LE STOCKAGE ASSOCILE STOCKAGE ASSOCIÉÉ LA PRODUCTION LA PRODUCTION D’D’ÉÉLECTRICITLECTRICITÉÉ EN REN RÉÉSEAUSEAU

Pourquoi ?Pourquoi ?Où ?Où ?Comment ?Comment ?Travaux de SATIETravaux de SATIE

Bernard MULTON, Gael ROBIN,

Hamid BEN HAMED, Olivier GERGAUD, Nicolas BERNARDSATIE antenne de Bretagne

(Exploitation partielle de la synthèse des travaux du bureau du Club Energies Alternatives d’ECRIN)

Téléchargeable à : http://www.ecrin.asso.fr/energies/

GdR ME2MS Production d’électricité décentralisée, 16-17 octobre 2003 Sophia-Antipolis

Pourquoi ?Pourquoi ?- améliorer et sécuriser la gestion du réseau dans un contexte

d’ouverture des marchés de croissance des systèmes de production non pilotés

par la demande - permettre l’ilotage de consommateurs/producteurs

Alimentation en électricité plus sure et plus robuste

- augmenter la pénétration des sources variables et incertaineséoliennes, photovoltaïques, houlomotrices…

Développement durable (CO2, indépendance énergétique…)

Où ?Où ?

Amélioration des services systèmes

production depuissances active et réactive à la demande

Ex. production éolienne (Kariniotakis, Ecrin dec. 03)

- au niveau des générateurs fluctuants

Rapport Pmax/Pmoy de l’ordre de 4 (éolien) à 7 (PV)

Où ?Où ?

Un degré d’action supplémentaire pour le gestionnaire, réduction des risques d’effondrement.

- au niveau du réseau

Où ?Où ?- au niveau des consommateurs (fluctuations très importantes)- sûreté de fonctionnement, - lissage ou écrêtage de consommation,- meilleur dimensionnement du réseau,- possibilité d’îlotage long si une production locale existe

Comment ?Comment ?Moyens grande échelle

Hydraulique gravitaire

Air comprimé en caverne

Thermique à réfractaires et turbineElectrochimique à circulation

dessins Jacques RUER, SAIPEM/ECRIN

www.regenesys.com

Gravitaire hydraulique

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Retenue d'eau inférieure

Retenue d'eau supérieure

Conduite forcée

Ensemble Pompes et Turbines

1 kWh/m3 pour une chute de 360 mRendement : 65 à 75 %Capacité : 1 à qq 100 GWhPuissance : 100 à 1000 MW

Exemple : Grand-Maison935 m de dénivelée, 170 Mm3

400 GWh

12 groupes 150 MW

1400 MW en pompage

1800 MW en turbinage

Comment ?Comment ?

Air comprimé en caverne

12 kWh/m3 de caverne à 100 barsRendement : 50 % (avec apport Gaz)Capacité : 0,1 à 10 qq GWhPuissance : 100 à 1000 MW

Refroidissement intermédiaire

Caverne de stockage de l'air comprimé

Turbine Compresseurs

Chambre de combustion

Récupérateur

Gaz naturel

Exemple : Huntdorf (1979)air à 70 bars dans 2 cavernes de 310000 m3

290MW, 2 heures

Comment ?Comment ?

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Batteries à circulation

33 kWh/m3

Rendement : environ 70 % Capacité : 10 à qq 100 MWhPuissance : 1 à 10 MWDonnées et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Redresseur-

Onduleur

Réservoir d'électrolyte

oxydant

Réservoir d'électrolyte

réducteur

Pompe de circulation

d'électrolyte Membrane sélective

Bernard MULTON

Exemple : Little Bardford1800 m3 d’électrolyte

Comment ?Comment ?

Système à stockage thermique

200 kWh/m3

Rendement : environ 60 % Capacité : 1 à qq 100 GWhPuissance : 10 à 100 MW

Gaz chauds 1400°CÀ l’étude,pas encore de réalisation.Potentiel économique et géographique attractif

Refroidisseur Turbine haute

température

Compresseur

Récupérateurde chaleur

Réfractaires chauffés

électriquement

Comment ?Comment ?

