Pourquoi est-il si difficile de stocker l'électricité ?
― On transforme le « courant » en autre chose pour le conserver
L'eau du robinet peut se garder dans un réservoir. L'essence aussi, dans un réservoir. Mais l'électricité, elle, ne peut pas se stocker telle quelle. En cas de coupure de courant, les appareils électriques s'arrêtent aussitôt. Pourquoi est-il si difficile de « mettre l'électricité de côté » ?
Dans une cuisine, il y a un robinet : il suffit de le tourner pour avoir de l'eau quand on veut. L'eau non utilisée peut rester dans un réservoir.
L'électricité, elle, c'est différent. L'électricité produite par une centrale, si elle n'est pas consommée à l'instant même, disparaît tout simplement. Les smartphones et les voitures électriques ont bien un système de conservation appelé « pile » ou « batterie », mais ce n'est pas l'électricité elle-même qui y est stockée.
Alors, que stocke-t-on réellement dans une batterie ?
L'électricité, c'est en réalité le déplacement de particules appelées électrons dans un fil conducteur — un courant. Un courant en tant que tel ne peut pas se mettre dans un récipient.
Les dispositifs de stockage transforment l'électricité en une autre forme d'énergie — chimique, potentielle, etc. — avant de la conserver.
Voyons cette idée de « convertir avant de stocker » à travers les méthodes les plus courantes.
L'électricité n'est pas un « objet », c'est un « courant »
L'électricité, c'est le déplacement, dans un fil conducteur, de minuscules particules appelées électrons. Contrairement à l'eau du robinet, ce n'est pas un « objet » que l'on peut garder immobile dans un récipient : c'est un « courant » perpétuellement en mouvement.
Quand un circuit est coupé, le flux d'électrons s'arrête, mais ces électrons arrêtés ne « s'accumulent » nulle part pour être récupérés plus tard. C'est pourquoi, pour « conserver l'électricité en vue d'un usage ultérieur », il faut d'abord la convertir en une autre forme d'énergie.
La pile convertit l'électricité en « énergie chimique »
À l'intérieur d'une pile, lors de la charge, l'énergie électrique sert à faire avancer une réaction chimique qui modifie l'état des substances. Cette réaction chimique peut, dans certaines conditions, se dérouler aussi en sens inverse : lors de la décharge (l'utilisation), la réaction chimique inverse se produit et l'énergie électrique est de nouveau libérée.
Autrement dit, on peut dire que la pile n'enferme pas l'électricité elle-même : elle la fait passer le relais à une réaction chimique, avant de la retransformer en électricité plus tard.
C'est la faire changer temporairement de forme, en une autre énergie.
Le condensateur stocke sous une forme proche de l'électricité même, mais…
Le condensateur est un composant qui stocke l'électricité d'une autre façon que la pile. Deux plaques métalliques placées face à face accumulent respectivement des charges positives et négatives : sans convertir l'électricité en réaction chimique, elle est stockée directement, sous forme de charge. En ce sens, le condensateur est un dispositif qui « stocke sous la forme la plus proche de l'électricité elle-même ».
Mais le condensateur a un point faible : à taille et poids égaux, la quantité d'énergie qu'il peut stocker est bien plus faible que celle d'une pile. En contrepartie, il a un atout : il peut libérer ou recevoir l'électricité stockée en un temps extrêmement court. Il est ainsi précieux dans des situations exigeant une grande puissance instantanée, comme le flash d'un appareil photo.
À grande échelle, pomper l'eau en hauteur reste la méthode dominante
Pour stocker de grandes quantités d'énergie, à l'échelle d'une centrale électrique, la méthode largement utilisée est le pompage-turbinage. Quand l'électricité est excédentaire, elle actionne des pompes qui font monter l'eau d'un barrage inférieur vers un barrage supérieur. Quand l'électricité vient à manquer, on laisse redescendre cette eau pour faire tourner un générateur et récupérer de l'électricité.
C'est exactement le même principe que la pile ou le condensateur : convertir l'énergie électrique en énergie potentielle de l'eau (l'énergie liée à l'altitude) pour la stocker. On considère que cette méthode a longtemps représenté une part importante du stockage d'électricité dans le monde.
