Prparation lagrgation de Gnie Electrique 2010

Ressources nergtiques renouvelables et solutions lectriquesGnralits sur lnergie, conversion (1 Arognrateurs lectriques Gnration photovoltaque(2me partie)re

partie)

(3me partie)

Stockage dnergie lectrique

(4me partie)

Ecole Normale Suprieure de Cachan, mars 2010 ISBN : 978-2-909968-88-9Bernard MULTON

Units dnergieSystme international : le joule J 1 J = 1 newton x 1m = 1 volt x 1 ampre x 1 seconde = 1 V x 6,2.1018 lectrons 4,18 J accroissent de 1C un gramme deau Facture dlectricit : le kilowatt.heure kWh 1 kWh = 3600 000 J = 3,6 106J (MJ) Carburants : tonne quivalent ptrole tep 1 tep 11 600 kWh

PuissanceLe watt : 1 watt = 1 J/s ou 1 Wh/hBernard MULTON

Equivalences1 Wh = 3600 J (1 TWh = 1012 Wh, 1 EJ = 1018 J) 1 t.e.p. 11 600 kWh (tonne quivalent ptrole) 1 baril (159 l ou 140 kg) 1700 kWh 1 BTU (British Thermal Unit) 252 cal 1050 J 1 quad BTU : 1015BTU = 290.109 kWh1 BTU = nergie pour accrotre de 1F une livre (pound, 453 grammes) deau

Valeurs nergtiques PCI/PCS de quelques combustiblesUranium natur. (fission) Hydrogne Fuel Essence GPL : Propane ButaneSelon les gisements : Gaz naturel : 37 42 MJ/m3 Ptrole brut : 1 1,07 tep/tonne Charbon : 0,44 0,64 tep/tonne

116 000 kWh/kg 34/39 kWh/kg 11,6/12,4 kWh/kg 12,4/13,4 kWh/kg 12,8/13,8 kWh/kg 12,7/13,7

Gaz Naturel Charbon Bois Bagasse Ordures mnagres

13,8/15,3 kWh/kg 7 9 / 9 10 kWh/kg 2 4 kWh/kg 2,2 kWh/kg 0,3 0,5 kWh/kg

PCI = pouvoir calorifique infrieur (lower heating value: LHV) PCS = pouvoir calorifique suprieur (higher heating value : HHV)Bernard MULTON

Formes de lnergie Chaleur Travail mcanique Rayonnement Chimique Electricit Matire : E = m.c2Dans lunivers, la matire se dgrade inexorablement en chaleur.

Bernard MULTON

Cycles de vie de lnergie : exemplesRactions nuclaires de fusion dhydrogne dans les toiles

Rayonnement transmis dans lespace et intercept par la terre

vaporation condensation Photosynthse de leau

Effet photo-lectrique

coulement (mcanique) Biomasse (chimique) CHALEUR

lectricit

Bernard MULTON

Conversion dnergie et rendement nergtiqueLnergie ne se perd pas, elle se transforme ou se convertitLors dune conversion, une partie de lnergie est perdue ou dissipe Exemple : moteur thermique explosion pour la propulsion dune voiture chaleur Carburant(combustion)Pertes par frottements chaleur

nergie mcanique transmise aux roues

Chaleur

nergie mcanique

Moteur explosion

Transmission mcanique

Rendement

=

Wutile Wfournie

Allure typique du rendementExemple dun moteur (extrapolable aux autres convertisseurs dnergie) En simplifiant au maximum : - pertes en charge : fonction du couple (ou de leffort) - pertes vide : fonction de la vitesse Raisonnement instantan : en puissance (et non en nergie) Modle simplifi : - pertes en charge fonctions du couple : - pertes vide fonctions de la vitesse : Puissance utile : Pu = C. Rendement : =Pu C = Pu + p ch + p 0 C. + k1.C 2 + k 2 . 2Bernard MULTON

p ch k1.C 2p 0 k1. 2

Rendement :

=

F.v F.v + k1.F2 + k 2 .v 2

A v ou F donn, la courbe du rendement passe par un maximum :

(C) max =Cte 100%

Le rendement dune conversion nergtique, dpend du point de fonctionnement, ici (C,). Allure identique en fonction de la vitesse.

CCopt

Cette courbe de rendement est en ralit assez gnrique, au-del de cet exemple

Sur un cycle temporel {C(t) , (t)} , le rendement nergtique ncessite de connatre la fonction (C, )Bernard MULTON

Exemple de cycle automobile :

Source : http://www.dieselnet.com/standards/cycles/

Courbes iso-rendement dun moteur combustion interne essence Vitesse de rotation du moteur

Source : IFP

Couple du moteurSource : http://www.dieselnet.com/standards/cycles/

Calcul du rendement sur cycle

Les diffrents rendements dun convertisseur dnergieInstantan(puissances)

=

Pu Pabs Pu .dt

Sur cycle (de fonctionnement)(nergies)

=

cycle

Pabs .dtcycle

=

Wu Wabs

Sur cycle de vie

=

Wu Wabs + W fabrication + recyclage

(nergies incluant celle de production et recyclage)Bernard MULTON

Cot (conomique) dune transformation nergtiqueRessource primaireWp

Convertisseur dnergie= Wu Wp

Energie utile (travail)Wu

Rendement nergtique de conversion

Le cot du convertisseur dnergie augmente avec sa puissance. Exemples de cots dinvestissement : arognrateur terrestre de grande puissance, environ 1,2 /W centrale thermique cycles combins au gaz naturel, environ 0,7 /W

Exemples de calculs conomiques simplifis de cot de production lectriqueCentrale au gaz cycles combins : 0,7 /W fonctionnement en pointe 1000 h/an dure de vie 20 ans rendement 58% Prix du gaz : 3,5 c/kWhPCI (PCI = Pouvoir Calorifique Infrieur)part du prix due au combustible est de 3,5 c/0,58 = 6 c/kWhe part de linvestissement (hors intrts demprunt, maintenance) : avec 1000 heures par an (1 watt produit 20 kWh) 0,7 /20 = 3,5 c/kWhe Total : 9,5 c/kWhe

Eolienne : 1,2 /W sur le site de Plouguin (Bretagne) : productivit annuelle 2260 h quivalentes pleine puissance dure de vie 20 anspart du prix due la ressource primaire (vent) = 0 c/kWhe part de linvestissement (hors intrts demprunt, maintenance) : avec 2260 heures par an (1 watt produit 45,2 kWh) 1,2 /45,2 = 2,7 c/kWhe = total

Transports : raisonnement du puits la roue

Source : J. Beretta (PSA) 2007 (JEEA)

Mmes questions avec les vhicules tout lectriques ou air comprim : Comment est produit le carburant, llectricit.. ? Quel est le rendement de charge ou de la compression (air comprim) ? Quel est le rendement de la chane de traction? Le produit des rendements est parfois trs faible, bien plus que celui des chanes de traction traditionnelle Alors, si la ressource primaire est conventionnelle (fossiles), les solutions faible rendement ont peu dintrt sinon celui de dporter les pollutions ailleurs.Bernard MULTON

Bilan nergtique sur cycle de vieCas des transports terrestre, bilan du puits la roue (well to wheel)Intrinsquement le rendement dune propulsion pile combustible peut sembler meilleur : Mais Comment produit-on lhydrogne ? Comment le stocke t-on ? (comprim, liqufi) Liqufaction de lhydrogne : environ 15 kWhe/kg (limite thorique : 3,2 kWh/kg) Si llectricit est produite avec un rendement de 33%, Liquifier 1 kg dhydrogne cote 45 kWh primairesSource : Livre Hermes Beretta (PSA) 2005

(1 kg dhydrogne contient 34 kWhPCI)

Bernard MULTON

nergie consomme pendant la vie dune 406 HDI : 5,6 litres / 100 km 150 000 km90% 80% 70% 60% 83%

84 MWhPCI

50% 40% 30% 20% 10% 0% 8% 9% Use phase Manufacture

Source : J. Beretta (PSA) 2007 (JEEA)

Raw material production and recycling

Dans cet exemple, la fabrication et le recyclage cotent respectivement 9,1 et 8,1 MWhPCI soit, pour ce vhicule de 1350 kg, environ 12,3 kWhPCI/kg

On peut encore investir sur le cot nergtique du vhicule pour rduire sa consommation et ainsi son impact global

Bernard MULTON

Gains apports par la chane de traction THS (Toyota Hybrid System) de la Prius 2

Source : Toyota

Le cot environnemental de la Prius 3 (2009, 89 gCO2/km) est identique celui dun vhicule diesel de mme catgorie : rentabilit immdiate.

Bernard MULTON

Mais finalement quel est le vrai besoin ?Ressource primaire Conditionnement Transport et stockage ventuels Transformation (conversion) finale Une nouvelle dfinition du rendement : Rendement = Service rendu ressource primaires + rejets Service rendu

Aspects physiques, conomiques et sociologiques

Besoins, ressources impact environnemental

Bernard MULTON

Les besoins en nergie des Hommes Transports (Hommes et biens) : Eclairage Cuisson Chauffage besoins trs dpendants du climat Froid Travail mcanique agricole, industriel Process divers de lindustrie Traitement de linformation DiversBernard MULTON

Les sources primitives LE FEU partir du bois ou dhuile : il a servi presque tout. LA FORCE ANIMALE (bufs, chevaux, chiens, dromadaires...) LEAU des rivires et des mares (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) LES COMBUSTIBLES FOSSILESAV J.C. Chine : forages ptrole, XIII sicle : charbon, dbut 1800 : gaz de houille, 1930 : gaz naturelBernard MULTON

Les sources modernes du 20me siecleLES COMBUSTIBLES FOSSILES charbon, ptrole, gaz naturel LURANIUM (FISSION ATOMIQUE)Ressources primaires

Les vecteurs dnergie :LLECTRICIT, LE GAZ NATUREL

Et peut-tre un jour : LHYDROGNEDurant, le 20me sicle, prise de conscience plantaire : - nos ressources sont limites, notamment celles en nergie - nous perturbons notre environnement

Les ressources nergtiques non renouvelables :rserves en Gtep et en dure au rythme actuel de consommation1 Tep=11.6 MWh

Epuisables polluantesannuelle actuelle

227 ans 40 ans 90 ans 61 ans

R/P = 65 ans

Les ressources naturelles spuisent : exemple le pic de Hubbert ou peak oil NGL = natural gaz liquid

Luranium aussi spuise :Rserves raisonnablement assures + spculatives : 3 Mtonnes moins de 80$/kg 4 130 4 Mtonnes = moins de 60 ans au rythme actuel (3 ans pour satisfaire lensemble des besoins actuels) Rserves spculatives ultimes estimes : 12 Mtonnes Bernard MULTON

Les cours des matires premires nergtiques fluctuent et affectent conomie et stabilit politiqueLe baril de ptrole brut : la rfrence

Le cours de luranium : galement instableBase de calcul de prvision de cot EPR en 2003

Et (en Europe), le prix du gaz naturel fluctue comme celui du ptrolesource : banque Scotia

10 $/lb = 26 $/kg

Remarque :En monnaie constante (compte tenu de linflation), le ptrole nest pas si cher

