Comment - ENS de Cachan - Antenne de Bretagne

Pourquoi stocker ?- améliorer et sécuriser la gestion du réseau dans un contexted’ouverture des marchésde croissance des systèmes de production non pilotéspar la demande- permettre l’ilotage de consommateurs/producteursAlimentation en électricité plus sûre et plus robuste- augmenter la pénétration des sources variables et incertaineséoliennes, photovoltaïques, houlomotrices…- réduire les besoins en centrales thermiques d’appointDéveloppement durable (CO2, indépendance énergétique…)

Centrales hydrauliquesPossibilités de stockageToituresphotovoltaïquesZonesruralesCentrales thermiques(nucléaires ou fossiles)EoliennesIndustrieStockageVolant d’inertieStockageélectrochimiquegrande échelleStockage SMESPetiteséoliennesTransportcourant continuMicroturbinescogénérationZonesurbainesGroupesélectrogènesStockageélectrochimiqueUsines éoliennesUsines courantsmarinsUsines solairesthermodynamiquesPiles àcombustibleUsines photovoltaïques

A quel niveau stocker ?- au niveau des générateurs fluctuantsAmélioration de laparticipation aux servicessystèmes :production depuissances active etréactive à la demandedonc meilleure intégrationdans les marchés ouverts del’énergie…Rapport P max /P moy de l’ordre de 4 (éolien) à 7 (PV)Ex. production éolienne (Kariniotakis, CENERG)

Dans le monde : 90 GW (hydraulique gravitaire) sur 3400 GW soit 2,6 %France : 6,3 GW sur 116 GW soit 5,4%- au niveau du réseauUn degré d’action supplémentaire pour le gestionnaire,réduction des risques d’effondrement.

Déjà des applications en secours (situations critiques)- au niveau des consommateurs (fluctuations très importantes)- sûreté de fonctionnement,- lissage ou écrêtage de consommation,- meilleur dimensionnement du réseau de distribution,- possibilité d’îlotage long si une production locale existeRapport P max /P moyde l’ordre de 10

Comment ?Moyens grande échelleHydraulique gravitairedessins Jacques RUER, SAIPEM/ECRINAir comprimé en caverneThermique à réfractaires et turbineElectrochimique à circulationwww.regenesys.com

Comment ?Gravitaire hydrauliqueEnsemble Pompeset TurbinesRetenue d'eau supérieureConduite forcéeRetenue d'eauinférieure1 kWh/m 3 pour une chute de 360 mRendement : 65 à 75 %Capacité : 1 à qq 100 GWhPuissance : 100 à 1000 MWDonnées et dessins Jacques RUER, SAIPEMExemple : Grand-Maison935 m de dénivelée, 170 Mm 3400 GWh12 groupes 150 MW1400 MW en pompage1800 MW en turbinage

Comment ?Air comprimé en caverneRécupérateurChambre decombustionRefroidissementintermédiaireGaznaturelTurbineCompresseursExemple :Huntdorf (1979)air à 70 bars dans2 cavernes de310000 m 3290MW, 2 heuresCaverne de stockagede l'air compriméDonnées et dessins Jacques RUER, SAIPEM12 kWh/m 3 de caverne à 100 barsRendement : 50 % (avec apport Gaz)Capacité : 0,1 à 10 qq GWhPuissance : 100 à 1000 MW

Comment ?Batteries à circulationRedresseur-OnduleurExemple :Little Bardford1800 m 3 d’électrolyteRéservoird'électrolyteoxydantRéservoird'électrolyteréducteurPompe decirculationd'électrolyteMembranesélectiveDonnées et dessins Jacques RUER, SAIPEM33 kWh/m 3Rendement : environ 70 %Capacité : 10 à qq 100 MWhPuissance : 1 à 10 MWBernard MULTON

Comment ?Système à stockage thermiqueRéfractaireschauffésélectriquementRefroidisseurRécupérateurde chaleurCompresseurTurbinehautetempérature200 kWh/m 3Rendement : environ 60 %Capacité : 1 à qq 100 GWhPuissance : 10 à 100 MWDonnées et dessins Jacques RUER, SAIPEMGaz chauds 1400°CÀl’étude,pas encore de réalisation.Potentiel économique et géographiqueattractif

Comment ? (suite)Moyens « petite/moyenne » échelleElectrochimiquesInductances supraconductricesPb-acide,NiCd, NiMHLiMétal-airHaute temp…Volants d’inertiewww.amsuper.org

Batteries électrochimiques : quelques expériences à grande échelle…Exemple 1 Plomb-acideChino - CalifornieCapacité : 40 MWh – 10 MWCoût :200 Euros/kWh ou 800 Euros/kWwww.electricitystorage.orgExemple 2 Nickel-Cadmium (1000 tonnes)Fairbanks Alaska (2003)Capacité :40 MW durant 7 mn (4,7 MWh)ou 27 MW durant 15 mn (6,7 MWh)Coût :4000 Euros/kWh ou 700 Euros/kWDurée de vieescomptée :25 ans

