4.4 - Planification de la génération à l’échelle journalière et allocation de réserve avec une stratégie de stockage flexible dans un micro-réseau urbain
Cet article traite de la gestion et de la valorisation du stockage dans les réseaux électriques, soulignant son rôle clé dans l’intégration des énergies renouvelables. Face à l’intermittence du solaire et de l’éolien, le stockage lisse les variations de production, assure la stabilité du réseau et améliore sa flexibilité. Il explore différentes technologies de stockage, comme les batteries, le pompage-turbinage et l’air comprimé, en abordant leurs applications, avantages et défis. Des cas d'application sont présentés, avant de conclure sur les enjeux environnementaux, notamment l’impact de l’extraction des matériaux et l’empreinte carbone, avec des perspectives de solutions durables pour accompagner la transition énergétique.
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Dhaker ABBES
: Enseignant-chercheur Dr. Ing. HDR - Responsable de l’équipe Réseaux électriques L2EP – Junia Grande École d’Ingénieurs, Lille, France
INTRODUCTION
Le stockage de l’énergie est devenu un élément essentiel de la transition énergétique, notamment face à l’intégration croissante des énergies renouvelables dans les réseaux électriques. Les sources d’énergie renouvelables, telles que le solaire et l’éolien, bien que prometteuses en matière de réduction des émissions de carbone, souffrent de l’intermittence de leur production, créant ainsi des défis importants pour la stabilité et la fiabilité des systèmes électriques. Cette intermittence entraîne des écarts entre l’offre et la demande d’énergie, nécessitant des solutions de gestion flexibles. Dans ce contexte, les technologies de stockage de l’énergie se révèlent être des réponses adéquates pour lisser ces variations de production, stabiliser les réseaux et assurer une fourniture continue et fiable d’électricité, notamment en période de faible production ou de forte demande.
Les technologies de stockage permettent d’absorber l’excédent d’énergie lorsqu’elle est produite en trop grande quantité, de la conserver dans des systèmes adaptés, puis de la restituer ultérieurement pour répondre à la demande ou fournir des services auxiliaires tels que la régulation de la fréquence et l’équilibrage de la charge. En réduisant les écarts temporels entre la production et la consommation d’énergie, et parfois même géographiques dans certains systèmes décentralisés, le stockage devient un atout stratégique pour la gestion des réseaux électriques modernes.
Ce rôle central du stockage d’énergie est d’autant plus crucial à mesure que son déploiement se diversifie. Il peut désormais s’effectuer à différentes échelles, allant des installations centralisées aux systèmes décentralisés et aux micro-réseaux autonomes. Ces systèmes, à la fois connectés aux réseaux électriques principaux ou hors réseau, apportent une flexibilité indispensable, mais leur potentiel reste encore souvent limité par des défis réglementaires et économiques. En effet, les conditions de marché actuelles ne permettent pas toujours de valoriser l’ensemble des services que ces technologies peuvent offrir. De plus, certaines solutions de stockage demeurent coûteuses par rapport à des alternatives comme la production flexible ou l’extension des infrastructures de transmission d’énergie.
Historiquement, le stockage de l’énergie a été perçu principalement comme un moyen d’optimiser l’utilisation des ressources énergétiques dispatchables face à une demande fluctuante. Toutefois, avec la décarbonation croissante des systèmes énergétiques, il devient un levier essentiel pour améliorer l’efficacité globale, en permettant une meilleure exploitation des énergies renouvelables intermittentes. Dans cette optique, il est important d’adopter une approche systémique du stockage d’énergie, en valorisant la diversité des services qu’il peut offrir, tant dans les réseaux électriques centralisés que dans les applications à plus petite échelle, comme l’autoconsommation.
De ce fait, les principaux moteurs de l’augmentation de l’utilisation du stockage d’énergie incluent l’amélioration de l’efficacité énergétique, le soutien à l’intégration des ressources renouvelables variables, la montée en puissance de l’autoconsommation et de la production décentralisée d’énergie, ainsi que la nécessité croissante de renforcer la stabilité et la résilience des réseaux électriques. Ces défis sont amplifiés par l’électrification des secteurs d’utilisation finale, notamment dans les transports. L’optimisation de la gestion et de la valorisation du stockage s’impose ainsi comme un enjeu stratégique pour parvenir à un futur énergétique à faible empreinte carbone.