Bernard MULTON

Ressources nergtiques renouvelablesValeur de rfrence : activits nergtiques humaines Eh 140.1012 kWh

lune 0,2 Eh 25%

s e ar m

terre soleil12 000 Eh noyaumanteau convertis en surface et dans latmosphre

2 Eh 30%directement 45% : 5400 Eh r-mis dans transforms en chaleur lespace puis rayonns

Cycles hydrologiques vents, houle : 200 Eh Photosynthse : 7 Eh

2000 Eh

Bernard MULTON

Le potentiel global Ressources Renouvelables interceptable la surface du globe reprsente plus de 8000 fois la consommation humaine !Quelques ordres de grandeurs : - Avec 10% de rendement (toutes formes dnergie confondues), cette superficie permettrait de satisfaire les besoins actuels de lhumanit en nergie primaire : - Energie olienne exploitable : plusieurs fois la consommation lectrique mondialeSource : Ph. Malbranche CEA-INES (2006)

Des ressources immenses, inpuisables notre chelle, mais peu concentres et souvent intermittentes

Ressources de la biomasseBois Agro-carburants (colza, tournesol, betteraves, bl) en croissance Mthanisation Part renouvelable terrestre (environ 20%) : environ 800 1012 kWh raisonnablement exploitable : 80 1012 kWh ??environ 30 1012 kWh ncessaires pour la nourriture (vgtaux et animaux) et dj 80 1012 kWh globalement exploits par lhumanit dont 10 15 1012 kWh pour les services nergtiques

Des ressources importantes mais renouveler - 12 14% de la consommation primaire mondiale Souvent - pays pauvres : 70 90% non renouveles - en dveloppement : 40 % (Chine, Inde) - industrialiss : < 10%Bernard MULTON

Croissance de la population humaine, corrlation la consommation nergtique

Besoins mtaboliques : 2,4 kWh/j/personne Besoins non mtaboliques : 1 franais consomme : 145 kWh/j 1 amricain : 250 kWh/j

Bernard MULTON

De lnergie primaire lnergie finaleDfinitions de la DGEMP (Direction Gnrale de lEnergie et des Matires Premires) http://www.industrie.gouv.fr/energie

Consommation dnergie finale : consommation dnergie finale - nette des pertes de distribution (exemple : pertes en lignes lectriques) - de tous les secteurs de lconomie, lexception des quantits consommes par les producteurs et transformateurs dnergie (exemple : consommation propre dune raffinerie). La consommation finale nergtique exclut les nergies utilises en tant que matire premire (dans la ptrochimie notamment). Consommation dnergie primaire : consommation finale + pertes + consommation des producteurs et des transformateurs dnergie (branche nergie). La consommation dnergie primaire permet de mesurer le taux dindpendance nergtique national, alors que la consommation dnergie finale sert suivre la pntration des diverses formes dnergie dans les secteurs utilisateurs de lconomie. Consommation corrige : consommation corrige des effets de temprature et ventuellement des effets dautres facteurs (hydraulicit, activit conomique, jours ouvrables). Dans les bilans, les corrections sur la consommation finale portent uniquement sur les effets de temprature. La consommation observe avant toute correction est en gnral appele consommation relle.Voir les statistiques franaises sur le site web de la DGEMP

De lnergie primaire lnergie finale(Monde)

primaire

finale

Total = 140 000 TWh

global 69%

Total = 96 100 TWh

production

lectricit primairepour donner :

19 770 TWh lectriques produits partir denviron

17 100 TWh dlectricit finale

45 000 TWh primairesSource AIE (Key World Energy Stat. 2009)

lec 38%Bernard MULTON

Consommation franaise (2008)

Source http://www.developpement-durable.gouv.fr/ Chiffres cls de lnergie en France rapport annuel 2009

Consommation primaire franaise par sources

Source http://www.industrie.gouv.fr/energie/ DGEMP rapport annuel 2003

Consommation finale franaise par sources et par usages

Source http://www.industrie.gouv.fr/energie/ DGEMP rapport annuel 2003

Consommation dnergie par habitant

France USA 250 kWh primaires 28 kWh lectriques146 kWh primaires 22 kWh lectriques

Maroc Afrique Centrale 9,2 kWh primaires dont : 1,3 kWh primaires commerciaux0,5 kWh finaux lectriques

14 kWh primairesdont : 10,8 kWh primaires commerciaux 1,4 kWh lectriques

1 tep/an/hab = 31 kWh/jour/hab

Source : www.iepf.org

Bernard MULTON

Croissance de la consommation mondiale140 1012 kWh 12 Gtep2008

> 3 % / an (2,5% pour 2006/20073,7% pour 2005/2004)

- 2% en 2009 / 2008 ?

Renouvelables : < 13 %

source : World Energy Outlook Agence Internationale de l Energie

2007

Bernard MULTON

Part de llectricit nergie(hors nergie lectrique produite dans les systmes embarqus.)1012 kW.h nergie primaire nergie lectrique % lectricit 1940 1960 1980 2000 France 2005 20 40 80 140 3,2 0,5 2 7 17 0,48 2,5% 5% 8,7% 12% 15%

Pour une part finale de 13%, lnergie lectrique consomme 31% de lnergie primaire mondiale(les transports : 17%).Bernard MULTON

Llectricit

10 kW h35

12

Lnergie lectrique : croissance de la productioncroissance de la production mondiale d'nergie lectrique 2008 :

20 000 TWh 4 %/an

30 2520

15 105 0,12 1920

France (2007) Production : 545 TWh Consommation intrieure : 448 TWh + 32 TWh ( pertes et autoconso )

1940

1930

1980

2000

1960

1970

1950

1990

2010

Capacit de production mondiale : > 4000 GW (Fin 2007, Chine 713 GW + 90 GW/an) (France : 115 GW)+ 4800 GW prvus dici 2030 (source : AIE 2009)dont 1300 GW en ChineBernard MULTON

Production mondiale dnergie lectrique par source (2008)(+ 1,7% / 2007 et 4,6% 2007/2006)

81,1 % de llectricit mondiale est dorigine non renouvelableCharbon : 61% Gaz : 30% Ptrole : 9%

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

Source : La production d'lectricit d'origine renouvelable dans le monde ObservER 2009

2020

Bernard MULTON

Production europenne dnergie lectrique par source (2008)Production totale (renouvelables et non renouvelables)

76,6 % de llectricit europenne est dorigine non renouvelable

(+ 5% / 2007)Source : La production d'lectricit d'origine renouvelable dans le monde ObservER 2009

Bernard MULTON

Evolution de la production dlectricit par ressources 1998-2008 Monde :

Source : La production d'lectricit d'origine renouvelable dans le monde ObservER 2009

Europe :

Bernard MULTON

Croissance de la consommation mondiale dlectricit

Source : scnario Exxon Mobil 2009 (Outlook for Energy A View to 2030)Bernard MULTON

Production franaise dnergie lectrique par source (2008)Production totale : 571 TWh (-0 % / 2007)

86,4 % de llectricit franaise est dorigine non renouvelable

73,1 TWh en 2006 (+ 3,5% / 2007)

Source : La production d'lectricit d'origine renouvelable dans le monde ObservER 2009

Bernard MULTON

volution de la production dlectricit en France

Production thermique classique

source : DGEMP (DGEC)

Production dlectricit par les renouvelables Lhydraulique :- Potentiel le plus facile exploiter : 850 GW installs - 3,1 1012kWh(environ 25 GW en France)

En 2005 : 120 GW en construction, 400 GW en projets

- De trs loin, la source renouvelable la plus utilise - Production centralise et dcentralise - Stockage dnergie ais : pompage turbinage

Itaipu 12,6 GW 90 109 kWh(la plus grande centrale du monde en production)

Bernard MULTON

Les petites centrales hydrolectriques (PCH)- Dfinition PCH : P < 0,5 50 MW (Brsil), en France : P < 5 MW (microcentrales) entre 5 et 10 MW (mini) potentiel de 3500 chutes amnageables pour 7.109kWh - Dans le monde : 37 GW installs et plus de 100.109kWh produits(plus de 3% de l hydro-lectricit)

Croissance attendue de 18 GW dici 2010 - Un potentiel insuffisamment exploit trs intressant pour la dcentralisation de la production peu perturbateur pour lenvironnementBernard MULTON

Centrales de basse chute, turbine Kaplan (axe vertical) 5 80 mGroupe bulbe ACEC Kaplan axe horizontal 2,5 MW 97,5 tr/min Diam 3,6 m Rendement Groupe 90% Centrale d'Ampsin-Neuville (Belgique) 10 MW - 43 GWh/an Chute 4,65 m - Dbit 270 m/s Phydro = .g.h.d = 12,3 MW

Photo : [Bas_00] Electricit Voyage au cur du systme, Eyrolles 2000.

Bernard MULTON

Centrales de moyenne chute, turbine Francis : 30 750 mTurbines Neyrpic 700 MW, 75 tr/min Chute 80 m. Diamtre 9,8 m 425 tonnes Alternateur : 778 MVA 80 ples 3400 tonnes

3 Gorges : 18 GW maxi, moyenne 14 300 m3/s 113 m de chute

Photo : [Bas_00] Electricit Voyage au cur du systme, Eyrolles 2000.

Bernard MULTON

Centrales de haute chute, turbine Pelton : 30 1800 mLa Jonche (38) - 2250 kW - 1 turbine 2 jets - chute: 237 m - Dbit maximum 1,2 m3/sec

Photo : [Bas_00] Electricit Voyage au cur du systme, Eyrolles 2000.

Bernard MULTON

Centrales de pompage-turbinageau monde : 140 GW (3,6%) sur 3800 GW en France : 6,3 GW (5,4%) (+ Suisse) sur 116 GWUsine de GrandMaison (Isre) 12 groupes 150 MW hauteur de chute 935 m stockage 170 Mm3 1400 MW en pompage - 1800 MW en turbinage

Depuis les annes 1970 : groupes rversibles Turbines Francis Pour les grandes hauteurs : turbines multitages : Francis + Pelton (en turbinage)

Photo : [Bas_00] Electricit Voyage au cur du systme, Eyrolles 2000.

Bernard MULTON

Electricit thermodynamique solaireCentrales tour, hliostats et turbine vapeurFluide caloporteur : sel fondu (CSP Concentrated Solar Power)

Historique : Thmis 1,8 MWe miroirs 11 800 m

1982 (France)

- Solar Two 10 MWe 71 500 m1996-1999, USA (Barstow Californie)

www.eere.energy.gov/

Thmis : 200 miroirs (rendement 90%) orientation pilote 2 axes Puissance thermique 9 MW Puissance lectrique 1,8 MW. Rendement moyen annuel de lordre de 15%.

www.eere.energy.gov/

Problme : cyclage thermique d aux passages nuageux et aux cycles journaliers Solutions : hybridation avec brleur gaz Stockage de la chaleur (jusqu qq 10 h)

Electricit thermodynamique solaire :

Usines auges (miroirs cylindro-paraboliques)

Kramer Junction Power en Californie (dsert du Mojave)(9 usines de 14 80 MW, 354 MW cumuls)Miroirs 100 m x 6 m. 80 MW = 480 000 m de miroirs Vapeur 370C 100 bars Rendement 20%

Bernard MULTON

Production photovoltaque (raccorde au rseau)(Voir dtails dans diaporama n3) Toits solaires : Programmes incitatifs : Allemagne, ds 1990 Japon, ds 1994 : 70 000 toits solaires pour 2000 Wagner & Co / www.estif.org USA : 1 million solar roofs (MSR) pour 2010 Plus de 21 GW raccords au rseau fin 2009 Centrales de grande puissance : Exemples Amareleja (Portugal) 2008 42 MW (5,5 /Wc)Source : www.portalalentejano.comBernard MULTON

Production olienne :(Voir dtails dans diaporama n2) - Environ 158 GW installs fin 2009,croissance + 31% par rapport 2008 1,7 % de la production mondiale dnergie lectrique

- Trs fort potentiel encore peu exploit en off-shore (2 GW fin 2009) - Trs faible impact environnemental - Source trs fluctuante, problmes stabilit rseau...

