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Énergie solaire directe : hors réseau, sans batteries

Wed, 24 Jan 2024 00:00:00 +0000

Image : un ordinateur portable alimenté par énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Les installations solaires classiques ne remettent pas en cause notre dépendance aux énergies fossiles et le mode de vie énergivore qu’elles génèrent. Peu importe le temps qu’il fait, les panneaux solaires sur nos toits ou dans d’immenses centrales nous fournissent toute l’énergie qu’il nous faut, dans la mesure où ces systèmes utilisent le réseau électrique général. Alimenté en grande partie par des énergies fossiles, il agit comme une batterie et nous évite les coupures de courant.

Bien que les panneaux solaires, reliés au réseau général, permettent une réduction de la consommation en énergie fossile des centrales thermiques, les économies ainsi réalisées sont partiellement contrebalancées par la même énergie fossile nécessaire à la construction et à l’entretien de ce qui est en réalité une infrastructure à double énergie. La combinaison de la production éolienne et solaire permettrait d’augmenter la part d’énergie renouvelable dans le réseau, mais il faudrait adapter davantage les infrastructures, ce qui demanderait beaucoup d’énergie, de temps et d’argent.

La même problématique se pose lorsqu’il s’agit de remplacer les centrales à énergies fossiles par des solutions de stockage, dans le but d’emmagasiner le surplus d’énergie produit au cours des journées à fort ensoleillement, afin de le restituer lorsqu’il y en a moins. Les systèmes de stockage d’énergie, reliés au réseau général ou aux ménages de particuliers (systèmes hors réseau), sont en effet très coûteux financièrement. De plus, leur construction et leur entretien génèrent une quantité considérable d’émissions de carbone.

Installations solaires autonomes

La production de panneaux solaires entraîne bien sûr un coût financier et énergétique. Cependant, ce coût est moindre face à celui associé aux équipements complémentaires. Dans le cas d’installations reliées au réseau, il est difficile d’estimer précisément ces dépenses, mais en ce qui concerne les installations autonomes (non reliées au réseau et disposant de leurs propres systèmes de stockage), la tâche est plus facile. Prenons donc comme exemple le petit dispositif solaire autonome alimentant mon salon à Barcelone.

Ce système se compose de deux panneaux solaires de 50 W installés sur le balcon, d’une batterie au plomb de 100 Ah et d’un régulateur de charge de 10 A. L’énergie produite est notamment utilisée pour l’éclairage et le système audio ainsi que pour charger des appareils électroniques comme des ordinateurs portables. L’investissement financier initial a été de 340 euros : 120 euros pour les panneaux solaires, 170 euros pour la batterie et 50 euros pour le régulateur de charge.

Cependant, même si les panneaux solaires devraient tenir 30 ans et le régulateur 10 ans, je dois quand même changer la batterie au plomb tous les 3 à 5 ans. ¹ Sur 30 ans, les coûts s’élèvent à 120 euros pour les panneaux, 150 euros pour les régulateurs et dans le meilleur des cas 1 020 euros pour les batteries. Les batteries (et les régulateurs de charge associés) représentent donc 90 % des coûts du cycle de vie.

Le système de stockage représente aussi la majorité de l’énergie « intégrée » au système (et les émissions carbone associées). Il faut 1 200 mégajoules (MJ) d’énergie pour produire une batterie au plomb. ² Sur 30 ans d’utilisation (au mieux, six batteries), cela équivaut à 7 200 MJ. Les trois régulateurs de charge ajoutent 360 MJ supplémentaires et le bilan énergétique du système de stockage sur 30 ans s’élève alors à 7 560 MJ. ³ Néanmoins, la production des panneaux solaires ne coûte que 2 275 MJ sur un total de 9 835 MJ. ⁴ Conclusion : plus de 75 % de la consommation totale d’énergie fossile est due au stockage de l’énergie.

Image : à droite, sur le balcon, les deux panneaux solaires 50 W qui alimentent mon salon. À côté, le panneau de 30 W permettant à ce site de fonctionner. Photo : Marie Verdeil.

Image: La structure pour les panneaux solaires, faite à partir de bois de récupération. Photo : Kris De Decker.

Image : La batterie au plomb 100 Ah alimentant le salon la nuit tombée. Photo : Kris De Decker.

L’utilisation d’un autre type de batterie ne modifierait pas significativement cette conclusion. Dans un système hors réseau similaire utilisant des batteries lithium-ion, le stockage d’énergie représenterait 95 % des coûts du cycle de vie (presque le double d’un système fonctionnant avec des batteries au plomb). Même en étant optimiste sur les durées de vie (10 ans) et en tenant compte des régulateurs de charge, les batteries au lithium sont responsables de 70 % de l’énergie engagée dans un réseau solaire. ⁵ ⁶ Pour les batteries nickel-fer, le stockage représenterait 85 % des coûts du cycle de vie (il n’y a pas de données sur le coût énergétique). ⁷

L’échelle et le lieu de l’installation n’ont également aucune incidence. Un système plus extensif nécessiterait plus de panneaux solaires, mais aussi des batteries plus grosses et des régulateurs de charge plus puissants et plus coûteux. Les pourcentages restent les mêmes. ⁸ La structure sur laquelle les panneaux solaires sont montés est le seul facteur pouvant légèrement augmenter leur part dans le coût total. Nous ne prendrons pas en compte ces structures puisque je les ai construites moi-même à partir de bois de récupération. Néanmoins, installer soi-même les panneaux solaires sur un toit est plus compliqué. Même dans ce cas-là, le coût lié au stockage d’énergie reste de loin le facteur le plus important.

L’énergie solaire directe : beaucoup plus économique et durable

Contrairement aux combustibles fossiles, le vent et le soleil ne sont pas disponibles à la demande. C’est là tout le problème dans notre approche des énergies renouvelables : nous insistons pour que l’énergie soit toujours disponible à volonté, qu’importe la météo, la saison ou l’heure. Adapter l’offre d’énergie à la demande, comme par le passé, entraînerait des réductions énormes dans les coûts et l’utilisation des combustibles fossiles.

Par exemple, si je n’avais pas installé de batterie dans mon installation solaire, mon système aurait été environ 10 fois moins cher : 120 euros au lieu de 1 290 euros sur un cycle de vie de 30 ans. Sinon, j’aurais pu dépenser ces 1 290 euros en panneaux solaires et atteindre les 1 075 W avec mon système solaire. Cela représente dix fois la capacité de l’installation avec les batteries, mais ça ne tiendrait pas sur le balcon.

Sans batterie et régulateur de charge, le coût énergétique de l’installation chute de 9 835 MJ à 2 275 MJ. En d’autres termes, je pourrais générer au moins quatre fois plus d’énergie solaire pour le même investissement en combustibles fossiles.

Comment utiliser concrètement l’énergie solaire directe ?

Tout cela est bien beau, mais le soleil n’est pas toujours au rendez-vous et la quantité d’énergie solaire varie selon l’heure et la saison. Par conséquent, la question se pose : comment utiliser concrètement des panneaux solaires sans batteries (ou sans équipements complémentaires dans le cas d’installations reliées au réseau) ?

Pour y répondre, regardons l’exemple d’un pionnier de l’énergie solaire directe : la Living Energy Farm. Cette communauté de sensibilisation environnementale, située dans l’état de Virginie aux États-Unis, est complètement « hors réseau » grâce à l’énergie solaire. Cependant, seulement 10 % de cette énergie est stockée dans une batterie (Nickel-fer), alors que les panneaux solaires alimentent plusieurs maisons, une cuisine commune, un atelier de métallurgie et une ferme. ⁹ ¹⁰

Image : système d’énergie solaire directe à la Living Energy Farm.

L’installation solaire est en activité depuis 2011 et se compose de systèmes distincts réunissant une puissance-crête totale de 1 400 watts. ¹¹ À titre comparatif, la puissance-crête moyenne d’une installation solaire privée au Royaume-Uni et aux États-Unis (pour un ménage) est respectivement de 4 000 watts et de 6 500 watts. Comme dans mon appartement, l’énergie est utilisée avec modération à la Living Energy Farm. Cependant, il y a d’autres raisons pour lesquelles la communauté se passe de batteries.

Certains appareils ne sont utilisés que de jour

Une première raison est évidente : certains appareils électriques ou certaines machines ne sont utilisés que de jour. C’est notamment le cas de toutes les machines de l’atelier de métallurgie, y compris : une scie à ruban, un compresseur, une meuleuse, une scie circulaire, un tour, une fraiseuse et une perceuse. C’est aussi le cas pour les machines agricoles comme le moulin à grains et la pompe pour puits profond. Directement reliées aux panneaux solaires, ces machines ont les mêmes capacités que les technologies modernes du réseau général, si ce n’est le fait de ne pas pouvoir être utilisées la nuit. ¹⁰

À une toute autre échelle, l’énergie solaire directe m’a permis d’alimenter : un fer à repasser, un pistolet à colle et une pompe d’arrosage (pour mon balcon). Ajoutons aussi à la liste d’exemples d’appareils et de machines pouvant n’être utilisés que le jour : les aspirateurs, les machines à coudre, les lave-linges, les consoles de jeux, les découpeuses laser et les imprimantes 3D. Il n’est pas si difficile d’envisager une société moderne dans laquelle passer l’aspirateur ou bricoler n’est possible que pendant la journée. Ce n’est certainement pas un retour au Moyen-Âge.

Image : Plusieurs outils à la Living Energy Farm, la plupart fonctionnant à l’énergie solaire directe. Image : Alexis Zeigler.

Image : Tour à métaux fonctionnant à l’énergie solaire directe, Living Energy Farm. Image : Alexis Zeigler.

Image : Soudure à l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil. [Regarder la vidéo](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

D’un autre côté, les appareils électriques n’ont pas tous besoin d’être constamment surveillés. Les lave-linges et les lave-vaisselles pouvant être programmés pour démarrer automatiquement au lever du soleil sont souvent cités comme exemples d’application d’un réseau électrique « intelligent ». Cependant, cette approche s’appuie sur une infrastructure considérable de transmission électrique, de réseaux de communication et d’appareils électroniques.

En revanche, avec une approche solaire directe et décentralisée, cette « intelligence » est fournie par le soleil et la rotation de la planète. Un lave-linge ou un lave-vaisselle alimenté par énergie solaire directe peut être complètement chargé et allumé le soir. La machine se recharge ensuite « automatiquement » le matin. On peut même utiliser des minuteurs (électroniques ou mécaniques) pour programmer l’activation des équipements l’un après l’autre.

Il reste à déterminer si les nuages constituent un obstacle supplémentaire pour une installation solaire directe. La solution repose sur la taille des panneaux solaires. Doubler la surface des panneaux solaires garantit suffisamment de puissance par temps partiellement couvert. De plus, les coûts économiques et écologiques demeurent bien plus faibles que pour une installation avec des batteries ou autres équipements complémentaires.

L’augmentation supplémentaire de la surface des panneaux solaires permettrait de produire suffisamment d’énergie, même en cas de forte couverture nuageuse. Cependant, au-delà de dix fois la surface originelle, les coûts sont équivalents à ceux d’un système autonome classique avec batteries. En quadruplant leur surface, le système redevient dépendant des combustibles fossiles.

Beaucoup d’appareils possèdent leur propre batterie

Avec l’énergie solaire directe, l’utilisation d’appareils électroniques la nuit tombée reste possible. Comme indiqué précédemment, la Living Energy Farm utilise peu de batteries qui servent, entre autres, à alimenter les luminaires, les ventilateurs ou les appareils électroniques la nuit. ¹⁰ Par ailleurs, beaucoup d’appareils modernes sont dotés de leur propre système de stockage. C’est notamment le cas de la grande majorité des véhicules électriques, de la plupart des gadgets électroniques et d’anciens appareils fonctionnant avec des piles AA.

Par conséquent, ce type d’appareil peut être rechargé par énergie solaire directe durant le jour, ce qui permet leur utilisation plusieurs heures après le coucher du soleil grâce aux batteries intégrées. Associé à une banque d’énergie au lithium-ion, un panneau à énergie solaire directe permet également de recharger des appareils USB la nuit. Ce dispositif peut même fonctionner pour l’éclairage, puisque de nombreux luminaires possèdent des batteries et peuvent être utilisés comme des sortes de torches accrochées à différents endroits des pièces et des bâtiments.

