Réussir l’efficacité énergétique du vecteur électrique

Réussir l’efficacité énergétique du vecteur électrique : Des principes thermodynamiques à une description

multi-échelles

Vincent MazauricStrategy & Innovation

26 janvier 2011 – Ivry s/ Seine

La chaîne énergétique (d’après AIE 2007)

Schneider Electric 2- Strategy & Innovation – V. Mazauric – 26 janvier 2011

Une tendance constatée dans la durée

Quel que soit:le secteurle pallier technologiquele cycle économique

aux USA

Une évolution d’autant plus critique que l’électricités’impose comme le vecteurd’énergie universel


Une contribution essentielle aux GES


Une équation délicate vers la soutenabilité

Démographie: Croissance des pays émergents Remplacement des capacités dans les pays développés Densification urbaine:

50% aujourd’hui, 80% in 2100réseaux d’énergie à forte densité

Terre: Un système chimique ferméDéplétion des ressources fossiles (et fissiles):

Peak oil: 2020Peak gas: 2030Environ deux siècles pour le charbon et l’uranium

Changement climatique:La génération électrique est à l’origine de 45% des émissions de CO2L’efficacité du système électrique est de seulement 27% (35% pour l’ensemble des vecteurs)

Terre: Un système énergétique ouvert L’énergie domestiquée est 10.000 fois plus petite que le flux naturel

(solaire, éolien, géothermie, marine)Mais les apports naturels sont très dilués et intermittents



Description thermodynamiqueDe l’énergie à l’électromagnétisme

Description du champ électromagnétique


Couplages: magnétique courants libres I thermostat pertes Joule "RI2"

La régie électrique agit sur: La puissance mécanique Pm

L’excitation du rotor Iexc

Work flow

Heat transfer

heat tank T

EM field end-usersδWout

network

RI2

δWingenerator

− φ Iexc

RI2 RI2

1er Principe:

tSTP

tU th

m dd

dd

−= ( )tt

StS

tG

SUG

RI

thm d

Idd

dddT

ddP

ITexc

0

exc

2

φφ

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=−

−−=

>44 344 21

Fonctions d’état:

Une tendance à la réversibilité

Work flow

Heat transfer

heat tank T

EM field end-usersδWout

network

RI2

δWingenerator

− φ Iexc

RI2 RI2

L’équation de Maxwell-Faraday correspond à l’évolution la plus réversible:Toutes les pertes (conversion, distribution, usage) sont réductiblesFormalisme multi-échelles (filtrage + champ moyen) avec quelques déclinaisons:lois dispersives, outils de conception, critère d’erreurPermet une représentation agrégée du système électrique pour discuter les conditions de stabilité


Décomposition des pertes

espace

1µm 1mm 1m 1km 1000km

temps

1µs

1ms

1s

10s

planningLois de Kirchhoffmulti-stationnaire

FiniteElementMethods

Quasi-statique

Multi-statique (DC)

PEEC



Pertes dynamiques dans les matériaux magnétiques

Décomposition des pertes

Pertes macroscopiques: Induites par les courants de

Foucault macroscopiques.

Pertes microscopiques: Induites par le mouvement des

parois, Pertes par excès ou anormales.

Pertes statiques: Spin-flip dans la paroi.

H

mm

µm

nm

e

e

mm

µm

nm

mm

µm

nm

ee

ee


Confrontation des modèles

Modèle classique:

Modèle de diffusion retardée:⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

Λ−= −

tdiffBHB 21ρδµδ

JE ρ=phénoménologique

HB δµδ diff=JE ρ=

les pertes Joule sont sous évaluées

x y

z ∫∫ ⋅=xS x dzdyuBΦ

Sx

NΛ

ωj→∂∂t

Time harmonic regime

M.-A. Raulet, B. Ducharne, J.-P. Masson, and G. Bayada, "The magnetic field diffusion equation including dynamic hysteresis: A linear formulation of the problem," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 40, pp. 872-875, 2004.

