Stockage de l’énergie éolienne

publié le 30/09/2021 | mis à jour le 19/03/2024 | par L'équipe Choisir.com

Rappels sur le fonctionnement de l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est produite grâce à la force naturelle du vent. Le vent fait tourner les pâles de l’hélice de l’éolienne, qui actionnent un rotor lié à un multiplicateur qui va accélérer le mouvement. La force mécanique créée va générer de l’énergie électrique, via un générateur. Le courant est ensuite acheminé par des câbles électriques jusqu’à un transformateur, qui va augmenter la tension du courant électrique, afin que celui-ci puisse être envoyé directement dans le réseau de distribution, via les lignes à haute tension. Il existe différents modèles d’éoliennes, notamment dites :

• offshore (en mer) ;
• et onshore (terrestres).

L’énergie éolienne est assujettie aux conditions climatiques et aux facteurs de saisonnalité. L’absence de vent dans une zone engendre naturellement une baisse de la production d’énergie. Cela rend cette source d’énergie intermittente et aléatoire, en plus du fait que l’électricité soit généralement difficile à stocker (quelle que soit son origine). Afin de faire face à cette difficulté, l’énergie éolienne (lorsqu’elle est produite) est injectée directement dans le réseau de distribution électrique.

Les solutions de stockage existantes (et leurs limites)

En France, l’énergie éolienne est la 2^e énergie renouvelable la plus présente dans le réseau (derrière l’hydraulique). Elle représente 8 % de la capacité totale installée, et 7 % de la consommation d’électricité globale. La filière, aux perspectives de développement ambitieuses, reste ralentie par la problématique du stockage.

Bien que l’énergie éolienne soit théoriquement inépuisable (puisqu’elle dépend du vent), elle est difficile à contrôler et disponible de manière intermittente. Dépendante des conditions météorologiques, la production d’énergie éolienne dépend de facteurs impossibles à maîtriser, comme les saisons ou la température de l’air. Il faudrait donc idéalement stocker l’énergie produite pendant les heures de fonctionnement, pour pouvoir ensuite les réinjecter dans les réseaux. Le stockage de l’énergie éolienne est donc un enjeu majeur, qui pourrait être la clé de sa démocratisation et de son adoption généralisée. Il existe aujourd’hui un certain nombre de méthodes, qui ont toutes leurs avantages et inconvénients.

Stockage électrochimique par batteries ou supercondensateurs

Le stockage d’énergie dans des batteries ou des super-condensateurs est une solution largement utilisée dans certaines industries (voitures électriques, installations photovoltaïques, etc.).

Le stockage par batterie

Il s’agit de batteries électrochimiques qui stockent l’énergie avant de la restituer dans le réseau électrique. Aujourd’hui, les technologies les plus utilisées sont celles au Lithium-Ion et au Sodium-Soufre, qui offrent des possibilités de stockage à court terme avec d’assez bons rendements. D’autres, au gel, à l’AGM et au plomb, peuvent convenir aux petites installations mais présentent plus d’inconvénients.

Lithium, sodium, plomb, AGM ou gel pour vos batteries ?

Difficile de choisir une batterie pour son éolienne. Voici quelques notions qui vous permettront d’y voir plus clair.

La batterie au lithium

À ce jour, la batterie au lithium représente la solution la plus performante et le meilleur rapport qualité-prix. Le lithium est un élément chimique parfait pour créer un fort flux d’électrons, ce qui lui permet de stocker beaucoup d’électricité. Toutefois, le lithium reste une ressource fossile et dont l’empreinte carbone ternit l’image.

La batterie au sodium

Gros avantage : cette batterie se recharge beaucoup plus facilement que celle au lithium (10 fois plus sur certains modèles en cours de développement) et peut subir un plus grand nombre de cycles de recharge (lui aussi dix fois plus important selon les mêmes modèles). Mais les avantages ne s’arrêtent pas là puisque le sodium est une ressource beaucoup plus abondante et surtout moins coûteuse que le lithium. Encore récente, la batterie au sodium va jouer un rôle important dans les années à venir.

