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Le stockage d'énergie

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Objectifs
  • Comprendre l’intérêt du stockage d’énergie.
  • Connaitre les différentes méthodes de stockage.
  • Caractériser, choisir et dimensionner une batterie d’accumulateurs.
Points clés
  • Le stockage d’énergie permet de rendre un système autonome et de résoudre le problème d’intermittence de certains systèmes de production d’énergie.
  • Les principales méthodes de stockage sont :
    • le stockage électrochimique ou par supercondensateur ;
    • les carburants ;
    • le stockage d’énergie potentielle ou cinétique ;
    • le stockage de chaleur.
  • Une batterie d’accumulateurs est composée de plusieurs cellules, reliées en série ou en parallèle. Une batterie se caractérise par une tension nominale, une intensité maximale et une capacité.
Pour bien comprendre
  • Les différentes formes d’énergie
  • Les notions de chaine d’énergie et de chaine de puissance
1. Pourquoi stocker l'énergie ?
a. Autonomie
Afin de devenir autonome en énergie, un produit doit être capable de stocker et de transporter sa propre réserve d'énergie.

Il n’a ainsi plus besoin d’être rattaché en permanence à une source d'alimentation fixe (réseau électrique, plomberie, etc.).

Exemples
  • Une voiture transporte sa propre réserve d'énergie :
    • l'essence contenue dans son réservoir, si elle dispose d'un moteur thermique ;
    • l'énergie électrochimique stockée dans sa batterie, si elle dispose d’un moteur électrique ;
    • les deux à la fois, si elle est hybride.
  • Un drone transporte sa propre réserve d'énergie grâce à ses batteries.
Remarques
  • On note aussi que la voiture et le drone stockent de l'énergie sous forme d'énergie cinétique lorsqu'ils prennent de la vitesse. Le drone stocke aussi de l'énergie potentielle lorsqu'il prend de l'altitude, ainsi que la voiture si elle monte une côte.
  • Une alternative au stockage d'énergie est d'équiper le produit pour qu'il puisse générer sa propre énergie. C'est le cas par exemple d'une maison autonome en énergie. Cette solution n'est cependant pas applicable pour tous les produits, notamment si ils sont mobiles et/ou si ils ont un besoin important en énergie relatif à leur taille.
b. Intermittence de la production d'énergie
Certains systèmes de production d'énergie ont par nature un fonctionnement variable, voire intermittent : c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas générer en permanence le même flux d'énergie.

Il est alors important d'avoir un moyen de stocker l'énergie qu'ils produisent lors de leurs pics de production. Cette énergie pourra ensuite être restituée lors de leurs creux de production.

Exemples
  • Une éolienne ne produit de l'énergie que lorsqu'il y a du vent. L'énergie produite peut alors être partiellement distribuée vers le réseau, et partiellement stockée dans une batterie. Si le vent cesse, l'énergie de la batterie pourra être transmise au réseau pour compenser.
  • La capacité d'un barrage hydroélectrique à produire de l'énergie dépend du débit de son cours d'eau. Pour adapter la production d’électricité à la consommation, de l'énergie potentielle est stockée en maintenant l'eau en hauteur, en entrée du barrage. L'eau est ensuite libérée de manière contrôlée pour produire le flux d'énergie voulu, aux bons moments.
c. Énergie et puissance (rappel)

On distingue l’énergie E et la puissance P.

L'énergie représente une quantité, un stock, qui peut être utilisée par un produit ou par une personne pour produire une action (mouvement, déformation, transformation, etc.).

L’énergie s'exprime en joule (J) ou en kilowatt-heure (kWh).

La puissance est un flux d'énergie, c'est-à-dire une quantité d'énergie qui peut être libérée ou transmise par seconde.

La puissance s'exprime en watt (W).

