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• Stockage & Mobilité, ba1eries lithium-ion et chaîne de valeur en devenir au Québec - Karim
Zaghib, Inves2ssement Québec
• Stockage d’énergie électrique pour les bâAments au sein de réseaux intelligents - Benoît
Robyns, Ecole Junia et Université catholique de Lille
• Stockages en Suisse, développements et perspecAves - réalisaAons actuelles (pompage-
turbinage, air comprimé,...) et techniques LT via hydrogène - Jean-François Affolter, HEIG-VD
2
Introduction - Présentations
• Networking between industrial or commercial companies and others actors
of sustainable energy sectors
• Reactive and proactive approaches in order to stimulate new projects
• Set-up technical support and management of projects
• Promote networking by organizing specific events, general meetings,
workshops, bilateral meetings, face-to-face meetings, visits to companies,...
• Develop synergies with other actors of sustainable energy sectors
(clusters,...)
• Local and international promotion of members.
• Carrying out industry, technical, market and economic studies on
sustainable energy sector
• Participation in Regional/European/International projects
Cluster TWEED
Les pôles
Pôles de compétitivité wallons :
> GreenWin : chimie verte, construction durable et
environnement
> MecaTech : ingénierie mécanique (énergie,
défense & sécurité, Medtech, etc…)
Mission : créer de l’emploi et de l’activité économique
en Wallonie au travers de projets collaboratifs
innovants et à vocation internationale
Rôles et actions :
> Accompagnement au montage de projets
innovants collaboratifs
> Réseautage (workshops, etc.)
> Actions internationales (missions, conférences,
support au montage de projets européens)
Des innovations en action
Accélérer la transition écologique et énergétique
pour une prospérité durable
www.ecotechquebec.com
La grappe des technologies
propres du Québec
Efficacité énergétique Energies renouvelables
Réseaux intelligents Mobilité
Cluster en Génie Electrique des Hauts-de-France
Notre mission : favoriser la R&D&I collaboraAve entre entreprises et académiques
Pour en savoir plus : Anaïs ASSELIN Directrice aasselin@pole-medee.com - www.pole-medee.com - @Cluster_MEDEE
3 axes de R&D 4 marchés cibles
Matériaux et Composants du G.E.
Convertisseurs d’énergie intelligents
Intégration système et stockage
CleantechAlps, un outil de
développement économique…
• Un généraliste des technologies, spécialiste de
l’écosystème de l’innova2on, en par2culier dans
les cleantech
• Composante réseau très forte (accès facilité auprès des
dirigeants d’entreprises et des décideurs de l’écosystème et mises en rela2on
qualifiées)
• Une approche transversale avec un rôle de
connecteur à l’interface des mondes industriel,
économique, académique et ins2tu2onnel
laura.schwery@cleantech-alps.com – Tel. +41 58 332 21 20
www.cleantech-alps.com
CleantechAlps, un outil de
développement économique…
> Un généraliste des technologies, spécialiste de
l’écosystème de l’innovation, en particulier dans
les cleantech
> Composante réseau très forte (accès facilité auprès des
dirigeants d’entreprises et des décideurs de l’écosystème et mises en
relation qualifiées)
> Une approche transversale avec un rôle de
connecteur à l’interface des mondes industriel,
économique, académique et institutionnel
3 ans 5 ans 10 ans
Batteries
* Dvlp FCEV / autonomie
* Range extenders
* Technologies hybrides, …
SOFC, V2H, power2fuel,
cogen & H2, matériaux
recyclés=>batteries, …
* Batt. résidentielles,
charge ultrarapide, …
* Mat. recyclés=>bat.
Fuels
* H2, NH3, CH4, power2fuel, … * Biofuels / waste to fuel / synthetic fuels
Transports
* VE
* Mobilité douce
* …
* Camions H2/FC
* Flotte FCEV
* Bus & camions H2/FC
IoT
* Application gestion de stockage
* CI~recharge VE
* Virtual power plant
(VPP) industries, …
* VPP petits
consommateurs, …
Réseaux
- Développement d’un réseau de distribution de H2 et de rechargement de bornes électriques -
Projets
* CEL/CER
* Industrie : bas carbone, démonstrateurs
* Stockage thermique (intersaisonnier)
* …
* Mobilité~CEL/CER
* V2G/V2H, FCEV
* Stockage résidentiel
* …
* Prix capacitaire –
flexibilité locale
* Dvlp+ réseaux globaux
* …
Politique
# Mise en place
* Incitants financiers
* Réseaux de formation
* Task force régionale (politique), …
# Opérationnalisation
* Politique de tarificat° é
* …
# Upscaling
* Politique de recyclage /
regénération batteries
* …
MENACES
• Concurrence : marché concurrentiel et
international
• Ressources : pas de matières premières
• Maturité : technologies & standards
SWOT : stockage
OPPORTUNITÉS
• Potentiel (marché) : marché du stockage sous-
exploité et en croissance.