Image : Un téléphone portable se rechargeant à l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Bien entendu, externaliser le stockage d’énergie chimique dans les appareils n’est pas la solution la plus durable. La production de batteries lithium-ion nécessite des combustibles fossiles et (contrairement aux batteries au plomb) elles ne sont pas recyclables. La meilleure solution reste évidemment de limiter l’utilisation des appareils électroniques. Néanmoins, les charger à l’énergie solaire directe est bien plus durable et efficace que d’utiliser d’autres batteries ou un réseau électrique alimenté par des combustibles fossiles. S’il faut utiliser ces appareils technologiques, utilisons-les de la manière la plus intelligente possible.

Stockage d’énergie non électrique

La troisième raison pour laquelle l’énergie solaire directe est bien plus pratique qu’il n’y paraît est que certains appareils peuvent être utilisés une fois le soleil couché grâce à l’énergie thermique. Cette option est bien plus économique et durable que le stockage d’énergie électrique. Le stockage d’énergie thermique est une solution assez répandue pour les systèmes de chauffage des locaux et la production d’eau chaude. L’eau est chauffée par le soleil et est ensuite stockée soit dans une chaudière, soit dans l’enveloppe du bâtiment (pour le chauffage des locaux uniquement). Ce n’est pas surprenant que la Living Energy Farm soit dotée de tels systèmes. C’est aussi l’énergie solaire thermique qui chauffe l’eau de mon appartement.

De plus, cette même approche fonctionne aussi pour deux appareils ménagers essentiels qu’il est nécessaire de faire fonctionner après le coucher du soleil, mais qui sont aussi énergivores : le réfrigérateur et la cuisinière. Plutôt que de stocker l’énergie d’un panneau solaire dans une batterie pour ensuite alimenter un réfrigérateur ou une cuisinière, la Living Energy Farm utilise l’isolation thermique. Cela permet de conserver la chaleur à l’intérieur (dans le cas de la cuisinière) ou à l’extérieur (dans le cas du réfrigérateur) en l’absence d’alimentation électrique. L’isolation thermique est également une solution très efficace énergétiquement, ce qui signifie que ces appareils peuvent fonctionner sur des panneaux solaires de quelques 100 ou 200 watts.

Un réfrigérateur alimenté par énergie solaire directe

Il est tout à fait possible de relier un réfrigérateur classique ou un congélateur directement à un panneau solaire. Néanmoins, une telle installation chaufferait très vite la nuit. Même les réfrigérateurs étiquetés comme étant les plus efficaces énergétiquement présentent une épaisseur d’isolation relativement limitée (généralement 2,5 cm). Cependant, si cette épaisseur d’isolation est portée à 12,5 cm, la consommation d’énergie d’un réfrigérateur est divisée par quatre.¹² ¹³ Sa capacité de refroidissement passif peut être amplifiée en ajoutant une masse thermique sous la forme d’un réservoir d’eau à l’intérieur de l’appareil. Pendant la journée, le panneau solaire refroidit l’eau ou la change en glace. La nuit, cette eau (ou glace) ralentit le réchauffement de l’appareil. ¹⁴

Aussi, un réfrigérateur à énergie solaire directe s’ouvre par le haut et non par l’avant. L’air froid est lourd, et par conséquent beaucoup moins d’énergie est perdue lorsque quelqu’un ouvre la porte. Tous ces choix de conception cumulés permettent une économie d’énergie considérable. Une étude sur les réfrigérateurs à énergie solaire directe dans des régions très ensoleillées (Texas et Nouveau-Mexique, États-Unis) a démontré qu’ils pouvaient garder leur capacité de refroidissement même après 6 à 7 jours sans alimentation électrique. Les équipements fonctionnent à l’année avec des panneaux solaires de 80 W à 120 W seulement. ¹⁵ la Living Energy Farm alimente son réfrigérateur solaire à l’aide d’un panneau de 200 W. ¹⁰

Image : Le Sundanzer DDR165. un réfrigérateur conçu spécialement pour l’énergie solaire directe. Photo : Sundanzer.

Contrairement au chauffage solaire, le refroidissement solaire est parfaitement adapté aux variations saisonnières du rayonnement solaire. Refroidir est plus énergivore en été, la période où le rayonnement solaire est au plus haut. Le réfrigérateur installé au Nouveau-Mexique, mentionné précédemment, a enregistré une consommation de 406 wattheures par jour en été, contre 230 en hiver. ¹⁶ De plus, cette technologie peut être utilisée tout le long de la chaîne du froid pour laquelle le réfrigérateur, bien qu’il demeure essentiel, ne représente qu’un maillon. La climatisation est une autre application de l’énergie solaire directe, bien qu’elle soit peu documentée et difficile à mettre en place. ¹⁷

Une cuisinière à énergie solaire directe

En principe, une cuisinière standard peut être reliée directement à un panneau solaire, mais comme pour un réfrigérateur standard, ce n’est pas très pratique. On ne peut cuisiner que le jour et cela implique d’installer un grand nombre de panneaux solaires. Une seule plaque chauffante nécessite une puissance électrique de 1 000 watts. Pour résoudre ce problème, les plaques des cuisinières solaires électriques sont enveloppées d’un isolant thermique. En principe, cette technologie est la combinaison d’une cuisinière électrique et d’une marmite norvégienne.

Image : Test d’une cuisinière solaire électrique. Photo : université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly).

Grâce à l’isolation thermique, une cuisinière solaire électrique emmagasine progressivement la chaleur pendant le jour pour pouvoir ensuite cuisiner une fois la nuit tombée. Ainsi, il est possible d’atteindre de hautes températures à moindre coût énergétique. Cela revient à « charger » la cuisinière, non pas avec de l’électricité, mais avec de la chaleur.

Des chercheurs de l’université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly) ont construit la première cuisinière solaire électrique en 2015. Leur appareil de 12 volts, qui a évolué depuis, n’a besoin que d’un panneau solaire de 100 W pour fonctionner. Il fait bouillir un litre d’eau en une heure. Sur une journée ensoleillée, il peut cuire presque 5 kg de haricots, de riz, de ragoût ou de pommes de terre.¹⁸

En utilisant une marmite avec un fond beaucoup plus épais (5-10 kg), il devient possible de cuisiner après la tombée de la nuit. L’équipe de recherche de Cal Poly a notamment réussi à atteindre une température de 250 °C à l’intérieur du dispositif de stockage par chaleur sensible, après cinq heures de charge par un panneau solaire de 100 W. En trois secondes, ils ont ainsi fait bouillir un litre d’eau après le coucher du soleil. Au cours d’un autre test, ils ont réussi à cuire 1 kg de légumes en deux minutes. La configuration idéale est de disposer de deux marmites, une avec stockage de chaleur et l’autre sans. On peut alors utiliser une cuisinière solaire électrique pour des cuissons lentes ou rapides, selon le moment de la journée et le plat à préparer. ¹⁹

Image : Principe de la cuisinière électrique avec stockage par chaleur sensible. Dessin : université d’État polytechnique de Californie (Cal Poly).

Thermique ou électrique ?

Comme pour le chauffage des locaux et la production d’eau chaude, les cuisinières et les systèmes de refroidissement solaires peuvent fonctionner avec ou sans électricité, soit à l’aide de panneaux photovoltaïques, soit à l’aide de capteurs solaires thermiques. Mais, les cuisinières et systèmes de refroidissement solaires sont plus économiques et plus efficaces énergétiquement quand ils fonctionnent à l’aide d’électricité, ce qui n’est pas le cas pour le chauffage solaire.

Le chauffage des locaux et de l’eau peut s’obtenir avec de faibles écarts de températures. Ils peuvent être fournis par des capteurs thermiques solaires bon marché composés de plaques de verre et de conduites d’eau. En revanche, les systèmes de refroidissement solaires et les cuisinières solaires nécessitent des écarts de température plus importants, qui requièrent des capteurs solaires thermiques plus sophistiqués (à tubes sous vide ou paraboliques), plus chers que les panneaux photovoltaïques. ²⁰ ²¹

La seule exception est la cuisinière solaire classique, composée d’une boîte isolée avec un couvercle en verre, qui ne peut pas atteindre des températures aussi hautes. Les cuisinières électriques solaires présentent encore d’autres avantages. Avec un appareil non électrique, il faut cuisiner à l’extérieur, ce qui est moins pratique et moins efficace, surtout en hiver ; les pertes d’énergie sont plus grandes pour une cuisinière solaire thermique. Les cuisinières solaires électriques sont aussi plus rentables énergétiquement puisqu’elles sont isolées de tous les côtés. Elles sont aussi plus performantes par temps couvert et après le coucher du soleil. À la Living Energy Farm, la cuisinière solaire parabolique n’est utilisée que lorsque les conditions sont optimales : quand le soleil brille fort et qu’il fait chaud.

Quels défis techniques ?

Même si la Living Energy Farm met en œuvre toutes ces applications de l’énergie solaire directe, quelques défis techniques subsistent pour ceux qui voudraient faire de même. Presque toutes nos technologies modernes sont conçues pour être utilisées avec une alimentation énergétique stable et continue. Il pourrait en être autrement, mais l’énergie solaire directe nécessite généralement un peu de bricolage. Construire un système solaire direct est bien plus facile que de construire un système autonome avec batteries, mais cela implique souvent des ajustements au niveau des dispositifs.

Certains appareils peuvent être reliés directement à un panneau solaire : il suffit de connecter les bornes positives et négatives du panneau et de l’appareil. Par exemple, les machines à moteurs CC tolèrent d’importantes fluctuations d’alimentation électrique. L’atelier de métallurgie et les machines agricoles de la Living Energy Farm fonctionnent ainsi. Si les nuages bloquent le soleil, la charge électrique combinée peut surpasser la puissance fournie par les panneaux solaires, mais cela n’arrête pas les machines. Tous les moteurs ralentiront puisqu’ils se partageront l’énergie disponible, mais ils continueront néanmoins à fonctionner. ¹⁰ ²²

Les appareils utilisant des éléments à résistance chauffante sont également concernés, par exemple les chaudières, les plaques de cuisson ou les systèmes de chauffage électrique. Ils fonctionnent quelque soit la puissance ou la tension, seule leur vitesse varie. Un réfrigérateur à alimentation solaire directe fonctionne idéalement avec un compresseur à courant continu variable, lequel peut ajuster sa vitesse en fonction des variations de la production d’énergie solaire. ¹⁰ ²³

De nombreux autres appareils requièrent une tension d’entrée précise et stable, ne correspondant généralement pas à celle produite par un panneau solaire. Néanmoins, il est possible de remédier à cet inconvénient en installant un convertisseur DC-DC (convertisseur « buck » ou « boost ») entre le panneau solaire et l’appareil. Il s’agit d’un petit module électronique qui transforme la tension fluctuante du panneau solaire en une tension de sortie constante adaptée à un appareil basse tension (5 V, 12 V ou plus). ²⁴

Image : expériences avec l’énergie solaire directe. Photo : Marie Verdeil.

Si vous ajoutez un onduleur, les appareils fonctionnant sur secteur pourront aussi être alimentés directement par un panneau solaire. ²⁵ Les convertisseurs DC-DC sont donc nécessaires pour tous les appareils qui contiennent des composants électroniques. C’est le cas de nombreux appareils aujourd’hui, notamment ceux qui fonctionnaient jusqu’à récemment sans électronique, comme les lave-linges ou les machines à café. En règle générale, il existe deux façons d’alimenter ces appareils avec de l’énergie solaire directe. Vous pouvez soit installer un convertisseur DC-DC, soit modifier l’appareil en contournant l’électronique.