Ces deux grandeurs sont liées par les formules suivantes.

et

avec :

  • E l'énergie, en J ou en kWh
  • P la puissance :
    • en W, si E est en J
    • en kW, si E est en kWh
  • t le temps :
    • en s, si E est en J
    • en h, si E est en kWh

Pour pouvoir fonctionner, un produit autonome a besoin de :

  • stocker une quantité d'énergie importante. Plus cette quantité est grande, plus son autonomie est importante ;
  • recevoir un certain flux d'énergie. Le flux d'énergie (= puissance) transmis aux autres éléments de la chaine de puissance doit être suffisamment élevé pour que le produit puisse produire une action.
2. Les méthodes de stockage

Les principales méthodes de stockage sont le stockage électrique et les carburants, mais aussi le stockage d’énergie potentielle, cinétique ou de chaleur.

a. Stockage électrique
Le stockage électrochimique

Les systèmes de stockage électrochimiques sont extrêmement courants. Il permettent d’associer des éléments chimiques pour stocker une énergie électrique.

On trouve parmi eux les systèmes suivants.

  • Les piles sont des unités de stockage d'énergie non-rechargeables.
  • Les accumulateurs, aussi appelés « piles rechargeables », sont des unités de stockage d'énergie rechargeables.
  • Les batteries d'accumulateurs, qu'on appellent communément « batteries », regroupent plusieurs accumulateurs reliés en série ou en parallèle, en fonction du besoin.
Remarque
On parle de stockage électrochimique car c’est une réaction chimique entre deux composants qui permet le stockage et la libération d’électricité.
Le stockage par supercondensateur

Les supercondensateurs sont un autre type de système de stockage d'énergie électrique. Ils se démarquent des systèmes électrochimiques par une meilleure puissance, relative à leur taille et à leur masse, mais ils ont une quantité d'énergie stockée moins importante.

Les supercondensateurs sont donc intéressants pour les actions de courte durée, mais elles nécessitent une grande puissance.

b. Carburant

Les carburants sont des liquides, ou parfois des gaz, qui libèrent l'énergie qu'ils contiennent lors de leur combustion.

Ils contiennent une quantité d'énergie très importante relativement à leur volume et masse. On peut assez facilement contrôler la puissance qu'ils transmettront en contrôlant la quantité de carburant qui entre en combustion.

Les carburants les plus courants sont :

  • les hydrocarbures : essence, gazole, kérosène, gaz naturel, etc. ;
  • les biocarburants obtenus à partir des végétaux : bioéthanol, biodiesel, etc.
c. Autres méthodes

Il existe d'autre systèmes de stockage d'énergie, surtout utilisés dans des installations de production d’énergie, ou pour concevoir des produits fixes.

Il y a notamment les stockages suivants.

Stockage d’énergie potentielle

Le stockage fondé sur l’énergie potentielle consiste à mettre en réserve de l’énergie mécanique, la plupart du temps en mettant en hauteur un objet possédant une masse.

Exemple
Dans un barrage hydroélectrique, l’eau est maintenue en hauteur pour stocker son énergie potentielle. Elle est relâchée quand nécessaire afin de produire de l’énergie. L'énergie est ensuite convertie en énergie électrique grâce à des turbines reliées à des génératrices.
Barrage des Gloriettes dans les Pyrénées
Stockage d’énergie cinétique

Le stockage fondé sur l'inertie et l'énergie cinétique consiste à mettre en mouvement un objet possédant une masse ; la plupart du temps l’objet est mis en rotation.

Exemple
Les volants d'inertie (FES : Flywheel Energy Storage en anglais) sont mis en rotation par un moteur. Ils stockent ainsi l'énergie sous forme d'énergie cinétique.
En mettant le moteur en mode « génératrice », on peut ensuite récupérer cette énergie sous forme d'électricité.
Volant d'inertie utilisé dans les machines à vapeur
Stockage de chaleur

Le stockage fondé sur la chaleur consiste à chauffer un corps ou un fluide.