Batteries au plomb : caractéristiques, modèlesDes phénomènes complexes, d’où une modélisation complexeet peu fiable.Le vieillissement intervient,les dérives en température peuvent être importantesLes schémas équivalents électriques doivent mettre en œuvre deséléments non linéaires,notamment pour prendre en compte les phénomènes rapidesDans le secteur des énergies renouvelables, les accumulateursau plomb sont quasiment seuls : avantage de prix, inconvénientde masse moindre.

Rendement énergétiqueRendement coulombienη cbη cb _ c_ d = 1⎡⎤⎢20,73⎥= 1−exp⎢⋅( EDC −1)⎥⎢ I bat⎥⎢+ 0,55⎥⎣ I10⎦1n b .R i(Ω)0,50,40,30,20,1déchargeRendement énergétique globalPertes Joulecharge0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1État de charge0,8P bat1kWRendement0,60,4CHARGE2kW3kW4kWDÉCHARGE0,2Zone Optimale00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Thèse O. GERGAUD, ENS de Cachan dec. 2002État de charge

Nombre de cycles limité par la profondeur de déchargeR. MESSENGER, J. VENTRE, Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, 1999.Interviennent également : la puissance de décharge, la température...Maintenance nécessaire : ajout d’eau pure...

Limite de puissance due aux pertes - rendement énergétique 1/3Modèle assez générique :source de tension avec résistance interne, énergie initiale : E.QERIUPu=E.I − R.I2=2ER⎡⎢⎢⎣IIcc⎛−⎜⎝IIcc⎞⎟⎠2⎤⎥⎥⎦η =1−II cc10,51II cc0,500,51II cc

Limite de puissance due aux pertes - rendement énergétique 2/3Décharge (ou charge) à courant constant I : durée Q/I donc :à Q donné, le temps de décharge (ou de charge) est en I -1t =QIà I = C te : le rendement en puissance est égale au rendement en énergieηη =W uE.Q10,500,51II cc

Limite de puissance due aux pertes - rendement énergétique 3/3En introduisant l’autodécharge(par exemple : résistance en parallèle sur E) :η1ER 0RIU0,500,51II ccPratiquement, dans un accumulateur, la capacité ou l’énergie récupérabledépend donc du temps de charge ou de décharge.

Critères de comparaison ?Domaines de faisabilité10 -3 heure(3,6 s)1 heure1000 heures(41 jours)Rapport Frost & Sullivan 2003 : Emerging Energy Storage Technologies in Europe

Coût d’investissement du kWh stockéou du kW (cas d’un dimensionnement en puissance)10000Investissement par unité d'énergie(€/kWh)1000100Batteriesplomb acideHydrauliqueAir compriméThermiquebatteries àcirculationLi - ion10100 1000 10000Investissement par unité de puissance (€/kW)de 40 à 2000 €/kWhExemple Pb-acideavec 150 €/kWh et 1000 cycles0,15 €/kWh !de 300 à 3000 €/kWJacques RUER, SAIPEM, ECRIN

Critères de comparaison :Cyclabilité, rendementAttention à lacaractérisation durendement (pb complexe)www.electricitystorage.org

www.electricitystorage.orgDensité (massique ou volumique) d’énergieNiMH

charge-décharge0,1 heurecharge-décharge1 heureDensité d’énergieet de puissance(représentation plus intéressantepour les applications embarquéesou portables)diagramme de RagoneStockageà petite échelle10 heuresSystèmes nonrechargeablesélectriquement

Premier comparatif moyens de stockage à petite échelle

Tableau comparatif moyens de stockage à grande échelle

Travaux de SATIE Rennes :Etudes de l’intérêt d’un stockage au niveau du consommateur,éventuellement consommateur - producteur, donc petite échelle- écrêtage de puissance- lissage de puissance consommée et/ou produite- possibilité de fonctionnement autonome- exploitation du stockage pour le réseau ?Travaux sur un accumulateur électromécanique (inertiel)longue constante de temps,par rapport aux batteries au plomb :- grande tenue au cyclage- potentiel d’économie sur le cycle de vie complet- meilleures caractéristiques en puissance

Stockage au niveau du consommateurSystème photovoltaïque autonome avec batteries, optimum économique200135Bilan optimum économique130Capacité de stockage (kWh)150100Zone optimale506 7 8 9 10 11 12 13Puissance crête PV installée (kW)Interprétation…k€12512011511010510095Bilan énergétique sur les 15 ansEnergieÉnergiedélestéegâchée73 40073397kWh 45%kWh43%57%Énergie produite95963 kWh55%Besoin de meilleurs modèles des batteries, surtout en vieillissement…

