2IWH 2007, 27-29 October 2007, Ghardaa Algeria
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ROLE DE LHYDROGENE DANS LE STOCKAGE DE LELECTRICITE A BASE DES ENERGIES RENOUVELABLES
Rachid BENCHRIFA, Abdelaziz BENNOUNA et Driss ZEJLI
Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique Unit technologies conomies des nergies renouvelables
BP. 8027, Agdal Rabat (Maroc) E-mail : [email protected]
RSUM : Le dveloppement des nergies renouvelables, qualifies par nergies flux et rgime intermittent, ncessite le recours des moyens de stockage fiables. Lintroduction massive de llectricit base des nergies renouvelables dans la production de puissance ncessite le stockage sous diffrentes formes, afin de pallier laspect intermittent, viter le problme de dstabilisation du rseau de distribution et rendre cette production adquate avec la demande du consommateur. Lensemble des technologies dhydrogne, de la production lutilisation en passant par les technologies de stockage, de transport et de distribution de ce vecteur nergtique futur, est appel jouer un rle essentiel dans ce domaine. Dans ce papier, les auteurs prsentent les caractristiques principales des diffrents modes de stockage dlectricit, et en particulier les technologies de lhydrogne (de llectrolyse la production dlectricit en utilisant les piles combustible) comme mode efficace pour le stockage futur des nergies renouvelables.
MOTS CLES : stockage ; olienne ; thermosolaire ; lectrolyseur ; hydrogne.
1 Introduction Le stockage de lnergie est lun des composants principaux du systme nergtique actuel et il est appel se dvelopper davantage dans lavenir. Souvent les sources nergtiques originales, ont des caractristiques nergtiques ne rpondant pas convenablement aux besoins du consommateur. Pour avoir une meilleure adquation entre la demande en nergie dans le temps et dans lespace et son offre, des capacits importantes de stockage sont ncessaires. Est ce quon peut stocker llectricit? La rponse est oui. Llectricit peut en effet tre stocke directement dans des supercondensateurs et dans des supraconducteurs, ou indirectement par sa transformation en dautres formes nergtiques. La forme nergtique de stockage peut tre mcanique en comprimant lair ou en pompant leau des niveaux suprieurs, ou chimique dans des batteries ou par la production de lhydrogne. Actuellement, le stockage de llectricit se fait souvent dans le but de permettre une meilleure utilisation des installations de production de base pendant des heures creuses, et une fourniture plus conomique de llectricit pendant les heures de pointe. Le cot minimal de production du kWh est obtenu quand les units de production fonctionnent avec leur puissance nominale. Le fonctionnement de ces units en dessous de leurs puissances nominales entrane des cots de kWh plus levs. En plus le cot de production du kWh varie avec la dure annuelle de fonctionnement et le cot du combustible utilis. En gnral le cot de production des installations de base (fonctionnant environ 7000 heures par an) est le plus bas. Ensuite, le cot des installations pour la production durant les heures pleines (fonctionnant environ 5000 heures par an). Et enfin le cot de production le plus lev est celui des installations pour la production de pointe (fonctionnant environ 2500 heures par an). En effet, le systme de stockage ne sera conomique que lorsque lensemble des cots, dinvestissement, de maintenance et de fonctionnement du systme de stockage est infrieur la diffrence entre le cot de production pour le stockage (production supplmentaire des installations de base pendant les heures creuses) et de la production normale des installations de pointe. Les technologies de stockage rendent aussi le systme de production nergtique plus stable et plus flexible dans son fonctionnement et amliorent lefficacit et la qualit de la production. Ainsi les producteurs utilisent le stockage pour pallier les micros coupures, stabiliser le rseau au niveau de la frquence et la tension et amliorer le suivi de la charge en permettant la meilleure gestion possible du parc de production. La figure 1 prsente les domaines dinfluence du stockage dlectricit pour les rseaux dlectricit dune puissance de plusieurs GW.
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Figure 1 : Domaines dinfluence du stockage dlectricit
Tout le monde est convaincu que les nergies renouvelables composeront une part importante du bouquet nergtique futur. Domestiquer ces sources dnergie pour la production de llectricit, dpend en premier lieu du cot et de lefficacit des technologies de production. Linjection de llectricit produite partir de ces sources renouvelables intermittentes dans le rseau, gnre un certain nombre de complications. Linsertion dune interface de stockage rduirait considrablement ces complications. Ainsi, le dveloppement de ces sources dpendra des percs technologiques que connatrons les technologies de stockage. Le stockage chimique dnergie sous forme de vecteurs fluides et solides, bien dvelopp par la nature (sous forme de biomasse et ressources fossiles), reprsente une voie prometteuse pour pallier lintermittence des ressources renouvelables. Une des solutions prometteuses est celle de la production dhydrogne particulirement au moyen de lnergie olienne et solaire. La possibilit dutiliser lhydrogne grande chelle que ce soit dans le domaine de transport ou dans la production de llectricit de bonne qualit augmentera le potentiel dexploitation des nergies renouvelables.
