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CESTAR Couplage des Energies renouvelables via

un Stockage TAmpon au Réseau électrique

Laurent Briottet - CEA/LITEN laurent.briottet@cea.fr

Présentation du projet et de son état d’avancement

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Coordinateur : CEA/LITEN

Organismes de recherche :

CNRS/LSPM, CEA/DEN

Entreprises :

GDF SUEZ, HELION

Projet labélisé par le(s) pôles(s) de compétitivité : Tenerrdis, CapEnergies

Date de démarrage : 01/01/2010 Date de fin : 31/12/2012

Budget (M€) Aide (M€) Nombre de personnes.ans

1.657 0.719 10.8

CESTAR

CESTAR 3

Intérêts du stockage d'énergie

Réseau isolé

Support transmission

Stockage EnR

Secours

Qualité production

Lissage de charge

CESTAR

Comparaison des moyens de stockage de l'énergie

300 MWh – 50 MW (NREL)

STEP, CAES les plus performants et meilleurs rendements si besoin de stocker de grande quantité Si absence de CAES ou STEP, stockage Hydrogène si coûts

H2

CESTAR 5

Objectifs du projet : Fiabiliser les énergies renouvelables par du stockage de l'énergie via production et stockage H2 Faciliter régulation du réseau électrique Stockage dans canalisations

coût peut assurer la fonction de transport

Défis scientifiques et techniques : Interactions hydrogène / fatigue sur soudure et métal de base Développement d'un dispositif d'essai sur virole sous pression d'hydrogène cyclique Fonctionnement fortement cyclique d'un électrolyseur

Résultats majeurs escomptés : Conséquences des variations de pression sur le dimensionnement du stockage tampon avec prise en compte des soudures compréhension du comportement d’un électrolyseur de technologie PEM en régime variable Retour d'expérience sur un prototype couplant électrolyseur et stockage hydrogène pression

Le projet CESTAR

CESTAR

80

6

Programme de travail

Tâche 0

Coordination / valorisation

Tâche 4

Analyse électrolyseur

Tâche 2

Appro matière

Optimisation soudures

Tâche 3

Essais de fatigue

Essais sur virole

Tâche 5

Dvpt et test d'un

prototype

électrolyseur / stockage

tampon

Tâche 1

Scenario

Dimensionnement

Plages de fonctionnement

90%

95%

25%

95%

30%

25%

CESTAR

Principaux jalons

Tâche Intitulé jalon Date prévue Date

réalisée

1 Identification scénario 6 6

1 Cahier des charges prototype 24 24

2 Réalisation soudures 24 24

3 Essais laboratoires 30 -

3 Essais virole 30 -

4 Préconisation électrolyseur 22 30

5 Réalisation prototype 34 -

5 Proposition dimensionnement d'un système 36 -

CESTAR 8

Comparaison des performances des électrolyseurs

Electrolyse Alcaline Electrolyse PEM

Densité de courant De 0,2 à 0,6 A/cm² (jusqu'à 1 A/cm²

pour les électrolyseurs avancés) Entre 1 et 2 A/cm²

Tension de cellule De 1,9 à 2,5 V De 1,6 à 2,2 V

Rendement De 4,1 à 4,8 kWh/Nm3 De 3,9 à 4,1 kWh/Nm3

Température De 70 à 90 °C De 60 à 90 °C

Pression Jusqu'à 32 bar Souvent jusqu'à 15 bar, mais

développements jusqu'à 200 bar

Durée de vie De 80,000 à 160,000h De 10,000 à 60,000h

Avantages

-Technologie éprouvée -Simplicité -Technologie moins coûteuse aujourd'hui -Matériaux moins coûteux en milieu alcalin

-Electrolyte plus performant électriquement et mécaniquement -Meilleure compacité -Gamme de fonctionnement plus large -Meilleur pureté des gaz

Inconvénients

-Rendement plus bas -Nécessité de faire circuler l'électrolyte -Utilisation courante d'amiante dans la membrane -Electrolyte corrosif

-Utilisation de catalyseurs nobles -Besoin d'eau très pure -Technologie en cours de développement

Pour le projet CESTAR, utilisation d'un électrolyseur PEM 0.5 – 2 Nm3h

CESTAR 9

Parc éolien 10MW Profil de vent horaire annuel (aéroport Brest 2008) Profil de production électrique Profil de consommation Tolérance de lissage +/- 15 % Profil d'engagement

Fonctionnement très cyclique

Proposition d'un scenario d'étude

CESTAR

Dimensionnement du système pour le scénario choisi

3 modèles de dimensionnement différents (CEA, GDF SUEZ, Hélion) – Projet CYRANO-1

Modèle 1, 2 3

Stratégie d'optimisation

Minimiser stockage H2

Optimiser capacité éolienne

Surplus électricité

Stockage

électrolyseur

Capacité éoliennes

Utilise toute l'élec.

Capacité éoliennes

Stockage

Électrolyseur

Importance des paramètres suivants :

Pmin et Pmax de stockage Seuil de démarrage de l'électrolyseur Taux de satisfaction client Coût des pénalités ?