Eolienne Jeumont J48, ferme de Plougras (Bretagne)

Bernard MULTON

Production houlomotrice :- du vent concentr - encore marginalPuissance incidente en watts par mtre de front de vague

Caractrisation de la ressource Exemple Ile dYeu sur 1 an

. g 2 2 .H s .T Pw 32.

(houle monochromatique)

Source : T. Lewis, Univ. Cork

Thse A. BABARIT, EC Nantes 2005

Expression x 0,42 en houle alatoire :Exemple : Hs = 2 m T = 9 s Pw = 35 kW/m (monochromatique) 15 kW/m (alatoire)

Bernard MULTON

Houlognration : nombreuses voies de conversion :

Systme dferlementOn shore ou flottants Ex. Wave Dragon (flottant) :

Colonne deau oscillanteOn shore ou flottants Ex. LIMPET (on shore) :

(chelle rduite)

Systmes flottantsGrande diversit

Nombreux systmes houlognrateurs dans le monde, quelques grands projets plus ou moins proches de la maturit industrielle :Systme flotteur immerg : projet AWS (Archimede Wave Swing)Gnrateur linaire direct Production lectrique

8 m sous la surface, un flotteur de 21 m de hauteur et 9,5 m de diamtre actionne un piston 2 MW

http://www.waveswing.com

Systme Pelamis (Ocean Power Delivery)dispositif 750 kW 2,7 GWh pour une houle de 55 kW/m (quivalent 3600 heures annuelles) (ensemble de 4 boudins diamtre 3,5 m, longueur totale 150 m )

Vrins hydrauliques + stockage sous pression + moteurs hydrauliques + gnrateurs asynchrones

Image de synthse

www.oceanpd.com

Wavefarm 30 MW 1,3 km (2,1 x 0,6 km)

Systme SEAREV (cole Centrale Nantes + ENS Cachan)Un grosse boue hermtique contenant un volant pendulaire amorti activement

1000 tonnes dplaces Volant de 400 tonnes

Thse Marie RUELLAN - SATIE

Energie des mares et des courants marins :- Peu de sites favorables Exemple : La Rance (1966) trs rentable240 MW (24 groupes de 10 MW) 540 106 kWh/an

- Rcemment : projets dexploitation des courants marins (estuaires, fjords)

Exemple : projet Hammerfest Strm AS (Norvge) 15 000 turbines de 800 kW

Bernard MULTON

Gothermie haute temprature :(Temp. deau 150 350C)

- Une nergie bon march pour des sites privilgies - 8,6 GW installs en 2001 (50 TWh) (12 GW en 2010)

Exemples : - japonais : Hatchobaru 300 MW - Guadeloupe : Bouillante 5 MW(20 MW en 2005)Bernard MULTON

Amlioration du bilan nergtique global grce la COGNRATION Production thermique-lectrique partir des combustibles : - Fossiles (surtout le gaz) - nuclaires - biomasse - dchets mnagers - hydrogneEn France, en 2004, environ 5 GWe installs en cognration, pour une production nergtique 5,1% de la production dlectricit nationale (9% : moyenne europenne, 56% au Danemark et 43% aux Pays Bas), sur une puissance installe totale de 116 GW dont un total cumul de 27 GW thermiques classique (63,3 GW nuclaires et 25,4 GW hydrauliques)en 2000

plus de 900 TWh

Bernard MULTON

COGNRATION

Exemples micro-cognration(en dehors des moteurs combustion interne)

Microturbine gazExemple : Capstone 30 kWe (e 26%)

StirlingExemple : Whisper Tech 1,2 kWe (e 14%) 8 kWth

Dfinitions Micro grande cognration

en kW

Pile combustible PEM au gazExemple : Vaillant GmbH 2,5 4,5 kWe 5,6 9,1 kWth

Rejets de gaz effet de serreLa combustion de 1 kg de carbone dgage 3,6 kg de CO2 mission en kg CO2 en fonction du rendement de conversion pour 1 kWhe produit

Pour produire 1 kWh lectrique20 litres deau chaude (+40C)

- charbon vapeur : 1 kg de CO2 - gaz cycle combin : 0,36 kg de CO2

Pour parcourir 10 000 km en voiture :

Source : IFPMoteur essence : 2,37 kg CO2/litre Moteur diesel : 2,64 kg CO2/litre

2 tonnes de CO2 (200 g /km) (Prius : 1 tonne CO2, 100 g/km)

Rejets de gaz effet de serreConsommation de carburants fossiles

Origine des rejets de CO2Teneur en CO2 dans latmosphre

Matsuno_Japan

Source : Agence Intern. Energie 1998

Dans le pass la concentration de CO2 a dj vari, mais aujourdhui, elle dpasse lamplitude des cycles des 400 000 dernires annes

En ppm

En peine plus de 200 ans, nous aurons rejet dans latmosphre le carbone que la nature avait mis 600 millions dannes piger200010 000 GW

1850500 GW - 100 000 - 10 000 - 1 000 an 1 1 000

2100

10 000

anne

Comment la nature pourrait-elle rguler une aussi violente perturbation ??SOURCE : mtaphore de lallumette , P. CREOLA, Space and the Fate of Humanity , Symp. Space of service to Humanity, 5-7 feb. 96, Strasbourg., pp.3-14.

Les activits nergtiques sont parmi les plus coteuses pour lenvironnementEmpreinte cologique de lensemble des activits humainesImpact des activits nergtiques > 50% !

Limite : 11 milliards dhectares biologiquement productifs

Bernard MULTON

Rejets de carbone dus la production dlectricitinvestissement nergtique compris + combustible ventuel

Part due au combustible270 g eqC = 970 g eq CO2

+ corrections rcentes

(La combustion de 1 kg de carbone dgage 3,6 kg de CO2)

LACV Analyse du Cycle de Vie(LCA Life Cycle Assessment)

Une mthode dvelopper, enseigner un rflexe acqurirACV = valuation de limpact dun produit sur lenvironnement de lextraction de matires premires jusqu son limination ou recyclage

Eco-conception : une srie de normes ISO 14040, des bases de donnes, des logiciels

Bibliographie 1/21- Rapports[CEE_LivreBlanc] Commission Europenne nergie pour lavenir : les sources dnergie renouvelables. Livre blanc tablissant une stratgie et un plan daction communautaires , 1998. [CEE_Dir2000] Proposition de directive du parlement europen et du conseil relative la promotion de l'lectricit produite partir de sources d'nergie renouvelables sur le march intrieur de l'lectricit , 2000. [IEA] International Energy Agency, World Energy Outlook 2006 . [Obser] EurObservER, baromtres dans les revues Systmes Solaires. [RTE_06] Rseau de Transport dElectricit (RTE), Energie lectrique en France 2006 , brochure du Centre dInformation du Rseau Electrique Franais.

2- Articles et ouvrages[Ban_97] M. BANAL, Lnergie marmotrice , REE n8, sept.97, pp.6-7. [Bas_00] P. BASTARD, D. FARGUE, P. LAURIER, B. MATHIEU, M. NICOLAS, P. ROOS, Electricit. Voyage au cur du systme , Eyrolles 2000. [Ber_TI01] J. BERGOUNOUS, Le secteur lectrique : du monopole la concurrence , Techniques de lIngnieur, D4007, novembre 2001. [Bond_89] B. BONDUELLE, B. IVOIRE, A. FERRIERE, La centrale exprimentale Thmis : bilan et perspectives , Revue de Phys. Appl., avril 1989, pp.453-461. [Chab_EU97] B. CHABOT, nergies renouvelables Encyclopaedia Universalis 1997. [CEA_00] P. CIAIS, J. JOUZEL, H. LE TREUT, Le climat, variabilits et volution future , petits djeuner de presse CEA, 8 novembre 2000. [CEA_01] Les trois voies de lnergie solaire, Clefs CEA n44, hiver 2000/2001. [Cl_02] A. CLMENT et al. Wave energy in Europe : current status and perspectives , Renewable and Sustainable Energy Reviews, Pergamon, 6 (2002), pp.405-431. [Fin_97] D. FINON, La concurrence dans les industries lectriques : l'efficacit au prix de la complexit transactionnelle et rglementaire ? , Cahier de Recherche n12 de lInstitut d'Economie et de Politique de l'Energie, mars 1997. [Hau_00] E. HAU, Wind-Turbines, Springer, 2000. [Kap_99] R. KAPLISCH, Le dfi de lnergie au 21me sicle , Confrence donne au CERN le 9 fvrier 1999. Rsum, commentaire et analyse par Y. RENAUD. [Laher_00] J. LAHERRRE, Vers un Dclin de la Production Ptrolire , colloque Energie et dveloppement durable, 11 octobre 2000. [Man_01] B. MANOHA, WEC Committee on the performance of the generating plant. Work Group Renewable Energy, BEA Workshop London, nov. 2001. [Mar_97] J. MARTIN, Energies oliennes , Techniques de lIngnieur, Traits Energtique B8585, 1-1997, 22p. [May_02] D. MAYER, F.P. NEIRAC, La production rpartie dlectricit : techniques et perspectives dans le contexte europen , GEVIQ2002, Marseille 2002, pp.48-54. [Mul_02] B. MULTON, O. GERGAUD, H. BEN AHMED, X. ROBOAM, S. ASTIER, B. DAKYO, C. NIKITA, Etat de lart des arognrateurs , Ouvrage collectif Llectronique de puissance vecteur doptimisation pour les nergies renouvelables , Ed. NOVELECT ECRIN, mai 2002, pp.97-154. [Mul_03a] B. MULTON, Production dlectricit par des sources renouvelables , Techniques de l'Ingnieur, Traits de Gnie Electrique, D4005/6, mai 2003, 11p. [Mul_03b] B. MULTON, O. GERGAUD, G. ROBIN, H. BEN AHMED, Ressources nergtiques et consommation humaine d'nergie , Techniques de l'Ingnieur, Traits de Gnie Electrique, D3900, novembre 2003, 14p. [Sab_06] JC SABONNADIERE (sous la direction de), Les Nouvelles Technologies de l Energie , Herms Publishing, 2006.

