SCIENCES - A propos du stockage de l'énergie: ce qu'il faut savoir

 

1. Le début de la crise de l’énergie

En décembre 1972, un club peu connu fit paraître un rapport qui mit le feu aux poudres : le fameux rapport du « club de Rome » ! Pour le grand public, celui-ci se résumait en cette prévision, en tout cas c'est tout ce qu'on en a retenu : « dans 30 ans nous aurons épuisé toutes les réserves pétrolières de la Planète ; il nous faut donc économiser nos besoins en énergie et multiplier au moins par 10 le prix du pétrole » ! Ce fut le début de la crise de l’énergie. Et c’est ce qui lança les mouvements écologistes dans le monde, mouvements, hélas idéologiques et qui sont tout sauf véritablement écologistes.

Or nous sommes en 2016, soit 44 ans après cette publication et non seulement nos réserves pétrolières sont loin d’être épuisées, mais les réserves de pétrole connues aujourd’hui représentent au moins un siècle de la consommation actuelle et celles de gaz plus de trois siècles ! Et si leurs prix ont commencé à augmenter peu après cette publication, ils ont été divisés par deux ces dernières années, grâce aux schistes bitumineux. Le moins qu’on puisse dire est que cette prévision fut une aberration !

Mais ce rapport de 1972 eut tout de même le mérite d’attirer l’attention du grand public sur le problème de la gestion de nos besoins en énergie.

2. Les sources d’énergie et leurs utilisations

Mais qu’est-ce que l’énergie, pourquoi en a-t-on besoin, comment se la procure-t-on et comment l’utilise-t-on ?

Pour les physiciens l’énergie est la propriété d’un corps ou système (matériel, physique) capable de fournir un travail. Ce travail permet au corps de se transformer ou d’interagir avec d’autres corps et il représente une dépense ou une perte d’énergie pour ce corps. Il lui faut donc trouver une source d’énergie où puiser ce dont il a besoin.

Précisons que l’énergie revêt différentes formes. Un corps A possède de l’énergie par rapport à un corps B soit parce qu’il animé d’une certaine vitesse par rapport à B : c’est de l’énergie cinétique, soit parce qu’il en est éloigné en s’opposant à des forces qui tendraient à l’en rapprocher : c’est de l’énergie potentielle.

Mais toutes les énergies n’ont pas la même valeur d’utilisation. Car l’énergie subit une dégradation plus ou moins importante depuis sa source jusqu’à son point d’utilisation selon sa nature et son origine, qu’elle soit mécanique ou thermique. Les sources d’énergie mécaniques sont les meilleures car cette énergie est la plus facilement utilisable. Mais elles sont plutôt rares et pas toujours disponibles pour les utilisateurs. Par contre, la valeur d’une énergie fournie par une source thermique dépend de la température de la source : plus la source est chaude, plus son énergie est utilisable pour fournir du travail. Ce qui, malheureusement, est aussi rarement le cas ! Nous ne parlons pas ici de l’énergie musculaire fournie par l’homme et les animaux domestiques ; il faut cependant savoir qu’elle n’est pas négligeable et représente de quelques pourcents de l’énergie totale consommée par l’homme.

Sur notre Planète, l’ensemble des êtres vivants, dont les hommes, comme tous les systèmes, ont besoin d’énergie pour vivre. Ce sont le Soleil et la Terre qui sont à l’origine des sources d’énergie. Les étoiles, trop éloignées, n’ont aucune influence dans ce domaine. La Lune, par le jeu des marées, apporte tout de même sa contribution.

Le Soleil nous envoie son énergie par rayonnement dont la partie principale est la lumière. Ce rayonnement est à très haute température : c’est celle de la surface du soleil, environ 5700° Celsius ; par conséquent sa valeur d’utilisation est très grande : C’est la source de la vie sur Terre. Les plantes (terrestres et marines) l’absorbent par assimilation chlorophyllienne (photosynthèse) et sont à l’origine de la chaîne alimentaire : autrement dit, nous ‘mangeons’ du Soleil. Mais ce rayonnement a un grave défaut : il est extrêmement dispersé dans l’espace et il est intermittent. Il disparaît la nuit, il est fortement atténué par l’atmosphère et les nuages, et aussi dans les régions polaires à cause de la rotondité de la Terre. En outre, le Soleil se déplace dans le ciel. D’où la grande difficulté à capter cette énergie dans la plupart des régions où elle est nécessaire. Depuis Archimède beaucoup de machines ont été construites pour exploiter l’énergie solaire. Par exemple au début des années 1950 les fours solaires de Montlouis (Pyrénées) et d’Alger atteignaient la température de 3000°C. Aujourd’hui on se tourne vers les cellules photovoltaïques, aussi appelées piles solaires, qui convertissent directement l’énergie solaire en énergie électrique.