Comme l'électricité ne peut pas se stocker telle quelle, on considère qu'il faut faire coïncider, presque instant par instant, la quantité produite et la quantité consommée. Plus les sources d'énergie à production variable comme le solaire ou l'éolien se multiplient, plus cet équilibrage devient difficile, et plus le stockage d'électricité gagne en importance, estime-t-on.
Ce qu'on peut vérifier soi-même
- Se procurer une lampe torche ou une radio équipée d'une génératrice à manivelle (dynamo)
- Vérifier que la lumière ne reste allumée que pendant que l'on tourne la manivelle
- Vérifier que la lumière s'éteint dès qu'on arrête de tourner (pour un modèle simple, sans condensateur ni pile intégrés)
- Si le modèle contient une pile ou un condensateur, vérifier que la lumière reste allumée un moment après l'arrêt de la manivelle
Le modèle qui s'éteint dès l'arrêt permet de ressentir directement que l'électricité est bien un « courant », et que sans mécanisme de stockage, elle s'arrête net.
En résumé
L'électricité n'est pas un « objet » que l'on peut stocker comme l'eau : c'est un « courant » perpétuellement en mouvement. C'est pourquoi, pour la conserver, il faut la convertir temporairement en une autre forme d'énergie : en énergie chimique pour la pile, en charge électrique pour le condensateur, en énergie potentielle de l'eau pour le pompage-turbinage. « Stocker l'électricité », c'est en réalité « la transformer temporairement en une autre énergie ».
L'électricité ne nous attend pas dans un réservoir, comme l'eau.
Jusqu'à l'instant où elle sera utilisée, elle change constamment de forme, en coulisses.
Vous trouverez dans cet article pourquoi les batteries lithium-ion, qui assurent cette « conversion en énergie chimique », prennent parfois feu, bien que rarement.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets encore à l'étude, le niveau de chaque point est précisé
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique fondamentale » du lycée
- Lycée+Programme de « chimie », « physique » du lycée, ou contenu approfondi/encadré des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une discipline universitaire spécialisée (électrochimie, génie énergétique)
- RechercheSujet encore à l'étude par les chercheurs, non enseigné comme « acquis » même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots autour du stockage de l'électricité
- Courant électrique : le déplacement d'électrons dans un fil conducteur.
- Énergie chimique : énergie que l'on peut libérer ou emmagasiner via une réaction chimique.
- Énergie potentielle : énergie que possède un objet du fait de son altitude.
- Condensateur : composant qui stocke directement l'électricité sous forme de charge.
LycéeVérification par le calcul : quelle taille faut-il pour stocker la même quantité d'électricité ?
Nous calculons et comparons quel poids ou quel volume seraient nécessaires à une pile, un condensateur et une station de pompage-turbinage pour stocker la même énergie de 1 kWh (kilowattheure).
| Énergie à stocker | 1 kWh (1000 Wh) |
| Densité d'énergie d'une batterie lithium-ion | Environ 200 Wh/kg, à titre indicatif |
| Densité d'énergie d'un condensateur (type double couche électrique) | Environ 5 Wh/kg, à titre indicatif |
| Poids nécessaire pour la pile | 1000 ÷ 200 ＝ 5 |
| Poids nécessaire pour la pile | environ 5 kg |
| Poids nécessaire pour le condensateur | 1000 ÷ 5 ＝ 200 |
| Poids nécessaire pour le condensateur | environ 200 kg |
| Combien de fois plus lourd le condensateur est-il ? | 200 ÷ 5 ＝ 40 |
| Rapport de poids | environ 40 fois |
Pour stocker le même 1 kWh, le calcul montre qu'il faut au condensateur environ 40 fois le poids d'une pile. Ces chiffres expliquent pourquoi le condensateur convient aux usages instantanés, tandis que la pile est utilisée pour le stockage de grande capacité.
1 kWh équivaut à environ 3,6×10⁶ J (joules). Pour stocker cette énergie en élevant de l'eau sur une hauteur de 100 m (ordre de grandeur d'une chute de barrage typique), on utilise la relation énergie potentielle = masse × accélération de la pesanteur × hauteur.
| Accélération de la pesanteur × hauteur | 9,8 × 100 ＝ 980 |
| Masse d'eau nécessaire | (3600000) ÷ (980) ≒ 3673 |
| Masse d'eau nécessaire | environ 3673 kg (environ 3,7 tonnes) |
Pour stocker ne serait-ce que 1 kWh, il faut, avec une chute de 100 m, environ 3,7 tonnes d'eau. Ce chiffre montre pourquoi le pompage-turbinage n'est réalisable que là où l'on dispose d'un vaste terrain et d'une grande quantité d'eau, typiquement en montagne ou près d'un cours d'eau.
