Le stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES) pourrait révolutionner notre façon de stocker l'électricité

Malgré de nouvelles efficacités, la consommation mondiale d'électricité continue d'augmenter. Les infrastructures de production et de stockage d'énergie doivent également se développer. Des méthodologies de stockage d'énergie telles que l'hydroélectricité par pompage, les batteries, les banques de condensateurs et les volants d'inertie sont actuellement utilisées au niveau du réseau pour stocker l'énergie. Chaque technologie présente des avantages et des limitations variés en termes de capacité, de vitesse, d'efficacité et de coût.

Une autre technologie émergente, le stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES), promet de faire progresser le stockage d'énergie. Le SMES pourrait révolutionner la manière dont nous transférons et stockons l'énergie électrique. Cet article explore la technologie SMES pour identifier ce qu'elle est, comment elle fonctionne, comment elle peut être utilisée et comment elle se compare à d'autres technologies de stockage d'énergie.

Le SMES est une technologie avancée de stockage d'énergie qui, à son niveau le plus élevé, stocke l'énergie de manière similaire à une batterie. Une alimentation externe charge le système SMES où l'énergie sera stockée ; lorsque nécessaire, cette même énergie peut être déchargée et utilisée à l'extérieur. Cependant, les systèmes SMES stockent l'énergie électrique sous forme de champ magnétique grâce à la circulation de courant continu (DC) dans une bobine. Cette bobine est composée d'un matériau supraconducteur avec une résistance électrique nulle, rendant la création du champ magnétique parfaitement efficace. Une fois que la bobine supraconductrice est chargée, le courant continu dans la bobine circule en permanence sans aucune perte d'énergie, permettant de stocker l'énergie parfaitement et indéfiniment, jusqu'à ce que le système SMES soit intentionnellement déchargé. Cette haute efficacité permet aux systèmes SMES d'afficher des rendements globaux supérieurs à 95 %.

La technologie SMES repose sur les principes de la supraconductivité et de l'induction électromagnétique pour offrir une solution de stockage d'énergie électrique à la pointe de la technologie. Le stockage de l'énergie en courant alternatif provenant d'une source d'alimentation externe nécessite qu'un système SMES convertisse d'abord tout le courant alternatif en courant continu. Fait intéressant, la conversion de l'énergie est la seule partie d'un SMES qui n'est pas parfaitement efficace, représentant l'ensemble des pertes totales du système.

L'alimentation en courant continu est ensuite transmise via le fil supraconducteur pour générer un grand champ électromagnétique, qui est finalement utilisé pour stocker cette énergie. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle lorsqu'ils sont refroidis en dessous de leur température critique—c'est pourquoi les systèmes SMES n'ont ni perte de stockage d'énergie ni diminution de stockage, contrairement à d'autres méthodes de stockage.

La caractéristique déterminante des systèmes SMES est leur efficacité inégalée. Une quantité minimale d'énergie est perdue lors du processus de stockage de l'énergie. Les systèmes SMES affichent une efficacité globale proche de 100 %, tandis que les batteries lithium-ion varient entre 80 % et 90 %, et le stockage hydraulique par pompage présente une efficacité système comprise entre 70 % et 85 %. Dans des applications où l'énergie peut être intermittente ou rare, comme un micro-réseau rural ou un grand satellite, la conservation de l'énergie peut être primordiale, et maximiser l'efficacité du stockage peut s'avérer nécessaire, même si cela entraîne des coûts initiaux plus élevés.

De plus, les systèmes SMES présentent des temps de réponse rapides pour la charge et la décharge, ce qui en fait des candidats idéaux pour les applications nécessitant une fourniture et une stabilisation de puissance rapides et précises. Par exemple, les installations de fabrication de semi-conducteurs ou les établissements médicaux tirent un grand avantage des systèmes SMES, car leur équipement peut générer de grandes surtensions pouvant être facilement prises en charge par un système SMES, même comparé aux systèmes de batteries Li-Ion haute performance.

Les systèmes SMES ont des coûts initiaux très élevés par rapport à d'autres solutions de stockage d'énergie. Les matériaux supraconducteurs sont coûteux à fabriquer et nécessitent un système de refroidissement cryogénique pour atteindre et maintenir l'état supraconducteur du matériau de la bobine.

Les supraconducteurs tels que l'yttrium barium cuivre oxyde (YBCO) et le bismuth strontium calcium cuivre oxyde (BSCCO) sont créés via des techniques de synthèse complexes utilisant des matières premières de haute pureté, ce qui les rend bien plus coûteux à fabriquer que les fils ordinaires. De plus, le YBCO et le BSCCO ont des points critiques à 93K (-292,3F) et 110K (-261F) à pression atmosphérique, ce qui signifie qu'ils ne sont supraconducteurs que lorsqu'ils sont maintenus à des températures extrêmement basses et nécessitent des systèmes cryogéniques complexes pour créer de tels environnements.

De plus, les systèmes SMES sont limités dans leur évolutivité. Outre les coûts initiaux non évolutifs, les systèmes SMES nécessitent un entretien conséquent, et la capacité de stockage ne peut pas être augmentée facilement. En revanche, les systèmes de stockage à batterie lithium-ion peuvent être facilement connectés, tandis que la combinaison de dispositifs SMES nécessite d'adapter en conséquence l’infrastructure de refroidissement cryogénique.

Bien que le SMES offre un avantage incroyablement unique par rapport à d'autres applications de stockage d'énergie et qu'il représente véritablement une technologie de pointe, il est peu probable que le SMES soit largement adopté dans la plupart des applications de stockage d'énergie dans un avenir proche. Actuellement, les matériaux supraconducteurs sont limités dans leurs capacités et leur disponibilité. Les technologies actuelles nécessitent des températures cryogéniques pour démontrer la supraconductivité, et la production de supraconducteurs en vrac, adaptés aux réseaux, n'a pas encore été réalisée.

Cependant, les physiciens travaillent à découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température qui pourraient un jour permettre la supraconductivité à température ambiante. Si cela est réalisé, et que le matériau peut être produit en masse, l'efficacité et la performance des SMES pourraient probablement favoriser l'adoption du marché par rapport à d'autres technologies. Les avancées dans les matériaux supraconducteurs, les technologies cryogéniques et les stratégies de réduction des coûts pourraient améliorer considérablement la compétitivité des systèmes SMES, mais aujourd'hui, ils sont limités à la recherche et aux infrastructures énergétiques de niche.