Manuels de bricolage et appareils commerciaux

La plupart des installations solaires directes opèrent à basse tension, il est donc possible de faire l’installation soi-même en toute sécurité. Low-tech Magazine publiera bientôt un manuel à ce sujet. Toutefois, la Living Energy Farm opte pour le courant continu à tension plus élevée dans plusieurs de ses installations, comme par exemple les machines-outils de l’atelier de métallurgie (90 V) et un certain nombre de fours solaires électriques de grande puissance (48 V, 180 V). Il est peu recommandé de construire ces systèmes soi-même sans l’aide d’un électricien qualifié : ces tensions électriques peuvent entraîner des accidents mortels.

Si vous souhaitez construire vos propres fours solaires électriques (à basse tension), vous trouverez des manuels complets auprès de la Living Energy Farm ou de la Cal Poly. ²⁶ Les appareils peuvent être fabriqués à partir de matériaux simples. Les matériaux d’isolation doivent être ignifuges (par exemple, la laine de roche, la fibre de verre, la laine naturelle ou l’argile).

Différentes technologies peuvent être utilisées pour les éléments chauffants, mais la solution la plus simple consiste à incorporer des fils de nichrome dans le ciment. Ces fils peuvent être récupérés sur divers appareils tels que les grille-pains, les fours ou les plaques de cuisson. En principe, les fils chauffants peuvent être fixés directement à la marmite, cependant il est plus judicieux de confectionner un « nid » chauffé dans lequel la marmite peut être placée.

Image : inspirée par les travaux de la Cal Poly, la Living Energy Farm a aussi développé un certain nombre de fours solaires électriques, dont l’un [est commercialisé sur leur site web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Le four Roxy s’utilise comme plaque chauffante ou comme four, par exemple pour la cuisson du pain. La porte reste fermée même lorsqu’il est utilisé comme plaque chauffante. Ce four solaire ne stocke pas l’énergie.

Image : le four Roxy sans porte avec l’isolation en laine de verre visible. L’appareil, fabriqué dans l’atelier de métallurgie à l’aide de l’énergie solaire directe, fonctionne à 48 V et nécessite un panneau solaire de 200 à 500 watts. La Living Energy Farm commercialise également le réfrigérateur solaire Sunstar [sur leur site web](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

L’énergie solaire directe est-elle source de gaspillage ?

La durabilité d’une installation solaire dépend non seulement de la quantité d’énergie nécessaire à la production et à l’entretien de l’infrastructure, mais également de l’énergie générée par les panneaux solaires au cours de leur durée de vie. Selon certains, les installations solaires directes sont beaucoup moins performantes que les installations conventionnelles raccordées au réseau ou alimentées par des batteries.

En effet, on n’utilise pas quotidiennement son aspirateur, son lave-linge ou sa perceuse, et si aucun appareil électrique n’est branché, un panneau solaire ne produira pas non plus d’électricité. Par conséquent, la quantité d’électricité produite par le panneau diminuera au cours de sa vie, alors que l’énergie nécessaire à la fabrication du panneau restera la même. Ainsi, l’énergie produite par un panneau solaire direct est beaucoup plus polluante en termes d’émissions de carbone.

En revanche, comme le stockage de l’énergie dans des batteries (ou l’alternative connectée au réseau) représente une proportion importante de l’énergie totale investie, un panneau solaire autonome peut dilapider une plus grande quantité d’énergie avant de devenir moins durable que son équivalent avec un stockage dans des batteries ou une connexion au réseau.

De plus, la consommation directe d’énergie solaire empêche les pertes de charge et de décharge causées par les batteries, ou encore les pertes d’énergie au niveau de la structure de transmission pour les systèmes raccordés au réseau. Les deux doivent être compensés par l’installation de panneaux solaires supplémentaires. Parallèlement, les panneaux solaires reliés à des batteries ou au réseau électrique gaspillent également de l’énergie, conséquence de la grande différence de production d’énergie entre l’été et l’hiver.

Maximiser l’énergie solaire directe grâce aux services collectifs

Néanmoins, il est important de maximiser la production d’énergie d’un panneau solaire direct. À ce propos, il convient de revenir un instant sur l’exemple initial du système installé sur mon balcon. L’énergie solaire directe constitue un complément intéressant à ce système, en particulier pour le réfrigérateur et le four. Ces appareils m’ont amené à conclure en 2016 qu’il était impossible de déconnecter complètement mon appartement du réseau.

Cependant, la Living Energy Farm démontre qu’il est bel et bien possible de le faire : il y a en effet de la place pour installer 200 watts supplémentaires de panneaux solaires (4 x 50 W) sur le balcon, soit une puissance suffisante pour alimenter un réfrigérateur et une plaque de cuisson isolés thermiquement. Il ne serait donc pas nécessaire d’augmenter la capacité de la batterie.

En revanche, l’énergie solaire directe n’est pas très utile pour la plupart de mes autres appareils. L’installation d’un panneau solaire supplémentaire pour la machine à laver ou la perceuse électrique n’est pas très utile, étant donné qu’elles ne sont pas utilisées quotidiennement. Ainsi, il semble plus intéressant de mettre en place un réseau électrique « intelligent », afin que plusieurs ménages puissent utiliser la même énergie solaire, en sachant qu’il y a toujours une personne qui a besoin de laver du linge ou de percer un trou.

L’installation d’un tel réseau requiert toutefois une infrastructure importante, et ce malgré l’utilisation de l’énergie solaire directe à une telle échelle. Elle ne nécessiterait pas obligatoirement de batteries ou de combustibles fossiles en guise de secours, mais plutôt la mise en place d’un réseau de transmission et de communication.

Image : un tourne-disque fonctionnant directement à l’énergie solaire. Photo : Marie Verdeil. [Regarder la vidéo](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm offre une solution alternative : l’organisation communautaire des tâches ménagères et du travail. Au lieu de disposer d’un réseau électrique communal répartissant l’énergie entre de nombreux foyers individuels, il est possible de mettre en place des services collectifs à production d’énergie décentralisée.

Grâce à l’atelier communautaire de la Living Energy Farm, l’énergie solaire directe est utilisée de manière beaucoup plus efficace qu’au sein d’un atelier individuel dont l’utilisation n’est qu’occasionnelle. Par exemple, une laverie collective utilisée dans chaque rue permettrait d’utiliser l’énergie solaire directe plus efficacement. De plus, cette solution fait économiser beaucoup d’énergie aux appareils de construction et permet de gagner en espace.

L’énergie éolienne directe ?

Cette stratégie prend tout son sens si l’on opte non pas pour l’énergie solaire directe, mais pour l’énergie éolienne directe, ou pour une combinaison des deux. La Living Energy Farm est située dans une région ensoleillée, mais la même approche conviendrait également aux régions venteuses.

Il existe toutefois une différence significative entre l’énergie solaire et l’énergie éolienne. Le rendement d’un panneau solaire ne dépend pas de sa taille. L’énergie solaire est donc idéale pour la production d’énergie décentralisée. En revanche, le rendement d’une éolienne augmente plus que proportionnellement à la hausse du diamètre du rotor. Par conséquent, il est plus intéressant de posséder une seule grande éolienne pour une communauté de ménages, par exemple pour alimenter une laverie ou un atelier collectif, qu’une éolienne par ménage.

