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LE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
Les moyens de stocker l’énergie électrique sont divers et variés et peuvent être classés dans différentes
catégories en fonction de leurs performances (capacité de stockage, énergie/puissance, …) et de leurs
caractéristiques : stockage centralisé ou décentralisé, direct ou indirect. Le stockage est dit « centralisé »
lorsque le moyen de stockage est couplé au réseau de distribution de l’énergie électrique. Il est
« décentralisé » lorsque le dispositif de stockage est embarqué dans un dispositif mobile et autonome en
termes d’énergie. On distingue également le stockage direct et indirect. Pour le stockage « direct »,
l’énergie est stockée sous sa forme électrique. Dans le cas d’un stockage « indirect », l’énergie est stockée
sous une autre forme : électrochimique, mécanique ou gazeuse (air, hydrogène), nécessitant une conversion
réversible pour passer d’une forme à une autre.
1. CARACTERISTIQUES DES ELEMENTS DE STOCKAGE
Un Système de Stockage de l’Energie (SSE) est caractérisé par deux grandeurs fondamentales que sont
l’énergie et la puissance.
Energie : L’énergie stockée est la quantité d’énergie disponible dans le système de stockage. L’énergie
s’exprime en Wh ou en J.
Comme l’énergie d’un système ne peut pas toujours être entièrement restituée, on distingue l’énergie
maximum stockée Wstockée [Wh] obtenue après la charge complète du système, et l’énergie utile Wutile
[Wh].
L’énergie utile est fonction de la profondeur de décharge applicable au dispositif de stockage.
La densité énergétique, appelée également énergie spécifique, est l’énergie stockée ramenée à la masse ou
au volume de l’élément de stockage. On distingue donc la densité énergétique massique en Wh.kg-1 et la
densité énergétique volumique en Wh.L-1 ou Wh.dm-3.
Puissance : La puissance disponible Pd (en W) est la puissance qu’un système de stockage d’énergie peut
fournir lors de sa décharge. On détermine généralement une puissance moyenne Pmoy [W] et/ou une
puissance maximum Pmax [W].
La densité de puissance, ou puissance spécifique, est la puissance disponible rapportée à la masse ou au
volume de l’élément de stockage. Elle s’exprime en W.kg-1, W.L-1 ou W.dm-3.
Diagramme Energie/Puissance : Il est d’usage de recenser sur un diagramme les caractéristiques
énergétiques d’un SSE pour faciliter leur comparaison. Ce diagramme, appelé diagramme de Ragone,
représente la puissance en fonction de l’énergie (ou inversement) ou leurs densités respectives. La surface
généralement représentée est bornée par les limites minimales et maximales en termes de puissance et
d’énergie du moyen de stockage.
Sur l’exemple donné en Figure 1, l’élément de stockage représenté par un rectangle est capable de fournir
une certaine énergie quelle que soit la puissance, dès lors que celles-ci sont comprises dans leurs intervalles
respectifs [W1min ; W1max] et [P1min ; P1max]. L’élément de stockage représenté par un triangle peut
restituer son énergie minimale W2min sur toute la plage de puissance [P2min ; P2max], mais l’augmentation
de son autonomie (fonctionnement à plus haute énergie) ne peut se faire qu’aux dépends de la puissance
restituée.

Fig.1 : Exemple de diagramme de Ragone ENERGIE/PUISSANCE
D’autres caractéristiques techniques, souvent liées aux deux grandeurs citées précédemment, sont également
à prendre en compte : la capacité de stockage, les temps de charge et décharge, l’autonomie, la durée de vie,
l’autodécharge et le rendement énergétique.
Capacité de stockage : Il s’agit de l’aptitude d’un système à emmagasiner de l’énergie, à la conserver
pendant un certain temps et à la restituer dans des conditions données.
Temps de décharge / Temps de charge : Pour un SSE, la durée ou le temps de décharge est un critère
important, puisqu’elle qualifie son aptitude à restituer rapidement son énergie stockée. On définit la durée de
décharge comme étant le temps de restitution de l’énergie stockée par le système, à puissance maximum, tel
que : tdech = Wstockée / Pmax. Pour certains éléments de stockage, la durée de charge pourra s’avérer
comme un critère déterminant dans la comparaison des uns par rapport aux autres. En effet, certains SSE
sont limités en puissance lors de la recharge, ce qui impacte directement leur temps de charge.
Autonomie : On détermine l’autonomie d’un système de stockage en considérant son énergie utile et sa
puissance disponible. Le rapport des deux donne une durée [s] telle que : α = Wutile / Pd.