※ La densité d'énergie et la hauteur de chute sont des ordres de grandeur indicatifs ; les valeurs réelles varient selon les produits et les installations.
Lycée+Que se passe-t-il à l'intérieur d'une pile ?
À l'intérieur d'une pile se produit une réaction chimique appelée réaction d'oxydoréduction. Lors de la décharge, une réaction qui libère des électrons (oxydation) à une électrode, et une réaction qui en capte (réduction) à l'autre électrode se déroulent simultanément ; ce déplacement d'électrons devient le courant qui circule dans le circuit externe. Lors de la charge, l'électricité fournie de l'extérieur fait avancer cette réaction en sens inverse et restaure l'état initial.
UniversitéDensité d'énergie et densité de puissance sont deux indicateurs distincts
Pour comparer des technologies de stockage, on utilise deux indicateurs différents : la densité d'énergie (la quantité d'énergie que l'on peut stocker) et la densité de puissance (la vitesse à laquelle on peut la libérer ou la recevoir). La pile a une densité d'énergie élevée, le condensateur une densité de puissance élevée : il existe entre eux une relation de compromis (trade-off). Récemment, des technologies intermédiaires combinant les deux qualités, appelées « supercondensateurs à double couche électrique » ou « condensateurs lithium-ion », ont aussi été développées.
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Les « batteries tout solide », qui n'utilisent pas d'électrolyte liquide, sont une technologie de nouvelle génération dont on attend une meilleure sécurité et une densité d'énergie accrue : des recherches sont en cours en vue de leur mise en pratique, mais des difficultés techniques subsisteraient pour la production de masse.
- Les recherches se poursuivent aussi sur des batteries utilisant des matériaux autres que le lithium, comme les batteries sodium-ion, moins contraintes par la rareté des ressources. Elles pourraient à terme élargir le choix des matériaux pour les batteries, mais on ignore encore si elles pourront rattraper les performances des batteries lithium-ion.
- La conversion de l'électricité en hydrogène pour la stocker, puis sa reconversion en électricité en cas de besoin est aussi étudiée comme option de stockage d'énergie à grande échelle et sur longue durée. Des pertes d'énergie à chaque conversion sont un problème identifié, et des recherches se poursuivent pour améliorer l'efficacité en vue d'une application pratique.
« Comment stocker l'électricité » est un domaine dont l'importance croît avec la diffusion des énergies renouvelables, et qui reste aujourd'hui encore un sujet de recherche actif.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Courant électrique et énergie | Vocabulaire de base : courant, énergie chimique, énergie potentielle |
| Lycée | Physique fondamentale・Unités d'énergie | Estimation du poids ou du volume d'eau nécessaires à partir de la densité d'énergie |
| Lycée+ | Chimie・Réactions d'oxydoréduction | Mécanisme de la réaction chimique à l'intérieur d'une pile |
| Université | Électrochimie・Génie énergétique | Compromis entre densité d'énergie et densité de puissance |
| Recherche | Technologies de stockage (en recherche) | Batteries tout solide, batteries sodium-ion, stockage d'énergie par l'hydrogène |
- Document explicatif de l'Agence pour les ressources naturelles et l'énergie (資源エネルギー庁, Agency for Natural Resources and Energy) sur « les batteries et le pompage-turbinage ».
- Explications sur les réactions d'oxydoréduction dans les piles, tirées de manuels d'électrochimie.
- Comparaison des densités d'énergie et de puissance entre condensateurs et piles, tirée de manuels de génie électrique.
- Revue de recherche sur les batteries tout solide et les batteries de nouvelle génération, dans le domaine du génie énergétique.
- Explications sur l'énergie potentielle et les unités d'énergie (joule, kilowattheure), tirées de manuels de physique fondamentale.
※ Les valeurs de densité d'énergie et de hauteur de chute de barrage sont des ordres de grandeur indicatifs ; les valeurs réelles varient selon les produits et les installations.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Pour la manipulation des piles, batteries et installations électriques, veuillez suivre les instructions des fabricants ainsi que les recommandations des fournisseurs d'électricité et des organismes compétents.