Kiosque Citoyen - Rennes 20 septembre 2010. Bernard MULTON ENS Cachan - Bretagne1
Bernard MULTONEcole Normale Supérieure de Cachan
Laboratoire SATIE - CNRSSite de Bretagne
Le stockage d’énergie pour la Le stockage d’énergie pour la production de production de
l’électricité de demainl’électricité de demain
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Besoins en stockage d’électricité :Besoins en stockage d’électricité :
- systèmes autonomes, portables
- véhicules tout électriques et hybrides
-- systèmes électriques stationnaires systèmes électriques stationnaires
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Place de l’électricité Place de l’électricité
dans le mix énergétique mondialdans le mix énergétique mondial
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De l’énergie «primaire» à l’énergie «finale»Place de l’électricité 2008
Source AIE (Key World Energy Stat. 2010)
Total ≅ 142 000 TWh
20 200 Twheproduits à partir de
55 000 TWh primaires(39% de l’énergie totale)
production électricité primaire
Finale
16 700 TWh d’électricité finalepour donner :
Primaire
%69≅globalη
%30e ≅η
17% de pertes transport et autres…
Renouvelables< 13%
Total ≅ 98 000 TWh1 TWh = 1 milliards de kWh
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Production mondiale d’énergie électrique par source (2008)
81 % de l’électricité mondialeest d’origine non renouvelable
Charbon : 40,3% Gaz : 19,7%Pétrole : 6,6%
(+ 1,7% / 2007 et 4,6% 2007/2006)
Source : La production d'électricité d'origine renouvelable dans le mondeObserv’ER 2009
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Production mondiale d’énergie électrique renouvelable (2008)
Source : La production d'électricité d'origine renouvelable dans le mondeObserv’ER 2009
(+ 4,4%/2007 et + 3,6% / 2007/2006)
Avec + 20%/an pendant 10 ans (+30% 2009/2008)
puis + 10%/an pendant 10 ans : la production éolienne atteindrait 3400 TWh en 2030
Avec + 30%/an pendant 10 ans (+40% 2009/2008)
puis + 20%/an pendant 10 ans : la production solaire atteindrait 1000 TWh en 2030
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Pourquoi stocker ?Pourquoi stocker ?
- améliorer et sécuriser la gestion du réseau dans un contexte :de marchés peu régulésde croissance des systèmes de production non pilotés par la demande
- augmenter la pénétration des sources intermittentes renouvelableséoliennes, photovoltaïques, houlomotrices…
Alimentation en électricité plus sûre et plus robuste
Développement durable (CO2, sécurité énergétique…)
- permettre l’îlotage de consommateurs (éventuellement producteurs)
- réduire les émissions de CO2
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-- existeexiste--tt--il des solutions de stockage d’électricité il des solutions de stockage d’électricité adaptées et techniquement viables ?adaptées et techniquement viables ?
-- peutpeut--on amortir économiquement de tels systèmes dans on amortir économiquement de tels systèmes dans un contexte de marché libéré ?un contexte de marché libéré ?
-- à quel niveau à quel niveau (du producteur au consommateur)(du producteur au consommateur)
estest--il préférable de stocker l’électricité ? il préférable de stocker l’électricité ?
Les questions :Les questions :
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Source : revue ABB mars 2000
Système électrique en réseau :Système électrique en réseau :niveaux production, transport, consommateur niveaux production, transport, consommateur
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StockerStocker au niveau des générateurs fluctuants?au niveau des générateurs fluctuants?
Amélioration de la participation aux « services systèmes » :
contrôle des puissancesactive et réactive
Source : Kariniotakis, CENERG
Donc meilleure intégration dans les marchés ouverts de l’énergie…
Production d’une ferme éolienne :
Les premières applications pilotes apparaissent : photovoltaïque, éolien…
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Un degré d’action supplémentaire pour le gestionnaire, réduction des risques d’effondrement.
Capacité de stockage déjà installée (début 2000, en croissance) :- Monde : 140 GW (hydraulique gravitaire) sur 3800 GW soit 3,6 %- France : 6,3 GW sur 116 GW soit 5,4%
un dimanche de décembre 2001
Courbes de production/consommation
un mardi de décembre 2001
StockerStocker au niveau du réseau de transport ?au niveau du réseau de transport ?
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- sûreté de fonctionnement, - lissage ou écrêtage de consommation,- meilleur dimensionnement du réseau de distribution,- possibilité d’îlotage permanent si présence de production locale
Déjà des applications en secours (électrochimiques, volants d’inertie, groupes électrogènes)
Rapport Pmax/Pmoy
de l’ordre de 10
StockerStocker au niveau des consommateurs ?au niveau des consommateurs ?
