Etude bibliographique sur le stockage d’énergie et les batteries métal-air

 Etat de l’art et enjeux du stockage d’énergie dans le contexte de la transition énergétique

Contexte et enjeu du stockage d’énergie 

Le développement de pays émergents comme la Chine ainsi que l’augmentation continue de la population mondiale provoque une demande énergétique mondiale croissante et de plus en plus forte depuis la fin du siècle dernier [4]. Les modes de vie des populations ont également évolués (démocratisation du transport de personne et de marchandise à travers le monde, utilisation de plus en plus courante des systèmes électriques à l’échelle personnelle ou industrielle…) et influent sur la demande mondiale d’électricité [5]. Ce constat est indiqué sur la figure 3 qui montre l’évolution de la population mondiale corrélée à l’augmentation de la consommation d’électricité. Ce constat est indiqué sur le graphique (a) de la figure 3 qui montre l’évolution de la population mondiale corrélée à l’augmentation de la consommation d’électricité indiquée sur le graphe (b).

Face à cette demande énergétique de plus en plus forte et à la raréfaction des ressources fossiles, la communauté scientifique s’accorde sur la nécessité de tendre vers un mode de production et de consommation d’énergie propre et durable. Cette transition ne peut se faire qu’à travers le développement des technologies de production d’énergies renouvelables. Ces nouvelles sources d’énergies sont en revanche connues pour être souvent intermittentes, c’est le cas notamment de l’énergie éolienne ou solaire. Il est alors nécessaire d’être capable de stocker efficacement le surplus d’énergie produite pour une utilisation ultérieure en temps voulu.

Les volontés gouvernementales d’aboutir dans l’avenir à des sociétés décarbonnées motivent également les travaux de recherche autour du stockage d’énergie électrique et plus précisément des batteries pour le transport, qui sont l’élément clé pour l’amélioration des performances des véhicules électriques (autonomie, puissance, temps de recharge…). Il est également à noter que la demande d’électricité n’est pas constante et présente des fluctuations. Ces fluctuations dépendent de l’heure de la journée mais également d’évènements imprévus comme une défaillance sur le réseau ou de variations climatiques. Lors de ces pics de consommation, le pays concerné doit être capable de s’adapter à ces variations entre l’offre et la demande par l’ajustement de la production ou par l’achat d’électricité à d’autres pays. De manière opposée, lorsque la demande est faible, le surplus d’électricité doit être stocké pour une utilisation ultérieure ou pour une éventuelle revente. La gestion du réseau électrique est donc complexe et doit être flexible pour pouvoir subvenir aux besoins de la population à l’échelle d’un pays comme à l’échelle mondiale [6].

La majorité des énergies primaires comme le gaz, le pétrole ou le charbon sont facilement stockables, il est en effet possible de stocker des grandes quantités de ces énergies fossiles dans des contenants adaptés. En revanche, l’électricité l’est plus difficilement. Il est cependant possible de la convertir provisoirement en une autre forme d’énergie plus facilement stockable (énergie potentielle, cinétique, mécanique, chimique ou thermique). Les moyens de conversion de l’énergie électrique en une autre forme d’énergie étaient par le passé excessivement coûteux, peu fiables voir inexistants jusque dans les années 1980. L’évolution du contexte énergétique ainsi que les avancées technologiques ont permis une évolution rapide de la recherche sur le sujet du stockage d’énergie comme en témoigne les nombreux travaux et projets lancés à l’échelle mondiale [7].

On peut notamment citer le Green Deal comme l’un des plans d’action importants. Lancé par l’Union Européenne le 11 décembre 2019, ce plan d’action a pour but de favoriser l’utilisation efficace des ressources en passant à une économie propre et circulaire, en restaurant la biodiversité et en révisant la pollution. 100 milliards d’euros seront mobilisés sur la période 2021-2027.

L’agence internationale de l’énergie (IEA) estime que les besoins de stockage supplémentaires en Europe pourraient atteindre 90 GW d’ici 2050. Cette estimation dépend des progrès techniques, des prévisions climatiques et du développement des réseaux électriques intelligents. L’objectif de l’agence est d’atteindre une production électrique assurée à 30% par les énergies renouvelables.