• Intégration : NRJ-R & VE sur le réseau.
• Électricité : croissance de la demande en
électricité, toujours plus volatile par ailleurs, et des
pics de consommation.
• R&D : innovation ; tradition de R&D disruptive
• Législatif : réglementation & normalisation (ex :
V2G)
FAIBLESSES
• Acteurs : CdR sur stockage
• Projets : développer projet pilotes (ex : secteur
résidentiel/rural) & démonstrateurs
• Compétences : manque XP terrain ; mise en
commun des ressources (~ aperçu des acteurs /
ressources disponibles)
• Financier : rentabilité & soutiens difficiles,
investissements Flandre / FR / DE
• Politique : vision / décision / cadre légal
Forces
• Acteurs : industrie, CdR & universités (haut
niveau et bonne intégration)
• Projets : MIRRIS, Merybel, Miraccle, Arthur, …
pilotes & démonstrateurs ; CEL/ACC
• Technologies : présents sur ensemble de la
chaîne de valeurs (ex : recyclage) ; batteries +-
• Compétences : innovation / R&D ++
• Politique : intérêt / soutien Belgique & Europe
Projet Investissement
> Les projets d’investissement visent à
obtenir un bonus d’aide à l’investissement
pour vos infrastructures en lien avec votre
programme d’innovation
> Projet industriel
Appel à projets
Appel thématique stockage énergie en collaboration avec le cluster Tweed Projets R&D
> Les projets R&D doivent viser le développement d’innovations
technologiques et non-technologiques aboutissant à la mise sur le
marché de nouveaux produits, procédés ou services
> Minimum 2 entreprises + minimum 2 acteurs de recherche
> Leadership industriel
Projet Investissement
> Les projets d’investissement visent à
obtenir un bonus d’aide à l’investissement
pour vos infrastructures en lien avec votre
programme d’innovation
> Projet industriel
www.clustertweed.be
Cluster TWEED
Rue Natalis 2 • 4020 Liège • Belgique
Contacts :
Cédric Brüll • Directeur • cbrull@clustertweed.be
Paul Bricout • Gestionnaire de projets & responsable communication • pbricout@clustertweed.be
Renaud Dachouffe • Développement de projets • rdachouffe@clustertweed.be
Stockage de l'énergie en Wallonie | Échanges d'expertises
entre le Québec, la France et la Suisse
28 janvier 2021
Stockage & Mobilité, batteries lithium-ion et chaîne
de valeur en devenir au Québec
Dr. Karim Zaghib
Conseiller stratégique Investissement Québec
Professeur, Université McGill
Plan
 Les diffirents types de stockage d'énergie
 Batterie Li ion
 Anode
 Cathode
 Celllule
 Marché
 Prix
Étude de cas pour le stockage d’énergie du KWh au MWh : LFP vs NMC
Électrification du transport au Québec
Écosystème au Québec de la batterie au recyclage
Conclusion
2
3 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir
Sources d’énergie primaire
Stockage de carbone
(C, CHx, CHOx…)
Stockage électrochimique
(Li, H2, oxydoréduction…)
Stockage physique
(énergie cinétique, potentielle…)
Modes de stockage de l’énergie
1 2 3
Solaire
– Photosynthèse
– Thermique
– Photovoltaïque
Hydraulique Nucléaire
– Fission
– Fusion
Géoénergie
– Géothermique
– Géodynamique
Éolienne
Avantages Inconvénients
‒ Disponibilité immédiate
(charbon, pétrole et gaz)
‒ Énergie (Wh) et puissances
massiques (W/kg ou W/L) élevées
‒ Partiellement renouvelable
(biomasse)
‒ «Recharge» lente
(> 100 M d’années pour le pétrole,
et de 3 mois à 25 ans pour la
biomasse)
‒ Conversion en électricité inefficace
(rendement  30 %)
‒ Pollution et émissions de GES
Stockage du carbone Stockage du carbone
La croissance du nombre de véhicules en
circulation se poursuit, ayant atteint 1 G en 2020
…2 10 6 morts sur les routes!