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PeutPeut--on amortir économiquement ?on amortir économiquement ?- oui dans certains cas aujourd’hui :
applications non connectées au réseau (sites isolés)
applications critiques (coût très élevé d’un arrêt)
réseaux « faibles » avec
des interruptions de service fréquentes
- non dans la grande majorité des cas actuels en réseaux
où les coûts globaux (environnementaux et de qualité du service)
ne sont pas (encore bien) répercutés sur les
producteurs et/ou les consommateurs
- mais de nouveaux cas arrivent : lorsque le taux de pénétration
des sources intermittentes devient élevé (> 30%)
et/ou que la production traditionnelle est très coûteuse
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Caractéristiques Caractéristiques génériquesgénériquesdesdes systèmes desystèmes de stockagestockage
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Capacité énergétique Wstoc en Wh (wattheures)grandeur généralement la plus dimensionnante
(la « taille » du réservoir d’énergie)
La part exploitable est fonction du rendement de charge ou décharge, elle varie donc avec le temps de transfert :
- pertes « en charge »- pertes d’auto-décharge
Limites en décharge profonde (par exemple une batterie lithium limitée à 80% de profondeur de décharge)
Energie exploitable Wutil toujours inférieure à la capacité énergétique
=> Attention à la définition de la capacité énergétique.
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Puissance maximale Pmax (watts) charge ou décharge(la « taille » du tuyau et du robinet)
Rapport = « constante de temps »τ=max
util
P
W
Exemple : système de stockage hydraulique gravitaire
Masse d’eauDénivelée entre les bassins haut et bas
Puissance des groupes réversibles turbines-machines électriques
Section des canalisations
Capacité de stockageW = M.g.h
Puissance maximale
Découplage Energie / Puissance constante de temps ajustable
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Rendement : η : énergie restituée sur énergie prélevée
Définition souvent trop simpliste.
Le rendement doit être défini sur des cycles réalistesen rapport avec l’application.
Un système de stockage optimisépour une faible « constante de temps » aura :
- un meilleur rendement pour des sollicitations rapides - et éventuellement une assez forte auto-décharge, donc un
mauvais rendement sur des cycles avec de longues périodes de repos.
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Nombre maximal de cyclesde charge-décharge (cyclabilité) Ncycl :
dû à la fatigue ou à l’usure lors des cycles
Le cyclage constitue généralement la première cause de vieillissement.
Cyclabilité fortement liée à l’amplitude des cycles
et à d’autres paramètres.
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Exemple de caractéristique de vieillissement en cyclage(technologie Lithium-Ion NCA)
Doc. Saft
25 000 à 2000.Wmaxi de 5% à 80% de DOD
Source : Saft
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Coûts : - d’investissement (part la plus marquante pour l’acheteur)
Ce qu’il faudrait faire :coût d’investissement total : Cinv_tot = cW.Wutil + cP.Pmax
avec cW et cP respectivement en €/kWh et €/kW
Coût d’investissement généralement spécifié :- en €/kWh pour les accumulateurs à longue constante de temps
(dimensionnés en Energie)ou
- en €/kW pour ceux à faible constante de temps(plutôt dimensionnés en Puissance)
- de fonctionnement (maintenance, énergie perdue lors des cycles, vieillissement).
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Minimisation du coût : sur l’ensemble du cycle de viedu système complet incluant le dispositif de stockage.
Dans une logique de développement durable : prise en compte du coût sur cycle de vie, incluant les dépenses de matières premières, d’énergie et autres coûts environnementaux
Les systèmes de stokage les moins coûteux à l’investissement sont généralement ceux qui se dégradent le plus vite en cyclage
et dont le rendement est le plus mauvais.
Exemple : batterie électrochimique au plomb-acide 200 €/kWh avec 1300 cycles et pertes non prises en compte :« Coût d’usure » : 0,15 €/kWhOu encore : sur 20 ans avec 1 cycle par jour (7300 cycles cumulés), la batterie doit être remplacée 5 fois
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Autres caractéristiques :
-énergie massique (particulièrement importante dans les applications embarquées, moindre importance dans les applications stationnaires),
- énergie volumique,
- sécurité (explosion, rejets…),
- temps de réponse (démarrage), etc…
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Moyens de stockage d’électricitéMoyens de stockage d’électricité
Classification fréquente en moyens directs et indirects :peu d’importance car, quel que soit le moyen de stockage,
il est nécessaire d’utiliser un ou plusieurs convertisseurs électroniques d’adaptation
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Super-condensateurs : adaptés à des charges/décharges rapides
La tension varie avec l’état énergétique 2cc U.C
2
1W =
Pour une exploitation de 90% de l’énergie maximale stockée : La tension doit varier dans des proportions de 1 à 3
Alors pour exploiter Pmax :Nécessité d’un surdimensionnement
du convertisseur électronique d’un facteur 3.
