforme le courant continu en courant alternatif 220 ou 230 V. © Idé Graphic pour Planète-Énergies
Au laboratoire, les batteries électriques évoluent
Les coûts restent actuellement assez élevés pour des maisons individuelles où l'on ne souhaite que compléter l'alimentation électrique pour réduire la facture. En revanche, dans les sites isolés, c'est-à-dire non raccordés au réseau comme les refuges de haute montagne par exemple, le stockage d'énergie est crucial. Pour une totale indépendance énergétique, il existe sur le marché plusieurs solutions de « batteries solaires », une expression souvent utilisées. Elles peuvent utiliser le plombplomb, par exemple dans les modèles dits AGM ( Absorbed Glass Mat) où l'électrolyte est immobilisé dans du borosilicate, c'est-à-dire du verre, ou encore dans les batteries Gel, où il est emprisonné dans un gel de silicesilice. Ces deux derniers modèles sont « sans entretien », ce qui facilite la vie des propriétaires. Des modèles au lithium, plus légers, existent également dans le commerce.
Les ingénieurs explorent actuellement plusieurs pistes, notamment les couples lithium-soufresoufre, lithium-airair ou zinczinc-air, voire les nanotubes de carbone. Remplacer le lithium serait une bonne idée car les réserves mondiales de ce métalmétal (le plus léger de tous) ne sont pas énormes... Pour démontrer la diversité des voies de recherches, citons cette étude du MIT (Massachusetts Institue of Technology) sur des photocommutateurs. Sous l'effet de la lumièrelumière, ces moléculesmolécules passent dans un état activé et y restent jusqu'à ce qu'un déclencheur (stimulationstimulation électrique, lumineuse ou thermique) vienne provoquer le changement d'état inverse. Le produit libère alors de la chaleurchaleur.
Ce procédé de laboratoire illustre bien les efforts portés par une nécessité à l'échelle du réseau. Pour assurer sa stabilité avec des sources d'énergies renouvelables intermittentes, le stockage chez les particuliers est un facteur clé. Avec en ligne de mire la vente du surplus d'électricité.
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