La durée de vie d’une batterie plomb-acide dépend de nombreux facteurs. Elle peut être inférieure à trois ans si la décharge est trop importante ou si la batterie n’est pas entièrement rechargée régulièrement. En revanche, une batterie au plomb peu ou pas utilisée peut durer bien plus de cinq ans. Pourtant, la documentation académique mentionne une durée de vie de trois à cinq ans, qui correspond à l’expérience que j’ai eue avec celles que j’utilise depuis 2016. Voir par exemple « Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage» , A. Celik, dans « Progress in Photovoltaics : Research and Applications », 2008. & « Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects », E.A. Alsema, dans « Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion », juillet 1998. ↩︎
La fabrication d’une batterie au plomb ( à partir de matériaux majoritairement recyclés) utilise environ 1 MJ d’énergie par wattheure de capacité de stockage. Ma batterie de 100 ampères-heure possède une capacité de stockage équivalente à 1 200 wattheures, soit une énergie intégrée de 1 200 MJ. Sur une durée de vie de 30 ans, il me faudra au mieux six de ces batteries, soit 7 200 MJ au total. Source : « Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements) » et « Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies) » (PDF). Energy conversion and management 46, 2005 (2015) : ↩︎
Peu de travaux de recherche ont été réalisés sur l’énergie intégrée des contrôleurs de charge. Les informations les plus pertinentes dont je dispose font état d’une valeur de 1 MJ par watt de puissance maximale : Kim, Bunthern, et al. « Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries. ». Journal of cleaner production 208 (2019) : 1459-1468. Pour une capacité de 120 W (mon régulateur de charge possède une capacité maximale de 10 A x 12 V = 120 W), cela revient à 120 MJ. Quant à la durée de vie, j’ai trouvé des estimations de 7 et 12,5 ans : même référence que ci-dessus, ainsi que : Kim, Bunthern, et al. « Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment ». IECON 2016 - 42^e conférence annuelle de la IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. J’ai donc effectué le calcul fondé sur une durée de vie estimée à 10 ans. ↩︎
Nawaz, I., et G. N. Tiwari. « Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level ». Energy Policy 34.17 (2006) : p. 3144-3152. Selon cette source fréquemment citée, il faut 3500 MJ pour produire 1 m² de panneau solaire. Mes deux panneaux solaires combinés mesurent 0,65 m², pour un coût énergétique total de 2275 MJ. Une revue littéraire plus récente évalue le coût énergétique de la production de différents types de panneaux solaires entre 1034 et 5150 MJ/m². Les dernières études sur les panneaux solaires en silicium, présentées dans cet article, estiment leur coût à environ 1000 MJ/m², un chiffre bien plus bas que celui que je mentionne. Voir : Ludin, Norasikin Ahmad, et al. « Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review ». Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018) : p. 11-28. ↩︎
Les batteries en lithium-ion sont bien plus onéreuses que celles au plomb-acide, mais elles possèdent une plus grande capacité de déchargement (jusqu’à 15 % de leur capacité totale) et une plus longue durée de vie (entre 7 et 10 ans). Par conséquent, la taille et la quantité des batteries nécessaires sont réduites. En prenant en compte ces facteurs, le coût à vie d’une batterie en lithium est de 750 € contre 1020 € pour une au plomb. En contrepartie, les batteries en lithium-ion ont besoin d’un contrôleur de charge plus sophistiqué et onéreux. Selon sa qualité, un chargeur de 10 A coûte entre 200 et 600 €. En supposant qu’un contrôleur de charge coûte 400 € et dure 10 ans tout comme la batterie, le stockage de la batterie représente 95 % du coût à vie (2070 € au total, bien plus que le coût total d’une installation avec des batteries au plomb-acide). Sources : https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Bien que la production des batteries en lithium-ion consomme plus d’énergie que celle des batteries au plomb-acide (entre 1,4 et 1,9 MJ/Wh contre 1 MJ/Wh), elle est contrebalancée par une durée de vie plus longue et une plus grande capacité de charge. Sur une durée de vie de 30 ans, le coût énergétique des batteries en lithium-ion est d’environ 3000 MJ, bien inférieur à celui des batteries au plomb-acide. En revanche, son contrôleur de charge contient davantage de pièces électroniques complexes. Malheureusement, aucune donnée n’est disponible sur le coût énergétique d’un tel contrôleur de charge. Il n’existe donc pas d’autre solution que d’estimer le coût énergétique par rapport au coût financier, qui s’avère être quatre à douze fois plus élevé qu’un contrôleur de charge pour une batterie au plomb-acide. En supposant que le coût soit quatre fois supérieur, l’énergie grise du contrôleur de charge monte jusqu’à 480 MJ, ou 1440 MJ sur une période de 30 ans. Le coût énergétique total pour ce système est de 6685 MJ, dont 70 % sont consacrés au stockage de la batterie, une valeur inférieure à celle des batteries au plomb-acide. ↩︎
Les batteries en nickel-fer, plus lourdes et imposantes que celles au plomb-acide, nécessitent une maintenance régulière, mais peuvent se décharger entièrement et ont une très longue durée de vie (20 ans). De plus, elles sont compatibles avec les contrôleurs de charge des batteries au plomb-acide. Sur une période de 30 ans, ces batteries coûtent 750 € au total, soit un coût inférieur à six batteries au plomb-acide de même capacité. Une batterie en nickel-fer, accompagnée de panneaux solaires de 100 W, coûte 1020 €, dont 85 % sont dédiés au stockage d’énergie. Malheureusement, il est difficile de se procurer des batteries en nickel-fer, notamment les petits modèles. Sources : https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
En réalité, le prix des panneaux solaires dans une plus grande installation serait comparativement plus bas, car les panneaux solaires de petite taille (comme les 50 W) sont proportionnellement plus onéreux à chaque watt de capacité, par rapport aux panneaux solaires de taille traditionnelle (à partir de 250 W). Une logique plus ou moins similaire s’applique au coût énergétique. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fondateur de la Living Energy Farm, a écrit un livre à propos de ce projet, entièrement disponible en ligne : Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. La version papier peut également être commandée. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Puisque l’énergie solaire directe ne nécessite pas de contrôleur de charge pour chaque système distinct, diviser une installation solaire n’implique pas de coûts supplémentaires ni de surconsommation d’énergie. ↩︎
Des recherches démontrent que doubler l’épaisseur de l’isolation de 2,5 cm (standard) à 5 cm réduit la consommation d’électricité annuelle d’un réfrigérateur (capacité de 50 L) de 250 à 125 kilowattheures. [^13] Pour une épaisseur d’isolation entre 10 et 12,5 cm, la consommation d’électricité est encore divisée par deux et atteint les 60 kilowattheures par an. Une isolation plus épaisse n’entraîne qu’une baisse minime de la consommation d’électricité et n’est donc plus une solution intéressante, car elle impliquerait une hausse du coût et de la taille du réfrigérateur. Cette étude prend comme exemple un réfrigérateur solaire à courant alternatif qui fonctionne grâce à un onduleur et une batterie. Il est moins écoénergétique qu’un réfrigérateur solaire direct. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, et Jyotirmay Mathur. « Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator ». Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014) : p. 55-67. ↩︎
Cette inertie thermique peut simplement être un récipient d’eau placé à l’intérieur du réfrigérateur, ou des bouteilles d’eau de consommation. Toutefois, l’eau peut également être stockée dans des réservoirs installés le long de l’équipement, derrière une paroi qui les maintient en place et les dissimule. L’eau a une plus haute densité de stockage de la chaleur que l’air, et stabilise donc la température plus longtemps. ↩︎
Ewert, M., et al. « Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results ». Compte-rendu de la conférence sur l’énergie solaire. American Solar Energy Society ; American Institute of Architects, 2002. ↩︎
Cet avantage s’applique uniquement si le réfrigérateur est installé dans une pièce non chauffée. L’installer dans une cuisine chauffée alors que la température hivernale extérieure est égale ou inférieure à celle à l’intérieur du réfrigérateur est évidemment du gaspillage. Ce n’est pas non plus un avantage dans les pays tropicaux, où les températures sont élevées toute l’année. ↩︎
L’utilisation d’énergie solaire directe comme source de climatisation n’a pas été soumise à une analyse aussi approfondie que les réfrigérateurs domestiques. Voir : Luerssen, Christoph, et al. « Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications ». Applied energy 273 (2020) : p. 115-145. De plus, les chances de réaliser des économies d’énergie aussi importantes sont minces. Un réfrigérateur est toujours isolé, contrairement à une pièce ou un bâtiment climatisé où ce n’est pas toujours le cas. En outre, un réfrigérateur est placé dans une pièce où la température est stable. Un bâtiment est sujet à des fluctuations de températures importantes, et peut également être chauffé grâce au rayonnement solaire direct. La climatisation solaire directe est donc bien plus compliquée. Voir : Qi, Ronghui, Lin Lu, et Yu Huang. « Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions ». Energy conversion and management 106 (2015) : p. 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Voir également ce PowerPoint du même auteur. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Voir également cette vidéo. ↩︎
Voir : Ferreira, Carlos Infante, et Dong-Seon Kim. « Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data ». International Journal of Refrigeration 39 (2014) : p. 23-37. ///// Riffat, James, et al. « Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations ». International Journal of Refrigeration 19.10 (2022) : p. 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. « Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage ». Building and Environment 206 (2021) : p. 108-324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. « Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview ». Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022) : p. 7911-7944. ↩︎
Faute de recherche, il n’est pas certain que cela s’applique également à la consommation d’énergie grise. ↩︎
Dans les deux cas, il est cependant nécessaire de contourner l’interrupteur de l’appareil, car l’électricité en courant continu produit davantage de chaleur que celle en courant alternatif. Un interrupteur externe approprié peut s’avérer utile, mais le mécanisme de sûreté de l’appareil est alors contourné, représentant un risque évident. [^10] Là encore, ce problème pourrait être évité, car il est techniquement possible de fabriquer des appareils adaptés à l’énergie solaire directe. ↩︎
Un compresseur à vitesse fixe peut utiliser seulement 50 % de l’énergie solaire utile produite, alors qu’un compresseur à vitesse variable en utilise 75 %. [^15] Un condensateur est alors nécessaire pour aider le compresseur lors de la phase de démarrage. ↩︎
À la place d’un convertisseur DC-DC, vous pouvez installer une petite « batterie tampon » ainsi qu’un contrôleur de charge qui assure une tension de sortie stable. De plus, cette petite batterie peut fournir un stockage d’énergie limité, particulièrement utile pour faire face à des pics de consommation d’énergie passagers. Par exemple, certains appareils provoquent un pic de consommation lorsqu’ils sont en charge. La batterie tampon présente toutefois des inconvénients, comme son coût, une hausse de l’énergie grise, ou des défaillances au niveau des composants. Un condensateur est une technologie alternative pour absorber les pics d’énergie. ↩︎
Néanmoins, utiliser des appareils en courant continu basse tension est bien plus écoénergétique, puisque les panneaux solaires produisent également un courant continu basse tension : https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Video presentation manual solar electric cookers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Explication vidéo de la fabrication de fils chauffants. Stockage de la chaleur thermique : Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Voir également cette vidéo. ↩︎

Garder certaines lumières allumées: redéfinir la sécurité énergétique

Sun, 09 Dec 2018 00:00:00 +0000

Maintenir un approvisionnement constant de quelque chose de fini est impossible. Image: [Camilla MP](https://www.flickr.com/photos/dieknochenblume/8454004839/in/photolist-nJrNa3-z9St6d-vicpX8-bjNYMa-CNWajb-PKUbFu-8TqWZX-qzaoch-r3Gb3J-28jYUV3-p3gMD1-snwVj-2chyArN-4ehCVH-cWuLz-dT3Z78-pnFKK9-5qGDSP-hxU2d7-24uoKVs-f7CoCe-93ZqZQ-jPMVaK-T4yoN-4HiX59-97Kq68-23hFdSw-jE59uD-9aFpr7-68DbEo-NvymKZ-335BtT-8RtT65-a6Jut4-nt2zNy-qrkSGP-HPM9ee-bcdyA2-5Fy731-FGSpvq-eqKSpH-8jGFmq-qcFSw4-6USSog-dJEYby-jk3JQ2-7BMzWV-jetX2F-hLnHJy-5SHzAW).

Quand une société devient plus dépendante des sources d’énergie pour son fonctionnement quotidien, sa vulnérabilité grandit si son approvisionnement en énergie est interrompu. Ce fait évident est ignoré dans les stratégies de sécurité énergétique actuelles, les rendant contreproductives.

Qu’est-ce que la sécurité énergétique ?

Que signifie la « sécurité énergétique » pour une société ? Bien qu’il existe plus de quarante définitions différentes du concept, elles partagent toutes l’idée fondamentale que l’approvisionnement énergétique doit toujours répondre à la demande d’énergie. Cela implique aussi un approvisionnement énergétique constant : il ne peut y avoir d’interruption de service. ¹ ² ³ ⁴ Par exemple, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) définit la sécurité énergétique comme « la disponibilité ininterrompue de sources d’énergie à un prix abordable », le département américain de l’énergie et du changement climatique (DECC) comme l’assurance que « les risques d’interruption de l’approvisionnement énergétique soient faibles » et l’UE comme « un approvisionnement énergétique stable et abondant ». ⁵ ⁶ ⁷

Historiquement, la sécurité énergétique été assurée par l’accès aux forêts ou aux tourbières pour l’énergie thermique et aux sources d’énergie humaine, animale, éolienne ou hydraulique pour l’énergie mécanique. Avec l’arrivée de la Révolution Industrielle, elle est devenue dépendante de l’approvisionnement en combustibles fossiles. En tant que concept théorique, la sécurité énergétique est étroitement liée aux crises pétrolières des années 1970, lorsque les embargos et les manipulations des prix ont limité l’approvisionnement des pays occidentaux en pétrole. Ainsi, la plupart des sociétés industrialisées stockent aujourd’hui encore des réserves de pétrole équivalentes à plusieurs mois de consommation.

Bien que le pétrole soit toujours aussi vital pour les économies industrielles que dans les années 1970, principalement en ce qui concerne les transports et l’agriculture, il est désormais reconnu que la sécurité énergétique dans les sociétés modernes dépend également d’autres infrastructures, comme celles qui fournissent du gaz, de l’électricité, et même des données. En outre, ces infrastructures s’interconnectent et dépendent de plus en plus les unes des autres. Par exemple, le gaz naturel est un combustible majeur pour la production d’électricité, tandis qu’en parallèle les gazoducs fonctionnent grâce au réseau électrique. Les réseaux électriques sont nécessaires pour faire fonctionner les réseaux de données et ceux-ci sont nécessaires pour faire fonctionner les réseaux électriques.

Les réseaux électriques sont nécessaires pour faire fonctionner les réseaux de données et ceux-ci sont nécessaires pour faire fonctionner les réseaux électriques.

Cet article explore le concept de sécurité énergétique en se concentrant sur le réseau électrique, qui est devenu tout aussi vital que le pétrole pour les sociétés industrielles. De plus, l’électrification est considérée comme un moyen de réduire la dépendance aux combustibles fossiles, à l’instar des véhicules électriques, pompes à chaleur et autres éoliennes.

La « sécurité » ou la « fiabilité » d’un réseau électrique peut être mesurée avec précision par des indicateurs de continuité tels que la «probabilité de perte de charge» (Loss-of-Load Probability, LOLP) et l’ « Indice de Durée Moyenne d’interruption du Système » ((en) System Average Interruption Duration Index, SAIDI). Ces indicateurs nous montrent que les réseaux électriques dans les sociétés industrielles sont indéniablement très fiables. Par exemple, en Allemagne, l’électricité est disponible 99,996 % du temps, ce qui correspond à une interruption de service de moins d’une demi-heure par client et par an. ⁸ Même les pays les moins performants d’Europe (Lettonie, Pologne, Lituanie) connaissent des pénuries d’approvisionnement de seulement huit heures par client et par an, ce qui correspond à une fiabilité de 99,90 %. ⁸ Le réseau électrique américain se situe entre ces deux valeurs, avec des interruptions d’alimentation de moins de quatre heures par client et par an (99,96 % de fiabilité). ⁹

Un réseau électrique renouvelable est-il sûr ?

Dans le fonctionnement actuel des infrastructures, la règle est que les consommateurs peuvent et doivent avoir accès à autant d’électricité, de gaz, de pétrole, de données ou d’eau qu’ils le veulent, quand ils le veulent, aussi longtemps qu’ils le veulent. La seule exigence est qu’ils paient leur facture. En ce qui concerne l’électricité, cette vision de la sécurité énergétique est assez problématique, pour plusieurs raisons. Tout d’abord, la plupart des sources d’énergie à partir desquelles l’électricité est produite sont finies et maintenir un approvisionnement régulier de quelque chose qui est épuisable est bien-sûr impossible. À long terme, cette stratégie garantissant la sécurité énergétique est très certainement vouée à l’échec. À plus court terme, cela peut perturber le climat et provoquer des conflits armés.