La Terre fournit de l’énergie sous des formes diverses. D’abord elle émet elle aussi un rayonnement mais qui est très faible et à très basse température (celle de l’air ambiant, autour de 15°C), ce qui le rend inutilisable. Une grande quantité d’énergie thermique est stockée dans l’atmosphère, les océans et les rivières ; mais leurs températures sont également trop basses être intéressantes. L’énergie stockée dans les océans a fait l’objet de recherches et d’expérimentations. Ainsi Georges Claude fit des expériences dans les eaux équatoriales (près d’Abidjan) exploitant la différence de température entre la surface chaude de l’océan et les eaux en profondeur plus froides. Mais les résultats ont été médiocres. La croûte terrestre elle-même peut fournir de l’énergie quand elle est assez chaude comme c’est le cas près des volcans : c’est la géothermie. En général cette source d’énergie est facilement exploitable sous forme d’eau chaude dont la température peut atteindre 80°C. Et c’est une source d’énergie permanente ! Mais elle demeure rare et trop localisée. Enfin l’on a exploité l’énergie mécanique des marées, des fleuves et des chutes d’eau : cette énergie a l’avantage d’être produite par des sources hydrauliques, donc facilement exploitables ; elle est largement exploitée, mais elles restent localisées en quelques lieux particuliers. On tente même d’utiliser l’énergie des courants océaniques ou des vagues.

On exploite aussi l’énergie cinétique des vents pour faire tourner une roue ou une turbine, ou pour faire avancer des bateaux, comme cela se pratiquait au temps de la marine à voile. Au Moyen Age, on mit au point des machines qu’on appelait ‘moulins à vent’, ces machines reviennent à la mode sous forme d’éoliennes. Leur inconvénient majeur est, comme pour le solaire, leur dispersion et leur fonctionnement très intermittent. En outre, la pollution des éoliennes commence à poser un problème.

La principale source d’énergie demeure les combustibles organiques. Outre le bois peu énergétique, la grande richesse de la Terre réside dans le charbon, le pétrole et le gaz qui sont faciles à extraire, même si aujourd’hui il faut aller les chercher profondément dans le sol. Bien que très abondant (ses réserves dépassent le millier d’années), le charbon est en cours d’abandon, car trop polluant avec les techniques actuelles, au profit du pétrole et du gaz. Citons aussi l’alcool éthylique ou éthanol utilisé de plus en plus comme carburant.

Enfin on exploite l’énergie nucléaire de fission dans les centrales nucléaires. Cette énergie est très abondante, peu chère, et pratiquement sans pollution si l’on prend toutes les précautions nécessaires pour gérer les déchets radioactifs.

Il faut aussi citer l’énergie nucléaire de fusion qui résoudrait tous nos problèmes d’approvisionnement en énergie tant elle serait abondante et en principe sans pollution ni aucun risque (absence de radioactivité). Son seul inconvénient est qu’aujourd’hui elle n’existe pas car on ne sait toujours pas la maîtriser !

La plupart du temps la production de l'énergie ne s'effectue pas sur son lieu d'utilisation ni au moment où elle est utilisée. Il faut donc trouver un moyen de la stocker et de la transporter jusqu'à son lieu d’utilisation. Par exemple une usine marémotrice qui exploite l'énergie potentielle de l'eau due à la différence de niveau entre la mer et l'eau du bassin formé par le barrage dépend du mouvement de la Lune et du Soleil : on ne peut guère agir sur ce phénomène. Par contre pour les usines au fil des rivières ou exploitant des chutes d’eau, si le cours de celles-ci est assez régulier, la production et l’utilisation de l'énergie produite sont plus facilement maîtrisables et peuvent être continues.

L’énergie électrique présente cet énorme avantage d’être très facilement acheminée depuis son lieu de fabrication jusqu’au lieu d’utilisation par des lignes spécialement étudiées pour limiter les pertes durant ce transport ; en outre son emploi est extrêmement souple. Mais elle est assujettie à une forte contrainte : le système qui l’utilise doit être fixe. Si le système est mobile il faut soit établir des liaisons mobiles avec les lignes électriques ce qui est assez limitatif et très difficile à mettre au point (cas des caténaires pour les trains), soit embarquer une source électrique autonome : il faut donc recourir à des piles.

Par contre, comme nous allons le voir, les combustibles, ayant une forte valeur énergétique et étant facilement transportables, offrent une bien meilleure solution.

3. Le stockage de l’énergie.

Il est important de pouvoir stocker l’énergie pour pouvoir l’utiliser au moment voulu, à l’endroit voulu et sous la forme voulue par le système utilisateur.