> 2 10 6 décès prématurés de particules en
suspension dans l'air dans les grandes villes
Besoins en stockage électrochimique
AUTOMOBILES
1.109 voiture, 10 % électrique
 20.106 tonnes de batteries
ÉCRÊTAGE DE POINTE
Production mondiale de
2.1013 kWh, 10% stocké/jour
 60.106 tonnes de batteries
La durabilité est un critère primordial!
c 6
Stockage électrochimique : batteries
Considérée comme la forme
d’énergie par excellence, l’électricité
est souple, efficace et propre, mais
elle est instantanée et nécessite la
disponibilité permanente d’une
source.
En la stockant dans des batteries :
– on pourrait utiliser des sources
intermittentes d’énergies
renouvelables (photovoltaïque et
éolienne) ;
– on disposerait d’une solution de
rechange aux
combustibles fossiles dans le secteur
du transport
( 27 % du bilan énergétique).
150 BC - 223
AD
1780 1800 1859 1866 1900 1980 1990 1996
Mésopotamie
pile de
Bagdad
Fe-Cu
bioélectrogénèse
L. Galvani
Zinc –
Cuivre
Pile
voltaïque
A. Volta
Pb-PbO2
Au plomb
Gaston
Planté
Zn-MnO2
Pile saline
G. Leclanché
NiCd
Nickel-
cadmium
LMP
Lithium-Métal-
Polymère
HQ-CNRS
Ni-MH
Nickel-
hydrure
métallique
LFP
Sony - HQ
Batterie
tout solide
• La durée de vie utile d’une technologie de batterie est variable. La batterie au plomb est toujours utilisées
(160 ans après son invention).
• LFP a fait sa place dans l’histoire des batteries dans les années 80 grâce à ses travaux sur le Lithium-Métal-Polymère
(LMP), et fait une percée historique quant à la sécurité des batteries lithium-ion avec sa technologie Lithium-Fer-
Phosphate (LFP) dans les années 90.
L’évolution des batteries
La batterie au lithium-ion
Animation : Batterie lithium-ion
Mouvement des électrons
F U L L
E M P T Y
CHARGEUR
Électrode positive
(Cathode)
Électrode
négative
(Anode)
Mouvement des électrons
F U L L
E M P T Y
Électrode positive
(Cathode)
Électrode
négative
(Anode)
Li, Ni, Co, Mn, Fe, Al C, Si, Cu
• Interface à électrolyte solide (SEI) et
composé intercalaire en graphite (GIC)
• SEI : conducteur ionique et non
électronique
• Dépôt de lithium à basse température
• Vieillissement à haute température
(perte de capacité)
• Sûreté
Lithium-ion (SEI et stabilité à 60 °C)
Déplacement
des électrons
Électrode
positive
(cathode)
Électrode
négative
(anode)
CHARGÉE
DÉCHARGÉE
Production : plusieurs milliards d’éléments
COÛT
11
40 %
électrodes
30 %
montage
30 %
formation
et vieillissement
1991 : Première
mondiale!
Sony commercialise
la batterie Li-ion
CHARGEUR
Applications des batteries au lithium-ion
Téléphone
Ordinateur
Espace
Tablette,
baladeur
Voiture électrique
Médecine
Appareils
numériques
Marché : 40 milliards $, 2018
Supériorité de la batterie au lithium-ion
COMPARAISON SELON LA DENSITÉ ÉNERGÉTIQUE
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500 600 700
Énergie volumique (Wh/l)
Énergie
massique
(Wh/kg)
Faible volume
Faible
poids
Plom
b Ni-Cd
NiMH
Li-ion
(accus
cylindriques)
Sûreté
Le concept du triangle de feu
CHALEUR
O2
Matériaux
Électrodes
Cellules
Module
Pack
BMS
Senseur
Compartiment
Electronique
Connecteur
De l’atome à la cellule…
Conception
Li ion : anode, cathode et électrolyte
High Nickel Cathode
(Ni > 80%
Anode
Sic, SiO
Épandage séparateur Électrolyte
Additives
R-D: passer à
une densité
d'énergie
élevée
Types de carbones pour anodes
Référence Hitachi Chemical
Graphite artificiel Graphite
Naturel
Cabone amorphe
Coke
Meso-phase
(MCMB)
 Cyclabilité
 Haute densité
 Expension faible
Enrobage-Pitch
Enrobage-
polymere
Sphérique
 Grande capacité
 Bas Coût Coût
Coût Coût,
Mou
Dur
 Grande puissance
 Longue vie
coût
Procédé de fabrication du graphite de la mine à la cellule
Note : US$ pricing from Benchmark Mineral Intelligence graphite price assessments, February and March 2018.