L’Agence internationale de l’énergie (AIE, ou IEA pour International Energy Agency), créée à la suite de la première crise pétrolière du début des années 1970, encourage l’utilisation de sources d’énergies renouvelables afin de diversifier l’approvisionnement énergétique et d’améliorer la sécurité énergétique à long terme. Un système d’énergie renouvelable n’est pas tributaire des importations énergétiques étrangères ni vulnérable aux manipulations des prix des carburants, qui sont les principales préoccupations d’une politique énergétique largement basée sur les combustibles fossiles. Bien sûr, les panneaux solaires et les éoliennes ont une durée de vie limitée et doivent être fabriqués, ce qui nécessite également des ressources qui pourraient provenir de l’étranger, ou qui pourraient s’épuiser. Mais, une fois installés, les systèmes d’énergie renouvelable sont « sécurisés » d’une manière bien meilleure et pendant un temps bien plus long que les combustibles fossiles (ou l’énergie nucléaire).

Les sources d’énergie renouvelables posent des défis fondamentaux à la compréhension actuelle de la sécurité énergétique

En outre, les énergies solaire et éolienne offrent plus de sécurité en cas de défaillance physique ou de sabotage, d’autant plus lorsque la production d’énergie renouvelable est décentralisée. Les centrales électriques renouvelables ont également des émissions de CO2 plus faibles, les événements météorologiques extrêmes dus au changement climatique étant également un risque pour la sécurité énergétique. Cependant, malgré tous ces avantages, les sources d’énergie renouvelables posent des défis fondamentaux à la compréhension actuelle de la sécurité énergétique. En premier lieu, celles ayant le plus grand potentiel - le soleil et le vent - ne sont disponibles que de manière intermittente, en fonction de la météo et des saisons. Cela signifie que les énergies solaire et éolienne ne remplissent pas le critère essentiel présent dans toutes les définitions de sécurité énergétique : la nécessité d’une alimentation électrique ininterrompue, et illimitée.

Image: [Eduard Bezembinder](https://www.flickr.com/photos/bezembinder/3560945758/in/photolist-6qEM7w-7urQui-iSeKZ-8VjqeD-dUgKQ-e4ybCy-eke2Zk-ekeCdc-eke4NV-qBE1z-6Dfw5n-68EJKh-ekk6Rs-qBE2V-NqkS-oWp8Du-psYQc1-pCDop-5JSFFH-9fr321-oguPbE-6pZ6MT-dZ9YLx-vhpHJb-3oeLdu-69J2h1-7hatWp-d26CpQ-27dVzAC-5BEpZz-sUBfz-7B8zeq-HkygG-bHhG5R-2UoYjD-bRCZnx-o1e2oL-4LcBmy-69vhwD-ekz9ec-bLqreV-5jtvAp-2GUCLK-GpCny7-s36gn-dy6aBU-8moRHP-8rrRxd-5BJJyC-8KdmGR).

La fiabilité d’un réseau électrique avec une part élevée d’énergies solaire et éolienne serait nettement inférieure aux normes de continuité de service actuelles. ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ Dans un tel réseau électrique renouvelable, une alimentation 24h/24 7j/7 ne peut être maintenue qu’à des coûts très élevés, car elle nécessite une infrastructure complète de stockage énergétique, de transmission électrique, et de production excédentaire. Cette infrastructure supplémentaire risque de rendre un réseau électrique renouvelable non durable : au-delà d’un certain seuil, l’énergie fossile utilisée pour construire, installer et entretenir cette infrastructure devient supérieure à celle économisée par l’utilisation des éoliennes et panneaux solaires.

Les sources d’énergie renouvelables comme le vent et le soleil présentent des avantages non pris en compte dans les définitions actuelles de la sécurité énergétique.

L’intermittence n’est pas le seul inconvénient des sources d’énergie renouvelables. Bien que de nombreux médias et organisations environnementales présentent les énergies solaire et éolienne comme des sources abondantes (« Le soleil fournit plus d’énergie à la Terre en une heure que le monde n’en consomme en un an »), la réalité est plus complexe. L’offre « brute » d’énergie solaire (et éolienne) est en effet gigantesque. Cependant, pour convertir cet approvisionnement énergétique en une forme utile, les panneaux solaires et les éoliennes nécessitent en espace et en matériaux une quantité supérieure de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux centrales thermiques - même en incluant l’exploitation et la distribution de combustibles - en raison de leur très faible densité de puissance. ¹⁵ Par conséquent, un réseau électrique renouvelable ne peut garantir aux consommateurs un accès à autant d’électricité qu’ils le souhaitent, même sous des conditions météorologiques optimales.

Un système d’alimentation électrique hors-réseau est-il sûr ?

Les politiques énergétiques actuelles liées à l’électricité tentent de concilier trois objectifs : une alimentation en électricité ininterrompue et illimitée, à prix abordable et environnementalement durable. Un réseau électrique principalement basé sur des combustibles fossiles et du nucléaire ne peut atteindre l’objectif de durabilité environnementale et il est tributaire de ses fournisseurs étrangers pour l’approvisionnement et l’augmentation des prix de l’énergie (ou même l’épuisement des réserves mondiales) pour atteindre les autres objectifs.

Cependant un réseau électrique renouvelable ne peut pas non plus, de son côté, concilier ces trois objectifs. Pour obtenir une alimentation électrique illimitée 24h/24 et 7j/7, l’infrastructure doit être surdimensionnée, ce qui la rend coûteuse et non durable. Sans cette infrastructure, un réseau électrique renouvelable pourrait être abordable et durable, mais elle ne pourrait jamais offrir une alimentation électrique illimitée 24h/24 7j/7. Par conséquent, si nous voulons une infrastructure électrique peu cher et durable, nous devons redéfinir le concept de sécurité énergétique, et remettre en question le critère d’alimentation électrique illimitée et ininterrompue.

En regardant au-delà des grandes infrastructures centralisées, typiques des sociétés industrielles, on voit clairement que les systèmes d’approvisionnement ne fournissent pas tous des ressources de façon illimitée. La micro-génération hors-réseau (off-grid) – la production locale et le stockage local d’électricité à l’aide de batteries et de panneaux photovoltaïques ou d’éoliennes – illustre bien ceci. En principe, les systèmes hors-réseau peuvent être dimensionnés pour être « toujours allumés ». Cela peut être réalisé en suivant la « méthode du pire mois », qui surdimensionne la capacité de production et de stockage afin que l’offre puisse répondre à la demande même pendant les jours les plus courts et les moins ensoleillés de l’année.

L’adaptation sans interruption de l’offre à la demande rend un système hors-réseau très coûteux et non durable, en particulier dans des climats à forte saisonnalité

Cependant, comme dans le cas irréaliste d’un réseau électrique renouvelable à grande échelle, l’adaptation sans interruption de l’offre à la demande rend un système hors-réseau très coûteux et non durable, en particulier dans des climats à forte saisonnalité. ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ Par conséquent, la plupart des systèmes hors-réseau sont dimensionnés selon une méthode qui vise un compromis entre fiabilité, coût économique et durabilité. La « méthode de dimensionnement par probabilité de perte de charge » spécifie un nombre de jours par an pendant lesquels l’offre ne correspond plus à la demande. ¹⁹ ²⁰ ²¹ Autrement dit, le système est dimensionné non seulement en fonction d’une projection de la demande d’énergie, mais également en fonction du budget disponible et/ou de l’espace disponible.

Image: [Stephen Yang / The Solutions Project](https://www.flickr.com/photos/149368236@N06/33068752693/in/photolist-Sob15v-bBnpyx-keyKG-cuaVX3-nuP1zk-U2eVh7-cuaWEf-pskKMf-cuaswE-p27cJW-cu9SQu-cuaMky-mCLFCt-ajiCfB-4AFrsp-943usV-TyoqrN-pu9HK-erKVcJ-aYHgDT-7zrUXc-tQv77b-6xot6g-baF4gg-Xjymka-qHgAkg-ii2jys-9eD7tj-9fJDFi-Ge2Mn-guUowg-amvdKB-cvDZ15-79wfLn-c6XjSS-ddFjjF-9KYuQV-8Zp8z6-guV3wK-9P1nHp-q5c2cz-9RCRVu-cD8w4d-9YDNzC-7ehy1e-4obYkG-8tkNMS-cvDZru-4obYtN-23Aqhr).

Le dimensionnement d’un système électrique hors-réseau de cette manière génère des réductions de coûts significatives, même si la « fiabilité » est quelque peu diminuée. Par exemple, un calcul pour une maison hors-réseau en Espagne montre que les coûts sont réduits de 60 % en diminuant la fiabilité de 99,75 % à 99,00 %, avec des avantages similaires pour la durabilité. L’approvisionnement serait interrompu pendant 87,6 heures par an, contre 22 heures pour un système à fiabilité plus élevée. ¹⁶

Considérant la définition communément admise de la sécurité énergétique, les systèmes électriques hors-réseau dimensionnés de cette manière seraient un échec : l’approvisionnement en énergie ne répond pas toujours à la demande. Cependant, les « hors-réseau » (off-griders) ne semblent pas se plaindre d’un manque de sécurité énergétique, bien au contraire. Et pour une raison simple : ils adaptent leurs besoins en énergie à une alimentation électrique limitée et intermittente.

Dans leur livre de 2015 « Hors-réseau : reconstituer la vie domestique » (Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life), Phillip Vannini et Jonathan Taggart documentent leurs voyages à travers le Canada pour interroger une centaine de foyers hors réseau. ²² Ils constatent que, significativement, les « hors-réseau » volontaires utilisent globalement moins d’électricité et adaptent régulièrement leur besoin en énergie aux conditions météorologiques et aux saisons.

Les « hors-réseau » volontaires utilisent globalement moins d’électricité et adaptent régulièrement leur besoin en énergie aux conditions météorologiques et aux saisons.

Par exemple, ils n’utilisent pas du tout de machines à laver, d’aspirateurs, d’outils électriques, de grille-pain, ni de consoles de jeux-vidéo, ou alors uniquement en périodes d’énergie abondante, lorsque leurs batteries ne peuvent plus recevoir de charge supplémentaire. Si le ciel est couvert, les « hors-réseau » agissent différemment pour consommer moins d’énergie et en avoir encore plus pour le lendemain. Vannini et Taggart observent également que ces hors-réseau volontaires semblent être parfaitement satisfaits de niveaux d’éclairage ou de chauffage bien différents des habitudes que beaucoup dans le monde occidental considèrent comme normales. Cela se traduit en général par une concentration des activités autour de sources de chaleur et de lumière plus localisées. ²²

Des observations similaires peuvent être faites dans des endroits où les gens dépendent - involontairement - d’infrastructures qui ne sont pas toujours disponibles. Si des réseaux centralisés d’eau, d’électricité et de données sont bien présents dans les pays les moins industrialisés, ils sont tout de même souvent caractérisés par des interruptions régulières (et irrégulières) de l’approvisionnement. ²³ ²⁴ ²⁵ Cependant, bien que ces infrastructures soient très peu fiables - selon les indicateurs standards - la vie continue. Les routines quotidiennes des ménages s’articulent autour des perturbations des systèmes d’approvisionnement, qui sont considérées comme normales et faisant partie intégrante de la vie. Par exemple, si l’électricité, l’eau ou Internet ne sont disponibles qu’à certaines heures de la journée, les tâches ménagères ou autres activités sont planifiées en conséquence. Les gens consomment également moins d’énergie dans l’ensemble, l’infrastructure ne permettant tout simplement pas un mode de vie gourmand en ressources. ²³

Plus fiable, mais moins sûr ?

La très grande « fiabilité » des réseaux électriques dans les sociétés industrielles se justifie par le calcul de la « valeur de perte de charge » (value of lost load, VOLL), où la perte financière due aux coupures d’électricité est comparée aux coûts d’investissement supplémentaires nécessaires pour éviter ces pénuries. ¹ ¹⁰ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹ Cependant, la valeur de perte de charge dépend fortement de l’organisation de la société. Plus elle est dépendante de l’électricité, plus les pertes financières dues aux coupures de courant seront élevées.