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Comment ? Comment ? (suite)(suite)

Moyens « petite/moyenne » échelle

Electrochimiques

Pb-acide,NiCd, NiMHLiMétal-airHaute temp… Volants d’inertie

Inductances supraconductrices

www.amsuper.org

Moyens « petite/moyenne » échelle - suite

Air comprimé en « bouteille »

Hydrogène : PAC réversible

http://www.llnl.gov/str/Mitlit.html

Grande échelle également envisagéwww.llnl.gov/str/Mitlit.html

Supercondensateurs

Batteries au plomb : des essais à grande échelle…

Exemple Chino - Californie Capacité : 40 MWh – 10 MWCoût : 200 Euros/kWh

www.electricitystorage.org

1000 heures(41 jours)

1 heure10-3 heure(3,6 s)Domaines de faisabilité

Critères de comparaison ?Critères de comparaison ?

Rapport Frost & Sullivan 2003 : Emerging Energy Storage Technologies in Europe

Coût d’investissement du kWh stocké ou du kW (cas d’un dimensionnement en puissance)

10

100

1000

10000

100 1000 10000

Investissement par unité de puissance (€/kW)

Inve

stis

sem

ent p

ar u

nité

d'é

nerg

ie

(€/k

Wh)

Batteries plomb acide

batteries à circulation

Li - ion

Hydraulique

Air compriméThermique

de 40 à 2000 €/kWh

Exemple Pb-acideavec 150 €/kWh et 1000 cycles0,15 €/kWh !

de 300 à 3000 €/kW

Jacques RUER, SAIPEM, ECRIN

Critères de comparaison :Cyclabilité, rendement

Exemple batterie Pb-acide :

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10

0,2

0,4

0,6

0,8

1

État de charge

Ren

dem

ent

CHARGE

DÉCHARGE

Pbat=1kW

Pbat=3kWPbat=2kW

Pbat=4kW

Zone Optimale

Attention à la caractérisation du rendement (pb complexe)

www.electricitystorage.org

Densité (massique ou volumique) d’énergie

www.electricitystorage.org

NiMH

Densité d’énergie et de puissance

(représentation plus intéressante pour les applications embarquées ou portables)diagramme de Ragone

Stockage à petite échelle

charge-décharge1 heure

charge-décharge0,1 heure

10 heures

Systèmes non rechargeablesélectriquement

Pb Li Ni/Cd NiZn NiMh SuperCond.

Redox Zn-air

Fuel cell

Flywheel Comp. air

Nominal costEuros/kWh

100 to200

700 to 1000

200 to 600

50 to 200

600 to 750

100 000

150 to 600

? ? ? 350

Cycling 1500 500 3000 200 1000 100 000

10000 50 ? 100 000 100 000

Running costEuros/kWh

0.03 to 0.1

Coûts d’investissement et du kWh stocké pour les « systèmes petite échelle »

(1)

1.4 to 2

(1)

0.07 to 0.2 (1)

0.25 to 1

(1)

0.6 to 0.75 (1)

1 0.02 to0.06(2)

? ? ? 0.004 (2)

(1) Coût de fonctionnement à 20% DOD

(2) Attention : le prix d’inclut pas tous les éléments du système (pompes, maintenance…) ni les pertes énergétiques.

Anne FALANGA (CEA) « Piles à combustibles réversibles et système électrolyseurs/PAC », GT Stockage – ECRIN, 12 juil. 2002.

Comparatifs de systèmes « grande échelle » (pas de coût estimatif…)

Hydraulique Air comprimé

Batteries électrochimiques

Batteries àcirculation

Thermique

Forme d’énergie gravitaire air comprimé chimique chimique chaleur

Densité d’énergie1 kWh/m3 pour

une chute de 360 m

12 kWh par m3

de caverne à 100 bars

Batterie au plomb : 33 kWh/t

Batterie Li-ion : 100 kWh/t

33 kWh/m3 200 kWh/m3

Capacité réalisable 1000 – 100000 MWh

100 – 10000 MWh

0,1 – 10 MWh 10 – 100 MWh 1000 – 100000 MWh

Puissance réalisable 100 – 1000 MW 100 – 1000 MW 0,1 – 10 MW 1 – 10 MW 10 – 100 MW

Rendement électrique65% - 80%

50% (avec l’apport de gaz

naturel)70% 70% 60%

Installations existantes 100 000 MWh1000 MW

600 MWh290 MW

40 MWh10 MW

120 MWh15 MW

-

Remarques Sites avec retenues d’eau

Sites avec cavernes

Métaux lourds Produits chimiques A évaluer

Jacques RUER, SAIPEM, ECRIN

Travaux de SATIE Rennes :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

6 7 8 9 10 11 12 1350

100

150

200

Puissance crête PV installée (kW)

Cap

acité

de

stoc

kage

(kW

h)