Bibliographie 2/23- Sites internet [Web_AWS] serveur internet de la socit AWS (Archimed Wave System) http://www.waveswing.com/ [Web_CEA] serveur internet du Commissariat lEnergie Atomique, http://www.cea.fr. [Web_DGEMP] Site internet de la Direction de lEnergie et des Matires Premires, du Ministre de lIndustrie Franais, http://www.industrie.gouv.fr/energie [Web_EIA] site internet de lEnergy Information Administration du DOE (Departement of Energy) du gouvernement US, http://www.eia.doe.gov/. [Web_FrNuc] Site internet dinformations trs compltes sur la situation nuclaire franaise, www.francenuc.org [Web_goth] site web sur la gothermie, http://www.crest.org/geothermal/index.html [Web_IEA] site internet de lInternational Energy Agency, http://www.iea.org [Web_IFP] site internet de lInstitut Franais du Ptrole, http://www.ifp.fr [Web_jamstec] site web du Jamstec (nergie des vagues), http://www.jamstec.go.jp/jamstec/MTD/Whale/ [Web_LANL] Site internet du Los Alamos National Laboratory, USA, http://tritium.lanl.gov/energy_ressources.html. [Web_tidal] entreprise norvgienne de turbines (ou oliennes) sous-marines exploitant les courants marins, http://www.tidevannsenergi.com/ [Web_wave] site web danois sur lnergie des vagues, http://www.waveenergy.dk/ [Web_WEC] Site internet du Conseil Mondial de lEnergie, http://www.worldenergy.org/

4- Organismes dinformation sur les questions nergtiques et lectriques Agence de lEnvironnement et de la Matrise de lEnergie (ADEME) : http://www.ademe.fr Agence Internationale de lEnergie (International Energy Agency) : http://www.iea.org Conseil Mondial de lEnergie (World Energy Council) : http://www.worldenergy.org/wec-geis/ Electricit de France (EDF) : http://www.edf.fr/ Energy Information Administration (Dpartement de lEnergie du gouvernement US) : http://www.eia.doe.gov/ Rseau de Transport dlectricit (RTE) : http://www.rte-France.com Commissariat lEnergie Atomique (CEA) : http://www.cea.fr/ Comit de liaison Energies Renouvelables (CLER) : http://www.cler.org Observateur des Energies Renouvelables (ObservER), revues Systmes Solaires et Renewable Energy Journal : http://energies-renouvelables.org ENERGIE PLUS : http://www.energie-plus.com/ Institut Franais du Ptrole (IFP) : http://www.ifp.fr Direction Gnrale de lnergie et des Matires Premires : http://www.industrie.gouv.fr Institut de l'Energie et de l'environnement de la Francophonie (IEPF) : http://www.iepf.org/ CIELE : Centre dInformation sur lEnergie et lEnvironement : http://www.ciele.org/.

Arognrateurs lectriques

Prparation lagrgation de Gnie Electrique 2010

2me partie

Historique Ressources nergtiques du vent Croissance de la filire Caractrisation du vent Turbines oliennes Systmes lectromcaniques axe horizontal Chanes de conversion lectrotechniquesBernard MULTON

HistoriqueVoiles bateaux

Bernard MULTON

Premiers moulin vent (Perse 600 AVJC)

Pompage dans les polders (Hollande)

Pompage de l eau

Production d lectricit1891 : 1er arognrateur Danemark (La Cour) 1941 : USA bipale de 1,25 MW France : 1920 bipale 20 m (CEM) 1950-60 tripale 30 m 800 kW bipale 35 m 1 MW Californie : annes 1980 prs de 400 MW en 1985

Wind-rush californien

Deux grands secteurs d application : - sites isols, camping, bateaux qq 10 W qq 10 kWEx 1 : 400 W Ex 2 : USA 10 kW

Bernard MULTON

- production au fil du vent coupl au rseauqq 100 kW qq MW

Ex 3 Plougras : 8 x 750 kW

Ex 4 : Middelgrunden : 20 x 2 MWSource: Bundesverband WindEnergie e.V.

Ressources nergtiques du vent(sous produit solaire)Bernard MULTON

30.1015 kWh dans latmosphre terrestre POTENTIEL mondial : 50.1012 kWh exploitablesHumanit : 140 .1012 kWh primaires et 20.1012 kWh lectriques

France : 70.109 kWh terrestres - 500.109 kWh offshore Europe : potentiel offshore plus de 5.1012 kWh (5000 TWh)(triple de la consommation lectrique actuelle)

Croissance de la filireNombre dheures quivalentes pleine puissance :

> 2000 h en terrestre(10 GW donnent plus de 20 TWh)

> 3000 h en offshore(10 GW donnent plus de 30 TWh)

Croissance 2009/2008 : > 31 %

1,4 % de la production mondiale lectrique France : 3404 MW (+949 MW en 2008)

Fin 2009 : 158 GW installs (2 GW offsore fin 2009)

37 GW de nouvelles installations en 2009

Bernard MULTON

Fin 2009

Europe :76 GW fin 2009(Prvisions initiales EWEA 80 GW fin 2010, voeux initiaux du livre blanc :40 000 MW)

Prvisions 2009 EWEA : - pour 2020 230 GW(dont 40 GW offshore 14% de la conso europ. 2020)

- pour 2030 : 400 GW(dont 150 GW offshore)

Source : Revue Systmes solaires, ObservER En bleu : puissance cumule fin 2008 En vert : puissance installe en 2008 En rouge : puissance dmantele en 2008

Emergence des fermes oliennes offshoreBernard MULTON

Premire ferme olienne offshore en Baltique Danemark (Vindeby) 1991 : 11 x 450 kW

En 2001 : Middelgrunden (Danemark) 20 x 2 MW En dec. 2002 : Horns Rev Danemark : 80 x 2 MW Royaume Uni : 1er en 2009 avec 850 MW

2050 MW offshore installs en Europe fin 2009>3000 MW prvus fin 2010 (3500 MW en construction)

(+39% /2008)

Cots investissement et production Terrestre :

heures annuellesSource :Riso, EWEA 2009

1,2 /Wp

Source :Riso, EWEA 2009

Les cots dinvestissement ont augments denviron 20% vers 2005 (demandes + matires premires) Cots de maintenance : 1 2% de linvestissement par an Offshore moyenne Europe 2009 : 2,6 /WBernard MULTON

Le cot de production dpend des conditions de productivit des sites et de la dure damortissement

6 m/s(dure quivalente environ 2000 h/an)

0,043 0,072 /kWh

Source : E. HAU, Wind-Turbines, Springer, 2000.

Attention, ne pas confondre : - Cot de revient de llectricit olienne(sur la vie de la machine, incluant taux dintrt, maintenance, rparations importantes)

- Tarif de rachat sur le rseau(dfini pour attirer des investisseurs avec temps de retour sur investissement denviron 8 ans)

Turbines oliennesPuissance arodynamique :

Bernard MULTON

1 P = C P . ..Sbalaye.V 3 2

Thorie de Betz : CP maximal pour une certaine vitesse 16/27 = 0,59

PLimite =

8 ..Sbalaye.V 3 27

Vitesse de rotation normalise :(tip speed ratio : TSR)

=

R. V

Allures de CP en fonction de

Bernard MULTON

Turbines axe horizontal 1, 2 et 3 pales

=

R. V

Limite de Betz

opt 6E. HAU, Wind-Turbines, Springer, 2000.

Types de turbines Axe vertical

Darrieus 4 MW 110m

Av. : lentes (faible bruit) E. HAU, Wind-Turbines, Springer, 2000. machinerie au sol pas de dispositif dorientation Inc. : faible rendement arodynamique grande sensibilit de CP la vitesseAG Windrotor qq kW

Types de turbines Axe horizontal : dispositifs les plus frquents

Bipale Lagerwey 250 kW Tripale Nordex 1,5 MW Systme concentrateur (exprimental)

Rotor sous le vent (Vergnet 220 kW)

Tripale flexible (Airwind 400 W )

Tailles machines

Bernard MULTON

Source : European Wind Energy Report Europe 2005

120 m : 4,5 5 MW

Donnes de masse

Bernard MULTON

nacelle

pales

European Wind Energy Association

Pour lestimation annuelle de la production : modlisation de la densit de probabilit doccurrence des vents Loi de Weibull :(densit de probabilit)

k V f (V ) = . V c

k k 1 V .e c

c (not parfois A) : facteurdchelle proche de la vitesse moyenne annuelle k : paramtre de rpartition V : vitesse (moyenne sur 10 min)

Source : http://re.emsd.gov.hk/

Bernard MULTON

Normalisations des classes de vents

Source : Techniques de lIngnieur D3590 GL = Germanischer Lloyd IEC = Commission lectrotechnique Internationale

Des plus forts

aux plus faibles

USA : 7 classes de vent, 50 m : de moins de 5,6 m/s plus de 8,8 m/s Les constructeurs optimisent leurs arognrateurs pour les adapter diffrentes classes de sites (optimisation technico-conomique) Egalement des classes dintensit des turbulences.Bernard MULTON

Caractristiques de lair et rugosit Masse volumique : 1,2 kg/m3

Bernard MULTON

Turbulences dues la rugositVue de profil

Vue de dessus

www.windpower.dk

Influence de la hauteur

Effet de la hauteur :

V Z = V0 Z0 = 0,1 mer = 0,4 ville

= 0,1

: paramtre de rugosit

Source : www.cres.gr/windrose

Bernard MULTON

Rgulation de puissanceP I Pn II

Bernard MULTON

Limitation de puissanceIII IV

Plage de production

vD

vn

vM

Vitesses

dmarrage

nominale

maximale

Rgulation de puissance Systme pitch pas variable :

Bernard MULTON

orientation des pales pour rduire la puissance haute vitesse de vent

www.windpower.dk

Efficace mais complexe et coteux, trs utilis pour quelques 100 kWE. HAU, Wind-Turbines, Springer, 2000.

Rgulation de puissance

Bernard MULTON

Systme stall passif dcrochage arodynamiqueprofil des pales tel que au-del d une certaine vitesse de vent, les turbulences font naturellement chuter la puissance

Simple, fiable mais moins bonne exploitation de la puissance aux vents forts

Scurits Arrt :

Bernard MULTON

en cas de vents excessifs (et mise en drapeau ventuelle) en cas de problme rseau (sur ou sous-tension) Freins arodynamiques : dissipent une grande partie de lnergie cintique sans usure

Freins mcaniques : disques en cas durgence

Variation de vitesse Systmes 2 vitesses fixes (changement de nbre de ples) Systmes vitesse continment variable : de vD vN

Bernard MULTON

Plage typique de vitesse : 1 2

Relation courbe de puissance distribution du vent et nergie capture

Bernard MULTON

Systmes lectromcaniques axe horizontalFaibles puissances (< 10 kW) : Rotors rapides : 300 W 2000 tr/mn 1 kW 600 tr/mn 10 kW 200 tr/mn

Bernard MULTON

Entranements directs possibles, voire quasi naturels

Fortes puissances : Rotors lents : - 80 kW : 60 120 tr/mn - 750 kW : 15 35 tr/mn

Entranements directs plus difficiles

Chane classique de conversion avec multiplicateur de vitesse Objectifs :

Bernard MULTON

allger les quipements en nacelle (gnratrice rapide) utiliser des gnrateurs standards

Orientation

Rotor pitchwww.windpower.dk

GnrateurNordex

Frein disque Multiplicateur de vitesse

Joint de cardan

Chane entranement directBernard MULTON

Objectifs :

amliorer la fiabilit, rduire la maintenance et le bruit exploiter les turbulences

(performances accrues et fatigue rduite)

Doc. Enercon http://www.enercon.de/

E40 : 500 kW plus de 3300 exemplaires en service fin 2002

Chanes de conversion lectrotechniquesPetites puissances : Gnralement gnratrice aimants : MS 3~

Bernard MULTON

Limitation de charge par - rgulateur lectronique - mise en court-circuit de l induit par contacteur