20
2020 : 377 924 tonnes
Tesla
Défi : expansion volumique
Schei, A., et al. (1998). Production of High Silicon Alloys, Akademika Publishing.
Préparation industrielle du Silicium
UQAM / LFP
22
• Source abondante;
• Source « bas coût »;
• Pureté Si : 98% +.
RAW MATERIAL
CONSUMABLE
ELECTRODES
ELECTRIC
ENERGY
CLEANED GAS
SILICA
RECOVERED
ENERGY
CRATER
CRUSHING
SZING
FILTER
SOLIDIFICATION
REFINNING
LIQUID METAL
CHARGE MATERIAL
SILICON
Broyage mécanique du Silicium
23
Metallurgical silicon
Lumps d50 ~ 10 cm
Procédé à sec
Procédé
humide
1 Ref. Zaghib et al Journal of Power Sources 299, 2015, 529
Tesla
Tendance: cathodes adaptées selon l’usage
DOE-ANL
Procédé de fabrication de cathode NMC
React1
H2SO4
Mn Ore
Extraction du
minerai, Raffinage
Extraction du
minerai
Extraction du
minerai, Raffinage
Récupération
CoO Na Brine
NiSO4 MnSO4 CoSO4 NaOH
Chaleur Mélange Mélange Électrolyse
Tesla
Cathode: procédé simplifié envisagé par Tesla
Tesla
Fe vs. Ni vs. CO
28
2020 : 600 657 tonnes
29
29
Le coût des minéraux: un facteur déterminant…
Référence :Sony
Fabrication de cellules (cylindriques)
Charge/Discharge and Packing Process
Winding Process Assembly Process
Cell Product
Pack Process at Overseas
Cell Finished Good
Sales To Customer
32
NMC Cell
LFP cell
De la cellule au pack
Tesla
Après 2020 , < 100 $ par KWh
Stockage d’energie:
NMC vs LFP
MATÉRIAU
APPLICATIONS
TYPES
35
Divers accumulateurs pour diverses
applications
FORME
SONY, PREMIER FABRICANT AU MONDE DE BATTERIES AU LI-ION,
UTILISE DIFFÉRENTES CHIMIES
AVANTAGES
CATHODE
LFP NMC NCA LCO
Cylindre Pochette cylindrique Cylindre Pochette
Durée de vie
Sûreté
Performance
équilibrée à haute
puissance
Haute capacité
Poids léger
Taille flexible
Système de stockage
d’énergie (SSE)
Outils électriques
Batteries de secours
Outils portatifs
Vélos électriques
Outils portatifs
36
• Sûreté
• Cyclage élevé
• Plage de températures
étendue
• Efficacité
• Grande disponibilité
• Respect de
l’environnement
Caractéristiques des batteries
au lithium-ion a base de : LiFeP04 ( LFP)
LiFePO4
(olivines)
Li4Ti5012
LiFePO4
(olivines)
GRAPHITE
NATUREL
LiCoO2
CARBONE
ÉLECTROLYTE LIQUIDE
RECHARGE RAPIDE
< 10 MINUTES
FAIBLE COÛT ET
RECHARGE RAPIDE
< 1 HEURE
LI-ION LFP
LI-ION
CLASSIQUE
CATHODE ELECTROLYTE ANODE
ÉLECTROLYTE LIQUIDE ÉLECTROLYTE LIQUIDE
SPÉCIFICATIONS
SYSTÈME
ESSTALION
AVEC LFP
DE SONY
LFP CATHODE NMC
Graphite ANODE Graphite
Cylindrique TYPE Cylindrique
1,0C
RÉGIME DE
CHARGE
0,3C
1,5C max
RÉGIME DE
DÉCHARGE
0,5C max
15 000 cycles CYCLAGE 3 650 cycles
15 ans LONGÉVITÉ 10 ans
Aucune exigence REFROIDISSEMENT
Refroidisseur
liquide
100 % DÉCHARGE 70 %
97 %
EFFICACITÉ
(CYCLE COMPLET)
92 %
Caractéristiques de la batterie
NMC
LFP
Cyclage
0 %
10 %
20 %
30 %
40 %
50 %
60 %
70 %