Stockage électromécaniqueMagnetic bearingsΩVacuum envelopeDCBusPowerreferenceSystemcontrolelectrical machine

solid steel discfieldwindingarmature windingepoxy resinflywheel

UdcDCPWMACLosses minimisationSMIf *THE CONTROL, θ ΩJinertialloadCurrent I * P *Pow erregulator*controller Pow erreferenceLowpowerSelf commutationHigh speedsLow accelerations0.70.60.5Simple sensor(one impulse/rotation)If optimalfonct. à excitation variablelossesη0.40.30.20.1fonct. à excitation max.If = constante If max =cst=00 0.5 1 1.5 2 2.5 3vitesse rpm) (tr/min)x 10 4speed (rpm(

ConclusionLa problématique du stockage dispersé (au niveau du consommateur)nous semble d’un grand intérêt :- possibilité d’ilotage (sûreté)- meilleur dimensionnement du réseau- plus grande acceptation des ressources fluctuantes-…Problème scientifique intéressant et complexe :- Non déterministe- Nécessité de modèles de qualité pour les éléments de stockage surtout s’ilssont électrochimiques- Les accumulateurs électrochimiques ne nous semblent pas être de bonscandidatsflywheel, SMES, supercondensateur,complémentarité hydrogène…

Quelques références : Stockage d’énergie pour la production décentralisée d’électricitéA. MARQUET, C. LEVILLAIN, A. DAVRIU, S. LAURENT, P. JAUD, « Stockage d’électricité dans les systèmes électriques », Technique de l’ingénieur D4030 5-1998.EUROPEAN COMMISSION, Community Research Report, « Energy storage - A key technology for decentralised power, power quality and clean transport » ReportEuropean Communities EUR 19978, 2001.ENIRDGnet « D5 :Technical assessment of DG-Technologies and tendencies of technical development », Janvier 2004.T. DEVRIES, J. McDOWALL, N. UMBRICHT, G. LINHOFER, « Cold Storage : Battery energy storage system for Golden Valley Electric Association » ABB Revue 1-2004, pp38-43.B. MULTON, J. RUER, « Stocker l’électricité :oui, c’est indispensable et c’est possible. Pourquoi, où, comment ? », Publication ECRIN en contribution au débat nationalsur l’énergie, avril 2003, téléchargeable : http://www.ecrin.asso.fr/energies/B. MULTON, G. ROBIN, E. ERAMBERT, H. BEN AHMED, « Stockage de l’énergie dans les applications stationnaires », Colloque Energie électrique : besoins, enjeux,technologies et applications, Belfort, 18 juin 2004, pp.64-77.C. SAUDEMONT, L. LECLERCQ, B. ROBYNS, G. CIMUCA, M. RADULESCU, « Développement d’un émulateur Temps Réel d’un Système de Génération EolienneAssocié à un Stockage Inertiel d’Energie », Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, déc. 2003.F. ABOU CHACRA, P. BASTARD, G.FLEURY, R. CLAVREUL, « Optimisation MultiObjectifs du Stockage d’Energie dans un Poste Source HTB-HTA »,Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, déc. 2003.G. ROBIN, O. GERGAUD, N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON, « Problématique du stockage d'énergie situé chez le consommateur connecté au réseau ,Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, déc. 2003.N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON, C. KERZREHO, J. DELAMARE, F. FAURE, “Flywheel energy storage systems in hybrid and distributed electricitygeneration”, Papier invité au congrès PCIM, Nürnberg, may 2003.Thèses ENSC. KERZREHO, « Conception et optimisation d’une batterie électromécanique à ensemble volant d’inertie-convertisseur électromécanique intégré », thèse LMT ENS deCachan, Antenne de Bretagne, 8 janvier 2002,téléchargeable : http://arnica.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/Page_SystemesEM_HautesPerf/These_kerzreho_jan02.pdfN. BERNARD, « Conception, dimensionnement et commande d'un moteur-générateur de type synchrone à excitation homopolaire, à bobinages dans l'entrefer, pouraccumulateur électromécanique d'énergie », thèse LESiR ENS de Cachan, Antenne de Bretagne, 17 décembre 2001,téléchargeable : http://arnica.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/Page_SystemesEM_HautesPerf/These_Nicolas_Bernard_dec01.pdfO. GERGAUD, « Modélisation énergétique et optimisation économique d'un système de production éolien et photovoltaïque couplé au réseau et associé à unaccumulateur », thèse ENS Cachan, 9 décembre 2002,téléchargeable : http://arnica.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/page304/these_complete O.GERGAUD.pdf

© Ecole Normale Supérieure de Cachan, 2005ISBN : 2-909968-69-3