Exemple
Dans une centrale de production d’énergie solaire, la lumière du soleil est redirigée par des miroirs vers une cuve. La lumière chauffe le fluide caloporteur contenu dans la cuve, qui stocke l’énergie sous forme de chaleur.
L'énergie est ensuite convertie en énergie électrique grâce à un cycle thermodynamique et des turbines reliées à des génératrices.
Station de production d'énergie solaire thermique, Nevada, États-Unis
3. Les batteries d'accumulateurs
a. Caractéristiques
Une batterie d'accumulateurs produit un courant continu.

Elle est notamment caractérisée par :

  • sa tension nominale, notée U, en volt (V) ;
  • l'intensité maximale du courant qu'elle peut générer, notée Imax, en ampère (A) ;
  • sa capacité, notée Q, habituellement donnée en ampère-heure (Ah) ou en mAh.
Remarque
Ce qu'on appelle la tension nominale est la tension qu'aura la batterie en fonctionnement normal. Dans la pratique, la tension est un peu plus élevée quand la batterie est chargée à fond, et un peu moins élevée quand elle est presque vide.
Exemple
Une batterie Li-ion a une tension nominale de 10,8 V, peut produire une intensité maximale de 4 A et a une capacité de 3600 mAh.
La capacité d’une batterie
La capacité Q permet de déterminer l'autonomie de la batterie.

Elle est liée à l'intensité I et au temps t par la formule suivante.

avec :

  • Q la capacité de la batterie, en Ah
  • I l’intensité moyenne générée par l’utilisation du produit, en A
  • t la durée d’utilisation du produit, en h
Exemple – Calcul de capacité
On charge une batterie à 100 %, puis on s'en sert pour faire fonctionner un éclairage. Il faut 5 h pour que la batterie soit vidée de son énergie.
En mesurant le courant généré par la batterie durant ces 5 h, on obtient un courant moyen de 0,7 A.
On en déduit la capacité de la batterie : Q = I × t = 0,7 × 5 = 3,5 Ah.
Exemple – Calcul d'autonomie
Une batterie de smartphone possède une capacité de 3200 mAh. L’intensité moyenne consommée par le smartphone en fonctionnement normale est de 82 mA.
On en déduit que l'autonomie, en utilisation normale, du smartphone est : t =   39 h.
L’énergie totale contenue dans une batterie

Si l'on veut déterminer l'énergie totale E contenue dans une batterie, il faut prendre en compte la capacité Q de la batterie, mais aussi sa tension nominale U.

On peut alors se servir de la formule suivante.

avec :

  • E l’énergie contenue dans la batterie, en Wh
  • Q la capacité de la batterie, en Ah
  • U la tension nominale de la batterie, en V
Exemple
Une batterie de 24 V possède une capacité de 1700 mAh, soit 1,7 Ah.
L'énergie qu'elle contient vaut : E = Q × U = 1,7 × 24 = 40,8 Wh.
La puissance maximale d’une batterie

On a également souvent besoin de connaitre la puissance maximale Pmax d’une batterie : elle permet de déterminer si la batterie conviendra aux éléments qui suivent dans la chaine de puissance du produit.

La puissance maximale se calcule avec la formule suivante.

avec :

  • Pmax la puissance maximale de la batterie, en W
  • U la tension nominale de la batterie, en V
  • Imax l’intensité maximale de la batterie, en A
Exemple
Une batterie de 9 V peut délivrer un courant maximal de 1,5 A.
Sa puissance maximale est : Pmax= U × Imax=× 1,5 = 13,5 W.
b. Cellule d'une batterie
Une batterie d'accumulateurs est constituée de plusieurs accumulateurs, qu'on appelle des cellules.

Chaque cellule est identique. Comme la batterie dans son ensemble, une cellule est caractérisée par :

  • une tension nominale U, liée à sa technologie ;
  • une intensité maximale Imax, liée à sa technologie et à sa qualité ;
  • une capacité Q, liée à sa technologie, à sa qualité et à ses dimensions.
Exemple
Une batterie Li-ion comprend 3 cellules. Chaque cellule a une tension nominale de 3,6 V, peut produire une intensité maximale de 2 A et a une capacité de 1800 mAh.
c. Couplage des cellules

À l'intérieur d'une batterie, les cellules peuvent être couplées en série, en parallèle ou de manière hybride.