80 %
90 %
100 %
110 %
0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000
STABILITÉ POUR UTILISATION QUOTIDIENNE SOUS DIVERSES
TEMPÉRATURES AMBIANTES
Nombre de cycles
Rétention
de
la
capacité
de
décharge
DONNÉES DE CHARGE À 1C ET
DÉCHARGE À 1C
(CYCLE COMPLET DE CHARGE ET
DÉCHARGE)
23 °C
60 % @
15 000 cycles
0 %
10 %
20 %
30 %
40 %
50 %
60 %
70 %
80 %
90 %
100 %
110 %
0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000
Nombre de cycles
Rétention
de
la
capacité
de
décharge
DONNÉES DE CHARGE À 1C ET DÉCHARGE À
1C
(CYCLE COMPLET DE CHARGE ET
DÉCHARGE)
45 °C
23 °C
60 °C
83 % @
7 500 cycles
60 % @
7 700 cycles
76 % @
6 600 cycles
Sûreté
STRUCTURE CRISTALLINE ROBUSTE DE LA CATHODE LFP
-2
0
2
4
6
8
150 200 225 265 290 340
Flux
thermique
[W/g]
Température [°C]
Li
Fe
P
O
LCO
LFP
EMBALLEMENT
THERMIQUE
AUCUN EMBALLEMENT
THERMIQUE
SURCHARGE/CHALEUR
SURCHARGE/CHALEUR
LCO COMPARÉ À LFP LFP – STABILITÉ THERMIQUE
LFP
LCO
Sûreté
LFP
NMC
Sûreté
Sûreté
Brûleurs allumés durant 1 h Brûleurs allumés
durant 1 h
2 h 30 plus tard (brûleurs
éteints après 1 h)
Brûleurs allumés durant 1 h 30, toujours le même
comportement.
Système LFP NMC – Bloc d’alimentation
http://www.nfpa.org/~/media/files/news-and-research/resources/research-foundation/research-foundation-
reports/other-research-topics/rffirehazardassessmentlithiumionbattery.pdf?la=en
LFP : essai à l’IREQ d’un système de 3,6 MWh
44
Recharge et décharge rapides
LFP
La batterie doit être rechargée le jour pendant que la
source solaire produit un surplus d’énergie, en
quelques heures seulement, surtout l’hiver.
Votre batterie est-elle assez puissante pour faire
fonctionner quotidiennement plusieurs appareils,
ou en cas de panne? Vous avez besoin d’une capacité
de décharge rapide.
LES ACCUMULATEURS LFP DE SONY TOLÈRENT
UN RYTHME RAPIDE DE CHARGE ET DE DÉCHARGE
CLIMATISEUR
2 kW
SÉCHOIR
1 kW
ASPIRATEUR
1 kW
LAVEUSE
1,5 kW
RÉFRIGÉRATEUR
1 kW
CHARGE DÉCHARGE
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Cycle
Panneaux solaires
Décharge
Alimentation
fournie par la
batterie pendant la
nuit
Surplus d’énergie généré par
les panneaux solaires
disponible quelques heures
seulement
SPÉCIFICATIONS
LFP CATHODE NMC
Graphite ANODE Graphite
Cylindrique TYPE Cylindrique
1,0C
RÉGIME DE
CHARGE
0,3C
1,5C max
RÉGIME DE
DÉCHARGE
0,5C max
15 000 cycles CYCLAGE 3 650 cycles
15 ans LONGÉVITÉ 10 ans
Aucune exigence REFROIDISSEMENT
Refroidisseur
liquide
100 % DÉCHARGE 70 %
97 %
EFFICACITÉ
(CYCLE COMPLET)
92 %
Caractéristiques de la batterie
LFP NMC
46
Régime de décharge
LFP
TOUT VA BIEN LORSQU’IL
Y A DU SOLEIL
LFP NMC
47
Régime de décharge
LFP
MAIS LORSQUE
LES NUAGES SE
POINTENT...
LFP NMC
48
Régime de décharge
LFP
LA PUISSANCE DEVIENT
INSUFFISANTE
NOUS
ASSURONS
!!