Nécessité d’un convertisseur d’adaptation :
Source : Maxwell
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Inductances supraconductrices (SMES) :
ACCEL Instruments GmbH www.accel.de
2 MJ (0,5 kWh) – 200 kW (τ = 10 s)Supra LTC NbTi – 4,5 K
760 mm
600 mm
Applications accuelles : faibles constantes de temps, comme les super-condensateurs
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Volants d’inertie :
Enceinte sous vide
Paliers magnétiques Ω
Moteur-générateur
SystemSystemcontrolcontrol
DC
Bus
Pconsigne
Source:. BeaconPower
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Accumulateurs électrochimiques :(les plus connus, largement utilisés dans les applications portables) :
Nombreuses technologies disponibles (différents compromis performances – coût)
Plomb-acideNickel-Cadmium (NiCd)Nickel-Métal-Hydrures (NiMH)Lithium (nombreuses variantes)
Sodium-soufre (haute température : 350°C)
…
Les valeurs d’énergie massique les plus élevées (30 à 200 Wh/kg)mais une faible tenue en cyclage (qq 100 à qq 1000 cycles)
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Accumulateurs à air comprimé avec fluide d’interface (eau ou huile)
Moteur-compresseur hydraulique etcompressions/décompressions quasi isothermes
haut rendement de conversion
Source : LEI - EPFL, LEMOFOUET, RUFER
Potentiel de bas coût 3 c€/kWh sur vie complète (mais pas encore de produits commerciaux)
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Moyens de stockage à grande échelleMoyens de stockage à grande échelle
Plutôt destinés à un fonctionnement au niveau du réseauou des systèmes de production intermittente
de « grande puissance » : éoliens, photovoltaïques, houlomoteurs…
Source : Denis Delbecq
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Gravitaire hydraulique
Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM
Retenue d'eau inférieure
Retenue d'eau supérieure
Conduite forcée
Ensemble Pompes et Turbines
Rendement : 70 %Démarrage : 10 à 15 minCapacité : 1 à qq 100 GWh Puissance : 100 à 1000 MW
Exemple : Grand-Maison935 m de dénivelée, 170 Mm3
400 GWh
1400 MW en pompage1800 MW en turbinage
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Stockage adiabatique par air comprimé en caverne
Source : RWE
Inclut une récupération de la chaleur lors de la compression
Réservoirs de chaleur >600°C
Projet ADELE (RWE) : 1 000 MWh – 200 MW(2013) Rendement ≅ 70%
Vers cavernes(air comprimé)
Source : German Aerospace Center
Source : Alstom Power 2004
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Batteries électrochimiques :quelques expériences à grande échelle…
Fairbanks Alaska (2003)Nickel-Cadmium (1000 tonnes)
Durée de vie escomptée : 25 ans
Capacité : 40 MW durant 7 mn (4,7 MWh)ou 27 MW durant 15 mn (6,7 MWh)
Coût : 28 M€soit :
4000 Euros/kWh ou 700 Euros/kW
Durant l’année 2004 : 55 décharges
Source : ABB
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Batteries Sodium Soufre (NaS)
300°CRendement charge/décharge : 75 %Vie : 15 ans 2500 cycles à 100% DOD4500 cycles à 80% DOD
Élément : 2 V1,12 kWh Source: NGK
Batterie : 384 éléments 64 ou 128 V
50 kW – 300 kWhMasse : 3500 kg
Pertes de chauffage : 3,4 kW
Ensemble 2 MW – 12 MWh (40 modules)172 tonnesL : 10 m - P : 3,6 m H : 4.7 m
Charleston American Electric Power (AEP), http://www.technologyreview.com/
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Batteries à circulation (Redox flow batteries)
Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM
Energie volumique : 10 à 30 kWh/m3
Rendement : 70 % à 90%Capacité : 1 à qq 100 MWhPuissance : 1 à 10 MWquelques heures (4 à 8)
Redresseur-
Onduleur
Réservoir d'électrolyte
oxydant
Réservoir d'électrolyte
réducteur
Pompe de circulation
d'électrolyte Membrane sélective
composés chimiques, de stockage de l’énergie, liquides en solution dans l’électrolyte.
Technologies : ZnBr (Zinc-brome)NaBr (Sodium-brome)VBr (Vanadium-brome) (VRB : vanadium redox battery)Polysulfide Bromide battery (PSB)
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Le stockage d’énergie :Un enjeu majeur pour permettre une réelle pénétration des ressources renouvelables
Des problèmes techniques : oui, le stockage est coûteux mais possible
(électrique, thermique…) et contribuer au développement durable
Le stockage constitue l’un des degrés d’action pour permettre l’introduction massive de la production d’électricité d’origine renouvelable et intermittente (solaire, vent, houle…)
CONCLUSIONCONCLUSION
Ne pas oublier qu’il est parfois plus efficace de stocker l’énergie sous forme de chaleur avant de produire de l’électricité :
- centrales solaires thermodynamiques à concentration, - centrales thermiques classiques ??
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Merci pour votre attention…Merci pour votre attention…
Source : Commercial Successes in Power StorageIEEE Power & Energy Magazine, march/april 2005
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