Les techniques de stockage d’énergie mécanique et thermique

Le système de transfert d’énergie par pompage (STEP) représente la majorité du stockage massif stationnaire dans le monde. La capacité actuelle mondiale représente environ 150 GW et près de 400 STEP [9].  ce système fonctionne grâce à une retenue d’eau en altitude reliée par des canaux à un bassin située à plus faible altitude. Une turbine permet la production d’électricité lorsque l’eau du bassin supérieure est relâchée vers le bassin inférieur.

Il s’agit alors du mécanisme de décharge de ce système de stockage. La charge du système se fait à l’aide d’une pompe située entre les deux bassins, qui permet de faire remonter l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. Lorsque de l’électricité est produite en excès, celle-ci peut alors être utilisée pour charger le STEP. L’eau dans le bassin supérieur devient alors un réservoir d’énergie potentielle, qui sera relâchée en cas de demande plus forte d’énergie. Le STEP est une technologie bien maîtrisée, la Chine, le Japon et les Etats-Unis rassemblent 51% de l’utilisation des STEP avec 28 GW en Chine, 27 GW au Japon et 15% aux Etats-Unis [9]. La France a installé jusqu’à 25.5 GW. Cette technologie prend son essor dans les régions montagneuses d’Asie.

Les volants d’inertie sont des systèmes de stockage fonctionnant sur un principe mécanique inertiel. Un courant électrique met en rotation une masse importante à grande vitesse autour d’un axe fixe. L’inertie de rotation est très importante et les frottements autour de l’axe sont faibles. Lorsque le mouvement est établi, la masse reste alors en mouvement autour de son axe même en l’absence de courant électrique et l’énergie est stockée sous forme d’énergie cinétique. Lorsqu’il est nécessaire de récupérer l’énergie stockée, le mouvement est ralenti à l’aide d’une machine dynamométrique qui permet alors de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Les avantages de cette technologie sont les temps de réponses très courts permettant de réguler la fréquence du réseau, les rendements importants (≈ 80% de l’énergie absorbée peut être restituée) ainsi que les temps de charge très rapide et l’absence de pollution, de produits chimiques et de combustibles fossiles [10]. Les temps de stockage sont en revanche limités à environ 15 minutes et le stockage d’énergie par volant d’inertie est alors utile pour la régulation et l’optimisation énergétique d’un système. En revanche, cette technologie ne permet pas d’obtenir une durée d’autonomie importante comme les batteries ou le stockage par pompage.

Ces systèmes sont mis en application dans le cadre de différents projets industriels comme par exemple la centrale de régulation électrique à stockage inertiel de Stephentown (New-York, USA). Cette centrale comporte 200 volants inertiels et peut répondre en quelques secondes afin de fournir 10% de l’ensemble des besoins de régulation de fréquence de la ville New-York. Un autre exemple industriel est le projet de récupération de l’énergie de freinage du métro de Rennes en France qui fonctionne par l’utilisation de volants inertiels [10].

Pour la technique de stockage d’énergie par air comprimé (CAES), l’apport d’énergie électrique alimente un compresseur thermique qui comprime de l’air à haute pression (jusque 300 bars). L’air est ensuite stocké dans des cavernes souterraines et est relâché dans une turbine au moment de la demande d’électricité [11]. Le rendement de cette technologie est d’environ 50% du fait des dissipations thermiques au moment de la compression. Afin de limiter cet effet, des systèmes permettant de récupérer la chaleur dissipée sont en cours de développement (stockage adiabatique) [12]. Les systèmes de stockage CAES sont généralement utilisés en stockant l’énergie lorsque l’électricité est disponible à bas coût en période de faible consommation. La restitution de l’énergie a généralement lieu au moment de la pointe de consommation.

Le stockage d’énergie thermique : Il existe deux phénomènes différents associés aux matériaux qui assurent le stockage thermique. Le stockage est réalisé par chaleur dite sensible ou par chaleur latente [13]. Le stockage à chaleur sensible est réalisé par élévation de la température du matériau de stockage. La quantité d’énergie stockée dépend alors du volume et de la capacité thermique du matériau de stockage. Cette technique est limitée par les déperditions thermiques liées à l’isolation du matériau. Dans le stockage par chaleur latente, l’énergie est stockée par un changement d’état du matériau de stockage. Un troisième système de stockage “thermochimique” longue durée consiste à utiliser de la chaleur pour décomposer un produit chimique en deux composés qui seront stockés séparément, tel qu’une réaction de déshydratation. La restitution de chaleur se fait par réaction de ces deux produits de décomposition. [14].