3.1 Cas de l’énergie mécanique

Quand la source d’énergie est mécanique, on peut la stocker facilement soit sous forme d’énergie potentielle soit sous forme d’énergie cinétique. Sous forme potentielle, il existe des systèmes à ressorts ou à air comprimé mais qui ne peuvent emmagasiner qu’une très faible énergie. Pour de grandes quantités d’énergie, il faut recourir aux barrages hydrauliques.

Sous forme cinétique on utilise des volants d’inertie, c’est-à-dire des roues très massives que l’on fait tourner très rapidement. Ces roues peuvent conserver cette énergie cinétique pendant un temps assez long en prenant beaucoup de précautions pour limiter les pertes dues aux frottements (par exemple, on peut les faire léviter dans le vide au-dessus d’un matériau supraconducteur). Mais dans l’état actuel de la technique, l’énergie que l’on peut stocker ainsi reste limitée. Des recherches sont en cours pour élaborer des matériaux massifs et résistants à la traction susceptibles d’emmagasiner de grandes quantités d’énergie. Mais quoiqu’il en soit, il sera toujours nécessaire d’alimenter ces volants d’inertie pour compenser les pertes et l’énergie fournie par le volant. Ils doivent donc être couplés à une autre source qui, en l’occurrence peut être électrique. On peut envisager d’alimenter ces volants avec des piles solaires pendant le jour, les volants restituant l’énergie pendant la nuit.

3.2 Cas des combustibles

Les deux principaux sont le gaz et le pétrole. Leurs coûts, la réserve d’énergie qu’ils représentent et leur commodité d’emploi font qu’ils sont supérieurs à tous les autres moyens de stockage de l’énergie ; en particulier ils s’imposent dans les véhicules autonomes (bateaux, voitures, motos, avions, …).

3.3 Cas de l’énergie électrique

Les difficultés du stockage électrique

Rappelons que la matière est formée d’atomes, eux-mêmes constitués d’un noyau central chargé d’électricité positive autour duquel circulent des particules chargées d’électricité négative : les électrons. Le tout est électriquement neutre, les charges négatives équilibrant exactement les charges positives. Les particules de même charge se repoussent et celles qui ont des charges opposées s’attirent, sous l’effet d’une force dite électrostatique. Cette force est gigantesque, bien plus grande, par exemple que la force d’attraction universelle (de Newton). C’est cette force qui assure la cohésion des atomes et que, par conséquent, la matière est électriquement neutre dans les conditions physiques normales.

Les phénomènes électriques résultent de la dissociation de ces deux types d’électricité, dissociation qui ne se produit que dans des conditions particulières : les électrons d’un côté et, de l’autre, les atomes ayant perdu ces électrons (on dit qu’ils sont ionisés : ce sont des ions). Mais les forces électriques s’opposent à cette dissociation. Ainsi un courant électrique qui est un déplacement d’électrons va rencontrer une résistance qui se traduit par un échauffement : c’est l’effet Joule qui tend à faire disparaître ce courant sous forme de chaleur. Un matériau chargé d’électricité statique subira des forces qui tendront à le rapprocher de charges opposées, annihilant ainsi toutes ces charges isolées. Or pour stocker de l’énergie électrique, il est nécessaire de recourir d’une façon ou d’une autre à cette dissociation : on rencontre donc assez vite les limites imposées par ces forces électriques : c’est pourquoi il est très difficile de réaliser un tel stockage qui soit tout de même efficace.  

Passons en revue quelques procédés de stockage électrique.

Stockage cinétique (bobine ou boucle de courant).

Un courant électrique crée dans son voisinage de l’énergie électromagnétique. Il en découle le principe suivant. On injecte un courant électrique dans une bobine, ce qui crée une énergie électrique stockée dans la bobine. Ce courant, une fois stabilisé dans la bobine, est envoyé dans un moteur, ce qui provoque le transfert de l’énergie de la bobine au moteur. Mais ce courant est rapidement absorbé par les pertes dues à l’effet Joule, et la bobine ne peut fournir son énergie que pendant une fraction de seconde ! Les applications de cette technique sont donc très particulières et rares.

Pour qu’un tel système soit utilisable il faut éliminer les pertes Joule, et il se trouve que cela est possible avec les matériaux supraconducteurs qui ont la propriété spéciale de ne pas opposer de résistance à la circulation d’un courant électrique.

Mais l’obstacle majeur de cette technique est de disposer d’un matériau supraconducteur fonctionnant à la température ordinaire. Or jusqu’à présent et en dépit de recherches acharnées, les plus hautes températures de fonctionnement d’un supraconducteur sont au mieux de 70°C en-dessous du zéro ! Il faudrait donc dépenser beaucoup trop d’énergie pour refroidir la boucle de courant. Pour l’heure cette solution semble abandonnée.

