Le stockage d’énergie pour la production de l’électricité

Kiosque Citoyen - Rennes 20 septembre 2010. Bernard MULTON ENS Cachan - Bretagne1

Bernard MULTONEcole Normale Supérieure de Cachan

Laboratoire SATIE - CNRSSite de Bretagne

Le stockage d’énergie pour la Le stockage d’énergie pour la production de production de

l’électricité de demainl’électricité de demain

Kiosque Citoyen - Rennes 20 septembre 2010. Bernard MULTON ENS Cachan - Bretagne

Besoins en stockage d’électricité :Besoins en stockage d’électricité :

- systèmes autonomes, portables

- véhicules tout électriques et hybrides

-- systèmes électriques stationnaires systèmes électriques stationnaires


Place de l’électricité Place de l’électricité

dans le mix énergétique mondialdans le mix énergétique mondial


De l’énergie «primaire» à l’énergie «finale»Place de l’électricité 2008

Source AIE (Key World Energy Stat. 2010)

Total ≅ 142 000 TWh

20 200 Twheproduits à partir de

55 000 TWh primaires(39% de l’énergie totale)

production électricité primaire

Finale

16 700 TWh d’électricité finalepour donner :

Primaire

%69≅globalη

%30e ≅η

17% de pertes transport et autres…

Renouvelables< 13%

Total ≅ 98 000 TWh1 TWh = 1 milliards de kWh


Production mondiale d’énergie électrique par source (2008)

81 % de l’électricité mondialeest d’origine non renouvelable

Charbon : 40,3% Gaz : 19,7%Pétrole : 6,6%

(+ 1,7% / 2007 et 4,6% 2007/2006)

Source : La production d'électricité d'origine renouvelable dans le mondeObserv’ER 2009


Production mondiale d’énergie électrique renouvelable (2008)

Source : La production d'électricité d'origine renouvelable dans le mondeObserv’ER 2009

(+ 4,4%/2007 et + 3,6% / 2007/2006)

Avec + 20%/an pendant 10 ans (+30% 2009/2008)

puis + 10%/an pendant 10 ans : la production éolienne atteindrait 3400 TWh en 2030

Avec + 30%/an pendant 10 ans (+40% 2009/2008)

puis + 20%/an pendant 10 ans : la production solaire atteindrait 1000 TWh en 2030


Pourquoi stocker ?Pourquoi stocker ?

- améliorer et sécuriser la gestion du réseau dans un contexte :de marchés peu régulésde croissance des systèmes de production non pilotés par la demande

- augmenter la pénétration des sources intermittentes renouvelableséoliennes, photovoltaïques, houlomotrices…

Alimentation en électricité plus sûre et plus robuste

Développement durable (CO2, sécurité énergétique…)

- permettre l’îlotage de consommateurs (éventuellement producteurs)

- réduire les émissions de CO2


-- existeexiste--tt--il des solutions de stockage d’électricité il des solutions de stockage d’électricité adaptées et techniquement viables ?adaptées et techniquement viables ?

-- peutpeut--on amortir économiquement de tels systèmes dans on amortir économiquement de tels systèmes dans un contexte de marché libéré ?un contexte de marché libéré ?

-- à quel niveau à quel niveau (du producteur au consommateur)(du producteur au consommateur)

estest--il préférable de stocker l’électricité ? il préférable de stocker l’électricité ?

Les questions :Les questions :


Source : revue ABB mars 2000

Système électrique en réseau :Système électrique en réseau :niveaux production, transport, consommateur niveaux production, transport, consommateur


StockerStocker au niveau des générateurs fluctuants?au niveau des générateurs fluctuants?

Amélioration de la participation aux « services systèmes » :

contrôle des puissancesactive et réactive

Source : Kariniotakis, CENERG

Donc meilleure intégration dans les marchés ouverts de l’énergie…

Production d’une ferme éolienne :

Les premières applications pilotes apparaissent : photovoltaïque, éolien…


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

Capacité de stockage déjà installée (début 2000, en croissance) :- Monde : 140 GW (hydraulique gravitaire) sur 3800 GW soit 3,6 %- France : 6,3 GW sur 116 GW soit 5,4%

un dimanche de décembre 2001

Courbes de production/consommation

un mardi de décembre 2001

StockerStocker au niveau du réseau de transport ?au niveau du réseau de transport ?


- sûreté de fonctionnement, - lissage ou écrêtage de consommation,- meilleur dimensionnement du réseau de distribution,- possibilité d’îlotage permanent si présence de production locale

Déjà des applications en secours (électrochimiques, volants d’inertie, groupes électrogènes)

Rapport Pmax/Pmoy

de l’ordre de 10

StockerStocker au niveau des consommateurs ?au niveau des consommateurs ?


