Comment résoudre le problème de l'intermittence des énergies renouvelables avec le stockage de l'énergie ?

Le défi principal auquel l'énergie renouvelable, notamment éolienne et solaire, est confrontée réside dans son caractère intermittent et sa faible prévisibilité. Ces sources produisent de l'énergie uniquement lorsque le vent souffle ou lorsque le soleil brille. Cela crée des problèmes importants, notamment la nécessité de réduire la production lorsque la demande est inférieure à l'offre ou, inversement, de freiner la production excédentaire lorsque la demande est saturée. Lorsqu'une ferme éolienne ou solaire est dimensionnée pour une capacité donnée, l'excès d'énergie doit souvent être "curtailé", c'est-à-dire réduit, afin d'éviter un excédent qui ne peut être utilisé efficacement. Dans certains cas, cet excédent peut être envoyé à un réseau voisin, selon la disponibilité des infrastructures de transmission et l'état de congestion de ces réseaux.

L'un des graphiques les plus utilisés pour illustrer la nécessité et les bénéfices du stockage d'énergie est la courbe en "canard", utilisée notamment pour illustrer l'impact de l'énergie solaire photovoltaïque sur le réseau californien de l'Independent System Operator (CAISO). Ce graphique montre l'évolution de la charge des autres générateurs sur le réseau, lorsque l'énergie solaire ou autre source renouvelable prend une grande part de la demande. Au fur et à mesure de la journée, lorsque la contribution solaire augmente, d'autres générateurs doivent réduire leur production, atteignant un minimum en milieu de journée, lorsque l'irradiation solaire est maximale. Dans certains cas, cela peut même créer une situation où les générateurs non solaires doivent être arrêtés, une condition appelée "retour d'énergie".

Le stockage d'énergie se présente alors comme une solution essentielle. En permettant de stocker l'énergie excédentaire produite par les installations solaires pendant les périodes de faible demande, cette énergie peut être utilisée plus tard dans la journée, lorsque la production d'énergie solaire baisse et que la demande reste élevée. Ce processus, connu sous le nom de "décalage temporel", est en quelque sorte similaire à l'arbitrage énergétique. L'arbitrage énergétique consiste à stocker de l'énergie lorsque les prix sont bas, souvent pendant les heures creuses, et à la restituer lorsque les prix sont plus élevés, pendant les heures de pointe. Le stockage d'énergie permet ainsi d'optimiser l'utilisation des ressources renouvelables, d'éviter le gaspillage d'énergie excédentaire et de renforcer la stabilité du réseau électrique.

Jusqu'à récemment, les technologies matures en matière de stockage d'énergie, en termes de capacité installée et d'échelle, étaient essentiellement limitées aux systèmes de stockage par pompage hydraulique (PHES) et au stockage par air comprimé (CAES). Depuis les années 2020-2021, la technologie des batteries lithium-ion a été progressivement ajoutée à cette liste, bien qu'il subsiste des défis non négligeables pour son déploiement à grande échelle. Aux États-Unis, par exemple, le stockage d'énergie à l'échelle du réseau est dominé par les systèmes PHES, représentant 95 % de la capacité installée, avec seulement 5 % restant répartis entre les technologies de stockage par air comprimé, thermique et batterie.

Les réacteurs nucléaires à haute température et à sels fondus : technologie, performances et défis

Les réacteurs nucléaires de nouvelle génération, tels que le réacteur refroidi par sels fondus à haute température (HTMSR) et le réacteur à lit de perles (HTR-PM), offrent des solutions potentielles pour surmonter les limitations des réacteurs classiques. Ces technologies de réacteurs ont été conçues pour atteindre des températures de fonctionnement plus élevées, ce qui permet de rendre plus efficaces les cycles thermodynamiques associés à la production d'électricité, notamment en augmentant l'efficacité des turbines à vapeur. La température élevée des réacteurs comme le HTMSR ou l'HTGR (High Temperature Gas Reactor) permet de générer de la vapeur à des températures et pressions plus élevées, augmentant ainsi les rendements thermiques.

Dans la plupart des centrales nucléaires actuelles, l'électricité est générée à partir d'une turbine à vapeur, qui fonctionne sur le principe d'un cycle de Rankine. Ce cycle utilise la chaleur provenant du réacteur pour chauffer de l'eau dans un générateur de vapeur. Cette eau, une fois transformée en vapeur, est utilisée pour faire tourner une turbine et générer de l'électricité. Les réacteurs de type PWR et PHWR, ainsi que certains réacteurs de type AGR, fonctionnent ainsi dans le domaine des neutrons thermiques, avec des températures de vapeur relativement basses, ce qui limite leur rendement thermique. Le réacteur AGR, par exemple, utilise un refroidisseur à gaz CO2, ce qui permet d'atteindre des températures de 665°C pour le fluide caloporteur, permettant ainsi des cycles de vapeur réchauffée à haute pression et température.