Les définitions actuelles de la sécurité énergétique considèrent que l’offre et la demande ne sont pas liées, et se concentrent presque entièrement sur la sécurisation de l’approvisionnement énergétique. Cependant, des formes alternatives d’infrastructures électriques comme celles décrites ci-dessus montrent que les gens s’adaptent et font correspondre leurs attentes à une alimentation électrique limitée et pas toujours disponible. En d’autres termes la sécurité énergétique peut être améliorée, non seulement en augmentant la fiabilité, mais également en réduisant la dépendance à l’énergie.

Image: Terminal de stockage de gaz naturel. [Jason Woodhead](https://www.flickr.com/photos/woodhead/7150825737/in/photolist-bTTRmV-85JomL-jysSQn-fw7gTZ-5Jkm2T-eDueWy-ohYc4x-fFxZCm-eD8VG8-eDfhqy-8pCnxZ-qPTdqx-22WNtVf-fFybmb-fFxRVG-fFyhCf-mGNU1p-24mDPG2-8efS2s-fFguSX-nN4pMi-fFgpjT-6br69i-hVGdgU-9DSQQ5-cDwVt-EqVP-dp7vJX-fwmwQh-oHAfHH-fFy6QS-fFgvS8-aaCofJ-fFxW5L-agEkAL-eDfonE-fFgrrn-eD9m9a-PLLffy-fFggcX-fFgka6-nRdzs-fFgwFH-88JrU8-nN4epz-2atchc9-nN523B-24mDNL4-2atciAb-GFzRM).

La demande et l’offre sont également interdépendantes et s’influencent mutuellement dans les réseaux électriques fonctionnant 24h/24 7j/7, mais avec un effet inversé. Tout comme les infrastructures électriques « peu fiables » hors-réseau favorisent des modes de vie moins dépendants à l’électricité, les infrastructures «fiables» favorisent des modes de vie en dépendant de plus en plus.

Les sociétés industrielles dotées de réseaux électriques « fiables » sont les plus faibles et les plus fragiles face aux interruptions d’alimentation

Dans leur livre de 2018 « Infrastructures et pratiques: la dynamique de la demande dans les sociétés en réseau » (“Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies"), Olivier Coutard et Elizabeth Shove soutiennent qu’une alimentation électrique illimitée et ininterrompue a permis aux gens des sociétés industrielles d’adopter une multitude de technologies dépendantes de l’énergie - telles que les machines à laver, les climatiseurs, les réfrigérateurs, les portes automatiques, ou un accès Internet mobile 24h/24 et 7j/7 - qui deviennent «normales» et primordiales dans la vie de tous les jours. En parallèle, d’autres façons de faire - comme laver les vêtements à la main, stocker des aliments sans électricité, garder un air frais sans climatisation, ou se déplacer et communiquer sans téléphone portable – ont disparu ou sont sur le point de l’être. ³⁰

Par conséquent la sécurité énergétique est en fait plus élevée dans les systèmes électriques hors-réseau et les infrastructures électriques centrales « peu fiables », tandis que les sociétés industrielles sont les plus fragiles et vulnérables face aux coupures de courant. Une alimentation électrique illimitée et ininterrompue - généralement considérée comme un indicateur de bonne sécurité énergétique - rend en fait les sociétés industrielles de plus en plus vulnérables aux interruptions d’alimentation : les gens manquent toujours plus de compétences et de technologies pour fonctionner sans alimentation électrique continue.

Redéfinir la sécurité énergétique

Pour parvenir à une définition plus précise de la sécurité énergétique, le concept doit être défini, non pas en termes de produits tels que les kilowattheures (kWh) d’électricité, mais en termes de services énergétiques, de pratiques sociales, ou de besoins de base. ¹ Les gens n’ont pas besoin de l’électricité en elle-même. Ce dont ils ont besoin c’est de stocker leur nourriture, de laver leurs vêtements, d’ouvrir et de fermer les portes, de communiquer entre eux, de se déplacer d’un endroit à l’autre, de voir dans l’obscurité, etc. Toutes ces choses peuvent être réalisées avec ou sans électricité, et dans le premier cas, avec plus ou moins d’électricité.

Avec cette définition, la sécurité énergétique ne consiste pas seulement à sécuriser l’approvisionnement en électricité, mais aussi à améliorer la résilience de la société, afin qu’elle devienne moins dépendante d’un approvisionnement continu en courant. Cela comprend la résilience des personnes (ont-elles les compétences pour faire les choses sans électricité ?), la résilience des appareils et systèmes technologiques (peuvent-ils supporter une alimentation électrique intermittente ?), et la résilience des institutions (est-il légal d’exploiter un réseau électrique qui ne serait pas toujours allumé ?). Selon la résilience de la société, une interruption de l’alimentation électrique peut ou non entraîner une interruption des services énergétiques ou des activités sociales.

Par exemple, bien que notre système de distribution alimentaire dépende d’une chaîne du froid fonctionnant sous-alimentation électrique continue, il existe d’autres alternatives. Nous pourrions adapter les réfrigérateurs à une alimentation électrique irrégulière en les isolant beaucoup mieux, réintroduire des caves froides (qui gardent les aliments frais sans électricité), ou réapprendre des méthodes plus anciennes de stockage des aliments, comme la fermentation. Nous pourrions également améliorer les compétences de chacun en matière de cuisine fraîche, passer à des régimes alimentaires à base d’ingrédients qui n’ont pas besoin de se conserver dans un frigo et encourager des achats quotidiens et locaux plutôt que des virées hebdomadaires dans les grands supermarchés.

Pour améliorer la sécurité énergétique, nous devons rendre les infrastructures moins fiables.

Si nous envisageons la sécurité énergétique d’une manière plus globale, en tenant compte à la fois de l’offre et de la demande, il devient rapidement évident que la sécurité énergétique dans les sociétés industrielles ne cesse de se détériorer. Nous déléguons de plus en plus de tâches aux machines, ordinateurs et grandes infrastructures, augmentant ainsi notre dépendance à l’électricité. En outre, Internet devient tout aussi essentiel que le réseau électrique, et les tendances telles que l’informatique dématérialisée (cloud computing), l’Internet des objets (IdO, ou IoT : Internet of Things) et les voitures autonomes reposent toutes sur plusieurs couches d’infrastructures interconnectées en fonctionnement continu.

Image: Une ligne électrique abandonnée. [Miura Paulison](https://www.flickr.com/photos/paulisson_miura/10318768955/in/photolist-gHQovz-kCLi9r-82pqq6-f4539G-6i3Aih-5m5G9b-6RkZvr-6V6k85-2b9wdNP-4DvxJx-WfvmJT-5CGLgF-5C1ojh-eANWrM-kjDG4Z-9QKWz-DnnTH9-ntvKWL-82sxbf-UssMS3-deJRBD-d6qh1S-5C1ooU-tkcYLj-MpbqCB-84zF9u-5CM5d7-5CM51J-82ppX6-a1H2sr-Rd9o59-a1LEed-6W3He9-VCD56X-bg3vgT-5BW5CT-82sxDb-2b1hTxi-6hpZ1g-8d19tj-qm9Cy-cgpx3-gszM15-eANtbt-MpbCWK-98h2dj-7HyrGe-5md8aD-d9fLdq-2cyGoSv).

Parce que l’offre et la demande s’influencent mutuellement, nous arrivons à une conclusion contre-intuitive : pour améliorer la sécurité énergétique, nous devons rendre le réseau électrique moins fiable. Cela encouragerait la résilience et la substitution, et rendrait ainsi les sociétés industrielles moins vulnérables aux interruptions d’approvisionnement. Coutard et Shove soutiennent qu’ « il serait logique d’accorder plus d’attention aux opportunités d’innovation qui se présentent lorsque les grands systèmes en réseau sont affaiblis et abandonnés, ou lorsqu’ils deviennent moins fiables ». Ils ajoutent que les expériences des « hors-réseau » volontaires « donnent un aperçu des types de configuration en jeu ». ³⁰

Argumenter pour une alimentation électrique moins fiable sera assurément sujet à controverse. En fait, l’expression « garder les lumières allumées » est souvent utilisée pour justifier des réformes énergétiques, comme la construction de plus de centrales nucléaires ou leur maintien en activité au-delà de leur durée de vie prévue. Pour atteindre une réelle sécurité énergétique, « garder les lumières allumées » devrait être remplacé par des phrases comme « garder certaines lumières allumées », « quelles lumières devrions-nous éteindre ensuite ? », ou « pourquoi pas un peu plus d’obscurité ? ». ³¹ De toute évidence, un approvisionnement énergétique moins fiable apporterait des changements fondamentaux dans les habitudes et les technologies, que ce soit dans les ménages, les usines, les systèmes de transport ou les réseaux de télécommunication - mais c’est justement l’idée. Les modes de vie actuels dans les sociétés industrielles ne sont tout simplement pas durables.

Article initialement écrit pour le UK Demand Centre.

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Stockage d’énergie par air comprimé hors-réseau

Wed, 16 May 2018 00:00:00 +0000

Se retirer du réseau électrique ? Pensez-y à deux fois avant d’investir dans un système de batterie. Le stockage d’énergie par air comprimé est l’alternative durable et résiliente aux batteries chimiques, avec une bien meilleure durée de vie, des coûts de productions plus faibles, une simplicité technique et peu de maintenance. Concevoir un système de stockage d’énergie par air comprimé qui combine un rendement élevé avec une petite taille de stockage n’est pas évident, mais un nombre croissant de checheurs montrent que cela est possible.

Le stockage d’énergie par air comprimé (CAES - Compressed Air Energy Storage) est souvent considéré à grande échelle, comparable avec une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage. Un tel système consiste à comprimer de l’air et le stocker dans une caverne souterraine, puis de récupèrer l’énergie par la détente (ou la décompression) de l’air dans une turbine, qui fait tourner un générateur.

Malheureusement, les CAES à échelle industrielle sont très peu efficaces énergétiquement. La compression et décompression de l’air entraînent des pertes d’énergie desquelles résultent un rendement électrique-électrique de seulement 40-52%, contre 70-85% pour une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage et 70-90% pour les batteries chimiques.

Le faible rendement est principalement dû au fait que l’air chauffe sous l’action de la compression. Les pertes de chaleur, qui représentent une grosse partie de l’apport énergétique, sont rejetées dans l’atmosphère. Un problème connexe est le fait que l’air se refroidit pendant la détente, ce qui diminue la production électrique et peut même geler la vapeur d’eau présente dans l’air. Pour éviter cela, les grandes usines CAES chauffent l’air avant la détente en utilisant du gaz naturel, ce qui amoindrit d’autant plus le rendement du système et rend ce stockage d’énergie durable dépendant des énergies fossiles.

Pourquoi se tourner vers un système CAES à petite échelle ?

Dans l’article précédent nous avons exposé plusieurs idées – inspirées de systèmes historiques – qui pourraient améliorer le rendement des centrales CAES à grande échelle. Dans cet article, nous nous focalisons sur les quelques ingénieurs et chercheurs, de plus en plus nombreux, qui pensent que l’avenir n’est pas dans le stockage d’énergie par air comprimé à échelle industrielle mais bien dans les systèmes à petite échelle ou micro échelle, utilisant des réservoirs de stockage artificiels en surface plutôt que des réservoirs souterrains. De tels systèmes pourraient être autonomes ou raccordés au réseau, fonctionnant tout seul ou conjointement avec un système de batteries.

La principale raison d’étudier le stockage d’énergie par air comprimé décentralisé est le fait qu’un tel système peut être utilisé n’importe où, tout comme les batteries chimiques. Les grandes installations CAES, à l’inverse, sont dépendantes d’une géologie souterraine appropriée. Bien qu’il y ait plus de sites potentiels pour les grandes installations CAES que pour les grandes centrales hydroélectriques de pompage-turbinage, trouver une caverne de stockage appropriée n’est pas aussi facile que cela avait été préalablement supposé. ¹²³

Comparé aux batteries chimiques, les micro-systèmes CAES ont des avantages intéressants. Le plus important est qu’un réseau distribué de systèmes de stockage d’énergie par air comprimé serait plus durable et écologique. Tout au long de leurs vies, les batteries chimiques stockent seulement deux à dix fois l’énergie nécessaire à les produire. ⁴ Les systèmes CAES à petite échelle font bien mieux que cela, principalement car leur durée de vie est plus longue.