Durée de vie (cyclage) : La durée de vie ou durabilité définit l’aptitude d’un élément de stockage à délivrer,
de manière récurrente, son énergie après recharge. Elle s’exprime en nombre de cycles, un cycle comprenant
une charge et une décharge. Le nombre de cycles est un des critères de comparaison entre les divers
éléments de stockage. Il convient de nuancer le nombre de cycles par les propriétés d’un cycle (amplitude,
fréquence, contraintes de l’environnement sur le système qui peuvent agir sur le vieillissement du système,..)
Autodécharge : Il s’agit d’une certaine quantité d’énergie initialement stockée dans l’élément et
progressivement dissipée lorsque l’élément est hors fonctionnement. Elle s’exprime relativement [%], par
rapport à l’énergie stockée.
Rendement énergétique : Le rendement énergétique pour un élément de stockage est le rapport entre
l’énergie restituée sous la forme souhaitée (ici électrique) et l’énergie stockée sous quelque forme que ce
soit.
Enfin, d’autres caractéristiques plus qualitatives sont à considérer : la sécurité, la recyclabilité, la maturité de
la technologie et le coût d’application.
Sûreté de fonctionnement : Cette notion traduit l’aptitude d’un système à satisfaire une ou plusieurs
fonctions données dans des conditions déterminées. La sûreté de fonctionnement englobe les aspects de
fiabilité, de maintenabilité et de disponibilité liés aux performances fonctionnelles du système, et des aspects
de sécurité (risques humains, environnementaux, financiers, …). De manière générale, la sûreté de

fonctionnement est considérée comme la science des défaillances et des pannes d’une entité (organisation,
système, produit, …).
Impact environnemental : Il s’agit de prendre en compte l’impact sur l’environnement du SSE pendant son
cycle de vie (fabrication, utilisation, recyclage en fin de vie), au regard des règlementations en vigueur.
Etat de la technologie / Application : Les différentes technologies peuvent présenter des niveaux de
maturité divers (du prototype de démonstration aux produits fabriqués à des millions d’exemplaires) et des
champs d’application variés (de confidentiel à grand public).
Coûts + investissement : Dans la mesure du possible, les coûts du système et des investissements associés
peuvent être renseignés. Pour les moyens de stockage directs et indirects (nécessitant une conversion), il faut
considérer le système dans sa globalité, c’est-à-dire ne pas se limiter au moyen de stockage sous forme
d’énergie magnétique, électrostatique, chimique, cinétique, hydrogène, … mais prendre également en
compte les auxiliaires et les éléments de conversion pour transformer l’énergie électrique en énergie stockée
et la restituer.
Les caractéristiques techniques Energie et Puissance sont couramment représentées dans un diagramme de
Ragone (Figure 1). Mais on peut également regrouper un certain nombre de caractéristiques d’un SSE dans
un diagramme appelé « toile d’araignée » (Figure 2).
Fig. 2 : Exemple de diagramme <<Toile d’araignée>>
Ce diagramme présente l’avantage de répertorier différentes caractéristiques, qu’elles soient techniques ou
d’ordre plus général, en en donnant une information relative (sur une échelle de 1 à 5 par exemple, le niveau
5 indiquant la meilleure performance), pour faciliter la comparaison entre SSE.
La réalisation de ce diagramme nécessite d’avoir établi au préalable des échelles de valeurs pour chacun des
critères retenus. Pour la comparaison des moyens de stockage qui seront présentés dans ce premier chapitre,
six critères sont proposés pour cette étude et sont synthétisés dans le Tableau1. Ce sont des critères
quantifiables traduisant les performances énergétiques de ces systèmes. Les critères tels que la sécurité, la
recyclabilité, l’état de la technologie, couramment employés dans la littérature, sont davantage qualitatifs et
moins faciles à évaluer. C’est la raison pour laquelle ces caractéristiques n’ont pas été retenues pour établir
les diagrammes « toile d’araignée ».

Tab.1 : Critères d’évaluations et de comparaison des moyens de stockage.
2. LES ELEMENTS DE STOCKAGE COMME DES SOURCES D’ENERGIE
Les moyens de stockage considérés comme des sources d’énergie sont des dispositifs capables de fournir
une certaine puissance pendant un temps relativement long au vu de l’application.
- les accumulateurs électrochimiques (notamment les accumulateurs au plomb, au nickel et au lithium)
- le système {Pile à Combustible + stockage Hydrogène + Electrolyseur}
2.1 ACCUMULATEURS ELECTROCHIMIQUES
Dans les accumulateurs électrochimiques, l’énergie est stockée sous une forme électrochimique, ce qui
nécessite une conversion (réaction électrochimique) pour stocker ou restituer de l’énergie électrique
(stockage indirect). Ces dispositifs sont des sources d’énergie, dont la densité d’énergie est supérieure à celle
des sources de puissance et peut varier notablement en fonction de la technologie. Dans ce paragraphe, les
technologies au plomb, nickel et lithium sont présentées, dans l’ordre de la moins à la plus performante
énergétiquement et récente historiquement. Ces trois technologies sont les plus employées dans les
applications embarquées.