Zone optimale

95

100

105

110

115

120

125

130

135

55%

45%Énergie produite95963 kWh

Énergie gâchée73397 kWh

57%

43%Energie délestée

73 400 kWh

Bilan énergétique sur les 15 ansk€

Système photovoltaïque autonome avec batteries, optimum économique

Interprétation…

Bilan optimum économique

Besoin de meilleurs modèles des batteries, surtout en vieillissement…

Stockage au niveau du consommateurStockage au niveau du consommateur

Ecrêtage en puissance :un problème apparemment simple…

0 3 6 9 12 15 18 21 24-3

-2

-1

0

1

2

3

Temps (heure)

P con

v (kW

)

Ecrêtage à 3 kW, - puissance fournie par l’accumulateur- puissance de recharge max possible ---

Stratégie à optimiser compte tenu de - la nécessité de disposer d’une réserve d’énergie suffisante pour satisfaire les pics (prévision…)- la liberté de choix de la puissance de recharge

0 3 6 9 12 15 18 21 24-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Temps (heure)

Pba

t (kW

)

Puissance batterie calucléePuissance batterie possible

Exemple 1 : exploitation de la puissance maxi disponible durant les recharge

Exemple 2 : limitation de la puissance maxi de recharge à 1 kW

0 3 6 9 12 15 18 21 24-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Temps (heure)

Pba

t (kW

)

Puissance batterie calucléePuissance batterie possible

limitation de recharge, Pch

0 3 6 9 12 15 18 21 24-2

0

2

4

6

8

Temps (heure)

Éne

rgie

éch

angé

e (k

Wh)

0 3 6 9 12 15 18 21 24-2

0

2

4

6

8

Temps (heure)

Éne

rgie

éch

angé

e (k

Wh)

Exemple 1 : 6 kWh perdus à la fin de la journée (pertes batteries)

En réduisant la puissance : 4 kWh perdus… possibilité d’optimisation, mais pb non déterministe.

Lissage de puissance consommée : un pb un peu plus complexe

0 3 6 9 12 15 18 21 24-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

Temps (heure)

Var

iatio

n d’

éner

gie

(kW

h)

2,32 kWh

Sans pertes énergétiques : variation d’énergie pour une puissance consommée constante : Avec prise en compte des pertes

(mais un pb déterministe) :

Puissance de lissage

5 10 15 2013.5

14

14.5

15

15.5

16

16.5

17

17.5

1.10 * moyenne1.15 * moyenne1.20 * moyenne1.25 * moyenne1.30 * moyenne1.35 * moyenne

Capacité de stockage (kWh)

Sur

coût

(k€)

Minimum de coût du lissage sur 15 ans : compromis entre énergie gâchée

et capacité de stockage

La puissance moyenne de consigne doit être définie en tenant compte de la consommation prévue et des pertes de stockage…

En présence d’une production fluctuante (PV, éolienne, houlomotrice…), le problème se complexifie.

Nécessité d’une approche stochastique et de prévision.

Travaux en cours en collaboration avec :- l’IRISA (Système aléatoires, utilisation des outils de l’Intelligence artificielle) - Météo France (prévisionnistes)

Thèse Gaël ROBIN.

Stockage électromécaniqueStockage électromécanique

Vacuum envelope

Magnetic bearings Ω

electrical machineSystemSystemcontrolcontrol

DCBus

Power reference

Flywheel

Stationary applicationStationary application

Cost minimizationCost minimization

Magnetic bearings

Low cost and consumption Low cost and consumption SimpleSimple

Magnetic bearing ((LEGLEG))

SemiSemi--actiactiveveZeroZero power control power control

looploop

flywheelflywheel

statorstator

Solid steel cylinderSolid steel cylinder

flywheel

solid steel disc

armature windingfield winding

epoxy resin

SM

J

inertial load

DC

AC

Udc

Currentregulator Pow er

reference*

I* P* Pow ercontroller

PWM

If*

,θ Ω

THE CONTROLTHE CONTROLSelf commutationSelf commutation

High High speedsspeedsLow accelerationsLow accelerations

Simple Simple sensorsensor(one impulse/rotation)(one impulse/rotation)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3x 104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

vitesse (tr/min)

η

fonct. à excitation variable

fonct. à excitation max. constante

If optimalIf optimal

If = If max =If = If max =cstcst

speed (speed (rpmrpm))

LowLowpowerpower

LossesLosses minimisationminimisation

loss

eslo

sses

ConclusionConclusion

La 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’ils sont électrochimiques- Les accumulateurs électrochimiques ne nous semblent pas être de bons candidats flywheel, SMES, supercondensateur,

complémentarité hydrogène…