Comparé aux batteries chimiques, un réseau distribué de systèmes de stockage d’énergie par air comprimé serait plus durable et écologique.

Par ailleurs, ils ne nécessitent pas de matériaux rares ou toxiques, et le matériel est facilement recyclable. De plus, le stockage décentralisé d’énergie par air comprimé n’a pas besoin de lignes de production de haute technologie et peut être fabriqué, installé et entretenu par des entreprises locales, contrairement à un système de stockage d’énergie basé sur des batteries chimiques. Enfin, les micro-CAES ne se déchargent pas tous seuls, tolèrent une plus large gamme d’environnements et promettent d’être moins chers que les batteries chimiques. ⁵

Bien que le coût d’investissement initial soit estimé supérieur à celui d’un système de batterie (environ 10 000 $ pour une installation résidentielle typique), et bien que le stockage en surface augmente les coûts par rapport au stockage souterrain (le réservoir de stockage compte pour environ la moitié du coût d’investissement), un système de stockage d’énergie par air comprimé offre un nombre presque infini de cycles de charge et de décharge. Les batteries, en revanche, doivent être remplacées toutes les quelques années, ce qui les rend plus chères sur le long terme. ⁵⁶

Défi: Limiter la taille du stockage

Cependant, les systèmes CAES décentralisés font également face à des défis importants. Le premier est le rendement du système, qui est un problème dans les systèmes à grande et à petite échelle, et le second est la taille du réservoir de stockage, qui est particulièrement problématique pour les systèmes CAES à petite échelle.

Ces deux problèmes rendent les systèmes CAES à petite échelle peu pratiques. Trouver un espace suffisant pour un grand récipient de stockage n’est pas toujours faisable, tandis qu’un stockage à faible rendement nécessite une plus grande installation solaire photovoltaïque ou éolienne pour compenser cette perte, augmentant les coûts et diminuant la durabilité du système.

Pour rendre les choses plus compliquées encore, le rendement du système et la taille du stockage sont inversement liés: l’amélioration d’un facteur se fait souvent au détriment de l’autre. Augmenter la pression de l’air minimise la taille du stockage mais diminue le rendement du système, tandis que l’utilisation d’une pression plus basse rend le système plus économe en énergie mais mais demande un espace de stockage plus important. Quelques exemples aident à illustrer le problème.

Réservoirs de stockage d'énergie par air comprimé. [Source](http://www.screwtypeaircompressors.com/sale-8108163-vertical-compressed-air-tank-natural-gas-tank-2000l-air-receiver-tank.html).

Une simulation pour un système CAES autonome destiné aux zones rurales non raccordées au réseau, qui est connecté à un système solaire photovoltaïque et utilisé uniquement pour l’éclairage, fonctionne à une pression d’air relativement basse de 8 bars et obtient un rendement aller-retour de 60% – comparable à l’efficacité des batteries au plomb. ⁷

Cependant, pour stocker 360 Wh d’énergie électrique potentielle, le système nécessite un réservoir de stockage de 18 m3, soit l’équivalent de la taille d’une petite pièce de 3x3x2 mètres. Les auteurs font remarquer que «bien que la taille du réservoir semble très grande, elle a toujours du sens pour des applications dans les zones rurales».

Le rendement du système et la taille du stockage sont inversement liés: l’amélioration d’un facteur se fait souvent au détriment de l’autre.

Un tel système peut en effet être bénéfique dans ce contexte, notamment parce qu’il a une durée de vie beaucoup plus longue que les batteries chimiques. Cependant, une configuration similaire dans un contexte urbain à forte consommation d’énergie est évidemment problématique. Dans une autre étude, il a été calculé qu’il faudrait un réservoir de stockage d’air de 65 m3 pour stocker 3 kWh d’énergie. Cela correspond à un récipient sous pression de 13 mètres de long avec un diamètre de 2,5 mètres, illustré ci-dessous. ⁸

En outre, la consommation électrique quotidiene moyenne des ménages dans les pays industrialisés est encore beaucoup plus élevée. Par exemple, au Royaume-Uni, elle est légèrement inférieure à 13 kWh par jour, aux États-Unis et au Canada, elle dépasse 30 kWh. Dans ce dernier cas, dix de ces réservoirs d’air seraient nécessaires pour stocker l’équivalent d’une journée d’utilisation d’électricité.

Les systèmes CAES à petite échelle avec des pressions élevées donnent des résultats opposés. Par exemple, une modélisation d’une configuration pour une utilisation électrique domestique typique en Europe (6 400 kWh par an) fonctionne à une pression de 200 bars (près de 4 fois supérieure à la pression dans les grandes usines CAES) et obtient un volume de stockage de seulement 0,55 m3, ce qui est comparable aux batteries. Cependant, le rendement électrique-électrique de cette configuration n’est que de 11 à 17%, selon la taille du système solaire photovoltaïque. ⁹

Deux stratégies pour faire fonctionner le micro-CAES

Ces exemples semblent suggérer que le stockage d’énergie par air comprimé n’a pas de sens en tant que système de stockage d’énergie à petite échelle, même avec une réduction du besoin en énergie. Cependant, peut-être de manière surprenante pour beaucoup, ce n’est pas le cas.

Les systèmes CAES à petite échelle ne peuvent pas suivre la même approche que les systèmes CAES à grande échelle, qui augmentent la capacité de stockage et le rendement global en utilisant la compression multi-étagée avec refroidissement intermédiaire et la détente multi-étagée avec réchauffe. Cette méthode implique des composants supplémentaires et augmente la complexité et le coût, ce qui n’est pas adapté pour les systèmes à petite échelle.

Il en va de même pour les procédés «adiabatiques» (AA-CAES), qui visent à utiliser la chaleur de compression pour réchauffer l’air lors de la détente, et qui sont le principal axe de recherche des CAES à grande échelle. Pour un système micro-CAES, il est très important de simplifier au maximum la structure. ⁵¹⁰

Cela nous laisse avec deux stratégies low-tech qui peuvent être suivies pour atteindre une capacité de stockage et une efficacité énergétique similaires à celles des batteries au plomb. Premièrement, nous pouvons concevoir des systèmes à basse pression qui minimisent les différences de température pendant la compression et la détente. Deuxièmement, nous pouvons concevoir des systèmes à haute pression dans lesquels la chaleur et le froid de la compression et de la détente sont utilisés pour des applications domestiques.

Petite échelle, haute pression

Les systèmes CAES à petite échelle fonctionnant à haute pression transforment l’innefficacité de la compression et de la détente en un avantage. Alors que l’AA-CAES à grande échelle vise à récupérer la chaleur de compression dans le but de maximiser la production d’électricité, ces systèmes à petite échelle profitent des différences de température pour permettre la cogénération d’électricité, de chauffage et de refroidissement. La chaleur dissipée lors de la compression est utilisée pour le chauffage résidentiel et la production d’eau chaude, tandis que l’air froid de la détente est utilisé pour le refroidissement des locaux et la réfrigération. Les batteries chimiques ne peuvent pas faire cela.

Les systèmes CAES à petite échelle à haute pression utilisent la chaleur dissipée lors de la compression pour le chauffage résidentiel et la production d’eau chaude, tandis que l’air froid de la détente est utilisé pour le refroidissement des locaux et la réfrigération.

Dans ces systèmes, le rendement électrique-électrique est très faible. Cependant, il y a maintenant plusieurs rendements à définir, car le système fournit également de la chaleur et du froid. ¹⁰¹¹ En outre, cette approche peut rendre obsolètes plusieurs appareils électriques, tels que le réfrigérateur, la climatisation et la chaudière électrique pour le chauffage des locaux et de l’eau. Étant donné que l’utilisation de ces appareils est souvent responsable d’environ la moitié de la consommation d’électricité dans un ménage moyen, un système CAES à petite échelle à haute pression a un besoin en électricité globalement plus faible.

Un compresseur d’air typique. [Source](https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors).

Les systèmes à haute pression règlent facilement le problème de la taille du stockage. Comme nous l’avons vu, une pression d’air plus élevée peut réduire considérablement la taille du réservoir de stockage d’air comprimé, mais uniquement au détriment d’une augmentation des pertes de chaleur. Dans un système à petite échelle qui tire parti des différences de température pour assurer le chauffage et le refroidissement, cela est avantageux. Par conséquent, les systèmes à haute pression sont idéaux pour les bâtiments résidentiels à petite échelle, où l’espace de stockage est limité et où il y a une forte demande de chaleur et de froid ainsi que d’électricité. Les seuls inconvénients sont que les systèmes à haute pression nécessitent des réservoirs de stockage plus solides et plus chers, et qu’un espace supplémentaire est nécessaire pour les échangeurs de chaleur.

Installation expérimentale d’un micro-CAES. Source: [^30]

Plusieurs groupes de recherche ont conçu, modélisé et construit des unités cogénératrices de chauffage et d’électricité CAES à petite échelle qui fournissent le chauffage et le refroidissement ainsi que l’électricité. Le système à haute pression avec un volume de stockage de seulement 0,55 m3 que nous avons mentionné précédemment est un exemple de ce type de système. ⁹ Comme indiqué, son rendement électrique n’est que de 11 à 17%, mais le système génère également suffisamment de chaleur pour produire 270 litres d’eau chaude par jour. Si cette source d’énergie thermique est également prise en compte, le rendement «exergétique» de l’ensemble du système est proche de 70%. Des rendements “exergétiques” similaires peuvent être trouvés dans d’autres études, avec des systèmes fonctionnant à des pressions comprises entre 50 et 200 bars. ¹¹¹²

La chaleur et le froid provenant de la compression et de la détente peuvent être distribués aux appareils de chauffage ou de refroidissement via un circuit d’eau ou d’air. L’installation d’un système de chauffage et de refroidissement à air est très similaire à un système CAES, à l’exception du réservoir de stockage. Le chauffage et le refroidissement à air présentent de nombreux avantages, notamment une grande fiabilité, une facilité d’entretien et l’utilisation d’un fluide frigorigène naturel, respectueux de l’environnement. ¹¹

Petite échelle, basse pression

La deuxième stratégie pour obtenir des rendements plus élevés et réduire les volumes de stockage est exactement l’opposé de la première. Au lieu de comprimer l’air à une pression élevée et de profiter de la chaleur de la compression et du froid de la détente, une deuxième catégorie de systèmes CAES à petite échelle est basée sur des pressions basses ainsi qu’une compression et une détente «quasi-isothermes».

En dessous de pressions d’air d’environ 10 bars, la compression et la détente de l’air présentent des changements de température insignifiants («quasi-isothermes»), et le rendement du système de stockage d’énergie peut atteindre quasiment 100%. Il n’y a pas de pertes de chaleur et, par conséquent, il n’est pas nécessaire de réchauffer l’air lors de la détente.

La compression isotherme nécessite le minimum d’énergie pour comprimer une quantité d’air donnée à une pression donnée. Cependant, réaliser un processus isotherme est un cas plutôt théorique. Pour commencer, il ne fonctionne qu’avec des compresseurs et détendeurs de petite taille et/ou à cycle court. Malheureusement, les compresseurs industriels typiques ne sont pas conçus pour un rendement maximal mais pour une puissance maximale et fonctionnent donc dans des conditions de cycle rapide et non isothermes. Il en va de même pour la plupart des détendeurs industriels. ¹³¹⁴

En dessous de pressions d’air d’environ 10 bars, la compression et la détente de l’air présentent des changements de température insignifiants et le rendement peut atteindre quasiment 100%

L’utilisation de compresseurs et de détendeurs industriels explique en grande partie pourquoi les systèmes CAES basse pression mentionnés au début de cet article ont de si grands réservoirs de stockage. Les deux systèmes sont basés sur des appareils qui fonctionnent en dehors de leurs conditions optimales ou nominales. ¹⁵ Puisque les pertes se multiplient lors des conversions d’énergie, même des différences relativement faibles dans le rendement des compresseurs et des détendeurs peuvent avoir de grands effets. Par exemple, une variation du rendement de l’appareil de 60% à 80% entraîne un rendement du système de 36% à 64%, respectivement.

