Le stockage d'énergie par Leclanché

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    21-May-2015
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    Engineering

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par Fabrizio Marzolini, Head of system development chez Leclanché (Suisse)

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  • 1. Leclanch S.A.Utilisation des batteries li-ion dans les rseauxlectriquesLe 5 septembre 2014 Fabrizio Marzolini

2. 1Sommaire1 | Energie, lectricit: un peu de physique, de chimie et de technologie2 | Les accumulateurs dnergie pour le rseau: mais pourquoi faire?3 | Elments considrer pour le stockage dnergie dans les rseaux4 | Use cases Batterie couple une centrale photovoltaque Batterie couple au rseau pour la rgulation de frquence5 | Conclusions 3. 21. Densit dnergie: quelques ordres de grandeurWh/kgAccumulateur hydro-lectrique, 400 m de diffrence daltitude 1.1Super condensateur 3Accumulateur au plomb (10-20h) 30-40Eau chaude T = 50C 60Accumulateur au nickel-hydrure mtallique (1-5h) 50-70Accumulateur au lithium-ion (1-5h) 70-300Pile alcaline 1.5V (20h) 120-130Huile de chauffage 12'000Hydrogne 33'000Uranium-235, 3 % 600'000'000 4. 31. La performance: le secret cest le lithium 5. 4Procd dassemblage par laminationLes paisseurs des couches sont de quelques dizaines de micronsLe procd de lamination confre une rsistance aux vibrations et au vieillissement suprieure etune dure de vie augmenteLe li-ion est une famille qui comporte plusieurs variantes de matriaux danode et de cathode1. Composition dune cellule li-ionAlu-FoilCu-FoilCathodeAnodeSeparator 6. 51. Lithium-ion: densit dnergie 7. 61. Anode en graphite versus anode en titanate 8. 71. Dgradation dune batterie li-ion en graphite vs titanateReference: Noshin Omar, Mohamed Abdel Monem, Yousef Firouz, Justin Salminen, Omar Hegazy, HamidGaulous, Grietus Mulder, Peter Van den Bossche, Jelle Smekens, Thierry Coosemans, Joeri Van Mierlo:Lithium iron phosphate based battery Assessment of the aging parameters and development of cycle lifemodel, Applied Energy 113 (2014) 15751585 9. 81. Evaluation des performances012345Cycle lifeCostSafetyDischarge rateCharge rateEnergy densityLi-ion titanate anode012345Cycle lifeCostSafetyDischarge rateCharge rateEnergy densityLi-ion graphite anodeSignification de lchelle0: trs mauvais5: excellent 10. 92. Mix de production nergtique en Allemagne 11. 102. Evolution de la consommation nergtique mondialeSource: BofA Merrill Lynch _Alternative Energy: GridStorage Primer 4 August 2010Entre 1978 et 2010, laconsommation dlectricitmondiale a augment de 75% 12. 112. Installations pilotes de stockage couples au rseau 13. 123 Diagramme RagoneSource: NYSERDA and GTM Research 2009 14. 133. Batterie li-ion titanate fonctionnant 1,8C High efficiency of close to 90% even atcharge/discharge rates of 1,8C. High level of usable capacity, close to 95% of usable capacity. Measurements from installed installationin the field. 15. 144 Cot du stockage de diffrentes technologiesOver the lifetime of the system,Lithium Titanate achieves less thanhalf the costs of alternative batterysolutions 16. 154. Illustration du dplacement dnergie (energy/load shifting)Cet exemple illustre le dplacement dune partie de la production vers le pic de consommation dusoir. Ce cas sollicite la batterie avec 1 cycle par jour. Cette application est similaire ce que lonpourrait avoir dans le cas du ngoce dnergie.0:004:489:3614:2419:120:004:48Energy consumption from sunEnergy consumption from batteryCharging batteryEnergy injected in the grid 17. 