Réussir l’efficacité énergétique du vecteur électrique ...
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Réussir l’efficacité énergétique du vecteur électrique : Des principes thermodynamiques à une description
multi-échelles
Vincent MazauricStrategy & Innovation
26 janvier 2011 – Ivry s/ Seine
La chaîne énergétique (d’après AIE 2007)
Schneider Electric 2- Strategy & Innovation – V. Mazauric – 26 janvier 2011
Une tendance constatée dans la durée
Quel que soit:le secteurle pallier technologiquele cycle économique
aux USA
Une évolution d’autant plus critique que l’électricités’impose comme le vecteurd’énergie universel
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Une contribution essentielle aux GES
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Une équation délicate vers la soutenabilité
Démographie: Croissance des pays émergents Remplacement des capacités dans les pays développés Densification urbaine:
50% aujourd’hui, 80% in 2100réseaux d’énergie à forte densité
Terre: Un système chimique ferméDéplétion des ressources fossiles (et fissiles):
Peak oil: 2020Peak gas: 2030Environ deux siècles pour le charbon et l’uranium
Changement climatique:La génération électrique est à l’origine de 45% des émissions de CO2L’efficacité du système électrique est de seulement 27% (35% pour l’ensemble des vecteurs)
Terre: Un système énergétique ouvert L’énergie domestiquée est 10.000 fois plus petite que le flux naturel
(solaire, éolien, géothermie, marine)Mais les apports naturels sont très dilués et intermittents
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Description thermodynamiqueDe l’énergie à l’électromagnétisme
Description du champ électromagnétique
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Couplages: magnétique courants libres I thermostat pertes Joule "RI2"
La régie électrique agit sur: La puissance mécanique Pm
L’excitation du rotor Iexc
Work flow
Heat transfer
heat tank T
EM field end-usersδWout
network
RI2
δWingenerator
− φ Iexc
RI2 RI2
1er Principe:
tSTP
tU th
m dd
dd
−= ( )tt
StS
tG
SUG
RI
thm d
Idd
dddT
ddP
ITexc
0
exc
2
φφ
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=−
−−=
>44 344 21
Fonctions d’état:
Une tendance à la réversibilité
Work flow
Heat transfer
heat tank T
EM field end-usersδWout
network
RI2
δWingenerator
− φ Iexc
RI2 RI2
L’équation de Maxwell-Faraday correspond à l’évolution la plus réversible:Toutes les pertes (conversion, distribution, usage) sont réductiblesFormalisme multi-échelles (filtrage + champ moyen) avec quelques déclinaisons:lois dispersives, outils de conception, critère d’erreurPermet une représentation agrégée du système électrique pour discuter les conditions de stabilité
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Décomposition des pertes
espace
1µm 1mm 1m 1km 1000km
temps
1µs
1ms
1s
10s
planningLois de Kirchhoffmulti-stationnaire
FiniteElementMethods
Quasi-statique
Multi-statique (DC)
PEEC
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Pertes dynamiques dans les matériaux magnétiques
Décomposition des pertes
Pertes macroscopiques: Induites par les courants de
Foucault macroscopiques.
Pertes microscopiques: Induites par le mouvement des
parois, Pertes par excès ou anormales.
Pertes statiques: Spin-flip dans la paroi.
H
mm
µm
nm
e
e
mm
µm
nm
mm
µm
nm
ee
ee
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Confrontation des modèles
Modèle classique:
Modèle de diffusion retardée:⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
Λ−= −
tdiffBHB 21ρδµδ
JE ρ=phénoménologique
HB δµδ diff=JE ρ=
les pertes Joule sont sous évaluées
x y
z ∫∫ ⋅=xS x dzdyuBΦ
Sx
NΛ
ωj→∂∂t
Time harmonic regime
M.-A. Raulet, B. Ducharne, J.-P. Masson, and G. Bayada, "The magnetic field diffusion equation including dynamic hysteresis: A linear formulation of the problem," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 40, pp. 872-875, 2004.
Loi d’Ohm déviée:HB δµδ diff=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
Λ−= −
tBcurlJE 21ρρ
dérivé de l’approche thermodynamiqueV. Mazauric, O. Maloberti, G. Meunier, A. Kedous-Lebouc, O. Geoffroy, and Y. Rebière, "An energy-based model for dynamic hysteresis," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, pp. 3766-3768, 2005.