Un accumulateur est un générateur électrochimique capable de fournir une énergie électrique à partir d’une
énergie stockée chimiquement. Cette conversion d’énergie est réversible pour un accumulateur,
contrairement à une pile. Le terme de batterie est utilisé pour définir un ensemble d’accumulateurs
électrochimiques.
2.1.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Une cellule d’accumulateur électrochimique est composée de deux électrodes (conducteurs électroniques) et
d’un électrolyte (conducteur ionique et isolant électronique). Les réactions chimiques sont spontanées dans
un accumulateur et mettent en jeu deux couples d’oxydoréduction de potentiels différents.
Durant la décharge de l’accumulateur, l’électrode positive (cathode) est le siège d’une réaction de réduction
du couple de plus haut potentiel et l’électrode négative (anode) est le siège d’une réaction d’oxydation du
couple de plus faible potentiel.
Durant la charge, le phénomène s’inverse : l’électrode positive (anode) s’oxyde et l’électrode négative
(cathode) se réduit. (fig.3)
Fig. 3 : Schéma de principe du fonctionnement d’un accumulateur électrochimique.

2.1.2 GRANDEURS CARACTERISTIQUES
La tension électrique, ou force électromotrice (f.e.m.), aux bornes d’un accumulateur est fixée par la
différence de potentiel d’oxydoréduction entre les deux couples redox utilisés. Elle est de l’ordre de
quelques Volt par élément. Pour obtenir des tensions supérieures, il suffit d’associer en série plusieurs
cellules, formant ainsi une batterie d’accumulateurs.
On détermine le potentiel de chaque électrode grâce à la relation de Nernst, qui donne la relation entre la
valeur de potentiel relatif du couple dans un état quelconque non standard et le potentiel relatif standard.
Avec : E0+ : potentiel standard de l’électrode positive [V]
E0- : potentiel standard de l’électrode négative [V]
La capacité (ou encore charge) correspond à la quantité de charge que l’accumulateur peut restituer (sous
une tension connue) pendant un temps de décharge. Elle s’exprime en Ah ou en Coulomb [C] (SI).
On note Ch le courant pour charger ou décharger l’accumulateur en h heures. Par exemple, C5 ou C/5 pour
un accumulateur de 10Ah désigne un courant de charge ou de décharge de 2A. 10C correspond pour le
même accumulateur à un courant de 100A.
On distingue la capacité théorique d’une électrode de celle d’un accumulateur. La capacité d’une électrode
est donnée par la loi de Faraday. La capacité théorique d’un accumulateur est la plus petite des valeurs de
capacité théorique des deux électrodes.
Avec : Cacc_th : capacité théorique de l’accumulateur [C]
C+ : capacité maximale théorique de l’électrode positive [C]
C- : capacité maximale théorique de l’électrode négative [C]
Il est rare que la capacité soit équilibrée entre les deux masses actives. Dans un accumulateur Leclanché, le
boîtier est en zinc donc sur-capacitif par rapport au dioxyde de manganèse. Dans les accumulateurs étanches
au plomb, la masse négative est sur-capacitive pour permettre la recombinaison d’oxygène lors de la
surcharge sans risque de dégagement d’hydrogène.
La capacité théorique spécifique d’un accumulateur est la capacité de l’accumulateur ramenée à sa masse ou
à son volume. Cette caractéristique permet de comparer différents accumulateurs entre eux. Néanmoins, il
faut s’assurer que les bases de comparaison sont les mêmes pour tous les accumulateurs (matériaux électro-
actifs seuls ou l’accumulateur complet). Il existe un facteur 3 à 7 entre la capacité théorique du couple
anode-cathode et la capacité pratique lors de la réalisation de la batterie d’accumulateurs.
L’état de charge (appelé SOC : State Of Charge) représente la capacité disponible restante dans un
accumulateur, exprimée sous forme de pourcentage de la capacité évaluée.
Avec : SOC : état de charge de l’accumulateur [%]
SOC0 : état de charge initial de l’accumulateur [%]
Cu : capacité utile de l’accumulateur (positive en décharge, négative en charge) [Ah]
Cn : capacité nominale de l’accumulateur [Ah]
La profondeur de décharge (appelée DOD : Depth Of Discharge) est le ratio de la capacité utile sur la
pleine capacité de l’accumulateur.
Avec : DOD : profondeur de décharge de l’accumulateur [%]
Par exemple : si un accumulateur de 100Ah (pleine capacité) voit sa capacité diminuer de 25Ah, alors sa
profondeur de décharge (DOD) est de 25% et son état de charge (SOC) est de 75%.
L’énergie stockée dans un accumulateur électrochimique est le produit de la charge ou capacité avec la
tension à vide, comme donné dans la relation suivante :