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Qu’est-ce que le stockage de l’énergie par air comprimé ?

Le stockage de l’énergie  par air comprimé est un système qui permet de récupérer et de restituer de l’énergie à partir d’un mécanisme de compression d’air. Aussi appelé CAES (pour “Compressed Air Energy Storage” en anglais) ce système utilise l’énergie à stocker pour comprimer de l’air. Et au moment où l’on veut récupérer cette énergie, il suffit de relâcher l'air comprimé. Voilà pour la théorie en bref. Mais bien entendu, la pratique est souvent plus complexe.

Ouvrière industrielle régulant la pression d'une vanne de pression d'air comprimé
L’énergie pneumatique, véhiculée par des réseaux d’air comprimé, est utilisée dans de nombreuses usines et dans des équipements variés comme les marteaux-piqueurs.

Le caractère intermittent de la production des parcs solaires et éoliens a relancé toutes les recherches en matière de stockage de l’électricité (voir la vidéo). Cette réflexion concerne aussi bien les batteries, les piles à hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. , les systèmes inertiels ou même, à grande échelle, des stations de pompageLe pompage est une technique de récupération assistée du pétrole et du gaz... associées aux barrages hydroélectriques (STEP). Le stockage par air comprimé a suscité un grand intérêt depuis une vingtaine d’années. Mais il n’a pas abouti jusqu’à présent à des exploitations satisfaisantes en termes de rendement.

Pour commencer, comment l’air comprimé produit de l’énergie ?

L'énergie pneumatique est utilisée depuis des décennies sous de très nombreuses formes. Il s’agit de l'énergie emmagasinée dans un gaz comprimé (souvent de l’air) qui est ensuite libérée, sous forme mécanique, lorsque le gaz se détend vers une zone de moindre pression. Dès le XIXe siècle, des villes et des usines ont installé des réseaux d’air comprimé. Cette énergie a trouvé des applications multiples. On pense par exemple aux marteaux-piqueurs des chantiers ou bien aux engins d’extraction minière.

Depuis une vingtaine d’années, des expérimentations cherchent le moyen de stocker de l’air comprimé pour générer, de façon différée, de l’électricité. Après diverses tentatives pour des systèmes de petite taille, les expérimentations se concentrent aujourd’hui vers des grandes installations, couplées à des turbines à gaz et en utilisant de vastes réservoirs souterrains.

 L’Union européenne a testé un prototype, RICAS, dans un massif rocheux en Autriche1.  Elle apporte aussi un soutien financier à un projet près de Larne, en Irlande du Nord2. Un démonstrateur de 5 MW doit être installé en 2020 dans une ancienne mine souterraine en Australie3.

Concrètement, comment fonctionne une installation CAES ?

Dans une première phase, dite de stockage, un compresseur comprime de l’air ambiant en utilisant de l’électricité “verte” (produite donc par des éoliennes ou des panneaux photovoltaïquesUn panneau solaire photovoltaïque, ou module photovoltaïque, est un assemblage de cellules photovoltaïques reliées entre elles... ) à un moment où le réseau ne peut pas l’absorber. Cet air comprimé est stocké dans une cavité située en sous-sol.

Dans une deuxième phase, dite de déstockage, l’air comprimé est extrait du réservoir. Il est injecté avec du gaz dans la chambre de combustion puis passe par une turbine munie d’un alternateur pour produire à nouveau de l’énergie électrique (voir vidéo). Le seul air comprimé ne suffirait pas à alimenter suffisamment la turbine, il faut une énergie complémentaire comme le gaz.

Quel est l’avantage du système CAES ?

Une turbine à gaz classique a besoin d’air à très haute pression (100 à 300 bars) pour assurer la combustion. Elle assure cette compression sur place et a pour cela besoin de beaucoup d’énergie (l’équivalent du tiers de ce qu’elle produit elle-même). Or comme vous le savez peut-être, le prix de l’électricité varie au cours d’une journée. Dans le nouveau système, on comprimerait l’air pour le stocker à un moment où l’électricité ne coûte pratiquement rien. La mise en marche de la turbine, donc la réutilisation de l’air comprimé, interviendrait au contraire dans les périodes de pointe de consommation où l’électricité est chère.

Quels sont les inconvénients du système CAES ?

La grande difficulté est de gérer la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... . Au moment de la compression, la température de l’air augmente fortement, comme une pompe à bicyclette quand on gonfle une chambre à air. Il est difficile de récupérer cette chaleur.

Or, lors de la phase de décompression, la température baisse et il faut un nouvel apport énergétique, généralement du gaz, pour réchauffer l’air et pouvoir l’utiliser dans la turbine. Le rendement de l’installation est alors faible, de l’ordre de 40 à 50 %.

C’est le cas des deux seules installations existantes dans le monde, à Huntorf en Allemagne, et à McIntosh, aux Etats-Unis (Alabama). Les projets nouveaux visent tous à réutiliser la chaleur de la compression, en la stockant dans un autre réservoir ou dans des roches, ou en installant un système hydraulique. Le rendement peut théoriquement être relevé jusqu’à 65 ou 70 % mais les résultats ne sont pas encore concluants dans la pratique4.

 

Schéma d’une installation de stockage d’énergie par air comprimé

Une autre difficulté est de bien dimensionner les cavités du sous-sol en fonction de l’installation en surface. Pour les grandes installations, des cavernes naturelles peuvent être utilisées, à condition qu’elles ne fuient pas. Sinon, il faut creuser des réservoirs artificiels dans le sol et étudier soigneusement les revêtements des parois, qui doivent résister à la fois aux pressions, aux températures et à la corrosionAltération d'un matériau sous l'effet de facteurs physiques ou physico-chimiques... .

Comme tous les dispositifs de stockage de l’électricité, le CAES n’est adapté qu’à des conditions de volume et de temps particulières. Il est potentiellement le plus utile pour de grosses quantités d’énergie et des durées courtes. Il ne convient donc pas à l’échelle de l’habitat, ni à l’échelle de temps saisonnière, un peu comme les STEP.

D’autres applications de l’air comprimé

Le saviez-vous ? Le stockage de l’énergie par air comprimé peut être utilisé pour la production d’électricité dans les turbines à gaz

L’air comprimé a été testé dans le secteur de l’énergie houlomotrice, c’est-à-dire celle des vagues de la mer. L’idée est d’utiliser des cylindres, horizontaux ou verticaux, dans lesquels des vérins hydrauliques amortissent le mouvement de la houle en comprimant l’air intérieur. La puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps... récupérée est convertie en électricité. Mais les projets n’ont pas abouti jusqu’à présent.

Dans le domaine de la construction automobile, des tests ont été conduits pour utiliser de l’air comprimé en complément de motorisation dans les modèles hybrides. Concrètement : une pompe récupère l’énergie perdue lors des freinages et remplit un réservoir d’air. L’énergie pneumatique est restituée pour soutenir le moteur thermique lors des phases d’accélération.

 

(1) Voir vidéo 

(2) Voir graphique 

(3) Voir article 

(4) Voir le projet Search de Mines Paristech