X
CLIMATISATION
X CUISSON
LFP NMC
49
Régime de charge
LFP
LE SURPLUS D’ÉNERGIE
GÉNÉRÉ PAR LES PANNEAUX
SOLAIRES PEUT ÊTRE
STOCKÉ GRÂCE À UN
RÉGIME DE CHARGE ÉLEVÉ
NE PEUT SE RECHARGER
COMPLÈTEMENT EN CAS DE
SURPLUS D’ÉNERGIE À
CAUSE D’UN RÉGIME DE
CHARGE PLUS FAIBLE
Charge = 14 kW/h
max
3X PLUS VITE
Charge = 4,2 kW/h
max
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
CONSOMMATION ÉNERGIE SOLAIRE
LE SURPLUS D’ÉNERGIE
N’EST DISPONIBLE QUE
QUELQUES HEURES
PAR JOUR
CES SEGMENTS
SONT PERDUS
LFP
19 19
NMC
LFP :Utilisation de la batterie en îlot : hors réseau en Australie
330 kW PV* | 620 kWh STOCKAGE D’ÉNERGIE AU LITHIUM (SSE) | 4 × 100 kVA DIESEL
SS
E
*PV : Panneaux solaires photovoltaïques
Batterie LFP sûre utilisée en Inde : télécommunication
Station de base (Inde)
Génératrice diesel
État en ligne
52 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir
Réseau autonome
Éolienne
Charge de
délestage
Deman
de
Compteur
CA
LN(CA)
Batterie à
décharge
poussée
C
C
Disjoncteur
triphasé CA
Boîtier de
commande CA/CC
Onduleur
53 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir
Réseau hybride
Boîtier
CC
C
C
Éolienne
Charge de
délestage
Chargeur
solaire
Disjoncteu
r CC
C
C
CC
Chargeur
éolien
WS-120C
Batterie à
décharge
poussée
Arrivée
CA
Onduleur
Deman
de
Compteur
CA
LN(
CA)
L’électrification des
transports au Québec
Centre d’excellence en électrification des transports et en stockage d’énergie d’LFP
55 LFP
Le Québec est-il prêt à avoir un parc automobile
uniquement électrique ? 50 % EV-PHEV
56 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir
Initiatives au Québec
‒ 50 % du parc d’automobile électrique du canada est au Québec
‒ Vidéotron
‒ Autobus Lion
‒ IVI…….etc.
‒ Circuit électrique
‒ Gouvernent du Québec
‒ LFP (R&D depuis 1967)
57 Hydro-Québec | Réinventer l’énergie pour l’avenir
Parc automobile au Québec : 5 millions
Au Québec, rouler à l’électricité, c’est possible et avantageux !
Un million d’autos électriques = environ 2 % de l’électricité consommée
au Québec en 2015
Au Québec, un million d’autos électriques = diminution de 3,4 millions
de tonnes de gaz à effet de serre (GES) par année.
L’électricité permet déjà de déplacer 50 % des usagers des transports
publics de la région de Montréal grâce au métro et au train de banlieue
(ligne Deux-Montagnes).
58 Hydro-Québec | Réinventer l’énergie pour l’avenir
Balance économique
5 MILLIONS
VÉHICULES À ESSENCE
-7,7 G$
BALANCE COMMERCIALE
2015
17,5 M
GES
TONNES PAR
ANNÉE
5 MILLIONS
VÉHICULES ÉLECTRIQUES
-3,7 G$
BALANCE COMMERCIALE
2,6 M
GES
TONNES PAR
ANNÉE
14 TWh
VENTES
D’ÉLECTRICIT
É AU QUÉBEC
1,1 G$
59 Hydro-Québec | Réinventer l’énergie pour l’avenir
2017
1100
bornes
2020
2500
bornes
60
EV et reseau intelligent
HQ Production HQ TransÉnergie HQ Distribution
ARCHITECTURE DU RÉSEAU ÉLECTRIQUE
CTM
CED
CCR
CCR : Centre de contrôle du réseau CED : Centre d’exploitation de distribution
CTM : Centre de transmission mobile
Interface d’échange d’énergie véhicule-réseau
(batterie sûre)
 Les voitures électriques branchées sont une source d’énergie décentralisée.
Les flèches indiquent le sens du flux d’énergie.
V2G : un échange bidirectionnel
Le véhicule peut recevoir de l’électricité du
réseau, ou lui en fournir sur demande.
Des batteries sûres et performantes
pourraient avoir un effet bénéfique sur
le réseau électrique.
V2H : prochaine génération
Producteurs
Tampon, Secours
Dans la borne
Véhicule de série
Chargeur
bidirectionnel
La mobilité est en train de changer.
complètement.
Source : An Integrated Perspective on the Future of Mobility,
McKinsey & Company, Bloomberg New Energy Finance,
October 2016
‒ Le modèle tradionnel
n’est pas soutenable.
‒ La population
augmente.
‒ Il y a migration vers
les centres urbains.
‒ Il y a des enjeux de
circulation et de
qualité de l’air.
‒ De nouveaux
modèles se
développent.
Maison Intelligente (client participatif)
La batterie : voiture électrique
automne, la miniaturisation de l’auto.
Écosystème du Québec
68
68
Il s’agit d’une tendance lourde qui va bouleverser le monde
du transport et… l’industrie minière.
