Le stockage de l’énergie Cours n°11 -...

Le stockage de l’énergie Cours n°11 source 1ère STI2D Nathan 2011 pour le texte

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Rédaction Marc VINCENT

Objectif : Réaliser le bilan énergétique d’un système de stockage d’énergie pour effectuer un choix judicieux d’une application de la chaîne d’énergie.

Le stockage de l’énergie a une double fonction dans un système : soit il permet de le rendre autonome, soit il permet d’emmagasiner une énergie et de l’utiliser avec un temps de décalage.

Les énergies emmagasinées 1


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Différents moyens de stocker l’énergie primaire ou secondaire

Energie emmagasinée

dans la matière

Energie emmagasinée à

partir de la transformation de

la matière

Energie emmagasinée dans des dispositifs de

stockage

Energie sous forme

naturelle

Carburants Gaz Uranium Charbon ……..

Hydrogène extrait de l’eau par électrolyse

……..

Barrage hydraulique Ballon d’eau chaude Ressort Condensateur Volant d’inertie Air comprimé

Soleil Géothermie Marée Vent Energie thermique des mers …..

Le stockage de l’énergie consiste à utiliser un « réservoir » dont le but est d’emmagasiner une grandeur physique qui sera exploitée le moment venu.

Remarque : A partir de sources d'énergie primaire, nous obtenons des énergies finales (essence ou fioul, énergie mécanique, etc.), par des transformations diverses (comme le raffinage pour le pétrole). L'électricité, tout comme l'hydrogène, sont des énergies finales, inexistantes dans la nature, et obtenues par conversion d'une énergie primaire. Il est essentiel de noter qu'une source d'énergie primaire, pour concourir à notre approvisionnement, doit nécessairement fournir plus d'énergie que ce qui est nécessaire pour l'exploiter.

Les formes d’énergies secondaires stockages 2

Mécanique, hydraulique, pneumatique

Electro-statique

Chimique Electro-magnétique

Thermique

Sous forme électrique

Par condensa-

teur

Par bobine d’inductance

Sous forme de chaleur

latente

Par combustion

interne

Sous forme potentielle

Sous forme cinétique

Sous forme de chaleur sensible

http://www.manicore.com/pile_combust.html


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Les formes d’énergies secondaires stockables

Forme de l’énergie stockée

Moyen de stockage

Exemple(s) Grandeur physique

Unité(s)

Electrique

Batterie d’accumulateurs

Accumulateurs

Quantité de charge

Coulomb

Relation physique à connaître

E = U×I×t E énergie ou travail en Joules, U : tension en Volt, I en

Ampère, t : durée en seconde

Q = I×t Charge électrique en Coulomb

Remarque : La capacité Q d’une batterie s’exprime aussi en Ampère×Heure

Q = I×t avec I en Ampère et t en heure 1kWh =3,6 106 Joules


Moyen de stockage


Unité(s)

Electrique

Condensateurs et

supercondensa-teurs

Tension Volt


E = 1/2×C×U2 avec C en Farads, U tension en Volt et E en joules

Les grandeurs liées au stockage 3


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Moyen de stockage


Unité(s)

Thermique sensible

Accumulateur thermique

Tempéra-ture

Degré Celsius

ou Kelvin


E=m×C×θ avec m masse en kilogramme, C capacité thermique

massique en J×kg-1×K-1, θ température en Kelvin et E énergie en Joules

unité aussi utilisée : 1 cal = 4,186 J


Moyen de stockage


Unité(s)

Mécanique Ressort (constante K)

Déplacement Mètre


E= 1/2×K×d2 E Energie ou travail en Joules, K constante du ressort

en Newtons/mètre, d allongement du ressort en mètre


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Moyen de stockage


Unité(s)

Mécanique

inertielle

Volant d’inertie de moment J

Taux de rotation

Radian par

seconde


E = 1/2×J×Ω2 ou 1/2×J×2 J moment d’inertie en kg×m2, Ω

ou vitesse de rotation en rad/s ,E énergie ou travail en Joules,


Moyen de stockage


Unité(s)

Mécanique

cinétique

Retenue de fluide

Hauteur mètre


E = ρ×V×g×h ρ masse volumique en kg/m3, V volume en m3,

g accélération de la pesanteur en m×s-2 , h hauteur en mètre

,E énergie ou travail en joules,


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Remarque : dans tous les cas, lors du stockage, des pertes apparaissent.