PeutPeut--on amortir économiquement ?on amortir économiquement ?- oui dans certains cas aujourd’hui :

applications non connectées au réseau (sites isolés)

applications critiques (coût très élevé d’un arrêt)

réseaux « faibles » avec

des interruptions de service fréquentes

- non dans la grande majorité des cas actuels en réseaux

où les coûts globaux (environnementaux et de qualité du service)

ne sont pas (encore bien) répercutés sur les

producteurs et/ou les consommateurs

- mais de nouveaux cas arrivent : lorsque le taux de pénétration

des sources intermittentes devient élevé (> 30%)

et/ou que la production traditionnelle est très coûteuse


Caractéristiques Caractéristiques génériquesgénériquesdesdes systèmes desystèmes de stockagestockage


Capacité énergétique Wstoc en Wh (wattheures)grandeur généralement la plus dimensionnante

(la « taille » du réservoir d’énergie)

La part exploitable est fonction du rendement de charge ou décharge, elle varie donc avec le temps de transfert :

- pertes « en charge »- pertes d’auto-décharge

Limites en décharge profonde (par exemple une batterie lithium limitée à 80% de profondeur de décharge)

Energie exploitable Wutil toujours inférieure à la capacité énergétique

=> Attention à la définition de la capacité énergétique.


Puissance maximale Pmax (watts) charge ou décharge(la « taille » du tuyau et du robinet)

Rapport = « constante de temps »τ=max

util

P

W

Exemple : système de stockage hydraulique gravitaire

Masse d’eauDénivelée entre les bassins haut et bas

Puissance des groupes réversibles turbines-machines électriques

Section des canalisations

Capacité de stockageW = M.g.h

Puissance maximale

Découplage Energie / Puissance constante de temps ajustable


Rendement : η : énergie restituée sur énergie prélevée

Définition souvent trop simpliste.

Le rendement doit être défini sur des cycles réalistesen rapport avec l’application.

Un système de stockage optimisépour une faible « constante de temps » aura :

- un meilleur rendement pour des sollicitations rapides - et éventuellement une assez forte auto-décharge, donc un

mauvais rendement sur des cycles avec de longues périodes de repos.


Nombre maximal de cyclesde charge-décharge (cyclabilité) Ncycl :

dû à la fatigue ou à l’usure lors des cycles

Le cyclage constitue généralement la première cause de vieillissement.

Cyclabilité fortement liée à l’amplitude des cycles

et à d’autres paramètres.


Exemple de caractéristique de vieillissement en cyclage(technologie Lithium-Ion NCA)

Doc. Saft

25 000 à 2000.Wmaxi de 5% à 80% de DOD

Source : Saft


Coûts : - d’investissement (part la plus marquante pour l’acheteur)

Ce qu’il faudrait faire :coût d’investissement total : Cinv_tot = cW.Wutil + cP.Pmax

avec cW et cP respectivement en €/kWh et €/kW

Coût d’investissement généralement spécifié :- en €/kWh pour les accumulateurs à longue constante de temps

(dimensionnés en Energie)ou

- en €/kW pour ceux à faible constante de temps(plutôt dimensionnés en Puissance)

- de fonctionnement (maintenance, énergie perdue lors des cycles, vieillissement).


Minimisation du coût : sur l’ensemble du cycle de viedu système complet incluant le dispositif de stockage.

Dans une logique de développement durable : prise en compte du coût sur cycle de vie, incluant les dépenses de matières premières, d’énergie et autres coûts environnementaux

Les systèmes de stokage les moins coûteux à l’investissement sont généralement ceux qui se dégradent le plus vite en cyclage

et dont le rendement est le plus mauvais.

Exemple : batterie électrochimique au plomb-acide 200 €/kWh avec 1300 cycles et pertes non prises en compte :« Coût d’usure » : 0,15 €/kWhOu encore : sur 20 ans avec 1 cycle par jour (7300 cycles cumulés), la batterie doit être remplacée 5 fois


Autres caractéristiques :

-énergie massique (particulièrement importante dans les applications embarquées, moindre importance dans les applications stationnaires),

- énergie volumique,

- sécurité (explosion, rejets…),

- temps de réponse (démarrage), etc…


Moyens de stockage d’électricitéMoyens de stockage d’électricité

Classification fréquente en moyens directs et indirects :peu d’importance car, quel que soit le moyen de stockage,

il est nécessaire d’utiliser un ou plusieurs convertisseurs électroniques d’adaptation


Super-condensateurs : adaptés à des charges/décharges rapides

La tension varie avec l’état énergétique 2cc U.C

2

1W =

Pour une exploitation de 90% de l’énergie maximale stockée : La tension doit varier dans des proportions de 1 à 3

Alors pour exploiter Pmax :Nécessité d’un surdimensionnement

du convertisseur électronique d’un facteur 3.