Un autre concept intéressant est celui du réacteur à neutrons rapides refroidi par métal liquide, tel que le LMFBR, qui utilise un fluide caloporteur liquide, comme le sodium, pour transférer la chaleur du réacteur au générateur de vapeur. Ce type de réacteur utilise un circuit intermédiaire afin d'éviter les réactions entre le sodium radioactif du réacteur et l'eau utilisée dans le cycle secondaire de production de vapeur. Le refroidissement par métal liquide présente des avantages notables en termes de performances thermiques, mais il soulève également des préoccupations de sécurité liées à la réactivité chimique du sodium et à sa radioactivité.

Il est crucial pour les chercheurs et les ingénieurs d'optimiser la conception des réacteurs haute température, notamment en ce qui concerne les matériaux utilisés pour les composants internes du réacteur, comme le cœur et le circuit de refroidissement. Ces réacteurs nécessitent des matériaux capables de résister à des températures extrêmes et à des environnements chimiquement agressifs, ce qui impose des recherches continues pour découvrir de nouveaux alliages et composants résistants à la chaleur et à la radiation. Les avancées dans ce domaine pourraient permettre de réaliser le potentiel de ces technologies pour une production d'énergie plus propre et plus efficace.

Un autre facteur déterminant pour l'avenir de ces réacteurs est la question de leur durabilité et de la gestion des déchets nucléaires. Bien que des réacteurs comme le LMFBR soient capables de "brûler" des actinides mineurs et de réduire la quantité de déchets à long terme, les défis liés à la gestion des déchets à vie longue restent un problème crucial. Des progrès dans le recyclage et la réutilisation des combustibles nucléaires pourraient aider à atténuer ces préoccupations, mais cela nécessitera une collaboration internationale et des investissements massifs dans la recherche.

Comment améliorer l'efficacité d'un cycle Brayton fermé avec un réacteur nucléaire ?

Dans un cycle Brayton fermé régénératif, la température de l'hélium comprimé peut être élevée jusqu'à 380°C, ce qui reste en deçà des 550°C spécifiés pour le fluide de refroidissement du réacteur. Afin de surmonter cette limite, le seul choix disponible pour le concepteur est de réduire le PRC afin d'augmenter la température de sortie de l’expandeur, T4, ce qui permet d'augmenter la température de sortie du récupérateur, T5. Ce processus repose sur l'idée que dans un cycle idéal, la différence de température entre T5 et T2 est équivalente à celle entre T4 et T6 (T5 - T2 = T4 - T6). En effectuant les calculs nécessaires pour un PRC de 2,28:1 et une température T3 de 900°C, on obtient les résultats suivants : T5 = 550°C, T6 = 441,8K (168,6°C) et T4 = 570°C. Ces valeurs permettent d’atteindre un METH de 987,8K, supérieur à celui du cycle classique de 790,5K, et un METL inférieur à celui du cycle conventionnel.

L'impact de la régénération est donc significatif sur l'efficacité du cycle, en augmentant à la fois la température moyenne d'ajout de chaleur (METH) et en réduisant la température moyenne de rejet de chaleur (METL), créant ainsi une amélioration substantielle de l'efficacité globale. Pour un cycle à faible rapport de pression, inférieure à 3:1, cette approche s'avère essentielle non seulement pour une récupération thermique efficace, mais aussi pour répondre aux exigences de température du fluide de refroidissement du réacteur.

L'efficacité de ce cycle Brayton modifié, combinant régénération et interrefroidissement, dépend à la fois du rapport de pression de cycle et de la température d'entrée, T3. L'efficacité du cycle idéal peut être exprimée par des relations thermodynamiques complexes en fonction du PRC et des températures spécifiques, notamment avec un delta de température d'approche (ATA) égal à zéro, où les températures de sortie et d'entrée du récupérateur et de l’expandeur sont identiques.

Un autre aspect clé à prendre en compte dans le cycle Brayton est la question du rapport de pression. Dans les turbines à gaz modernes de grande puissance, ce rapport peut atteindre plus de 20:1, mais dans les cycles Brayton fermés pour la production d'énergie nucléaire, un tel rapport est irréaliste. En effet, un PRC plus élevé, au-delà de 3:1, entraînerait des contraintes importantes sur la conception aérodynamique du compresseur et de la turbine, en particulier avec l'hélium, qui possède une faible masse moléculaire et une capacité thermique spécifique élevée. Cela nécessiterait un nombre beaucoup plus élevé d'étages de compresseur et de turbine, ce qui complique la conception et augmente les coûts.

Les matériaux utilisés pour la construction des turbines imposent également des limites aux rapports de pression. À des températures élevées, les alliages coûteux sont nécessaires pour supporter les contraintes thermiques imposées par le fluide de travail. Les cycles utilisant l'hélium sont moins contraints par des limites de pression critique à l'entrée du compresseur, mais le rapport de pression optimal reste d’environ 3:1, pour des raisons de conception et d’efficacité du récupérateur.