Nouveaux types de compresseurs et de détendeurs

Puisque les performances des compresseurs et des détendeurs ont un impact significatif sur le rendement global d’un système CAES à petite échelle, plusieurs chercheurs ont construit leurs propres compresseurs et détendeurs, spécialement destinés au stockage d’énergie. Par exemple, une équipe a conçu, construit et étudié un compresseur mono-étagé isotherme à faible puissance utilisant un piston à fluide. ¹³ Il fonctionne à un taux de compression très faible (entre 10 et 60 tr/min), ce qui correspond à la puissance de panneaux solaires photovoltaïques, et limite les fluctuations de température pendant la compression et la détente à 2 degrés Celsius.

Cet appareil, à faible coût et composé d’un minimum de pièces mobiles, obtient des rendements de 60 à 70% pour une pression de 3 à 7 bars. ¹³ Il s’agit d’un rendement très élevé pour un appareil aussi simple, étant donné qu’un compresseur centrifuge sophistiqué à trois étages, utilisé dans des systèmes CAES à grande échelle ou dans des environnements industriels, a un rendement d’environ 70%. De plus, les chercheurs affirment que le rendement est limité par l’utilisation d’un moteur standard pour alimenter leur compresseur. En effet, une autre équipe de recherche a atteint une efficacité de 83%. ¹⁶

Un compresseur à vis. Source: [^30]

Une autre nouveauté est l’utilisation de compresseurs à vis, un type de compresseur maintenant utilisé dans les réfrigérateurs, les systèmes de climatisation et les pompes à chaleur. Autant les compresseurs à pistons hydrauliques que les compresseurs à vis ont un rapport surface/volume élevé, ce qui minimise la production de chaleur et peut facilement gérer les flux diphasiques, ce qui signifie qu’ils peuvent également être utilisés comme détendeurs. Ils sont également plus légers et moins bruyants que les compresseurs alternatifs classiques. ¹⁴

Faire varier la pression d’air

Bien que les compresseurs et les détendeurs soient les facteurs les plus importants pour le rendement des systèmes CAES à petite échelle, ils ne sont pas les seuls. Par exemple, dans chaque système de stockage d’énergie par air comprimé, une perte de rendement supplémentaire est causée par le fait que pendant la détente, le réservoir de stockage se vide et donc la pression chute. En parallèle, la pression d’entrée du détendeur ne doit varier que dans une plage minimale pour garantir un rendement élevé.

Ceci est généralement résolu de deux manières, bien qu’aucune ne soit vraiment satisfaisante. Premièrement, l’air peut être stocké dans un réservoir avec une surpression, après quoi il est réduit à la pression d’entrée requise du détendeur. Cependant, cette méthode - qui est utilisée dans les CAES à grande échelle - nécessite une consommation d’énergie supplémentaire et introduit ainsi une perte de rendement. Deuxièmement, le détendeur peut fonctionner dans des conditions variables, mais dans ce cas, le rendement chutera avec la pression pendant que le réservoir sera vidé.

Pendant la détente, le réservoir de stockage se vide et donc la pression chute.

Ayant ces problèmes à l’esprit, une équipe de chercheurs a combiné un CAES à petite échelle avec une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage à petite échelle, résultant en un système qui maintient une pression constante pendant la décharge complète du réservoir de stockage. Il se compose de deux réservoirs d’air comprimé reliés par un tuyau attaché à leurs parties basses: chacun d’eux a un espace séparé pour l’air (dessous) et un espace séparé pour un stockage d’eau (dessus). Cette configuration maintient une colonne d’eau au moyen d’une pompe, qui consomme 15% de la puissance générée. Cependant, malgré cette consommation d’énergie supplémentaire, les chercheurs ont réussi à augmenter à la fois le rendement et la densité énergétique du système. ¹¹

Stockage de puissance hors-réseau

Pour avoir une idée de ce que peut donner une bonne combinaison de différents composants, examinons un dernier projet de recherche. ¹⁷ Il s’agit d’un système à haut rendement basé sur un compresseur/détendeur fait sur mesure, qui est directement couplé à un moteur/générateur à courant continu. Outre ses composants efficaces, ce projet CAES introduit également une configuration innovante. Il n’utilise pas un seul grand réservoir de stockage d’air, mais plusieurs plus petits, qui sont interconnectés et contrôlés par ordinateur.

L’installation se compose de l’unité de compression/détente couplée à trois petits cylindres (7L), précédemment utilisés comme extincteurs, et fonctionnant à basse pression (max. 5 bar). Les réservoirs de stockage sont connectés via des canalisations en PVC et des raccords en laiton. Pour contrôler le débit d’air, trois vannes d’air commandées par ordinateur sont installées à l’entrée de chaque cylindre. Le système peut être étendu en ajoutant plus de récipients sous pression. ¹⁷

Une configuration modulaire se traduit par un meilleur rendement du système et une densité énergétique plus élevée, pour principalement deux raisons. Tout d’abord, il permet un transfert de chaleur plus efficace, car chaque réservoir d’air agit comme un échangeur de chaleur supplémentaire. Deuxièmement, il permet un meilleur contrôle de la décharge du réservoir de stockage. Les cylindres peuvent soit être déchargés simultanément pour satisfaire une demande de densité de puissance élevée (plus de puissance au prix d’un temps de décharge plus court), soit être déchargés successivement pour satisfaire une demande de densité d’énergie élevée (temps de décharge plus long au détriment de la puissance maximale).

En déchargeant les réservoirs successivement, le temps de décharge peut être considérablement augmenté, ce qui rend le système comparable aux batteries au plomb en termes de densité d’énergie

En déchargeant les réservoirs successivement, le temps de décharge peut être considérablement augmenté, ce qui rend le système comparable aux batteries au plomb en termes de densité d’énergie. Sur la base de leur configuration expérimentale, les chercheurs ont calculé les rendements pour différentes pressions initiales et nombres de cylindres. Ils ont constaté que 57 cylindres interconnectés de 10 litres chacun, fonctionnant à 5 bars, pouvaient remplir le travail de quatre batteries 24 V pendant 20 heures consécutives, tout en ayant un encombrement étonnamment restreint de seulement 0,6 m3.

Fait intéressant, la capacité de stockage est de 410 Wh, ce qui est comparable au système rural de 360 Wh mentionné précédemment, qui nécessite un réservoir de stockage de 18 m3, soit trente fois plus que le système de stockage modulaire.

Vannes d’air contrôlées par ordinateur. [Source](http://www.jaksa.si/compressed-air-solenoid-valves.html).

Le rendement électrique-électrique pour la configuration à 3 cylindres a atteint un pic de 85% à une pression de 3 bars, tandis que le rendement estimé pour la configuration à 57 cylindres est de 75%. Ce sont des valeurs comparables aux batteries lithium-ion, mais l’ajout de réservoirs de stockage ou le fonctionnement à des pressions plus élevées introduit des pertes plus importantes dues à la compression, la chaleur, aux frottements et aux raccords. ¹⁷¹⁸

Néanmoins, quand j’ai envoyé un e-mail à Abdul Alami, le principal auteur de l’étude, pensant que les résultats semblaient trop beaux pour être vrais, il m’a dit que les chiffres étaient en réalité trop conservateurs : “Nous nous sommes restreints à de faibles pressions pour atteindre une compression quasi-isotherme et pour assurer un fonctionnement sûr. Travailler à des pressions supérieures à 10 bars entraînerait de sérieuses pertes de chaleur, mais une pression de 7 à 8 bars peut être bénéfique en termes de densité d’énergie et de puissance, mais peut-être pas en termes de rendement.”

Le fabriquer soi-même ?

En conclusion, le stockage d’énergie par air comprimé à petite échelle pourrait être une alternative prometteuse aux batteries, mais la recherche en est encore à ses débuts - la première étude sur le CAES à petite échelle a été publiée en 2010 - et de nouvelles idées sont nécessaires pour comprendre comment développer au mieux la technologie. Pour le moment, il n’existe pas de modèles disponibles dans le commerce et la mise en place de votre propre système peut être assez intimidante si vous débutez en pneumatique. Le simple fait de se procurer les bons composants et raccords est un casse-tête, car ils sont d’une variété déconcertante et ne sont vendus qu’aux industries.

Cependant, si vous êtes patient et pas trop maladroit, et si vous êtes déterminé à utiliser un système de stockage d’énergie plus durable, il est parfaitement possible de construire votre propre système CAES. Comme les exemples de cet article l’ont montré, il est juste un peu plus difficile d’en créer un bon.

Il y a idées supplémentaires concernant les systèmes CAES à petite échelle dans l’article précédent : Histoire et Avenir de l’Économie de l’Air Comprimé.

Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎
Laijun, C. H. E. N., et al. “Review and prospect of compressed air energy storage system.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 4.4 (2016): 529-541. https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5 ↩︎ ↩︎
Il existe une concurrence croissante pour les emplacements géologiques potentiels de CAES, car la plupart sont également adaptés au stockage de gaz naturel ou de carbone séquestré. De plus, le stockage souterrain impose des exigences strictes sur les conditions géographiques. Par exemple, le projet CAES Iowa initialement prévu aux États-Unis a été interrompu en raison de son état de grès poreux. ² ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎
Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013. http://eddism.com/wp-content/uploads/2014/10/Paper-EDD-Concept-and-Application-of-Distributed-Compressed-Air-Energy-Storage-Systems-Integrated-in-Utility-Networks-July-2013.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804. ↩︎
Setiawan, A., et al. “Sizing compressed-air energy storage tanks for solar home systems.” Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015. https://www.researchgate.net/profile/Ardyono_Priyadi/publication/274898992_Sizing_Compressed-Air_Energy_Storage_Tanks_for_Solar_Home_Systems/links/5670e2c408ae2b1f87acf927.pdf ↩︎
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Manfrida, Giampaolo, and Riccardo Secchi. “Performance prediction of a small-size adiabatic compressed air energy storage system.” International Journal of Thermodynamics 18.2 (2015): 111-119. http://dergipark.ulakbim.gov.tr/eoguijt/article/download/5000071710/5000113411 ↩︎ ↩︎
Kim, Y. M., and Daniel Favrat. “Energy and exergy analysis of a micro-compressed air energy storage and air cycle heating and cooling system.” Energy 35.1 (2010): 213-220. ↩︎ ↩︎
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Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera, and E. Jannelli. “Assessment of design and operating parameters for a small compressed air energy storage system integrated with a stand-alone renewable power plant.” Journal of Energy Storage 4 (2015): 135-144. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X15300207 ↩︎
Villela, Dominique, et al. “Compressed-air energy storage systems for stand-alone off-grid photovoltaic modules.” Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE. IEEE, 2010. https://pdfs.semanticscholar.org/9f1d/4273f8deb4a0a18c86eb4056e2fd378f8f3f.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Prinsen, Thomas H. Design and analysis of a solar-powered compressed air energy storage system. Naval Postgraduate School Monterey United States, 2016. https://scholar.google.com/scholar?cluster=5783353621699682542&hl=nl&as_sdt=2005&sciodt=0,5 ↩︎ ↩︎
Le système à petite échelle destiné aux environnements urbains, qui a un réservoir de stockage de 18 mètres de long, est basé sur un compresseur qui “était en service depuis 30 ans sur des chantiers pour faire fonctionner divers outils pneumatiques et sur lequel peu d’entretien avait été fait”. ⁸ Cela nuit au rendement du système, car un compresseur qui n’est pas bien entretenu pert facilement jusqu’à 30% de sa puissance potentielle à cause de fuites d’air, d’une friction accrue ou de filtres à air sales. Ce système à petite échelle a également utilisé un détendeur très inefficace. Au total, cela explique pourquoi il combine un très grand volume de stockage avec un très faible rendement électrique-électrique (moins de 5%). ↩︎
Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. “Liquid piston gas compression.” Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191. https://experts.umn.edu/en/publications/liquid-piston-gas-compression ↩︎
Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Abdul Alami, e-mail conversation. ↩︎