Gnratrice aimants dbitant sur bus continu :transformateur parfaitU12

Bernard MULTON

redresseur accumulateurs Ibati1

Vbat Vbatm

L R E m=0.343Paro Plec

Puissance (W)

1200 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 300 400 500 600 700

Paro Plec

Thse O. Gergaud 2002

N (tr/min)

Chanes de conversion lectrotechniques de grande puissance couples au rseau1- Gnratrice asynchrone vitesse fixe gnralement 2 vitesses

Nordex N54 1000 kW Commutation 4/6 poles, 1000/200 kW 1513 et 1014 tr/mn Turbine 21,5 et 14,3 tr/mn (multiplicateur 1:70)

Bernard MULTON

Bilan nergtique simplifi : machine asynchrone cage Rendement lectromagntique En fonctionnement moteur Pmca> 0 et g > 0Pem Pmca=(1-g).Pem

moteur =

Pmca = 1 g Pem

Protor=g.Pem

En gnratrice

Pmca< 0 et g < 0Pmca =(1-g).Pem

Pem

gn =

Pem 1 = Pmca 1 g

P rotor=g.P emBernard MULTON

2- Gnratrice asynchrone cage vitesse variable ncessit de faire varier la frquence statorique

C CLim

Vs1 et s1 Vs4 et s4 Moteur

CMax -CMax Gnrateur -CLim

Rares applications : Vergnet HP-GEV 1 MW

Bernard MULTON

3- Machine double alimentation Gnratrice asynchrone rotor bobin Solutions :(NN 25 40%)

Nordex N80 2500 kW 6 ples 700 1300 tr/mn (1000 +/- 300 tr/mn) Turbine 10,9 19,1 tr/mn (multiplicateur 1:68,1) convertisseur IGBT 750 kVA Gnratrice : 12 tonnes (1,6 N.m/kg) Multiplicateur : 18,5 tonnesNacelle complte : 83 tonnes (+ 65 tonnes turbine)

RE Power 5 MW

Bernard MULTON

3- Machine asynchrone double alimentationAnalyse nergtique simplifie autour de s

Pem = Pstat =

Pmca g et Prot = Pmca 1 g 1 gEx. : g = gMax= + 0,3 hyposynchrone = 0,7. Prot=0,4.Pmca

Convention moteur

s

Ex. : g= -gMax= - 0,3 hypersynchrone = 1,3.

s

Rcepteur Moteur Pmca > 0

Prot=-0,23.Pmca

Pstat=1,4.Pmca

Pmca

Pstat= 0,77 .Pmca

Pmca

Gnrateur Frein Pmca < 0 Pstat=1,4.Pmca

Prot=0,4.Pmca Pstat= 0,77.Pmca Pmca

Prot= -0,23.Pmca Pmca

Gnratrice asynchrone double alimentation Intrt en terme de dimensionnement du convertisseurhyposynchrone

= (1 g Max ). s

exemple : g=+/-gMax=0,3

hypersynchrone

Prot=0,4.Pmca Pstat=1,4.Pmca Pmca

Max 1,3.s = = 1,9 min 0,7.s

= (1 + g Max ). sProt=0,23.Pmca Pstat= 0,77.Pmca Pmca

Cas dune turbine olienne (P 3) : si varie dans un rapport 1:1,9 Pmca varie dans un rapport 1:6,4Pmca (Max) 6,4 Pmca (min)

Prot 0,23.Pmca_MaxBernard MULTON

Grandes puissances couples au rseau : 4- Gnratrice synchrone grand nombre de ples (structures annulaires) et excitation bobine sans balais

Enercon E66 1800 kW 10 22 tr/mn Nacelle complte : 71 tonnes(machine multiplicateur mme puissance : 60 tonnes environ) Assemblage : la structure mcanique reprsente une part importante de la masse

Gnratrices directes : amlioration des performances Aimants : rduction de masse denviron 25%

Rotor ples saillants bobins Enercon Rotor aimants ABB

Gnratrice aimants 500 kW 32 tr/mn, avec 188 ples masse active de 2,7 tonnes (dont 125 kg daimants haute nergie) masse totale de 10 tonnes ( 2/3 inactifs) soit un couple massique global de 15 N.m/kg (58 N.m/kgactif). 4,5 MW 12 tr/mn : 50 tonnes dont 13 tonnes actifs et 600 kg daimants.Bernard MULTON

Solution intermdiaire entre direct et indirect : gnratrice semi-rapide avec multiplicateur un seul tage Objectif : obtenir un meilleur compromis cot/productivit Exemple : machines WinWinD (1 et 3 MW)Gnratrice aimants 1 MW 40 145 tr/min + convertisseur AC-DC-AC

Multiplicateur un seul tage plantaire x 5,71

Doc. WinWinD

Machine 1 MW Grand Fougeray (Bretagne)

Architectures lectromagntiques :Machines multipolaires : couple massique lev Structure discodes : gain en encombrement et en masse des parties inactives

Jeumont Industrie J48 : aimants et discode

champ radial

champ axial

Synthse de lvolution du march des chanes de conversion

2000 : 56% machines cage 22% MADA 15% MS 37% vitesse variable

2005 : 29% machines cage 47% MADA 18% MS > 65% vitesse variable

Source : EDF printemps de la recherche 2009

Perspectives en offshore : plus de 5 MW par unitproduction annuelle offshore : 20 millions de kWhSource : Enercon

Bernard MULTON

Arognrateur ENERCON E126 : 6 7 MW (1ers essais en 2008)

Gnrateur synchrone entranement direct, vitesse variable 7 15 tr/mn, convertisseur MLI Des pales de 60 m, une tour en bton de 135 m

Bibliographie 1/2

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Sites Web [CompEole] Compagnons dEole : http://users.swing.be/compagnons-eole/ [PaulGippe] Paul Gipe Association : http://rotor.fb12.tu-berlin.de/overview.html [WindPower] Site des constructeurs Danois : http://www.windpower.dk/ [OWEN] Offshore Wind Energy Network : http://www.owen.eru.rl.ac.uk/ [EoleWeb] Eole, les oliennes et lnergie du vent : http://www.eole.org/ [EWEA] European Wind Energy Association : http://www.ewea.org/ [AWEA] American Wind Energy Association : http://www.awea.org/ [EED] Espace Eolien Dveloppement : http://www.espace-eolien.fr/ [RISO] Ris National Laboratory (Danemark) : http://www.risoe.dk/ [SuiviEol] Site du suivi de la production olienne en France : www.suivi-eolien.com/

Gnration photovoltaque

Prparation lagrgation de Gnie Electrique 2010

3me partie

Historique Ressources nergtiques du soleil Croissance de la filire Caractrisation de l ensoleillement Cellules et gnrateurs photovoltaques Convertisseurs Systmes de conversionSource photo : http://www.iea-pvps.org/ (Brockhill UK)

Bernard MULTON

Historique

1839 : effet photovoltaque Becquerel sur un couple lectrochimique 1877 : 1re cellule PV au slnium 1954 : 1res cellules PV au silicium rendement 4,5 % 6% en quelques mois 1955 : 1re commercialisation cellule PV 14 mW (2%) $25 1958 : satellite avec cellules PV (ont fonctionn 8 ans) annes 60 : monte des rendements et des puissances (Japon 63 : 242 W sur une maison)

Bernard MULTON

Applications

Satellites Electrification des sites isols, notamment : pompage d eau pays en dveloppement applications non raccordes loisirs Production au fil du soleil , croissance de la filire depuis annes 90 grce des incitations financires(tarif rachat du kWh)

De faon marginale : vhicules (course Australie : sunracers) bateaux...

Bernard MULTON

Ressources nergtiques soleilLa terre intercepte une partie (infime) du rayonnement solaire : puissance de 180 106 GW nergie annuelle de 1,6 1018 kWh 45% sont absorbs au sol puis rayonns, soit 720.1015 kWh soit 6000 fois la consommation humaine annuelle Selon les rgions : de 400 kWh 2500 kWh/m/an, soit une puissance moyenne de 50 280 W/m et une puissance crte de plus de 1 kW/m Une grande part de cette puissance par unit de surface peut tre directement convertie en chaleur, une faible part (8 25%) peut tre transforme directement en lectricitBernard MULTON

Spectre solaire

AM1 = sous 1 couche dair 1 atmosphre Norme caract. PV : mesure sous AM1,5(soleil 48)

et 1 kW/m

Source : JC. Mller, Techniques de lIngnieur BE8578Bernard MULTON

Variations des angles en fonction de lheure et de la saison

La puissance collecte est maximale si le rayonnement est perpendiculaire au plan du capteurinclinaison du capteur gale (/2 - )Bernard MULTON

Irradiation solaire et productivit PV en France : plan horizontal ou inclin (optimal)

900 heures 1 kW/m 1400 heures 1 kW/m

x 0,75

Source :

Irradiation solaire annuelle en Europe

Source : JRC

Une anne en Bretagne (Rennes, 2001) puissance par unit de surface rayonne11000 000

Ensoleillement, S, des panneaux Ensoleillement dans le plan en W/m (W/m)

800 800 600 600

4400 00

2200 00

0

0

50 50

100 100

150

150

Thse O. GERGAUD, SATIE Rennes

1000 800 600 400 200 0 168 169 170 171 172 173 174

te m

200 200 p s e n jo u r s temps (jours)

250 250

300 300

350

350

Jour de lanne

Bernard MULTON

Rendement de captation en fonction de lorientation et de linclinaisonDisque pour calcul du Facteur de Transposition (FT) Exemple LYON, reprsentatif de la France Mtropolitaine en zone urbaineInclinaison du capteur Centre du disque : Capteur horizontal (0) Priphrie du disque : Capteur vertical (90)

Orientation du capteur Maximum FT 1,11 Inclinaison : 38 Orientation : Sud Inclinaison verticale Orientation : Est FT = 0,78 Source : ADEME GENEC Guide photovoltaque

Croissance de la filire photovoltaqueGnrateurs photovoltaques Monde Plus de 21 GWc cumuls fin 2009(+ 6,4 GW en 2009)

(total Europe 15 GW) pour une production denviron de plus de 10 TWh

Prvision mondiale 2030 : 1000 GW(plus de 1000 TWh)(Eolien 2030 : 2700 GW 6620 TWh)

Production + installation : environ 20 + 30 emplois/MW

(en 2030 : 10 + 25, soit 1,5 Memplois permanents)Source : EPIA (European Photovoltaic Industry Association)

production de capteurs PV Taux de croissance : En 2009 : 3 GW supplmentaires en Allemagne 30 40%/an La Chine devient le 1er fabricant mondialBernard MULTON

Installations en Europe2008

Europe 2030 : 250 700 MW installs

Source : Revue Systmes solaires, ObservER

Systmes photovoltaques connects au rseau (au fil du soleil) : Toits solaires : Allemagne, ds 1990 : 1000 toits solaires puis 100 000 Japon, ds 1994 : 70 000 toits solaires pour 2000 USA : 1 million solar roofs (MSR) pour 2010 Tarifs de rachat incitatifs : En France (dcollage tardif) : 2002 : 15 c/kWh 2006 : 30 c + 25 c (prime dintgration) 40 c (DOM et Corse)Bernard MULTON

Systmes photovoltaques connects au rseau (au fil du soleil) : Centrales de grande puissance : Exemple : Lieberose (Allemagne, 2009) 52,79 MW sur 162 hectares, 52 000 MWh/an 160 M soit 3 /Wc700 000 modules 75 W Firstsolar (couches minces CdTe) 38 onduleurs SMA

