Techniques de stockage de l'énergie solaire

Le stockage d'énergie est essentiel car :

• La production d'énergie (notamment solaire) est intermittente
• La demande énergétique varie au cours de la journée
• Il faut équilibrer production et consommation
• Il permet une autonomie énergétique

• 1 Stockage électrique : batteries, supercondensateurs
• 2 Stockage thermique : accumulateurs, sels fondus
• 3 Stockage mécanique : volants d'inertie, pompes hydrauliques
• 4 Stockage chimique : hydrogène, carburants synthétiques

L'énergie stockée est mesurée en joules (J) ou en wattheures (Wh).

1 Wh = 3600 J

La capacité de stockage est exprimée en Wh ou kWh.

Exemples : batterie smartphone (~5 Wh), batterie voiture électrique (~70 kWh)

Le stockage thermique par chaleur sensible consiste à accumuler de l'énergie sous forme de chaleur dans un matériau.

L'énergie stockée est donnée par : E = m × c × ΔT

Où m est la masse, c la capacité thermique spécifique, et ΔT la variation de température.

Le stockage par chaleur latente utilise le changement d'état d'un matériau (fusion, vaporisation).

L'énergie est stockée à température constante pendant la transition de phase.

Plus dense en énergie que le stockage sensible.

• Eau : chaleur sensible, température modérée (50-80°C)
• Sels fondus : chaleur sensible, température élevée (200-550°C)
• Matériaux à changement de phase (PCM) : chaleur latente, température spécifique
• Pierre ou béton : chaleur sensible, stockage à température modérée

• Chauffage domestique : ballons solaires, accumulateurs
• Production d'eau chaude : systèmes de stockage thermique
• Centrales thermiques solaires : stockage pour production continue
• Chauffage urbain : grandes installations de stockage thermique

Une batterie stocke l'énergie sous forme chimique et la convertit en énergie électrique.

Elle se compose de deux électrodes (anode et cathode) et d'un électrolyte.

La réaction chimique réversible permet la charge et la décharge.

• Batteries lithium-ion : haute densité énergétique, longue durée de vie
• Batteries plomb-acide : coût faible, recyclage facile
• Batteries nickel-cadmium : robustes, longue durée de vie
• Batteries lithium-fer-phosphate : sécurité, longue durée de vie

• Capacité : énergie totale stockable (en Ah ou Wh)
• Tension nominale : tension de fonctionnement (en V)
• Densité énergétique : énergie par unité de masse (en Wh/kg)
• Densité de puissance : puissance par unité de masse (en W/kg)
• Efficacité : rapport énergie récupérée/énergie stockée
• Cycles de vie : nombre de charge/décharge possible

Les batteries sont utilisées pour stocker l'électricité produite par les panneaux photovoltaïques.

Elles permettent une autonomie énergétique pendant la nuit ou les périodes nuageuses.

Les systèmes hybrides combinent production et stockage pour une gestion optimale de l'énergie.

Un volant d'inertie stocke l'énergie sous forme d'énergie cinétique de rotation.

L'énergie stockée est : E = ½Iω²

Où I est le moment d'inertie et ω la vitesse angulaire.

Très haute densité de puissance, courte durée de stockage.

Le stockage par pompage consiste à élever de l'eau dans un réservoir supérieur.

L'énergie potentielle est : E = mgh

Où m est la masse d'eau, g l'accélération gravitationnelle, h la hauteur.

Efficacité de 70-80%, grande capacité de stockage.

L'air est compressé dans des réservoirs ou des cavités souterraines.

Lors de la décompression, l'énergie est récupérée via une turbine.

Efficient pour le stockage à long terme, mais complexité technique.

Le stockage mécanique est moins courant pour les applications solaires individuelles mais utile pour les grandes installations.

Les pompes hydrauliques peuvent être couplées à des centrales solaires pour stocker l'énergie excédentaire.