Stockage dans des condensateurs

Un condensateur est un ensemble de deux conducteurs isolés l’un de l’autre mais s’influençant mutuellement : l’un porte des charges positives et l’autre négatives. Ce dispositif constitue un stockage d’énergie potentielle de nature électrostatique. Mais comme les bobines, ils ne peuvent délivrer cette énergie que pendant quelques secondes. Leurs emplois sont donc très limités.

Stockage dans des piles électriques

Les piles classiques

Le dispositif le plus courant de stockage de l’énergie électrique reste la pile. Une pile est constituée d’une solution chimique (électrolyte) et de deux bornes (électrodes). Au sein de l’électrolyte se déroule une réaction chimique qui provoque l’apparition, aux bornes de la pile, de charges électriques opposées : une borne est positive et l’autre négative. On dit que les électrodes ont une différence de potentiel qu’on appelle tension de la pile et qui se mesure en Volts. Cette différence entre les bornes, c’est de l’énergie potentielle. Lorsque la pile débite du courant dans un circuit extérieur, cette énergie est transférée par le courant dans le circuit extérieur qui peut la recueillir. Au final, la source de cette énergie est donc l’énergie chimique de la solution qui constitue en fait le réservoir d’énergie de la pile.

L’utilisation d’une pile finit par épuiser son énergie potentielle (ou chimique) et la pile devient inutilisable. Mais si la réaction chimique est réversible, on peut recharger la pile en lui injectant un courant électrique en sens contraire de celui fourni par la pile lors de son utilisation, ce qui régénère l’énergie électrique de la pile ; dans ce cas on parle d’accumulateur ou de batterie plutôt que de pile. Notons cependant que le nombre de cycles décharge-charge reste limité et quand cette limite est atteinte, la pile, devenue inutilisable, doit être détruite. Malheureusement, cette destruction est une source de pollution de l’environnement.

Les piles photovoltaïques

Les matériaux électroniques ayant beaucoup évolué, les cellules photovoltaïques actuelles fonctionnent avec un rendement acceptable. Cependant cette technique reste très chère et pose des problèmes de pollution actuellement difficiles à traiter tant lors de leur fabrication que lors de leur mise au rebut quand elles arrivent en fin de vie.

Les piles à combustibles

Elles constituent une catégorie à part : La borne positive est alimentée en combustible (en général de l’hydrogène) et la borne négative en comburant (en général de l’oxygène). Une telle pile offre des possibilités bien supérieures aux piles électriques ordinaires puisque ce sont les réservoirs des combustibles et des comburants qui stockent l’énergie et non l’électrolyte. Outre le fait qu’elles ne produisent aucune pollution (en général elles produisent de l’eau), elles ne perdent aucune énergie quand on ne s’en sert pas. Mais les difficultés techniques et le coût de réalisation sont énormes et cette technologie n’avance pas beaucoup.

Bien qu’il existe plusieurs sortes de piles, elles sont toutes faites selon le même principe. Leurs tensions entre les bornes vont de un peu moins de 1 Volt à un peu plus de 3 Volts. Pour obtenir des tensions supérieures on en monte plusieurs en série d’où ce nom de pile ou de batterie.

4. Comparaison des capacités énergétiques des différents moyens de stockage

Laissant de côté l’hydraulique et le nucléaire qui sont particuliers, il est intéressant de comparer les possibilités énergétiques des combustibles et des piles. Le tableau suivant donne leurs capacités par kg et par litre, c’est-à-dire en masse et en volume. Les énergies sont exprimées en watts.heure : c’est l’énergie fournie pendant une heure par un moteur dont la puissance est de 1 watt. L’unité d’énergie standard est le joule : 1 watt.heure vaut 3600 joules.

 

 

Caractéristique énergétique	Batterie au plomb	Batterie au lithium	Essence	Gaz	Ethanol
Energie massique (en w.h/kg)	30 à 50	80 à 200	13000	14000	8000
Energie volumique (en w.h/l )	75 à 120	200 à 350	17000	///	10000
Durée de vie (ou nombre de recharges)	400 à 800	500 à 1000	Indéfini	Indéfini	Indéfini

 

On constate que les combustibles ont une capacité énergétique plus de cent fois supérieure à celle des batteries électriques ! En outre, le temps de recharge des batteries reste très élevé car l’intensité du courant de recharge doit être limité sous peine de détériorer la batterie. Quels que soient les progrès des batteries, les voitures électriques auront du mal à concurrencer les voitures à essence !

Un réservoir d’automobile de 50 litres plein d’essence représente une valeur énergétique de 850 kw.h ! Et lorsque l’on fait le plein d’essence de ce réservoir en 5 minutes, c’est que la pompe à essence a un débit énergétique d’environ 3 kw.h/s, soit 10 mille kw, ou encore 10 millions de Joules par seconde ! C’est le débit d’énergie qui passe entre nos mains quand nous faisons ce plein. On mesure là l’efficacité d’une pompe à essence !

ABAD

15/10/2016