Le stockage de l'énergie : cours de Terminale SI

Tu connais déjà les convertisseurs d'énergie : un alternateur, un moteur, un onduleur transforment une forme d'énergie en une autre. Ce cours ajoute une question : que fait-on de l'énergie quand on ne peut pas l'utiliser tout de suite ? La réponse tient en un mot, le stockage. Au bac de Sciences de l'ingénieur, tu devras savoir expliquer à quoi il sert, comment il fonctionne, ce qu'il coûte en pertes et comment le dimensionner.

Le sujet est au cœur des métiers de l'énergie : le développement du stockage figure parmi les nouveaux modèles de gestion de l'énergie qui accompagnent la recherche d'efficacité.²

Cette pratique n'a rien de nouveau. Elle a toujours servi à se protéger d'une coupure d'approvisionnement venue de l'extérieur, ou à stabiliser les réseaux électriques au fil de la journée.⁴ Elle a pourtant pris une importance nouvelle avec l'objectif de transition écologique.⁴

Pourquoi ce regain d'intérêt ? Parce que les énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire sont propres mais intermittentes : elles produisent quand il y a du vent ou du soleil, pas forcément quand on consomme. Stocker de la chaleur ou de l'électricité permet de lisser les irrégularités de la production et de la consommation.⁴

Tu entends souvent « produire de l'énergie » ou « stocker de l'énergie ». Ces expressions sont pratiques, mais elles sont fausses au sens strict. Les sources le disent clairement : ce sont des abus de langage, car physiquement l'énergie ne peut être ni produite ni détruite.⁴

Pour un élève de SI, cela change la manière de raisonner. Plutôt que de dire « le système stocke de l'énergie », tu écris la chaîne de conversion : quelle forme d'énergie entre, sous quelle forme elle est mise en réserve, et sous quelle forme elle ressort. C'est exactement ce que tu as pratiqué avec les convertisseurs.

Un système de stockage n'est jamais un simple « réservoir ». Les sources précisent que stocker de l'énergie exige toujours une machine qui en consomme une partie, associée à une méthode adaptée au type de stockage et au vecteur énergétique employé.⁴

Prends l'exemple d'une machine réversible : en mode « stockage », elle reçoit de l'énergie électrique et la transforme ; en mode « déstockage », elle fait l'inverse. Dans les deux sens, elle perd une part de l'énergie. Le stockage consomme donc de l'énergie et il est souvent contraignant.⁴

Pourquoi cherche-t-on à stocker davantage ? La crainte de voir s'épuiser les ressources non renouvelables a poussé à développer des énergies renouvelables, mais intermittentes, et cela a donné un élan à la recherche sur les moyens de stockage.⁴

Cet excès de puissance n'est pas un détail. Les sources évoquent la panne d'électricité du 4 novembre 2006 en Europe : en France, ses conséquences ont été atténuées grâce aux STEP, des installations de stockage hydraulique.⁴

Le stockage remplit ainsi plusieurs fonctions. La première citée est de sécuriser l'approvisionnement énergétique d'une entité, qui peut aller du foyer jusqu'à un pays ou un groupe de pays.⁴

Mais le stockage a un coût et des contraintes. Un exemple parlant est le pompage-turbinage : il demande deux réservoirs proches l'un de l'autre mais situés à des altitudes très différentes, une configuration plus rare encore que celle d'un barrage hydroélectrique standard.⁴ Une contrainte de site s'ajoute donc à la contrainte de pertes.

Le stockage par air comprimé, noté CAES (de l'anglais compressed air energy storage), est un bon sujet d'étude, car on y voit tous les éléments du cours : conversion, pertes, contraintes de site et progrès techniques.⁵

Cette méthode est une alternative au pompage-turbinage, qui exige un relief adapté. Elle permet en particulier de lisser la production des énergies intermittentes.⁵ Elle est intéressante pour écrêter les pics de production photovoltaïque et éolienne, aléatoires et intermittents.⁵

Où stocker l'air ? L'air comprimé contient peu d'énergie par unité de volume. Pour de grandes quantités d'énergie, il faut donc des réservoirs gigantesques, et on a le plus souvent recours à des cavernes de sel creusées sous terre.⁵

Un peu d'histoire. L'idée de conserver des énergies renouvelables dans des réservoirs souterrains est déjà décrite en 1879. Le premier site industriel n'entre pourtant en service qu'un siècle plus tard, à Huntorf, en Allemagne.⁵ Les premières usines sont celles de Huntorf (1979) et de Mc Intosh (1991).⁵ Cette technologie a attiré l'attention des chercheurs plus tard que les batteries ou le pompage-turbinage, et elle se développe surtout en Chine et aux États-Unis dans les années 2020.⁵

Les deux premières usines, Huntorf et Mc Intosh, présentent un inconvénient : un faible rendement, de l'ordre de 50 %.⁵ Cherchons l'origine de ces pertes avec la méthode de la chaîne d'énergie.

Comment améliorer cela ? Les systèmes dits avancés gardent la chaleur fatale issue de la compression, puis l'utilisent pour réchauffer l'air entrant dans la turbine. Le rendement global passe ainsi autour de 70 %.⁵ Aujourd'hui, le rendement de la technologie est compris, selon les installations, entre 64 % et 72 % (valeurs de 2025).⁵

Pour dimensionner un stockage, deux grandeurs sont indispensables, et les élèves les confondent souvent. Le projet Willow Rock les donne toutes les deux : une puissance de 500 MW et une capacité de stockage de 4 GWh.⁵

Cette partie du programme appartient à la compétence « Modéliser et résoudre ». Les ressources de l'enseignement de Sciences de l'ingénieur proposent d'ailleurs des activités sur ce thème, comme la régulation de tension d'une éolienne ou le stockage de l'énergie dans une cellule 18650 de récupération.¹ Quelle que soit l'activité, la démarche reste la même.