2 Etat de lart des technologies de stockage de llectricit Le stockage en gnral implique un certain nombre de technologies, anciennes et modernes, qui sont bases sur un cycle de stockage - dstockage quotidien et qui peut stendre un stockage saisonnier dnergie. Ces technologies couvrent un large spectre dapplications : - Des applications pour amliorer la qualit du courant et qui ont en gnral un temps de rponse trs court (infrieur une seconde) et temps de fonctionnement de quelques minutes, telles que le volant dinertie, les supercondensateurs, les supraconducteurs et le stockage dans des batteries lectrochimiques, - Des applications amliorant la rentabilit du systme de production et qui ont un temps de rponse un peu plus long (quelques dizaines de secondes quelques minutes) et un temps de fonctionnement de quelques heures, telles que le pompage de leau et la compression dair. Lintroduction de lhydrogne comme vecteur nergtique pour le stockage dnergie renouvelable grande chelle, prsente un intrt particulier dans le dveloppement futur des ces sources nergtiques (figure 2). En gnral, chaque systme dispose de ses propres paramtres de performance dterminants les champs de son application, toutefois, une comparaison approche base sur quelques paramtres tels que le temps de rponse, densits nergtiques, est donne dans le tableau 1. On se limitera dans la suite de ce papier aux technologies de stockage grande chelle.
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Figure 2 : Quelques technologies de stockages selon les domaines dinfluence
2.1 Stockage par compression dair. Le stockage par compression dair est une technologie base sur le stockage de lair comprim dans des cavernes. Llectricit dorigine renouvelable ou llectricit produite pendant les priodes de faible demande dnergie est utilise par les compresseurs dair. La grande partie de cette nergie est stocke sous forme dnergie potentielle, le reste est stocke sous forme de chaleur. Pour rcuprer lnergie stocke, lair comprim est prchauff par la chaleur stocke lors de la compression et mlang avec une petite quantit de ptrole ou de gaz et brl. Les gaz de combustion sont envoys vers une turbine. Ce systme est dot dun bon temps de rponse et dun bon rendement denviron 60%.
Tableau 1 : Classification de quelques technologies de stockage dnergie et leurs caractristiques
Stockage Dlectricit
Mode de stockage Technologies Rendement % Densit nergtique
Temps de rponse
Capacit de stockage
Hydrogne liquide 50 2,33kWh/l (23K) qq mn
Hydrogne comprim 60 300 600 Wh/kg (200 350 bars) qq s
Electrolyse/H2/PAC 30 50 - qq mn
qq 100 MWh
qq 100GWh
Batterie circulation 70 33kWh/m3 - 10 qq 100 MWh Pb 33kWh/t qq 1/10 s El
ectro
chim
ique
Batterie Li 70 90 100kWh/t qq 1/10 s 0,1 100 MWh
Pompage deau 360m de hauteur 80 1 kWh/m
3 qq s 1 100 GWh
caverne 60 12kWh/m3 qq mn 0,1 10 GWh Compression dair bouteille 80 8 Wh/kg qq s qq kWh qq 10 kWh m
can
ique
statique
Volant dinertie 80 90 1 5Wh/kg qq s qq kWh qq 10 kWh
Indi
rect
thermique Vapeur deau 60 200kWh/m3 qq mn 1 100 GWh Supraconducteur 90 95 10 60 Wh/kg qq 1/100 s qq kWh direct lectrique supercondensateur 90 95 1 5 Wh/kg qq 1/100 s qq kWh
2.2 Stockage par pompage deau. Le stockage par pompage consiste stocker llectricit en excs ou llectricit dorigine renouvelable en pompant leau dun niveau infrieur un rservoir situ un niveau suprieur. Ainsi lnergie lectrique est stocke sous forme dnergie potentielle. Pour rcuprer lnergie stocke, leau est ensuite turbine. Le systme est dot en gnral dun bon rendement qui peut atteindre 80% selon la diffrence de hauteur entre deux rservoirs. Le tableau regroupe un schma et des photos de la station de stockage de lnergie lectrique par pompage dAfourar situ dans la province dAzilal. Cette station dune puissance de 463 MW a t mise en service par lOffice Nationale dElectricit (ONE) en 2004 (tableau 2).
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Bassin infrieur
Bassin suprieur
Tableau 2 : Schma et Photos de la station de stockage de lnergie lectrique par pompage dAfourar (lONE).
2.3 Stockage par production et utilisation dhydrogne Comme il a t dj soulign dans