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Etude bibliographique sur le stockage d’énergie et les batteries métal-air
1.1 Etat de l’art et enjeux du stockage d’énergie dans le contexte de la transition énergétique
1.1.1 Contexte et enjeu du stockage d’énergie
1.1.2 Les techniques de stockage d’énergie mécanique et thermique
1.1.3 Les techniques de stockage d’énergie électrochimique et capacitif
1.2 Historique des batteries et technologies innovantes
1.2.1 Les batteries Plomb-acide
1.2.2 Les batteries au Nickel
1.2.3 Les batteries Lithium-ion
1.2.4 Les batteries en flux
1.3 Batteries Métal-air : état de l’art et verrous scientifiques
1.3.1 Les principaux types de batteries métal-air
1.3.2 Les batteries Zinc-Air
Synthèse et conclusion
Chapitre 2 : Effet de l’écoulement sur les électrodes productrices de phase gazeuse : Dispositifs et résultats expérimentaux
2.1 Dispositifs millifluidiques
2.1.1 Conceptions millifluidiques et techniques d’usinage
2.1.2 Description et choix des composants : Cellule, électrolyte, électrodes et séparateur
2.2 Cinétique et moyens de mesures électrochimiques
2.2.1 Cinétique électrochimique
2.2.2 Moyens de mesures électrochimiques
2.3 Résultats expérimentaux de l’effet du flux
2.3.1 Cinétique électrochimique des électrodes à dégagement de gaz étudiées
2.3.2 Conséquence du flux sur les potentiels électriques
2.4 Caractérisation par microscopie optique
2.4.1. Dispositif expérimental pour la microscopie optique
2.4.2 Description théorique de la génération de bulles
2.3.2.b Equilibre mécanique d’une bulle isolée sur une paroi
2.3.2.c Croissance des bulles au contact d’une électrode
2.4.3 Mesures par microscopie optique
2.4.3.a Influence de la densité de courant à débit nul
2.4.3.b Influence du débit
Synthèse et conclusion
Chapitre 3 : Modélisation analytique et simulation numérique du procédé
3.1 Modélisation analytique
3.1.1 Principe et hypothèses de modélisation
3.1.2 Estimation des paramètres par la méthode des moindres carrés
3.1.3 Validation du modèle avec les paramètres estimés
3.2 Analyse paramétrique et extrapolation du modèle
3.2.1 Influence de la densité de courant sur les constantes de temps à débit nul
3.2.2 Dépendance des constantes de temps avec le rayon
3.2.3 Dépendance des constantes de temps avec le débit d’électrolyte
3.2.3 Relation entre taux de surface active et surtension liée à la présence de bulles
Synthèse et conclusion
Chapitre 4 : Simulation numérique des phénomènes
4.1 Temps de calcul, mémoire nécessaire et choix de la méthode
4.2 Méthode de maillage et algorithme de simulation
4.3 Résultats de simulation
Synthèse et conclusion
Chapitre5 : Analyse et optimisation Énergétique du procédé
5.1 Gain énergétique
5.1.1 Effet de l’écoulement sur les performances énergétiques
5.1.2 Pertes de charges et simulation numérique d’écoulement
5.1.2.a Calcul théorique des pertes de charges
5.1.3.b Simulation numérique d’écoulement
5.1.3.c Effet de la viscosité de mélange
5.1.3 Dispositif de mesure des pertes de charges et résultats expérimentaux
5.2 Optimisation énergétique du procédé
5.2.1 Evolution de l’efficacité du procédé à l’état stationnaire
5.2.2 Surface active et surtension à l’état stationnaire
5.2.3 Calcul du débit optimal et rendement du procédé
5.3 Optimisation géométrique de l’écoulement
5.3.1 Choix de la géométrie par la simulation numérique d’écoulement
5.3.2 Comparaison des résultats expérimentaux des pertes de charge sur les différentes géométries
5.3.3 Résultats expérimentaux de chronopotentiométrie sur les cellules à canaux d’écoulement triangulaires
5.3.3.a Electrode de Platine
5.3.3.a Electrode de Nickel
5.3.4 Etude comparative des géométries par le calcul de la surface active et de la surtension de bulles
5.3.4.a Comparaison de l’évacuation naturelle et forcée par le calcul de surface
5.3.4.b Comparaison de l’évacuation naturelle et forcée par le calcul de surtension liée aux bulles en surface
Synthèse et conclusion
Conclusion générale

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