Stocker et transporter l’énergie électrique

Un réseau relie des unités de production, des lieux de consommation et des interconnexions. Le transport assure des transferts importants sur de longues distances ; la distribution dessert plus finement les usagers. Les transformateurs modifient les niveaux de tension en courant alternatif. Élever la tension pour le transport puis l’abaisser près des usages répond à des contraintes de pertes, d’isolation, de sécurité et d’équipements.

Dans un modèle électrique simple à courant continu, ou dans une approximation de circuit alternatif précisée par l’exercice, la puissance s’écrit P = U × I. P est en watts, U en volts et I en ampères. En alternatif réel, la puissance active dépend aussi des relations de phase et du type de circuit ; on ne doit pas étendre la formule simplifiée sans vérifier les hypothèses. Les raisonnements du cours emploient le modèle simplifié annoncé.

La résistance des conducteurs produit un échauffement : c’est l’effet Joule. Pour une résistance R parcourue par une intensité I, la puissance dissipée vaut P_J = RI². Cette énergie est transférée à l’environnement sous forme thermique et n’arrive pas sous la forme électrique utile recherchée. Les matériaux, la longueur, la section et la température des câbles influencent leur résistance. Réduire les pertes demande donc plusieurs leviers techniques.

Le réseau européen est maillé : plusieurs chemins relient des zones, ce qui facilite les échanges et certaines réponses aux incidents. Les puissances injectées doivent couvrir les puissances consommées, les pertes et les besoins de charge des stockages. Lors d’une décharge, un stockage devient une source pour le réseau ; lors d’une charge, il devient un usage. Le signe et les frontières du bilan doivent donc être explicités.

Un déséquilibre appelle des ajustements : modifier la production disponible, mobiliser des réserves, échanger avec une autre zone, charger ou décharger un stockage, ou déplacer certaines consommations. Les moyens ont des vitesses de réponse, des durées et des limites différentes. Les productions dépendantes du vent ou du soleil varient avec la ressource ; les productions réglables ont elles aussi des contraintes et des indisponibilités.

Optimiser ne signifie pas toujours utiliser le trajet géographiquement le plus court. Une répartition doit respecter les capacités des lignes, les limites des équipements et les besoins des zones. Dans un modèle à deux branches de même résistance, une répartition plus équilibrée des intensités diminue la somme des carrés et donc les pertes. Le réseau réel comporte davantage de contraintes, mais ce modèle montre l’intérêt du raisonnement quantitatif.

Une station de transfert d’énergie par pompage, ou STEP, utilise un surplus électrique pour pomper de l’eau vers un bassin supérieur. L’énergie est stockée comme énergie potentielle de pesanteur. Lors de la restitution, l’eau redescend en entraînant une turbine puis un alternateur. La quantité stockable dépend notamment de la masse d’eau et de la différence d’altitude. La géographie et les impacts sur les milieux limitent les implantations possibles.

Une batterie rechargeable stocke de l’énergie sous forme chimique. Une chaîne utilisant l’hydrogène convertit l’électricité par électrolyse, stocke le gaz puis peut produire à nouveau de l’électricité dans une pile à combustible. Un volant d’inertie stocke une énergie mécanique de rotation ; certains dispositifs stockent une énergie électromagnétique. Ces procédés diffèrent par leur capacité, leur puissance, leur durée de conservation, leurs dissipations et leurs matériaux.

La capacité énergétique, exprimée par exemple en kWh, indique une énergie stockable. La puissance, en kW, indique à quel rythme on peut la charger ou la restituer. Une capacité de 20 kWh ne garantit pas la possibilité de fournir 20 kW ; cette puissance dépend de l’appareil. Si une puissance constante P peut être fournie, une durée théorique s’estime par E/P, en tenant compte du caractère utile ou brut de la capacité annoncée.

Le rendement d’un cycle de stockage est l’énergie électrique restituée divisée par l’énergie électrique reçue pour la charge. Il est inférieur à un dans un bilan réel. Pour une succession de conversions, les rendements se multiplient lorsque les frontières et les formes d’énergie sont cohérentes. Il faut aussi considérer les pertes pendant l’attente et la consommation des auxiliaires ; un rendement annoncé sans durée ni conditions ne suffit pas à comparer.

Le bon dispositif dépend du service demandé. Une compensation rapide de variations brèves ne pose pas le même problème qu’un report d’énergie sur plusieurs jours. Compare la capacité utile, la puissance disponible, la durée de stockage, le nombre de cycles, la masse nécessaire par kWh, les matériaux, la fin de vie et les effets sur les milieux. Une valeur élevée sur un critère ne suffit pas à classer tous les dispositifs.

Une stratégie peut associer stockage, diversité des ressources, interconnexions et réduction ou déplacement de la demande. Éviter un gaspillage diminue à la fois la production nécessaire et les pertes associées. Déplacer une consommation ne la supprime pas ; il peut toutefois faciliter l’équilibre. Le bilan doit vérifier que le service attendu reste assuré, y compris lorsque plusieurs contraintes surviennent ensemble.