CESTAR 11

Exemple de dimensionnement

PEM

CESTAR 12

Dimensionnement – Conclusions

Scenario choisi - dimensionnement raisonnable

• Investissement alcalin moins cher que PEM mais pistes d'amélioration plus importantes sur PEM

• Estimation 165 € / MWh se rapproche du coût électricité par hydrocarbure

Modèle 1, 2 3

Stratégie d'optimisation Minimiser stockage H2

Optimiser capacité éolienne

P. Eolien (MW)

Seuil Electrolyseur (%)

P Electrolyseur (MW)

P PAC (MW)

Taux satisfaction (E/t)

10

0

3.5

3.5

97.2 / 95.4

10

25

9.2

9

100 / 100

Quantité H2 à stocker (t) 3.2 616

CESTAR 13

X65 diamètre 323 mm X80 diamètre 914.4 mm Soudure de raboutage

Approvisionnement matière

50µm50µm

L

S

L S

CESTAR 14

Réalisation des soudures - Contraintes résiduelles

Passe 1

Passe 2

Passe 3

Métal

de base

500

mm

500

mm

-400

-200

0

200

400

600

800

0 10 20 30 40 50

Longueur (mm)

s (

MP

a)

Expérience

Simulation

Contrainte tangentielle

Courbes à mi-épaisseur ZF

Diffraction

de

neutrons

CESTAR 15

SENT air J0,2 = 520kJ.m-2

100 bar H2 J0,2 = 250kJ.m-2

CT air J0,2 = 210kJ.m-2

300 bar H2 J0,2 = 15kJ.m-2

Géométrie des éprouvettes

Ténacité

CESTAR 16

Eprouvette Gleeble – UBS Lorient Profil thermique issu des simulations numériques pour ZAT transformée

Perpendiculaire à la soudure Fissure dans zone fondue

Soudure avec chanfrein adapté Fissure dans ZAT transformée

Réalisation des éprouvettes sur soudure

CESTAR 17

HV1

CEA Saclay

Essais sous air : comparaison matériau de base / zone fondue

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

10 100

da/d

n (

mm

/cyc

le)

ΔK (MPaxm0,5

)

Essai SENT03

Essai SENT04

Essai SENTs1

métal de base

soudure de raboutage

Loi de Paris

27,39109,1 Kdn

da

Fissuration par fatigue sous air

Sous air : propagation de fissure similaire entre MB et ZF

CESTAR 18

Essais sous air et hydrogène: comparaison matériau de base / zone fondue

• da/dn sous hydrogène sur CT pour zone fondue et MB • A vérifier sur SENT

Fissuration par fatigue

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

1,E+01

10 100

da/d

n (

mm

/cycle

)

ΔK (MPaxm0,5

)

CT MB 300bar H2

2 CT zone fondue 100bar H2

air : CT MB + SENT ZF et MB

ZF ZAT

Essais sur SENT, charges plus faibles pb expérimentaux sous hydrogène modifications expérimentales en cours

CESTAR

Développement d'un dispositif d'essai sur virole

Difficultés de mise au point Des solutions en cours d'analyse

Transférabilité des résultats du labo au composant

• 300 bar H2 max en statique / 100 bar H2 max en cyclique • Possibilité d'instrumenter les défauts • Adaptable à différents diamètres de canalisation • Longueur tronçon testé : 50 cm • Prise en compte de l'effet de fond

CESTAR 20

Approche à 2 paramètres (J,Q) Ténacité dépendante de z

ijHRRij

numij δQσrσrσ 0,,

f(r, J)

30

2

0

1

1

0002

bσ

Mrα

σ

σσ

LIσεα

JQ

HRRθθ

numθθn

n

*

Pour 2 fissures données Q*2 similaires = résultats transférables

Démarche de dimensionnement - Transférabilité

Introduction du paramètre ~ indépendant de J et r *Q2

CESTAR 21

- MB et soudure (overmatching) - Prise en compte des σ résiduelles

½ grand axe 10mm ½ petit axe 3,8mm (30%) ½ petit axe 5mm (40%)

3 défauts - fissure longitudinale externe dans MB - fissure longitudinale interne dans soudure - fissure circulaire interne dans soudure

Simulation numérique des défauts sur virole

Objectif :

Propagation d'~1 mm des 3 défauts en 100-1000 cycles

CESTAR 22

Transfert ténacité

SENT : Q*2 Є [-2,5 ; -2] défauts sur virole : Q*2 Є [-2,5 ; -2]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 200 400 600 800 1000 1200

longi ext MB

circ int soud

longi int soudure

nombre de cycles

Δa (

mm

)

fissure 5mm

• Essais da/dn SENT (MB + soudure) 100 bar H2 pas encore réalisés Dimensionnement des défauts sur virole en cours

Dimensionnement - Transférabilité

CT : Q*2 ~ 1

CESTAR 23

Développement démonstrateur

LSPM

CESTAR 24

Définition du profil de charge pour le démonstrateur

CESTAR 25

Retour d'expérience sur un prototype couplant électrolyseur et stockage hydrogène pression en fonctionnement

Données nécessaires au développement de standards pour le dimensionnement en fatigue de réservoirs hydrogène sous pression

CONCLUSIONS

• Le projet CESTAR étudie les conséquences de l'intermittence d'une EnR sur un stockage tampon de l'énergie • Proposition et dimensionnement d'un scénario d'étude adapté

• Premiers essais de fissuration réalisés

Retombées et perspectives scientifiques et industrielles

Difficultés rencontrées

• Développements da/dn sur éprouvettes SENT sous H2 (faibles chargements)

• Développement d'un dispositif de test sur virole