Source : Juwi Solar

Grce aux amliorations de process et la croissance du march le cot des modules baisse rapidement

Source : JRC - IES

Influence de la zone gographique

Source : Ph. Malbranche CEA-INES (2006)

Avec 4 /W (3 + 1) et 1000 h pleine puissance pendant 20 ans : prix du kWh : 0,2 /kWh

Le seuil de comptitivit approche et dpend du lieu (niveau dinsolation)

Source : W. Hoffmannn, EPIA, Valencia 2008

Technologies commerciales en 2006Exemples de cellules en Si monocristallin

Silicium Cristallin: 90% Couches minces : 10%- silicium amorphe - silicium en ruban - CdTe tellurure de cadmium - CIS cuivre indium selenium(voire CIGS cuivre indium gallium selenium)

a-Si

CIS Exemples de cellules en Si polycristallin

Source : photon international march 2006

Progression des rendements en laboratoire

Source : NREL

Rendements des principales technologies

Source : www.solarnavigator.net

Rendements technologies films minces

prvisions

Source :Bernard MULTON

Limites de rendement avec 6 jonctions et concentration

Source : DARPA, Dresden PV 2006

Multi-jonctions et concentration du rayonnement : limites de rendement

Source : DARPA, Dresden PV 2006

Temps de retour sur investissement nergtique : de 10 mois 3 ans selon techno et localisation

Source : ALSEMA, EPEC, 2006

Energie de production : 6 20 MJ/Wp (hors frame)Bernard MULTON

Cellule photovoltaque, principe :

Ip Vp

Source : http://www.rise.org.au/

Bernard MULTON

Cellule photovoltaque, principe :Convention diode rcepteur

IpConvention diode gnrateur

Vp

e.Vp k.T I p = I cc (E ) + Is .(e

1)

Source : Protin, Astier et Mller Techniques Ingnieur

Bernard MULTON

Cellule, module, assemblage :

Web EREN, US dpt of Energy

Cellule : diode PV lmentaire dimensions de lordre de qq cm, qq watts Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectes en srie et parallle 32, 36, 72, 216... cellules, qq 10 qq 100 watts Typiquement : modules de 100 W (1 m)avec 72 cellules en srie (34 V) ou 2 x 36 (srie parallle 17 V)Bernard MULTON

Cellules photovoltaques, mise en srie et en parallle : en srie :mme courant, limit par la diode la moins claire IPV

Ipv Vp

VPV

VPV

E2 Vp E2 E2 VPV =N.Vp

V Ip en parallle E Vp

Bernard MULTON

Cellule photovoltaque, ncessit dune protection : cart de temprature, dclairement, dfaillance... en srie :mme courant, limit par la diode la moins claire Avalanche(15 30 V)

Caractristique rsultante

E2 V2 E1 E2 V2 E2 V2 V1 Vtot=3.V2+V1

Ip E1

E2

Charge

V1=Vtot 3.V2

V2

Vtot

Polarisation inverse : dissipation d nergieBernard MULTON

Cellule photovoltaque, protection par diodes bypass: Pour limiter la tension inverse une valeur acceptable (point de vue thermique ou avalanche) : diodes de protection bypass

Pour limiter le nombre de diodes de protection (soucis conomique) : une seule diode par groupe de 24 cellules environ

les diodes bypass ne conduisent quen situation de dsquilibre, et limitent la perte de puissance la caractristique I(V) est nanmoins modifie.

Bernard MULTON

Cellule photovoltaque, fonctionnement avec diodes bypass et srie exemple : 2 branches de 2 modules en srie en parallle Ip V2Caractristique rsultanteTous les modules normalement clairs

co n dui t

V1

V V1 + V2Ici : tension modules bleus > V1 + V2 => diode srie bloqueBernard MULTON

Module : groupe de cellules

Ombre ou clairement rduit

Effet des diodes bypass sur les caractristiques rsultantes I(V)Un module isol par sa diode antiparallleCaractristiques relles dun systme avec cellules vieillies et une importante couche de poussire

Source : Astier, Techniques IngnieurBernard MULTON

Dio de b

ypa ss

Exemple de module ASE 100 W silicium polycristallin Effets de la puissance reue et de la temprature

Bernard MULTON

Exemple de module ASE 100 W silicium polycristallinConditions spcifications

brut 12% cell 14%Cellules agencement Coeff de temprature

Bernard MULTON

Cellules en silicium amorphe Film mince, faible cot nergtique possibilit de transparence

Cellule en Si cristallin :

Fort potentiel de baisse de cot : < 1 /Wc

Bernard MULTON

Exemple de module ASE 30 W silicium amorphe

Bernard MULTON

Exemple de module ASE 30 W silicium amorphe

brut 5,3%

Coeff de temprature

Bernard MULTON

Modlisation des cellules au silicium P(V,E)

I(V,E)

P(V,TC)

Source : M.R. PATEL, Wind and Solar Power Systems, CRC Press, 1999

Bernard MULTON

Variation du rendement (normalis) avec lirradiation solaire Le rendement est loin dtre constant

H : amorphe 6,5% G2 : amorphe film mince 3,5% C : polycristallin 13,2% A : monocristallin 14,2% E : polycristallin 12,5%

Source : Merten et al. 23rd Europ. Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exh. 2008Bernard MULTON

Baisse de la puissance maximale avec la tempratureCoefficients de temprature (donnes constructeurs) Techno a-Si triple junction CIS CIS CIS CdTe mc-Si mc-Si mc-Si c-Si Fabricant Unisolar Axitec Wrth Solar Shell Solar ST40 FirstSolar Sharp Yingli Photowatt Sunpower Coeff temp (%/C) -0.20 -0.30 -0.36 -0,07 -0.25 -0.48 -0.45 -0.45 -0.32

Source : INES, prsentation Franck Barruel et Sebastien Grhant

Bernard MULTON

Vieillissement : chute du rendement avec le tempsSilicium amorphe

Silicium cristallin

Selon les technologies et les fabricants, des chutes de productivit comprises entre 0,1 2%/an

Source : Osterwald et al. Comparison of Degradation rates of Individual Modules Held at Maximum Power, WCPEC 2006Bernard MULTON

Bilan sur les caractristiques Attention, les spcifications sont faites : au point de puissance maximale, 1 kW/m, 25C. Le rendement doit prendre en compte (cas Silicium cristallin): la temprature : - 15% si + 30C => x 0,85 la puissance rellement rayonne les pertes de conversion et dans le cblage : au moins 10% => x 0,9 Attention aux prvisions optimistes ! Exemple 55C, 1000 W/m et convertisseur DC-DC : x 0,76 pour 1 kWutiles, prvoir une puissance crte PV de 1,3 kW.Bernard MULTON

Convertisseurs, adaptationModules PV directement connects un accumulateurVp = [ U bo R b .I u ] + R b .I p

Ip

Ib Rb

Iu

Ip

Iu> 0 Iu=04 5 6 1 2 3

Vp = U bo + R b .I p

Vp Ubo

consommateurs

PpEnsemble de modules PV Accumulateur

Ubo4 5 6 3 1 2

Vp

Vp = U bo + R b .(I p I u )

Vp

Sachant que Ubo et Rb sont galement fonction de lEDC et que Iu varie

Bernard MULTON

Intrt du tracking de la puissance maximale : systmes MPPT Utile pour exploiter la puissance maximale dans des conditions trs Variables : de temprature, densoleillement de tension continue (vieillissement batterie, EDC) des disparits dclairement des modules de la consommationIs Ip Vp Ib Iu Rb consommateurs Ub

Convertisseur DC-DC Cde MPPT

Ubo

Ensemble de modules PV

AccumulateurBernard MULTON

Principe de ladaptation dimpdanceObjectif : maximiser la rcupration de puissance en positionnant le point de fonctionnement lectrique au maximum de la courbe de puissance quelles que soient les conditions

Ip

2 1

Rapport cyclique

Pp

UbusDC

Vp

(1-1).UbusDC (1-2).UbusDC

Cas o UbusDC > Vp

DC-DC lvateur

Vp = (1 ).U busDC

VpSource : Solems Bernard MULTON

Profils de productionEn rouge Ppv, en bleu P en sortie du convertisseur DC-DC (module BP 585 : 85 Wc)Sur une journe de plein ensoleillement

Sur une journe avec passages nuageux

Source : LAAS CNRS, thse Cdric Cabal 2008 Bernard MULTON

Principe de la recherche du point de puissance maximale Problme difficile cause des variations rapides possibles de la caractristique I(V) et des ventuels maxima locaux Plusieurs familles de principes : - balayage systmatique de la caractristique - modle du gn PV connu - auto-adaptatif (tout type de techno PV) Peut galement se faire directement avec un convertisseur DC-AC :Ip Vp

Convertisseur DC-AC Cde MPPT

Uac

Ensemble de modules PV

Bernard MULTON

Exemple de convertisseur DC-AC : redresseur MLI Exemple monophas Avantages : - courants quasi-sinusodaux - rversibilit - possibilit de fournir du ractif Inconvnients : - ncessit dune tension leve - cot - pertes de commutation - CEM Se gnralisent pour les toits solaires...Bernard MULTON

Convention gnrateur ct rseau

Exemple de convertisseur DC-AC avec MPPT SMA Sunny Boy (gamme 2 3 kW)Entre : MPPT 175 560 V Maxi 700 V Etage DC-DC : PWM 16 kHz Etage DC-AC PWM Courant sinus max > 96% 18 kgSource : SMA

Proposition de garantie de 5 25 ansBernard MULTON

Rendement des convertisseurs PV SMA Sunny Boy 2000Effets de la tension du bus continu sur le rendement

Rendement europen :

Source : SMA

une faon de considrer la courbe de rendement et la variabilit de lensoleillement

3% du temps une puissance de 5% de Pn, 6% du temps 10% de PnBernard MULTON

Convertisseurs PV SMA Sunny Boy 2000 3000 Limites de puissance en fonction de la tension Upv

Source : SMA

Bernard MULTON

Rendement des convertisseurs PV Comparaison avec et sans transfo BF

Rendement maxi : 94,1% europen : 93,2%

Rendement maxi : > 96% europen : > 95%

Source : SMABernard MULTON

Rendement lectrique total de conversion Le rendement total de conversion doit prendre en compte : - le rendement nergtique du convertisseur - le rendement de la stratgie MPPT

Source : H. Hberlin (Haute Ecole technique bernoise de technique et dinformatique), 2005

Source : H. Hberlin

Des gains importants possibles A la fois sur : - lefficacit de la stratgie MPPT - sur la courbe de rendement du convertisseur Exemple : convertisseur Solarmax avec convertisseur commande entrelace,minimisation des consommations de veille

Source (publicitaire) : SOLARMAX

Bernard MULTON

Optimisation de linclinaison et de lazimut : des gains importantsInclinaison optimise fixe sur lanne Inclinaison et azimut optimiss (2 axes) variables

1000 heures/an 1500 heures/an

1200 heures/an (+ 20%) 2100 heures/an (+ 40%)Source : JRC (Joint Research Centre) http://ec.europa.eu

Attention, les couleurs ne correspondent pas aux mmes chelles sur les deux graphiques

Influence de langle d inclinaison du capteur (suppos constant) sur la production d nergie