La batterie au gel

À l’inverse de la batterie au plomb, celle au gel de silice affiche de meilleurs arguments. Elle est étanche, possède une durée de vie plus longue, convient pour des cycles répétitifs et ne présente pas ou aucun risque de fuite d’acide ou de gaz. Mais :

• elle est plus chère ;
• elle peut perdre de l’électrolyte (les minéraux qui transportent de l’électricité) ;
• elle ne convient pas pour des courants de charge et décharge élevés.

La batterie à l’AGM

Les batteries à l’AGM (Absorbed Glass Mat) ont beaucoup de points communs avec les batteries au gel, mais présentent quelques différences :

• leur technologie : les batteries AGM fonctionnent grâce à un assemblage de buvards en fibre de verre tandis que les batteries au gel utilisent du gel de silice et (pour certaines) de l’acide phosphorique ;
• le taux de décharge : une batterie au gel peut être déchargée à 100 % avant d’être rechargée, tandis qu’un modèle AGM ne devra pas être déchargé à plus de 80 % ;
• leur utilisation : la batterie au gel s’adapte parfaitement à une utilisation quotidienne, tandis que celle à l’AGM est plutôt destinée à devenir une batterie de service ou de démarrage ;
• la résistance aux températures :
  • de -15 à 50 °C pour la batterie au gel ;
  • de 0 à 40 °C pour celle à l’AGM.

La batterie au plomb

Elle constitue la solution la plus abordable. Puissante au début de sa vie, elle n’est pas exempte de tout reproche :

• sa durée de vie est assez limitée ;
• elle se décharge si elle n’est pas utilisée ;
• son chargement est plutôt lent ;
• il y a de grands risques qu’elle dégage du gaz ou de l’acide ;
• elle perd en efficacité dans le froid.

Batteries à charge constante ou à charge profonde ?

Est-il plus intéressant de charger tout le temps votre batterie ou de la laisser charger jusqu’à sa capacité maximale ? C’est ce que nous allons voir.

Les batteries éoliennes à charge constante sont, comme leur nom l’indique, des « sprinteuses », c’est-à-dire que leur rôle consiste à vous fournir le maximum d’électricité possible. Mais cela pose deux problèmes :

• le premier, c’est qu’elles n’aiment pas être trop déchargées. Pour résumer, le cycle d’une batterie se compose d’une période de charge et de décharge. La profondeur de décharge (DOD = Depth of Discharge) définit le rapport entre la capacité déchargée et l’énergie qu’il reste encore dans la batterie. En dessous de 5 % de charge (donc 95 % de profondeur de décharge), il y a de fortes chances que votre batterie finisse à la déchetterie ;
• le second, c’est qu’elles ne fonctionnent bien qu’à condition d’être chargées en permanence. Or, on le voit bien avec l’éolienne, il est compliqué de charger continuellement une batterie. Pour qu’elles soient le plus performantes, la solution est de brancher une autre source d’énergie à cette batterie, comme du solaire photovoltaïque par exemple. Le problème, c’est que cela réduit leur durée de vie mais surtout qu’elle implique d’avoir ces deux modes de production d’énergie ou de s’en équiper, ce qui peut vite faire monter le budget de votre projet.

Les batteries à charge profonde correspondent mieux à l’éolien et au rythme sporadique de chargement et de déchargement qu’on lui connaît.

La problématique de stockage de l’énergie éolienne dans une batterie réside dans un autre fait : l’éolienne produit un courant alternatif quand la batterie ne peut stocker que du courant continu. Ce problème technique impose une nécessité : celui d’être équipé d’un régulateur et d’un redresseur.

Le régulateur et le redresseur, deux équipements indispensables pour votre batterie d’éolienne

Trouvables sous la forme d’un seul et même équipement sous le nom de « régulateur de charge solaire », ces équipements ont une double utilité :

1. le redresseur convertit le courant alternatif en courant continu ;
2. le régulateur protège la batterie en s’assurant que les variations du vent ne la dégradent pas. Si le vent est trop fort, il régule le courant. S’il est trop faible, la charge s’arrête.