Loi d’Ohm déviée:HB δµδ diff=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

Λ−= −

tBcurlJE 21ρρ

dérivé de l’approche thermodynamiqueV. Mazauric, O. Maloberti, G. Meunier, A. Kedous-Lebouc, O. Geoffroy, and Y. Rebière, "An energy-based model for dynamic hysteresis," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, pp. 3766-3768, 2005.



mµ2,105=ΛmJ86,5=ε

67451,02 =R

mµ4,97=ΛmJ110.02,5 −=ε

99811,02 =R

Nippon Steel GO HI-B Fe-Si 3%



Modélisation des phénomènes d’induction

ThermodynamicsPrinciples, Reversibility

Variationalformulations

Weak formulations

Maxwell's equations

MeshShape functions

Finite element functional

Weighted residuals

Field calculationLorentz's forceMaxwell's tensor

Conversion de puissance

Virtual work principle


Précision des calculs de courants de Foucault Psuplied

Pspent

Psupplied

Pspent

Dépasser les critères d’erreur classique: géométriqueConservation du flux magnétique (statique)


( ) ( ) ( ) ( ) ( )Ω+Ω−Ω−Ω=Ω mJouleelec Pdd

tFPPε

∆t =0.5·10-6 s Number of Time Step : 2

Number of Time Step : 3 (before

remeshing)

Number of Time Step : 3 (after remeshing)

U (V) 3.1·10-1 5.9·10-1 5.9·10-1

I (A) 7.3·10-4 2.1·10-3 1.4·10-3

G(J) -1.61·10-9 -1.34·10-8 -5.89·10-9

G/I2 (J.A-2) -3.05·10-3 -3.06·10-3 -3.09·10-3

Pm-dG/dt+Pelec 2.5·10-2 9.4·10-3

Equation de Poynting:

L. Rondot, V. Mazauric, and P. Wendling, "An energy-compliant magnetodynamic error criterion for eddy-currentcalculations," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, pp. 2353-2356, 2010.

Raffinements 3Dchauffage par induction



Intégrité de signal

~L

+ + + +

− − − −

Zload

E

HS

~e

For λ >> L, l’invariance galiléenne procure:

Régime Quasi-Statique Magnetic Régime Quasi-Statique Electrique

E

HS BE c<< E

HS

BE c>>

load2

0 ZLe

ε ωelecm PddGP +−

t( ) ( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+ ∫∫ r

tr

C

332 ddddmin HH1-

EH,Bcurlσ

( ) ( )

( ) ⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⋅+

⋅+

∫

∫∫

D

CC

rt

rt

r

3

332

ddd

dddd

minE

HH1-

EH, D

Bcurlσ



Management de l’énergie électrique

Vers la “smart grid”

Active Energy Efficiency: Energy visibility& means to act

2ActiveDistributionTransmission

Distributed Generation

1

RenewableBackupPower

Renewable Energy Generation

1

Residential

Commercial

Industrial

ConsumersIntelligent Intelligent

4 Real-timeGrid management

ElectricVehicles & Energy Storage

3

ElectricVehicleTransportation

Centralised Generation


Ajustement de la demande

Inrush

out

in

Pm

t

RI2

tφIexc

tmonitoring

Les pertes augmentent: fréquence des

opérations l’amplitude des

ajustements le bas niveau de

tension


centralisé versus décentralisé

La production domine le système énergétique (tension et fréquence):Stabilité sous fluctuation de charge Production “élastique” (sur-)investissements importants en

générationPertes de transport et distributionPertes de fiabilité (mix)

Les corrélations entre consommateurs sont non-significatives: Convergence entre l’autorité de

régulation et le producteur

La demande contrôle le système énergétique, voire fixe sa topologie: Génération diffuse permettant

l’implémentation des EnR Pertes de distribution seulement Investissement en contrôle Fragilité sous fluctuation de charge

(demande et production intermittente)Système fortement corrélé:

Séparation entre l’autorité de régulation et les fournisseurs/«joueurs»


centralized decentralized

Relaxation time

under spinning reserve few mn lower

load or generation kinetic reserve few s lower

fluctuation magnetic linkage (transmission) 10 ms lower

elasticity of generation few mn no (AC/DC static converters)

Losses

self-consumption

auto-control monitoring and data processing

T&D losses

reliability losses ???

Investment

sizing of capacity global peak Σ (local deficits)

backup/storage discard peak balance intermittency

demand response discard peak minimize local deficit

generation & transmission 10.000 BillionUS$ (WEO, IEA 2003) ???

Systemic risk weak but global important but isolated

Emissions/Depletion

hydro large

renewables farms

fossils back-up

nuclear no (or small units)



Au delà… Challenger les engagements de Copenhague!

vsDemande d’énergie en 2050Demande d’électricité en 2030

les émissions de CO2 pour éviter des changementsclimatiques dramatiquesd’ici 2050

Les faits L’impératif

Source: IEA 2008 Source: GIEC 2007, figure (vs. 1990 level)

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