M.R. PATEL, Wind and Solar Power Systems, CRC Press, 1999

= : production moyenne sur l anne maximale = - 15 : production favorise en t = + 15 : production favorise en hiverBernard MULTON

Poursuite mcanique (trackers)Plusieurs possibilits : - 1 seul axe inclinaison (meilleur compromis technico-conomique) Gain 20 40%, robuste Ajustement saisonnier manuel : Motoris :

Un seul axe, ajustement saisonnier manuel Sun Edison PV power plant (Alamosa, Colorado) Source : NREL

Ferme PV Suncheon, Core du sud Source : Wattsun trackersBernard MULTON

Poursuite mcanique (trackers)Deux axes (inclinaison et azimut) :Exemple de gain de performance sur une journe (5 oct. 2005, Rose Rock Lane US)

19 kWhFerme PV Suncheon, Core du sud Source : Wattsun trackers

14 kWh

(+35%)

Source : J.C. Sagebiel, Wattsun

Ferme PV Caravaca de la Cruz (Espagne) 210 modules de 10,5 kW (gain 45% par rapport orientation fixe)

Bernard MULTON

Systmes de conversionSystmes coupls au rseauMontage en srie (string) 1800 W

200 500 V 15 modules 120 W en srie (Voc 21,3 V VMPP 17,1 V)

Source : Woyte et al. Optimised application of grid-connected photovoltaics, Proc. of Power-Gen 2001 Bernard MULTON

Systmes de conversionSystmes coupls au rseauMontage en srie / parallle 2400 W

72 145 V Mise en parallle de 4 ensembles de 6 modules 120 W en srie (Voc 21,3 V VMPP 17,1 V)

Source : Woyte et al. Optimised application of grid-connected photovoltaics, Proc. of Power-Gen 2001

Bernard MULTON

Systmes de conversionGrandes installations couples au rseau Portugal, Amareleja (mise en service dc. 2008)46 MW - 261 M 250 ha irradiation solaire 2200 kWh/m/an 1650 kWhe/m/anSource : www.portalalentejano.com

2520 trackers 1 axe (azimut) Chaque tracker supporte 104 modules Si-polycristallin (48 cellules en srie) (142 m :13 m x 10,87 m) soit 18,2 kW 214 onduleurs

Bernard MULTON

Systmes de conversionSystmes multi-convertisseurs

Source : http://sunengineer.com

/Bernard MULTON

72 kW : 30 ensembles de modules PV en srie + convertisseurs de 2,4 kW

Systmes de conversionSystmes en site isol avec consommation en courant continu1,5 milliards dhumains ne sont pas relis un rseau d lectricit

Version minimale :panneau amorphe 22 Wp batterie 12 V - 70Ah, contrleur de charge et 2 lampes 8W

Exemple 1, villages isols au Vietnam (85% de la population vit sans lectricit)Programmes SELF : Solar Electric Light Fund, 1995 130 maisons

Bernard MULTONSource : CADDET Renewables : http://www.caddet-re.org/

Pompage au fil du soleilMme principe que les oliennes de pompage en exploitant le soleil Alimentation dun MAS par convertisseur Ip Vp Cde MPPT possible Ensemble de modules PV Convertisseur DC-AC 3

MAS

Ip

Caract. I(U) de lensemble conv-MAS associ la pompe

Source : BP Solar

VpBernard MULTON

Systmes multisources ou hybridesObjectifs : mieux profiter des ressources renouvelables locales mieux lisser la production (le vent et le rayonnement solaire sont souvent complmentaires) donc rduire la quantit d nergie stocke Un gnrateur fonctionnant avec un carburant (groupe lectrogne ou pile combustible) assure lautonomie en cas de longue priode sans ressources Un tel systme coupl au rseau permet : - de mieux respecter lenvironnement - damliorer la sret d approvisionnementBernard MULTON

Hybride PV Groupe lectrogneObjectifs :Minimiser la consommation de carburant Minimiser la maintenance du GE (dmarrages)

Distribution AC et DC

Source :

Bernard MULTON

Systme exprimental ENS Cachan

Systme exprimental ENS Cachancaractristiques techniques2 oliennes AEROCRAFT 750AC750 W 9,5 m/s dmarrage 3 m/s vitesse de survie 60 m/s gnratrice aimants 16 ples, 600 tr/mn diamtre rotor 2,4 m masse 43 kg mts 14 m Puissance maxi 1000 W/m : 100 W 34,5 V 2,9 V ( Pmax) (72 cellules polycristallines EFG, carr 10x10 cm) dimensions : 0,64x1,28 m masse dun panneau : 8,5 kg (rendement maxi : net : 13,9%, brut : 12%) rsistance au vent : 130 km/h Elments 2 V Capacit (en dcharge jusqu 1,8 V) : 185 A.h en 1 heure 325 A.h en 10h (15 kW.h) 350 A.h en 20h masse : 20,5 kg Convertisseur DC-AC Rversible, courant pseudo-sinusodal, Puissance continue : 4,5 kVA en 230 V 50 Hz 48 V DC 20 A permanents, 34 Arms crtes rendement maxi : 96% Masse : 65 kg

20 panneaux ASE-100-GT-FT 2 kW crtes 24 accumulateurs plomb-acide STECO Saphir 3600 Tension totale : 48 V 15 kW.h (10 h)Convertisseur rseau Trace Engineering SW4548E Couplage et gestion dnergie automatiques et programmables

Bilan des cots 2003Bernard MULTON

Cot dinvestissement de la puissance installe (petites installations) : - modules PV seuls : 3 /Wc en grande srie(baisse 1,6 / Wc envisage en 2010)

- installation : 1,5 /Wc - onduleur : 1,5 0,8 /Wc (500 W 5 kW)

< 6 /Wc

Soit un cot de production pour 1000 heures plein ensoleillement annuel sur 20 ans (20 kWh/Wc) : 0,3 /kWh (ou 0,45 0,6 /kWh avec stockage )(en supposant une absence de maintenance, de taux dintrts)

- stockage sur batteries : 3 6 /Wc selon nergie stocke(environ 0,15 /Wh donc 3 /W quivalent 20 heures Pmax)

Subventions et tarifs de rachat du kWh PV en France (2009) : rachat 0,30 /kWh + prime intgration 0,3 /kWh + ventuelles subventions rgionales 0,6 3 /W

Vhicules solaires Australian Sunracer : 3000 km nord - sud (gagnant : 41 heures soit > 70 km/h de moyenne) vitesse => 130 km/h 1 personne par vhicule moteurs 1 4,5 kW PV 8 m maxi, rendements 8 27 % tensions : 80 144 V Stockage : 30 40 AhHliotrope (France, Toulouse)

Vhicules normaux : assistance PV => gain de consommation 20 % rfrigration (transport alimentaire), climatisation...

Toyota Prius 3Bernard MULTON

Aronefs solaires

Projet Solar Impulse :

Image de synthse (1er vol : 3 dcembre 2009 quelques mtres) Source : www.solarimpulse.com/ Bertrand Piccard et Andr Borschberg.

200 m de cellules PV (silicium monocristallin 150 microns) 24 kW crtes 400 kg daccumulateurs au lithium-polymre (220 Wh/kg) (le quart de la masse totale) 4 moteurs de 6 kW (7,5 kW crtes)

Bernard MULTON

Aronefs solaires et bateaux Dirigeable SolR Catamaran SolR

Chantier naval de Kiel (Allemagne) fev. 2010, source : http://www.planetsolar.org/ Salon du Borget 2009, source : INSA de Lyon.

Prototype Masse totale : 350 kg dont 100 kg de charge utile Dimensions : 7m de haut, 5,5m de diamtre et 22 mtres de long PV: 40m de panneaux souples

6 mtres de haut, 31 mtres de long et 15 mtres de large 25 tonnes Batteries lithium PV : 470 m 2 moteurs lectriques (total 70 kW environ)Bernard MULTON

Production photovoltaque spatiale

Concept SPS Solar Power Satellite (NASA) 1968

Evolution 2000 : tours solaires ESA(modules moins difficiles assembler et satelliser)

Des km de cellules photovoltaques, une transmission par micro-ondes la surface de la terre puis une conversion en lectricit Un cobilan douteux (remboursement du cot nergtique du lancement) !Bernard MULTON

BibliographieL. PROTIN, S. ASTIER, Convertisseurs Photovoltaques , Techniques de lIngnieur, Trait de Gnie Electrique D3360, 8/1997. S. ASTIER, Conversion photovoltaque : de la cellule au systme , Techniques de lIngnieur, Trait de Gnie Electrique D3936, mai 2008. J.C. MULLER, Electricit photovoltaque : principes , Techniques de lIngnieur, BE8578, 2007. J.P. BRAUN, B. FARAGGI, A. LABOURET, Les cellules solaires, ETSF 1996. R. MESSENGER, J. VENTRE, Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, 1999. M.R. PATEL, Wind and Solar Power Systems, CRC Press, 1999. Systmes photovoltaiques raccords au rseau , Guide de rdaction du cahier des charges techniques de consultation destination du maitre d'ouvrage, ADEME juin 2004. A. LABOURET, M. VILLOZ, Energie solaire photovoltaque. Le manuel du professionnel , Dunod, 2003.

Prparation lagrgation de Gnie Electrique 2010

4me partie

LE STOCKAGE DNERGIE LECTRIQUE ASSOCI LA PRODUCTION DLECTRICIT :

Un moyen dadapter la production la consommation

Bernard MULTON

Pourquoi stocker en situation connect rseau ?- amliorer et scuriser la gestion du rseau dans un contexte douverture des marchs de croissance des systmes de production non pilots par la demande - permettre lilotage de consommateurs/producteurs Alimentation en lectricit plus sre et plus robuste - augmenter la pntration des sources variables et incertaines oliennes, photovoltaques, houlomotrices - rduire les besoins en centrales thermiques dappoint Dveloppement durable (CO2, indpendance nergtique)

A quel niveau stocker ?- au niveau des gnrateurs fluctuantsAmlioration de la participation aux services systmes : production de puissances active et ractive la demande donc meilleure intgration dans les marchs ouverts de lnergieEx. production olienne (Kariniotakis, CENERG)

Rapport Pmax/Pmoy de lordre de 4 (olien) 7 (PV)

- au niveau du rseauUn degr daction supplmentaire pour le gestionnaire, rduction des risques deffondrement.

