Condition essentielle au développement des énergies renouvelables, les technologies de stockage de l’énergie font l’objet d’études importantes au CEA. Au sein de son institut CEA-Liten, les chercheurs se mobilisent prioritairement sur le stockage électrochimique (batteries), le stockage thermique et le stockage sous forme d’hydrogène.

Stockage électrochimique

Le stockage électrochimique


Les recherches du CEA portent sur le développement de batteries de moyenne puissance en soutien à l’intégration des énergies renouvelables et dédiées à la stabilisation du réseau. Elles sont particulièrement adaptées à l’équipement de sites isolés.


Les axes d’innovation visés portent sur :

le rendement des couples électrochimiques


• la réduction des coûts
• l’allongement de la durée de vie
• la sécurité des systèmes
• l’intégration des ENR (en particulier le photovoltaïque)
• la valorisation de l’autoconsommation.
  

Des systèmes de gestion pour optimiser le fonctionnement des batteries

Le CEA-Liten développe des technologies de batteries sur plusieurs familles électrochimiques (ex : Li-ion, Na-ion) et travaille ensuite à leur exploitation dans les meilleures conditions de fonctionnement en développant les indicateurs de gestion.

Le CEA-Liten développe notamment des systèmes de gestion intégrant des algorithmes optimisant les cycles de charge/décharge et des indicateurs d’état de charge, d’énergie et d’état de santé des batteries.

La mise en place de ces systèmes de gestion vise non seulement à assurer une plus longue durée de vie des batteries mais aussi une meilleure sécurité en évitant, par exemple, l’emballement des réactions chimiques.


Les batteries peuvent être testées sur le réseau Prisme, permettant de mélanger des émulateurs et des objets réels pour valider les algorithmes de gestion développés.



© CEA / C. Beurtey


Stockage thermique

Le stockage thermique

Le stockage de la chaleur, ou stockage thermique, constitue une solution de flexibilité pour les réseaux énergétiques. C’est pourquoi les activités de recherches et développements du CEA-Liten portent sur cette solution de stockage et notamment sur :




• Les matériaux utilisés pour le stockage thermique (détermination de leurs propriétés physiques, compatibilité avec les fluides caloporteurs qui transportent la chaleur, tenue dans le temps, etc.)
• Les phénomènes de transfert de chaleur dont la qualité détermine les capacités réelles de stockage ou le temps de réponse du système.
• L’analyse du système énergétique dans lequel le stockage va s’intégrer et des performances attendues avec les contraintes qui y sont liées : temps de stockage et de déstockage, puissances thermiques disponibles/nécessaires pendant ces deux phases, niveau de température, surface au sol et volume disponibles, coûts acceptables de l’installation.
• Le choix, à l’issue de cette analyse, d’une solution de stockage thermique (sensible, latente, thermochimique), dont le dimensionnement précis est réalisé par des outils de simulation à différentes échelles.
• La réalisation d’un démonstrateur représentatif de l’échelle réelle qui permettra de valider l’intégralité de la solution proposée, tant sur le plan fonctionnel que sur le plan économique.
  



LHASSA - Module MCP : stockage thermique par Matériaux à Changements de Phase (MCP) - Vue du circuit de vapeur. © D. Guillaudin / CEA

Trois projets de démonstrateurs de stockage thermique actuellement en cours :

• Une solution thermocline à lit de roches, soit un réservoir rempli d’un lit de matériau solide avec stratification thermique. Situé à Cadarache et couplé à un prototype de centrale solaire, le démonstrateur de 2 MWh à 300 °C utilise de l’huile thermique comme fluide caloporteur. Le matériau de stockage consiste en un mélange de matériaux naturels (roches et sable). Différentes applications de cette solution sont envisagées, dont les centrales solaires et les rejets thermiques industriels.
• Une solution de stockage par chaleur latente avec des matériaux à changement de phase (MCP), basée sur le principe de fusion/solidification des matériaux. Un vaste panel de matériaux est disponible pour couvrir différents niveaux de température : matériaux organiques (paraffine, alcools de sucre, acides gras), hydrates de sels, sels et métaux. A Grenoble, une installation est dédiée à l’étude phénoménologique de petite taille de cette solution, avec l’utilisation de la paraffine blanche (état solide) et transparente (état liquide) pour observer les fronts de fusion. Les applications possibles de cette solution : les centrales solaires à génération directe de vapeur, le stockage thermique haute densité sur réseau de chaleur (distribué), la valorisation de chaleur fatale industrielle.
• Une solution de stockage par voie thermochimique, qui met en œuvre une réaction chimique réversible endothermique/exothermique. Selon les usages, on emploie différents types de matériaux : hydratation /déshydratation d’un sel à basse température (40°C) pour l’habitat, hydratation /déshydratation de la chaux à haute température (450 °C) pour les centrales solaires. Cette solution est idéale pour le stockage à long terme, voire saisonnier. Des installations expérimentales de petite échelle ont été mises en œuvre pour valider la faisabilité de cette solution. L’installation de stockage thermochimique à haute température se trouve à Grenoble. Les installations thermochimiques pour l’habitat sont à l’Institut National de l'Énergie Solaire (INES), au Bourget-du-Lac.
Le stockage par le vecteur hydrogène



Le stockage par le vecteur hydrogène

Le vecteur hydrogène peut être utilisé pour pallier l’intermittence de certaines sources d’énergie renouvelables. Dans cette optique, le CEA développe des technologies de production, de stockage et de conversion de l’hydrogène.


Pour la production d’hydrogène, le CEA mise sur les procédés d’électrolyse de la vapeur d’eau haute température. Pour le stockage, différentes solutions (stockage gazeux sous pression, stockage solide dans des hydrures, stockage par voie liquide) sont étudiées selon les applications.


© CEA/ C. Beurtey



Pour la conversion, deux technologies par pile à combustible sont étudiées :


• une pile à combustible basse température par membrane polymère échangeuse de protons : cette pile est adaptée à la mobilité hydrogène des véhicules utilitaires légers, et au transport lourd terrestre.
• une pile à combustible haute température par membrane céramique : cette pile capable de fonctionner avec des combustibles autres que de l’hydrogène pur, comme par exemple le gaz naturel liquéfié (GNL), le méthane, ou l’ammoniac est adaptée au transport maritime.

En cas d’excédent de production électrique, l’électricité est utilisée pour casser une molécule d’eau et produire de l’hydrogène décarboné par électrolyse. Celui-ci peut être ensuite : 

• stocké dans des réservoirs avant d’être retransformé en électricité via une pile à combustible, ou être utilisé dans une chambre de combustion d’une centrale thermique.
• distribué via une station à hydrogène pour des applications de mobilité hydrogène.
• mélangé à du gaz naturel avant d’être injecté dans un réseau de gaz.