Pour que le stockage d’une énergie soit considérée comme efficace, un bilan énergétique doit être réalisé. Car il ne s’agit pas de transformer de l’énergie puis de la stocker pour qu’elle se dissipe en grande partie sous forme de pertes, à moins de pouvoir les valoriser.

Bilan énergétique Ef = Es – Ep

STOCKER

Energie secondaire Es

Energie finale Ef

Energie perdue Ep


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Stockage chimique

L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des batteries d’accumulateur appelées aussi électro générateurs. Il faut différencier les piles des accumulateurs formés de plusieurs éléments.

L’énergie stockée dans une pile est épuisable et le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est irréversible : Cycle de décharge uniquement

un procédé chimique

irréversible

L’énergie stockée dans un accumulateur est épuisable mais le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est réversible : cycles de charge et de décharge possibles.

Le stockage de l’énergie électrique 4

Symbole accumulateur


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L’énergie emmagasinée dans un accumulateur dépend de sa technologie ( exemple : Lithium-polymère) et de son volume.

Stockage électrostatique

Condensateur Super condensateur

Le condensateur ou capacité fonctionne comme un réservoir d'énergie électrique : Il empêche les variations brutales de courant électrique grâce à l'énergie qu'il a emmagasiné.

Un condensateur est un composant capable de stocker des charges électriques opposées et de les restituer vers un circuit externe. Il est constitué de deux armatures conductrices « électrodes » séparées par un isolant « diélectrique » ( qui ne conduit pas le courant)

La valeur de ces charges est proportionnelle à la avaleur de la tension qui lui est appliquée.

Symbole condensateur polarisé


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Un condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimé en farads (F)

Le Farad (symbole : F), tiré du nom du physicien Michael Faraday, est l'unité

dérivée de capacité électrique du système international (SI).

Lorsqu’un condensateur est utilisé pour stocker de l’énergie, on parle de super- condensateur car la capacité de charge électrique est beaucoup plus grande que celle d’un condensateur à usage électronique.

Le fabricant d'éoliennes allemand Enercon équipe, à l'heure actuelle, les éoliennes de 300 kW à 6 MW de super- condensateurs Maxwell qui emmagasinent l'énergie de réserve et la restituent. Mais ces dispositifs ne sont utilisés que pour assurer le fonctionnement continu des systèmes de contrôle de pas de pales en cas de panne d'alimentation, afin d'éviter d'endommager la turbine. L'installation de super-condensateurs dans les systèmes de contrôle de pas présente des avantages, par rapport aux accumulateurs classiques, en termes de performances à basses températures et de durée de vie en service . Cette application est cependant très peu gourmande en énergie, et elle est négligeable par rapport à la capacité de stockage d'énergie et de charge nécessaires pour emmagasiner l'énergie éolienne pendant une longue période de temps.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capacit%C3%A9_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_international_d%27unit%C3%A9s


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On distingue deux formes de chaleur issue de l’énergie thermique : la chaleur sensible et la chaleur latente.

La chaleur sensible Quand un objet est chauffé, sa température monte au fur et à mesure que de la chaleur y est ajoutée. La hausse de chaleur est appelée chaleur sensible. De la même manière, quand de la chaleur est enlevée d'un objet et que sa température baisse, la chaleur retirée est également appelée chaleur sensible. La chaleur qui provoque une modification de la température d’un objet est appelée chaleur sensible.

La chaleur sensible est donc la part de la chaleur échangée qui fait varier la température du système.

Elle est notée Qs = m×C×ΔT en Joule

Quantité de chaleur sensible échangée

avec M : masse du corps en kg C capacité calorifique en j×kg-1×K-1 ΔT : variation de température en K

Le stockage de l’énergie thermique 5


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La chaleur latente

Tous les corps purs sont capables de modifier leur état. Les solides peuvent devenir des liquides (glace en eau) et les liquides peuvent devenir des gaz (eau en vapeur), mais ces transformations nécessitent l’ajout ou le retrait de chaleur. La chaleur qui provoque ces transformations est appelée chaleur latente. La chaleur latente est donc la part de chaleur échangée qui ne fait pas varier la température du système mais qui modifie son état.