Pour preuve, tous les grands donneurs d’ordres ont adoptés
des stratégies de transition vers les véhicules électriques
69
70
Marché : 2030 , par regions du monde
…
LFP met au point une
application de première
génération de batteries solides.
Lithium-métal-polymère (LMP).
Avestor se lance dans
la production massive
de batteries LMP.
Le producteur de
matériaux LFP Johnson
Matthey finance l’usine de
Nemaska Lithium
et établit des relations
avec des fournisseurs.
HQ et le CNRS
entreprennent la mise
au point de la batterie
LMP. HQ et Kerr McGee Chemical créent la
première usine de batteries LMP
d’Avestor World.
JANVIER :
Nouveau Monde Graphite mène un projet pilote d'une
ligne de micronisation et de sphéronisation pour les
matériaux actifs pour anodes sous licence d’HQ.
LFP obtient les droits du brevet
de John Goodenough pour
les électrolytes à l’état solide.
Phostech Lithium
est fondée.
Johnson Matthey
acquiert Phostech
Lithium.
Bolloré/Solutions
Bleues investit 120 M$
dans l’exploitation de
l’usine de batteries LMP.
1979 2007 2020
2002
1990 2001 2004 2015 2016 2018
Grappe
industrielle
des batteries au
Québec
71
JUIN :
Solutions Bleues signe une entente
d’approvisionnement de trois ans en batteries LMP
avec Daimler pour l'autobus électrique eCitaro.
1996 : HQ obtient
de John Goodenough
les droits de brevet
pour la batterie LFP.
Esstalion
72
À proximité immédiate des principaux marchés
nord-américains des véhicules électriques
15 GWh*
3 GWh
3 GWh
35 GWh
30 GWh*
20 GWh*
< 1 GWh
< 1 GWh
< 1 GWh
Montréal
Usine de blocs-batteries
Échanges commerciaux libres de droits de douane1 avec des
fabricants de batteries et des équipementiers, qui protègent des
perturbations des chaînes d’approvisionnement et qui atténuent
les risques géopolitiques :
 Accès aux États-Unis dans le cadre de l’ACEUM (ALENA 2.0)
 Accès à l’Asie-Pacifique régi par le PTPGP
 Accès à l’Union européenne par la voie de l’AECG
 Accès à la Corée du Sud permis par l’ALECC
Proximité du corridor automobile et liaisons ferroviaires avec
cette région; ~65 % de la capacité de fabrication de cellules en
Amérique du Nord
Nombreux ports en eau profonde et le trajet le plus court entre
l’Europe et l’Amérique du Nord
Contexte politique stable centré sur le soutien à la transition
énergétique et à ses acteurs
Territoire favorable aux investisseurs étrangers et faisant partie
d’un pays membre de l’OCDE ayant des cotes de crédit élevées :
 Canada : Aaa (Moody’s), AAA (S&P)
 Québec : Aa2 (Moody’s), AA- (S&P)





Grappe
industrielle
nord-américaine
des batteries
K. Zaghib et al, Sustainability 2020, 12, 5837 73
Completing its supply
chain to produce a low-
carbon footprint battery
Québec’s roadmap for a circular economy
La filière batterie du Québec
…
Grappe industrielle
des batteries
au Québec
Matières premières Précurseurs Cellule Assemblage Recyclage
Intégration des
véhicules
Matières
actives
Aluminium
North American Lithium/CATL
Nemaska Lithium
Sayona Mining
Galaxy Resources
Critical Elements Lithium Corp
Lithium
Graphite
Nickel et cobalt
Mason Graphite
Nouveau Monde Graphite
Focus Graphite
Waterton Global Resource
Canadian Royalties
Glencore, Vale (Ontario, Terre-Neuve-
et-Labrador)
Manganèse
Manganese X Energy (Nouveau-
Brunswick)
Johnson Matthey
Nemaska Lithium
Raymor
Neometals Ltd/Alphamet
Recyclage Lithion/Seneca
Solumet
Québec Aluminium
Cuivre
Glencore
Silicone
Silicium Québec
Lithium
Nemaska Lithium
Graphite
Mason Graphite
Nouveau Monde
Graphite
Manganèse
Manganese x Energy
(Nouveau-Brunswick)
Bolloré/Solutions Bleues Batteries Mustang
Technologies
Ingeniarts (UgoWork)
Divers acteurs locaux du
secteur du transport
(camions, autobus, scooters,
motoneiges, etc.)