Les volants d'inertie sont utilisés pour la stabilisation du réseau.

• Volume d'eau : V = 500 L = 0,5 m³
• Température initiale : T_i = 20°C = 293 K
• Température finale : T_f = 60°C = 333 K
• Capacité thermique spécifique : c = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹
• Efficacité du système : η = 0,85

La densité de l'eau est ρ = 1000 kg·m⁻³

m = ρ × V = 1000 × 0,5 = 500 kg

ΔT = T_f - T_i = 60 - 20 = 40 K

E = m × c × ΔT = 500 × 4180 × 40 = 83 600 000 J

Soit E = 83,6 MJ

1 kWh = 3 600 000 J

E(kWh) = 83 600 000 / 3 600 000 = 23,22 kWh

E_récupérée = η × E_stockée = 0,85 × 23,22 = 19,74 kWh

Soit environ 20 kWh d'énergie récupérable.

• Tension de la batterie : U = 12 V
• Capacité de la batterie : C = 100 Ah
• Puissance du panneau : P = 200 W
• Durée de charge : t = 4 h
• Efficacité de charge : η = 0,9

E_max = U × C = 12 × 100 = 1200 Wh

Soit E_max = 1,2 kWh

E_panneau = P × t = 200 × 4 = 800 Wh

Soit E_panneau = 0,8 kWh

Taux de charge = (E_panneau / E_max) × 100

Taux de charge = (800 / 1200) × 100 = 66,7%

E_stockée = η × E_panneau = 0,9 × 800 = 720 Wh

Soit 720 Wh effectivement stockés dans la batterie.

• 1 Coût modéré : matériaux simples comme l'eau
• 2 Directement applicable : chaleur immédiatement utilisable
• 3 Longue durée de vie : 20-30 ans pour les installations
• 4 Simple d'utilisation : pas de conversion électrique

• Perte thermique : isolation nécessaire
• Température limitée : 100°C pour l'eau
• Espace important : volumineux pour grandes capacités

• Haute densité énergétique : batterie lithium-ion
• Flexibilité : stockage et récupération rapides
• Compatibilité : avec les systèmes électriques

• Coût élevé : matériaux et technologie sophistiqués
• Dégradation : cycles limités
• Sécurité : risques de surchauffe

Le choix du type de stockage dépend de :

• La finalité de l'énergie (chaleur ou électricité)
• La durée de stockage souhaitée
• Le coût d'investissement
• Les conditions environnementales
• Les exigences de sécurité

• Ballon solaire : stockage thermique d'eau chaude
• Chauffage solaire : accumulation de chaleur pour le chauffage
• Installation photovoltaïque avec batterie : stockage électrique

• Centrales thermiques solaires : stockage pour production continue
• Usines à énergie solaire : stockage de chaleur pour processus industriels
• Stockage de réseau : batteries pour la stabilité du réseau électrique

• Véhicules électriques : batteries lithium-ion
• Électrolyse de l'eau : production d'hydrogène pour stockage chimique
• Chauffage de cabine : stockage thermique dans les véhicules

Les systèmes hybrides combinent plusieurs types de stockage pour optimiser l'efficacité :

• Stockage thermique + stockage électrique
• Stockage à court terme + stockage à long terme
• Stockage par chaleur sensible + stockage par chaleur latente

• Thermique : chaleur sensible et latente (eau, sels fondus)
• Électrique : batteries, supercondensateurs
• Mécanique : volants d'inertie, pompes hydrauliques
• Chimique : hydrogène, carburants synthétiques

Le bilan énergétique est : M ± R ± C ± E = S

Où M est le métabolisme, R le rayonnement, C la convection, E l'évaporation, et S le stockage.

Cette équation permet d'analyser les transferts thermiques dans les systèmes biologiques.

• Chauffage domestique
• Production d'eau chaude sanitaire
• Énergie électrique décentralisée
• Applications industrielles
• Transport et mobilité