Cet article explore les différentes technologies de stockage de l’énergie, leurs applications et leur contribution à la gestion des réseaux électriques modernes. Il présente également les enjeux liés à leur déploiement, leurs avantages et leurs limitations, et propose une réflexion sur les stratégies nécessaires pour optimiser leur utilisation dans un contexte de transition énergétique.
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1. Les différentes technologies stationnaires de stockage de l’électricité
Les technologies de stockage de l’électricité peuvent être regroupées en trois principales catégories temporelles (court terme, long terme et stockage distribué par batteries) en fonction des types de services qu’elles fournissent. Ces systèmes incluent un certain nombre de technologies à divers stades de développement. De manière générale, les systèmes de pompage-turbinage, également appelés stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), les systèmes de stockage d’énergie par air comprimé (CAES) et certaines technologies de batteries sont les plus matures, tandis que les batteries à flux, les systèmes de stockage d’énergie magnétique supraconductrice (SMES), les supercondensateurs et d’autres technologies de batteries avancées en sont encore à des stades de développement beaucoup plus précoces.
1.1 Les technologies de stockage à court terme (de quelques secondes à quelques minutes)
Les supercondensateurs
Ils stockent l’énergie dans de grands champs électrostatiques entre deux plaques conductrices, séparées par une petite distance. L’électricité peut être rapidement stockée et libérée avec cette technologie afin de produire des décharges de puissance de courte durée.
La capacité d’un condensateur est essentiellement déterminée par la géométrie des armatures (surface spécifique S et distance e) et de la nature du ou des isolants (le diélectrique) (figure 1). La formule suivante est souvent utilisée pour en estimer la valeur :
( 1 )
Les molécules de solvant organique jouent le rôle de diélectrique (de permittivité ε). Cela correspond à une faible épaisseur e d’isolant (inférieure au nanomètre), ce qui entraîne une capacité par unité de surface élevée : de 0,1 à 0,3 F/m2.
D’autre part, grâce à l’usage d’un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium qui présente des surfaces spécifiques S typiques de 2 000...
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Les STEP (stations de transfert d’énergie par pompage).
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EDF R&D, (2013). https://www.edf.fr/sites/default/files/Lot%203/CHERCHEURS/Publications/utdstepweb.pdf
(2) -
LAVERGNE (R.), PAVEL (I.), FAUCHEUX (I.) -
Stockage stationnaire d’électricité.
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Synthèse et recommandations du thème de l’année 2018 de la Section ICM du CGE (2019).
(3) -
CROTOGINO (F.), MOHMEYER (K.-U.), SCHARF HUNTORF (R.) -
CAES: more than 20 years of successful operation.
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Spring 2001 Meeting, Orlando, Florida, USA, 15-18 April (http://www.fze.unisaarland.de/AKE_Archiv/AKE2003H/AKE2003H_Vortraege/AKE2003H03c_Crotogino_ea_Huntorf CAES_CompressedAirEnergyStorage.pdf). Traduction française par J. Estivalet « Le stockage d’air comprimé de HUNTORF : plus de 20 ans de succès dans l’exploitation » (http://www.inter-mines.org/docs/2013084315_stock2006_13.pdf).
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Hydrogène comment ça marche ?
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Journal des énergies renouvelables n° 239 (2017).
Dossier le stockage de l’énergie, Revue de l’Électricité et de l’électronique (REE), n° 5, décembre 2022, janvier-février 2023. https://see.asso.fr/produit/ree-2022-5/
ADNOT Cécile (ECM 06) – AMBROISE Damien (ECL 14) – BARSACQ François (ECP 84, président de Centrale Énergies) – PROVOST DE LA FARDINIERE Romain (ECL 81) – RINGENBACH Cédric (ECN 96), Le Stockage de l’Énergie, dossier préparé par Centrale Énergie, 2017. https://www.centrale-energie.fr/spip/IMG/pdf/dossier_stockage_de_l_energie.pdf