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.

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.

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.

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

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.

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.