Elle est notée QL = Δm×L

en Joule Quantité de chaleur latente échangée

avec ΔM : variation de d’une phase du corps en kg L Chaleur latente de changement d’état en J×kg-1

Voir vidéo

En climatisation, les apports de chaleur latente (dégagement d’humidité sous forme de vapeur d’eau) viennent essentiellement :

Des locaux ( piscines par exemple) Du matériel à l’intérieur des locaux Des occupants ( odeur, transpiration)

En fonction des contraintes et des besoins des utilisateurs, les bâtiments ou les systèmes font appel à des technologies de stockage d’énergie thermique dans l’eau ( exemple :plancher chauffant)


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Energie emmagasinée

L’eau est utilisée pour le stockage de chaleur sensible en raison de son important coefficient de capacité thermique : 4185 J×kg-1×K-1 contre 1015 J×kg-1×K-1 pour l’air ambiant.

Rappel :L’énergie stockée dans un ballon d’eau chaude est :

Qs=E=m×C×θ

avec

m masse du matériaux en kilogramme,

C capacité thermique massique en J×kg-1×K-1,

θ variation de température en Kelvin

Qs Energie sensible en Joules

T = θ + 273,15 avec θ la température en degré Celsius et T la température en K

1 kWh = 3600 kj

Exemple : calcul de l’énergie stockée dans un ballon d’eau chaude de 500 litres chauffée à 333K. W = 500×4180×333 = 695970 kj = 193,3 kWh

Les matériaux peuvent aussi être utilisés pour stocker la chaleur sensible. Lorsqu’une masse M de matériau de chaleur massique C subit un accroissement de température ΔT, la quantité de chaleur Q fournie est :

Q = M×C× ΔT

En architecture, on raisonne plus facilement sur des volumes que des masses. Il est alors plus intéressant de considérer le volume V de la masse M. Compte tenu qu’une masse est le produit d’un volume par une masse volumique ρ (kg/m3), la quantité de chaleur s’exprime alors sous la forme :

Q = V×ρ×C× ΔT avec ρ=M/V

Le produit ρ×C est la chaleur volumique (kJ/ m3×°C), c’est à dire la quantité de chaleur absorbée ou fournie par 1m3 de matériaux dont la température varie de 1°C.

Exemple : Chaleur massique de

la fonte : 450 J/kg×K, plomb : 130 J/kg×K, polystyrène : 1450 J/kg×K


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Certains systèmes ont besoin d’énergie cinétique pour assurer un stockage ou une régulation de l’énergie lors de fortes irrégularité du couple. On peut « lisser » le couple en stockant de l’énergie cinétique de rotation lorsque le couple est fort, pour la restituer lorsque celui-ci est faible.

L’objet réalisant cette fonction s’appelle volant d’inertie.. Il s’agit d’un cylindre accouplé à un arbre mécanique en rotation dont le fort moment d’inertie joue le rôle de régulateur de couple.

Le gros avantage du stockage d’énergie par inertie est qu’il n’émet pas de CO2 et qu’il a une réponse rapide.

Le stockage de l’énergie mécanique 5


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La société américaine Beacon Power annonce avoir débuté la construction d'une centrale de 20 MW dans la ville de Stephentown (New-York), qui a la particularité de stocker l'énergie dans 200 volants inertiels.

En effet, l'énergie est stockée sous forme d'énergie cinétique sur un disque lourd de 900 kg qui tourne à la vitesse de 8 000 à 16 000 tours par minute. Le système de stockage inertiel se veut aussi efficace, car il serait en mesure de restituer environ 85% de l'énergie emmagasinée. Le concept de volant d'inertie appliqué au stockage et à la régulation de l'énergie n'est pas nouveau, mais celui développé par Beacon utilise les matériaux les plus récents et les plus solides comme la fibre de carbone. En effet, de plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra résistants pour résister à l'éclatement et éviter les effets explosifs. "Un des gros avantages du stockage d'énergie par inertie, au-delà du fait qu'il n'y a pas d'émissions de CO2, est sa réponse rapide", affirme Gene Hunt, le porte-parole du groupe. "Il répondra en quelques secondes." Le système mis au point par Beacon Power est également évolutif. Par exemple, 10 volants d'inertie (25 kWh) reliés entre eux représentent l'équivalent d'1 MW de puissance.

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