164. Dplacement dnergie structure de cotsExample 10 years 20 years 10 years 20 yearsPlant RequirementsPower Requirement kW 10 000 10 000 10 000 10 000Time required minutes 60 60 60 60Times per day unit 1 1 1 1Energy Requirement / cycle kWh 10 000 10 000 10 000 10 000Project Life Years 10 20 10 20Lifetme cycles cycles 3 650 7 300 3 650 7 300Total Energy Produced kWh 36 500 000 73 000 000 36 500 000 73 000 000System Efficiency % 90% 90% 90% 90%End of Life Capacity % 90% 90% 70% 50%C Rate C Rate 1 1 1 1System Size kWh 12 346 12 346 15 873 22 222System cycles cycles 15 000 25 000 3 700 7 500System Life Years 41,1 68,5 10,1 20,5Number of systems required Units 1,0 1,0 1,0 1,0System Cost / kWh $ 2 000 2 000 1 000 1 000Investment cost for 1 MW Freq Contro$l 24 691 358 24 691 358 15 873 016 22 222 222Graphite/LTO Investment Cost $ 0,64x 0,90xCost / kWh $/kWh 0,676 0,338 0,435 0,304Saving: LTO/Graphite Cost % 56% 11%LTO LFPLe stockage li-ion des fins de dplacement ou pour le ngoce dnergie est trop coteux et nestconomique que dans des cas particuliers (rseaux insulaires, production lectrique par groupe diesel) ouavec laide de subventions. Dans ce cas, la technologie Li-ion avec anode en graphite est moins coteuseque le titanate. 18. 174. Utilisation hybride Le dplacement dnergie seul nest pas comptitif La combinaison des applications afin daugmenter le taux doccupation de labatterie amliore significativement la comptitivit Exemple de combinaison pour augmenter le taux dutilisation de la batterie: lcrtage de pointe le dplacement dnergie le lissage de la puissance 19. 184. Peak shaving / crtage de pointe Peak shaving: la capacit de transport des rseaux lectriques est lie soninfrastructure et demande des investissements lourds ainsi que des mises lenqute.Le principe de lcrtage de pointes permet dutiliser la batterie comme un limiteurdinjection ou dabsorbtion de puissance dans le rseau. 20. 194. Energy shifting / dplacement dnergie Energy shifting: la production et la demande ne sont gnralement pas enphase. En gnral, il y a sur-production midi et dficit le soir et le matin. Lestockage permet de synchroniser loffre avec la demande. 21. 204. Exemple de lissage dune installation de 20 MWEarthshinepresentation: 22. 214. Utilisation hybride (quivalence 3 cycles/jour)Dans ce cas de figure, le cot du li-ion titanate est nettement infrieur.Example 10 years 20 years 10 years 20 yearsPlant RequirementsPower Requirement kW 8 000 8 000 8 000 8 000Time required minutes 20 20 20 20Times per day unit 3 3 3 3Energy Requirement / cycle kWh 3 000 3 000 3 000 3 000Project Life Years 10 20 10 20Lifetme cycles cycles 10 950 21 900 10 950 21 900Total Energy Produced kWh 32 850 000 65 700 000 32 850 000 65 700 000System Efficiency % 80% 80% 90% 90%End of Life Capacity % 85% 75% 50% 50%C Rate C Rate 3 3 1 1System Size kWh 3 922 4 444 17 778 17 778System cycles cycles 15 000 25 000 11 000 11 000System Life Years 13,7 22,8 10,0 10,0Number of systems required Units 1,0 1,0 1,0 2,0System Cost / kWh $ 2 000 2 000 1 000 1 000Investment cost for 1 MW Freq Contro$l 7 843 137 8 888 889 17 777 778 35 555 556Graphite/LTO Investment Cost $ 2,27x 4,00xCost / kWh $/kWh 0,239 0,135 0,541 0,541Saving: LTO/Graphite Cost % -56% -75%LTO LFP 23. 224. Energie de rglage primaire fourniepar la batterie 24. 234. Solution intgre: 500kWh / 500kW 25. 244. Case study: stockage appliqu la rgulationde frquence en Californie 26. 254. Case study 2: stockage appliqu la rgulationde frquence en Californie 27. 265. ConclusionsLa dure de vie et la robustesse des batteries sont capitalesLes cellules li-ion pour le consumer ne sont pas adaptes.Le profil dutilisation est dterminant pour choisir la meilleure chimie.Linvestissement le plus bas nest pas forcment le moins cherLe cot dutilisation, respectivement le cot du kWh qui passe travers de la batterie est dterminant.La batterie vieillit mme au repos.Le march des batteries pour le rseau est probablement trsimportantCependant, chaque pays a ses rglementations, un mix de productionet un tarif diffrent.Le modle conomique qui peut se construire autour de la batteriedoit tre tudi au cas par cas.Le prix de lnergie lectrique est souvent encore trop bas pour avoirun modle conomique clair.Lorsque la puissance intervient dans le calcul, la batterie est unesolution conomique. 28. 27Merci pour votre attention