LE STOCKAGE ASSOCIÉ LA PRODUCTION … · Turbine Compresseurs Chambre de combustion Récupérateur...
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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 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
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…