Couplage en série

Dans le cas d’un couplage en série :

  • la tension nominale U de la batterie est la somme de celles des cellules ;
  • l'intensité maximale Imax de la batterie est la même que celle d'une seule cellule ;
  • la capacité Q de la batterie est la même que celle d'une seule cellule.
Couplage en parallèle

Dans le cas d’un couplage en parallèle :

  • la tension nominale U de la batterie est la même que celle d'une seule cellule ;
  • l'intensité I de la batterie est la somme de celles des cellules ;
  • la capacité Q de la batterie est la somme de celles des cellules.
Couplage de manière hybride

Un couplage de manière hybride consiste à mélanger les deux types de montage.

Remarques
  • Mettre en série les cellules permet d'adapter la tension nominale de la batterie à la tension nominale des éléments qui suivront dans la chaine de puissance.
  • Mettre en parallèle les cellules permet d'augmenter la puissance maximale et l'autonomie de la batterie.
Exemple
Deux batteries sont fabriquées à partir des trois mêmes cellules.
Chaque cellule a une tension nominale de 3,6 V, peut produire une intensité maximale de 2 A et a une capacité de 1800 mAh.

Batterie A
Dans la batterie A, les cellules sont reliées en série, d'après le montage ci-dessous.

La batterie a les caractéristiques suivantes :

  • Ubatterie=× Ucellule=× 3,6 = 10,8 V
  • Imax–batterie= Imax–cellule= 2 A
  • Qbatterie= Qcellule= 1800 mAh

Batterie B
Dans la batterie B, les cellules sont reliées en parallèle, d'après le montage ci-dessous.

La batterie a les caractéristiques suivantes :

  • Ubatterie= Ucellule= 3,6 V
  • Imax–batterie=× Imax–cellule=× 2 = 6 A
  • Qbatterie=× Qcellule=× 1800 = 5400 mAh
d. Technologies d'accumulateurs

Voici un tableau qui récapitule les caractéristiques des quatre types d’accumulateurs les plus courants.

  Tension nominale
(en V)
Densité massique d'énergie Densité d'énergie
(en Wh/L)
Durée de vie (nombre de cycles) Prix Aspect environnemental
Plomb-acide 2,25 30-50 75-120 400-800 Faible Mauvais
Ni-MH 1,2 60-110 220-330 800-1000 Modéré Moyen
Li-ion 3,6 100-265 220-400 500-1000 Élevé Moyen
LFP 3,2 120-140 190-250 2000 Élevé Bon

Ce tableau présente notamment deux caractéristiques des technologies d’accumulateurs, qui sont importantes dans le cadre d’un compromis masse-énergie et d’un compromis volume-énergie.

  • La densité massique d'énergie, en Wh/kg, représente la quantité d'énergie stockée par kilogramme, du système de stockage.
  • La densité d'énergie, en Wh/L, représente la quantité d'énergie stockée par litre, du système de stockage.

Ces deux caractéristiques sont primordiales dans certains systèmes, pour lesquels la masse et le volume sont importants, comme par exemple les drones ou les smartphones.

Pour résumer :

  • les accumulateurs Plomb-acide sont bons marchés, mauvais d’un point de vue environnemental et ils ont des performances moyennes ;
  • les accumulateurs Ni-MH (Nickel-Hydrure métallique) n’ont pas de vrais points faibles ou points forts, ils sont polyvalents ;
  • les accumulateurs Li-ion (Lithium-ion) sont les plus performants, mais ils sont chers ;
  • les accumulateurs LFP (Lithium Fer Phosphate) ont de bonnes performances, une excellente durée de vie et un impact environnemental limité. Cependant ils sont chers.

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