Nécessité d’un convertisseur d’adaptation :

Source : Maxwell


Inductances supraconductrices (SMES) :

ACCEL Instruments GmbH www.accel.de

2 MJ (0,5 kWh) – 200 kW (τ = 10 s)Supra LTC NbTi – 4,5 K

760 mm

600 mm

Applications accuelles : faibles constantes de temps, comme les super-condensateurs


Volants d’inertie :

Enceinte sous vide

Paliers magnétiques Ω

Moteur-générateur

SystemSystemcontrolcontrol

DC

Bus

Pconsigne

Source:. BeaconPower


Accumulateurs électrochimiques :(les plus connus, largement utilisés dans les applications portables) :

Nombreuses technologies disponibles (différents compromis performances – coût)

Plomb-acideNickel-Cadmium (NiCd)Nickel-Métal-Hydrures (NiMH)Lithium (nombreuses variantes)

Sodium-soufre (haute température : 350°C)

…

Les valeurs d’énergie massique les plus élevées (30 à 200 Wh/kg)mais une faible tenue en cyclage (qq 100 à qq 1000 cycles)


Accumulateurs à air comprimé avec fluide d’interface (eau ou huile)

Moteur-compresseur hydraulique etcompressions/décompressions quasi isothermes

haut rendement de conversion

Source : LEI - EPFL, LEMOFOUET, RUFER

Potentiel de bas coût 3 c€/kWh sur vie complète (mais pas encore de produits commerciaux)


Moyens de stockage à grande échelleMoyens de stockage à grande échelle

Plutôt destinés à un fonctionnement au niveau du réseauou des systèmes de production intermittente

de « grande puissance » : éoliens, photovoltaïques, houlomoteurs…

Source : Denis Delbecq


Gravitaire hydraulique

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Retenue d'eau inférieure

Retenue d'eau supérieure

Conduite forcée

Ensemble Pompes et Turbines

Rendement : 70 %Démarrage : 10 à 15 minCapacité : 1 à qq 100 GWh Puissance : 100 à 1000 MW

Exemple : Grand-Maison935 m de dénivelée, 170 Mm3

400 GWh

1400 MW en pompage1800 MW en turbinage


Stockage adiabatique par air comprimé en caverne

Source : RWE

Inclut une récupération de la chaleur lors de la compression

Réservoirs de chaleur >600°C

Projet ADELE (RWE) : 1 000 MWh – 200 MW(2013) Rendement ≅ 70%

Vers cavernes(air comprimé)

Source : German Aerospace Center

Source : Alstom Power 2004


Batteries électrochimiques :quelques expériences à grande échelle…

Fairbanks Alaska (2003)Nickel-Cadmium (1000 tonnes)

Durée de vie escomptée : 25 ans

Capacité : 40 MW durant 7 mn (4,7 MWh)ou 27 MW durant 15 mn (6,7 MWh)

Coût : 28 M€soit :

4000 Euros/kWh ou 700 Euros/kW

Durant l’année 2004 : 55 décharges

Source : ABB


Batteries Sodium Soufre (NaS)

300°CRendement charge/décharge : 75 %Vie : 15 ans 2500 cycles à 100% DOD4500 cycles à 80% DOD

Élément : 2 V1,12 kWh Source: NGK

Batterie : 384 éléments 64 ou 128 V

50 kW – 300 kWhMasse : 3500 kg

Pertes de chauffage : 3,4 kW

Ensemble 2 MW – 12 MWh (40 modules)172 tonnesL : 10 m - P : 3,6 m H : 4.7 m

Charleston American Electric Power (AEP), http://www.technologyreview.com/


Batteries à circulation (Redox flow batteries)

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Energie volumique : 10 à 30 kWh/m3

Rendement : 70 % à 90%Capacité : 1 à qq 100 MWhPuissance : 1 à 10 MWquelques heures (4 à 8)

Redresseur-

Onduleur

Réservoir d'électrolyte

oxydant

Réservoir d'électrolyte

réducteur

Pompe de circulation

d'électrolyte Membrane sélective

composés chimiques, de stockage de l’énergie, liquides en solution dans l’électrolyte.

Technologies : ZnBr (Zinc-brome)NaBr (Sodium-brome)VBr (Vanadium-brome) (VRB : vanadium redox battery)Polysulfide Bromide battery (PSB)


Le stockage d’énergie :Un enjeu majeur pour permettre une réelle pénétration des ressources renouvelables

Des problèmes techniques : oui, le stockage est coûteux mais possible

(électrique, thermique…) et contribuer au développement durable

Le stockage constitue l’un des degrés d’action pour permettre l’introduction massive de la production d’électricité d’origine renouvelable et intermittente (solaire, vent, houle…)

CONCLUSIONCONCLUSION

Ne pas oublier qu’il est parfois plus efficace de stocker l’énergie sous forme de chaleur avant de produire de l’électricité :

- centrales solaires thermodynamiques à concentration, - centrales thermiques classiques ??


Merci pour votre attention…Merci pour votre attention…

Source : Commercial Successes in Power StorageIEEE Power & Energy Magazine, march/april 2005

Documents

Le stockage d’énergie pour la production de l’électricité