Dans le monde : 90 GW (hydraulique gravitaire) sur 3400 GW soit 2,6 % France : 6,3 GW sur 116 GW soit 5,4%

- au niveau des consommateurs (fluctuations trs importantes)- sret de fonctionnement, - lissage ou crtage de consommation, - meilleur dimensionnement du rseau de distribution, - possibilit dlotage long si une production locale existe

Rapport Pmax/Pmoy de lordre de 10

Dj des applications en secours (situations critiques)

Moyens de stockage grande chelle

Hydraulique gravitairedessins Jacques RUER, SAIPEM/ECRIN

Air comprim en caverne

Electrochimique circulation(Redox flow batteries)

Thermique rfractaires et turbine( ltat de recherches)

www.regenesys.com

Stockage hydraulique gravitaire(STEP : Stations de transfert dnergie par pompage)

Ensemble Pompes et Turbines

Retenue d'eau suprieure

Conduite force

Retenue d'eau infrieure

1 kWh/m3 pour une chute de 360 m Rendement : 65 75 % Capacit : 1 qq 100 GWh Puissance : 100 1000 MW

Exemple : Grand-Maison 935 m de dnivele, 170 Mm3 400 GWh 12 groupes 150 MW 1400 MW en pompage 1800 MW en turbinage

Donnes et dessins Jacques RUER, SAIPEM

Moyens de stockage petite et moyenne chelle

Electrochimiques Pb-acide, NiCd, NiMH Li Mtal-air Haute temp Volants dinertie

Inductances supraconductrices

www.amsuper.org

Supercondensateurs

Air comprim, pile combustible rversible

Batteries lectrochimiques : quelques expriences grande chelleExemple 1 Plomb-acide Chino - Californie Capacit : 40 MWh 10 MW Cot : 200 Euros/kWh ou 800 Euros/kWwww.electricitystorage.org

Exemple 2 Nickel-Cadmium (1000 tonnes) Fairbanks Alaska (2003) Capacit : 40 MW durant 7 mn (4,7 MWh) ou 27 MW durant 15 mn (6,7 MWh) Cot : 4000 Euros/kWh ou 700 Euros/kW Dure de vie escompte : 25 ans

Technologies plomb-acide : caractristiques, modlesDes phnomnes complexes, do une modlisation complexe et peu fiable. Le vieillissement intervient, les drives en temprature peuvent tre importantes Les schmas quivalents lectriques doivent mettre en uvre des lments non linaires, notamment pour prendre en compte les phnomnes rapides Dans le secteur des nergies renouvelables, les accumulateurs au plomb sont quasiment seuls : avantage de prix, inconvnient de masse moindre.

Caractristiques lectriques : 2 V par lment0,5

Rsistance interne(24 lments de 325 Ah en srie) dcharge charge0,4

fem fonction de ltat de charge

Ri ()

0,3 0,2 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

tat de charge

0,8

0,9

1

Perte de capacit aux basses tempratures fem fonction de TC + 1,8 mV/C

Source: batteries Exide

http://networkpower.exide.com/

Influence du courant de dcharge sur la valeur de la capacit (rendement coulombien, loi de Peukert)Tension finale (Capacit effective) Dure de dcharge courant constant

Q=

Kn a + I dech

La capacit en dcharge dcrot lorsque le courant de dcharge est plus lev. Avec une dcharge en 1h, la capacit tombe 50 Ah

(courant de dcharge, constant) Source: batteries Exide http://networkpower.exide.com/

Variation de la capacit en fonction du courant de dcharge (constant)Accumulateur Exide Absolyte IIP 90 A140

Capacit Ah Accumulateur au Pb Exide 90 A

120

100

14080

Capacit Ah

Accumulateur au Pb Exide 90 A

12060

40

100 80courant de dcharge en A @ 1,75 V)

20

0 1 10

60100 1000

40 20

Q=

Kn a + I dech

0 0 20 40 60 80 100 120 140

courant de dcharge en A @ 1,75 V)

Nombre de cycles limit par la profondeur de dcharge

Interviennent galement : la puissance de dcharge, la temprature... Maintenance ncessaire : ajout deau pure...Source: batteries Exide http://networkpower.exide.com/

Analyse simplifie de la limite de puissance due aux pertes, rendement nergtique 1/3Modle assez gnrique : source de tension avec rsistance interne, nergie initiale : E.Q

I E R U

2 E2 I I Pu = E.I R.I = R I cc I cc 2

= 1

I I cc 10,5 0 0,5 1 0,5 1

I Icc

I Icc

Limite de puissance due aux pertes, rendement nergtique Dcharge (ou charge) courant constant I : dure Q/I donc : Q donn, le temps de dcharge (ou de charge) est en I-1

2/3

t=

Q IWu E.Q

I = Cte : le rendement en puissance est gale au rendement en nergie

=1 0,5 0 0,5

I1

I cc

Limite de puissance due aux pertes, rendement nergtiqueI

3/3

En introduisant lautodcharge(par exemple : rsistance en parallle sur E) :E R0

R U

1 0,5 0 0,5 1

I I cc

Pratiquement, dans un accumulateur, la capacit ou lnergie rcuprable dpend donc du temps de charge ou de dcharge.

Technologie lectrochimique NiCdForce lectromotrice : 1,2 V par lmentAutodcharge vs TC

Capacit nergtique vs TC

Saft : batteries Sunica Plus NiCd pour applications EnR

NiCdDure de vie vs TC (environ 1 cycle par jour) comparaison avec Pb acide

Saft : batteries Sunica Plus NiCd pour applications EnR

Technologie lectrochimique Lithium-Ion

130 Wh/kg en 1h

annes

Saft : batteries Sunica Plus NiCd pour applications EnR

Doc. Saft

Vieillissement en cyclage technologie Lithium-Ion NCA25 000 2000.Wmaxi de 5% 80% de DOD

Doc. Saft Doc. Saft

Technologie lectrochimique Sodium Soufre (NaS)300CRendement charge/dcharge : 75 % Vie : 15 ans 2500 cycles 100% DOD 4500 cycles 80% DODSource: http://www.ngk.co.jp/

Modles : PS (peak shaving) 50 kW - 430 kWh PQ (power quality) 50 kW permanents 360 kWh 150 ou 250 kW crtes (30 s par heure)

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

lment : 2 V 1,12 kWh

Bloc : 384 lments srie/parallle 64 ou 128 V 50 kW 360 ou 430 kWh Pertes de chauffage : 3,4 kW Masse : 3500 kg

Ensemble 2 MW 12 MWh (40 modules) L : 10 m (172 tonnes) (22 m avec transfo et connexion au rseau) H : 4.7 m W : 3.6 m

Application dans une ferme olienne (Futamata Japon 2008) Lissage de production

Puissance olienne : 51 MW Stockage : 34 MW 245 MWh (97 M$ ou 70 M)

Stockage volant dinertie (flywheel energy storage)

W=Magnetic bearings Vacuum envelope

1 J. 2 2

DC Bus

electrical machine Power reference System control

Super-condensateurs

La tension varie avec ltat nergtique

Wc =

1 2 C.U c 2

Doc. Maxwell

ncessit dun convertisseur dadaptation :

Pour une exploitation de 90% de lnergie maximale stocke : tension mini = 1/3 de Ucmax Alors pour exploiter Pmax : Ncessit dun surdimensionnement en courant dun facteur 3.

Exemples de caractristiques nergtiques de supercondensateursV < 100 mV pour I M = 100 A R s < 1 m

Doc. S. RAEL, GREEN HDR 2005

Inductances supraconductrices (SMES Superconductor Magnetic Energy Storage) :

760 mm

600 mm

ACCEL Instruments GmbH www.accel.de 4,1 H 1000 A : 2 MJ (0,5 kWh) 200 kW ( = 10 s)Bobine D : 760 mm H : 600 mm - Supra LTC NbTi 4,5 T

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

Premier comparatif moyens de stockage petite chelle

(1)

Attention, le cot est ici intgralement rapport lnergie stocke ou la puissance maximale

Critres de comparaisonDiagramme de Ragone (puissance et nergie massiques) des accumulateurs lectrochimiques

Critres de comparaison :Puissance / Energie (tous systmes)

10-3 heure (3,6 s)

1 heure

1000 heures (41 jours)

Rapport Frost & Sullivan 2003 : Emerging Energy Storage Technologies in Europe

Critres de comparaison :Cot dinvestissement du kWh stock ou du kW (cas dun dimensionnement en puissance)10000 Investissement par unit d'nergie (/kWh)

de 40 2000 /kWh1000Batteries plomb acide batteries circulation Li - ion

Exemple Pb-acide avec 150 /kWh et 1000 cycles 0,15 /kWh !

100

Hydraulique Air comprim Thermique

10 100

de 300 3000 /kW1000 10000 Investissement par unit de puissance (/kW)

Source : Jacques RUER, SAIPEM, ECRIN

Critres de comparaison :Energie massique et volumique de diffrents moyens de stockage

12 kW/kg Accumulateurs lectrochimiques : 30 150 W/kg Hydrogne seul : 34 kW/kg

Source : A. Rojey IFP, ECRIN 2006

Quelques rfrences : Stockage dnergie pour la production dcentralise dlectricitA. MARQUET, C. LEVILLAIN, A. DAVRIU, S. LAURENT, P. JAUD, Stockage dlectricit dans les systmes lectriques , Technique de lingnieur D4030 51998. EUROPEAN COMMISSION, Community Research Report, Energy storage - A key technology for decentralised power, power quality and clean transport Report European Communities EUR 19978, 2001. ENIRDGnet D5 :Technical assessment of DG-Technologies and tendencies of technical development , Janvier 2004. T. DEVRIES, J. McDOWALL, N. UMBRICHT, G. LINHOFER, Cold Storage : Battery energy storage system for Golden Valley Electric Association ABB Revue 12004, pp38-43. B. MULTON, J. RUER, Stocker llectricit :oui, cest indispensable et cest possible. Pourquoi, o, comment ? , Publication ECRIN en contribution au dbat national sur lnergie, avril 2003, tlchargeable : http://www.ecrin.asso.fr/energies/ B. MULTON, G. ROBIN, E. ERAMBERT, H. BEN AHMED, Stockage de lnergie dans les applications stationnaires , Colloque Energie lectrique : besoins, enjeux, technologies et applications, Belfort, 18 juin 2004, pp.64-77. C. SAUDEMONT, L. LECLERCQ, B. ROBYNS, G. CIMUCA, M. RADULESCU, Dveloppement dun mulateur Temps Rel dun Systme de Gnration Eolienne Associ un Stockage Inertiel dEnergie , Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, dc. 2003. F. ABOU CHACRA, P. BASTARD, G.FLEURY, R. CLAVREUL, Optimisation MultiObjectifs du Stockage dEnergie dans un Poste Source HTB-HTA , Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, dc. 2003. G. ROBIN, O. GERGAUD, N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON, Problmatique du stockage d'nergie situ chez le consommateur connect au rseau , Electrotechnique du Futur 2003, Gif Sur Yvette, dc. 2003. N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON, C. KERZREHO, J. DELAMARE, F. FAURE, Flywheel energy storage systems in hybrid and distributed electricity generation, Congrs PCIM, Nrnberg, may 2003. Thses ENS C. KERZREHO, Conception et optimisation dune batterie lectromcanique ensemble volant dinertie-convertisseur lectromcanique intgr , thse LMT ENS de Cachan, Antenne de Bretagne, 8 janvier 2002, tlchargeable : http://arnica.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/Page_SystemesEM_HautesPerf/These_kerzreho_jan02.pdf N. BERNARD, Conception, dimensionnement et commande d'un moteur-gnrateur de type synchrone excitation homopolaire, bobinages dans l'entrefer, pour accumulateur lectromcanique d'nergie , thse LESiR ENS de Cachan, Antenne de Bretagne, 17 dcembre 2001, tlchargeable : http://arnica.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/Page_SystemesEM_HautesPerf/These_Nicolas_Bernard_dec01.pdf O. GERGAUD, Modlisation nergtique et optimisation conomique d'un systme de production olien et photovoltaque coupl au rseau et associ un accumulateur , thse ENS Cachan, 9 dcembre 2002, tlchargeable : http://arnica.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/page304/these_complete O.GERGAUD.pdf

Imprim par lEcole Normale Suprieure de Cachan - Antenne de Bretagne Dpt lgal : mars 2010 ISBN : 978-2-909968-88-9