Le stockage par supercondensateurs

Les super-condensateurs offrent quant à eux plus de rapidité au niveau du stockage et de la redistribution, et sont plus durables. Cette solution comporte cependant de nombreux inconvénients :

Dans la filière de l’éolien, les volumes d’électricité produits sont souvent trop importants pour un stockage en batterie. Cette solution est généralement envisagée pour des sites isolés et des productions de faible importance (chez un particulier, ou sur un bâtiment public par exemple) ;

• les batteries ont une durée de vie limitée et sont difficilement transportables ;
• le processus de recyclage des batteries est polluant ;
• c’est une solution beaucoup plus coûteuse que d’autres méthodes existantes.

Face à tous ces inconvénients, notamment le rapport coût/efficacité, cette solution de stockage est malheureusement peu prometteuse pour l’énergie éolienne, qui requiert des capacités de stockage largement plus importantes.

Stockage mécanique : les stations de transfert de l’énergie par pompage (STEP)

Une autre méthode de stockage connue est celle des Stations de transfert d’énergie par pompage (STEP). Il s’agit d’installations hydroélectriques à deux réservoirs, qui utilisent l’énergie produite en surplus par les éoliennes afin de remonter l’eau située en aval d’un barrage, vers l’amont. Les STEPs pompent en heures creuses, tandis que l’eau est relâchée aux heures de forte consommation, et va actionner des turbines reliées à un générateur qui produit de l’électricité. Cette énergie hydraulique peut ensuite être appelée par le réseau en période de pointe. Ce type d’installation a des capacités de stockage allant de la journée à la semaine, l’énergie hydraulique pouvant être maîtrisée (au contraire d’autres énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien).

Les STEPS représentent aujourd’hui la principale méthode de stockage du surplus de la production éolienne. Cependant, cette technique a quelques limites :

• le développement de ce genre de stations est restreint, car elles doivent être implantées en zone de relief, à proximité des barrages ;
• la localisation de ces installations requiert un renforcement des lignes de transport d’électricité ;
• le fait de devoir pomper de l’eau entraîne des pertes d’énergie, ce qui n’est pas idéal en termes de rendement.

Malgré ces limites, cette méthode de stockage est la plus utilisée en France actuellement, de par ses coûts et sa capacité de stockage beaucoup plus intéressants que d’autres méthodes existantes. C’est une solution prometteuse, bien que limitée à certains terrains.

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Stockage chimique : conversion de l’électricité en hydrogène

Une autre méthode de stockage consiste à convertir l’électricité produite en hydrogène. En cas de surplus de production d’énergie éolienne, l’électricité est utilisée pour réaliser une électrolyse de l’eau, c’est-à-dire séparer des molécules d’eau (H₂O) en hydrogène (H₂) et oxygène (O₂). L’hydrogène est plus simple à manier, ainsi qu’à stocker et à transporter. L’hydrogène peut être utilisé de nombreuses manières :

• il peut alimenter des véhicules à hydrogène ;
• il peut être converti en électricité grâce à une pile à combustible ;
• il peut être injecté en l’état dans les réseaux naturels de gaz, ou après avoir été associé à du CO₂ afin de le convertir en méthane de synthèse (composant principal du gaz naturel, qui peut également être injecté directement dans les réseaux de gaz) ;
• il peut être utilisé à des fins industrielles.

La conversion de l’énergie éolienne en hydrogène est un processus qui est toujours en cours d’expérimentation. Le modèle économique dépendra logiquement du prix du carbone, puisque celui-ci est nécessaire au processus d’électrolyse de l’eau. Cette méthode a cependant ses limites :

• la conversion de l’électricité en énergie chimique, suivie de sa reconversion en énergie électrique, entraîne des pertes d’énergie ;
• cette solution est plus coûteuse que la méthode des STEPs, notamment à cause de la sécurisation des installations (l’hydrogène étant un gaz inflammable) et du coût des matériels utilisés pour reconvertir l’hydrogène en électricité.

Stockage d’énergie cinétique avec les volants d’inertie

Le système de stockage d’énergie par volant d’inertie (en anglais on parle de flywheel) se base sur un cylindre hermétique dans lequel le vide a été fait, afin d’éliminer toute résistance de l’air. Quand le volant tourne à sa vitesse maximale, on peut récupérer son énergie cinétique en utilisant le moteur comme générateur d’électricité. L’énergie mécanique est ensuite stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique (d’une masse tournante). Lors de la décharge, l’énergie mécanique est convertie en énergie électrique grâce au générateur (dans ce cas, le moteur). Un tel système peut faire l’intermédiaire entre un parc éolien et le réseau électrique, afin d’assurer la stabilité du réseau. Ce système présente de nombreux avantages :

• la mise en route et la restitution de l’énergie sont très rapides, permettant d’assurer la stabilité du réseau en temps réel ;
• ce système ne génère aucune pollution et a une longue durée de vie ;
• 80 % de l’énergie absorbée peut être restituée.