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mµ2,105=ΛmJ86,5=ε
67451,02 =R
mµ4,97=ΛmJ110.02,5 −=ε
99811,02 =R
Nippon Steel GO HI-B Fe-Si 3%
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Modélisation des phénomènes d’induction
ThermodynamicsPrinciples, Reversibility
Variationalformulations
Weak formulations
Maxwell's equations
MeshShape functions
Finite element functional
Weighted residuals
Field calculationLorentz's forceMaxwell's tensor
Conversion de puissance
Virtual work principle
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Précision des calculs de courants de Foucault Psuplied
Pspent
Psupplied
Pspent
Dépasser les critères d’erreur classique: géométriqueConservation du flux magnétique (statique)
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( ) ( ) ( ) ( ) ( )Ω+Ω−Ω−Ω=Ω mJouleelec Pdd
tFPPε
∆t =0.5·10-6 s Number of Time Step : 2
Number of Time Step : 3 (before
remeshing)
Number of Time Step : 3 (after remeshing)
U (V) 3.1·10-1 5.9·10-1 5.9·10-1
I (A) 7.3·10-4 2.1·10-3 1.4·10-3
G(J) -1.61·10-9 -1.34·10-8 -5.89·10-9
G/I2 (J.A-2) -3.05·10-3 -3.06·10-3 -3.09·10-3
Pm-dG/dt+Pelec 2.5·10-2 9.4·10-3
Equation de Poynting:
L. Rondot, V. Mazauric, and P. Wendling, "An energy-compliant magnetodynamic error criterion for eddy-currentcalculations," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, pp. 2353-2356, 2010.
Raffinements 3Dchauffage par induction
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Intégrité de signal
~L
+ + + +
− − − −
Zload
E
HS
~e
For λ >> L, l’invariance galiléenne procure:
Régime Quasi-Statique Magnetic Régime Quasi-Statique Electrique
E
HS BE c<< E
HS
BE c>>
load2
0 ZLe
ε ωelecm PddGP +−
t( ) ( ) ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+ ∫∫ r
tr
C
332 ddddmin HH1-
EH,Bcurlσ
( ) ( )
( ) ⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⋅+
⋅+
∫
∫∫
D
CC
rt
rt
r
3
332
ddd
dddd
minE
HH1-
EH, D
Bcurlσ
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Management de l’énergie électrique
Vers la “smart grid”
Active Energy Efficiency: Energy visibility& means to act
2ActiveDistributionTransmission
Distributed Generation
1
RenewableBackupPower
Renewable Energy Generation
1
Residential
Commercial
Industrial
ConsumersIntelligent Intelligent
4 Real-timeGrid management
ElectricVehicles & Energy Storage
3
ElectricVehicleTransportation
Centralised Generation
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Ajustement de la demande
Inrush
out
in
Pm
t
RI2
tφIexc
tmonitoring
Les pertes augmentent: fréquence des
opérations l’amplitude des
ajustements le bas niveau de
tension
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centralisé versus décentralisé
La production domine le système énergétique (tension et fréquence):Stabilité sous fluctuation de charge Production “élastique” (sur-)investissements importants en
générationPertes de transport et distributionPertes de fiabilité (mix)
Les corrélations entre consommateurs sont non-significatives: Convergence entre l’autorité de
régulation et le producteur
La demande contrôle le système énergétique, voire fixe sa topologie: Génération diffuse permettant
l’implémentation des EnR Pertes de distribution seulement Investissement en contrôle Fragilité sous fluctuation de charge
(demande et production intermittente)Système fortement corrélé:
Séparation entre l’autorité de régulation et les fournisseurs/«joueurs»
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centralized decentralized
Relaxation time
under spinning reserve few mn lower
load or generation kinetic reserve few s lower
fluctuation magnetic linkage (transmission) 10 ms lower
elasticity of generation few mn no (AC/DC static converters)
Losses
self-consumption
auto-control monitoring and data processing
T&D losses
reliability losses ???
Investment
sizing of capacity global peak Σ (local deficits)
backup/storage discard peak balance intermittency
demand response discard peak minimize local deficit
generation & transmission 10.000 BillionUS$ (WEO, IEA 2003) ???
Systemic risk weak but global important but isolated
Emissions/Depletion
hydro large
renewables farms
fossils back-up
nuclear no (or small units)
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Au delà… Challenger les engagements de Copenhague!
vsDemande d’énergie en 2050Demande d’électricité en 2030
les émissions de CO2 pour éviter des changementsclimatiques dramatiquesd’ici 2050
Les faits L’impératif
Source: IEA 2008 Source: GIEC 2007, figure (vs. 1990 level)