Il existe cependant un inconvénient majeur : le temps de stockage. Celui-ci est limité à environ 15 minutes. L’utilisation de l’énergie stockée doit donc être ponctuelle et rapide, ce qui explique que cette solution soit essentiellement utilisée pour la régulation et l’optimisation d’un système.

Stockage thermodynamique : systèmes de stockage par air comprimé

Le système de stockage par air comprimé fonctionne en deux phases :

• une phase de stockage, pendant laquelle un compresseur comprime de l’air ambiant en utilisant de l’électricité produite par des éoliennes, à un moment où le réseau ne peut pas l’absorber. Cet air est stocké dans une cavité située en sous-sol ;
• une phase de déstockage, pendant laquelle l’air comprimé est extrait du réservoir en sous-sol. Il est ensuite injecté avec du gaz dans une chambre de combustion, puis passe par une turbine (équipée d’un alternateur) afin d’être transformé en énergie électrique.

Ce système présente néanmoins un nombre d’inconvénients non négligeable :

• le rendement de l’installation diminue fortement à cause des déperditions de chaleur. Au moment de la compression, la température de l’air augmente, et cette chaleur est difficile à récupérer. Lors de la phase de décompression (de déstockage), la température baisse et nécessite un nouvel apport énergétique afin de réchauffer l’air et de pouvoir l’utiliser dans la turbine ;
• les cavités en sous-sol sont difficiles à dimensionner en fonction de l’installation en surface. Creuser des réservoirs artificiels dans le sol n’est pas sans risque, et requiert des investissements importants ;
• ce dispositif n’est adapté qu’à des conditions de volume et de temps particulières, s’avérant être plus adapté aux grandes quantités d’énergie et aux courtes durées.

Peut-on prévoir la production d’énergie éolienne ?

En attendant de pouvoir stocker efficacement et à large échelle l’énergie éolienne produite, la France peut également se concentrer sur le volet de la prévision. Les prédictions météorologiques permettent d’ajuster la distribution du réseau au profit des sources d’énergie renouvelables comme l’énergie éolienne ; elles sont donc essentiellement utilisées en temps réel.

En effet, la production d’énergie éolienne est de plus en plus prévisible. En 2009, le gestionnaire du réseau de transport d’électricité français (RTE) s’est équipé d’un logiciel (IPES) lui permettant de prévoir la production du parc éolien français, heure par heure, en fonction de différents facteurs météorologiques. Ces prévisions permettent plus ou moins de maintenir l’équilibre du réseau d’électricité. RTE a également mis en place un outil (Eco2mix) permettant une utilisation et diffusion transparente de ces données.

De plus, la variabilité n’est pas forcément un problème majeur, puisque la France possède différents régimes de vent (on entend par « régime » l’ensemble des vents qui caractérisent un lieu, leur distribution statistique, etc.) qui assurent une production constante. Des logiciels permettent de gérer les flux électriques, et de les répartir en fonction de la demande. Par exemple, si la demande en électricité est forte dans une région où les installations éoliennes ne produisent pas ou peu d’énergie ce jour-là, il est possible de compenser en faisant appel à la production d’une autre région. Ce système peut donc remédier au problème de variabilité de la production, au moins à l’échelle nationale.

Le développement de méthodes de stockage de plus en plus efficaces, couplées à ces méthodes de prévision, permettra d’assurer la démocratisation de l’énergie éolienne sur tout le territoire français. En tant que consommateur, vous pouvez d’ores et déjà opter pour une consommation énergétique plus verte, en choisissant une offre composée, en totalité ou en partie, d’énergies renouvelables. Comparez les offres de différents fournisseurs d’électricité dès aujourd’hui, afin de choisir la plus adaptée aux besoins de votre foyer.

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