Réseau de R-D
et main-d’œuvre
75
Accès à un carrefour de l’innovation doté de technologies
brevetées éprouvées, à un écosystème de R-D et à des
établissements d’enseignement de calibre international
Universités et
centres de
formation
LibTech
Centres et
consortiums de
recherche
Plus de 40
acteurs importants
Plus de 1 000 employés
en R-D
Nombre de diplômés – universités au Québec
(chimie, génie chimique., électrotechnique, génie mécanique, génie des
matériaux/physique)
Doctorats Maîtrises
Diplômes
de premier cycle
Total
341 811 1 979 3 131
L’écosystème des activités de R-D sur les
batteries du Québec
Les batteries au lithium-ion se retrouvent dans des secteurs en
forte croissance, les véhicules accaparant la plus grande part.
Téléphone
Ordinateur
Espace
Voiture utilitaire
Voiture électrique
Médecine
Appareils numériques
Tesla
2030, le Marché du stockage sera XYZ TWh
On parle de Terafactory
Les principales ressources minérales du sous-sol
Le Québec et le Canada possèdent quelques-uns des plus
importants gisements inexploités à l’échelle mondiale et,
entre autres, le plus grand gisement de lithium du monde
(Nemaska). Ils sont respectivement les cinquième et
huitième producteurs de nickel et de cobalt en importance
dans le monde.
D’importants déficits en matières premières sont prévus à
compter de 2023; cependant, la participation d’IQ à des
opérations et à des projets importants offre la possibilité de
garantir la fiabilité de l’offre.
La production de cobalt hors de la RDC présente l’occasion
de mettre en valeur des sources d’énergie éthiques qui
peuvent être intégrées dans la chaîne d’approvisionnement.
Les coûts de transport moindres sont attribuables à l’offre
de ressources minières dans la région même.
Le Québec est le quatrième producteur primaire
d’aluminium en importance. En collaboration avec des chefs
de file du marché, le gouvernement du Québec procède à la
mise au point d’un procédé révolutionnaire qui éliminera
tous les gaz à effet de serre directement liés à la production
d’aluminium.
Sources : S&P Market Intelligence, étude de marché du Gouvernement du Québec.
1. Premier affinage du cobalt
2. Usine de cathodes Johnson Matthey
3. Usine expérimentale de recyclage du lithium
4. Usine de transformation du graphite d’Imerys
Réserves et ressources primaires (en tonnes)
Mise en valeur
Production
moins de 100 000
plus de 1 000 000
entre 100 000 et 1 000 000
Inconnu Installations
non minières
Ni
Nickel
Li
Lithium
Co
Cobalt
V
Vanadium
Mn
Manganèse
C
Carbone
4
1
3
2
Nemaska
Nouveau Monde
VERSION PROVISOIRE
Installations non minières
80
Discussion
Q&R
Troisième enjeu: une chaîne d’approvisionnement éloignée
Mine urbaine Préparation du
lisier
Mélange et
pétrissage
Pour produire
une tonne de
Lithium
Procédés de recyclage
82
 Pyrométallurgie: fusion de batteries usées
 Hydrométallurgie: dissolution complète ou sélective des batteries usées
 Recyclage Direct: Récupérer et restaurer les matériaux
Pyrometallurgie Hydrometallurgie Recyclage direct
Modes de
recyclage
1 Ref. Zaghib et al et al (2020)
Recyclage - Hydrometallurgie
83
1 Ref. Zaghib et al , Materials (2020)
Des éléments précieux se retrouvent dans la solution de lixiviation.
Aucune perte de lithium
 Pour LFP: réaction d'oxydation.
 Pour les paliers Ni, Mn ou Co: réaction de réduction
Source: PHET
H2SO4
H2O2
Residue
(C; Plastic)
Solution
(Co, Ni, Mn, Cu, Li, Al, Fe, P)
Une fenêtre d’opportunité courte
 Le Québec doit se positionner maintenant pour
profiter de cette importante opportunité.
 Beaucoup de pays, dont les États-Unis, tentent
présentement
d’attirer des acteurs mondiaux chez eux.
 Plusieurs grands projets annoncés récemment aux
États-Unis
 L’implantation d’un ou deux acteurs stratégiques au
Québec permettrait de développer rapidement
cette industrie.
Merci de votre attention
85
Stockage d’énergie électrique pour les bâtiments
au sein de réseaux intelligents
Benoit ROBYNS
28 janvier 2021
Stockage, Bâtiments, Smart Grids
2
Enjeux: - Réduire les émissions de CO2
- Epuisement des ressources fossiles
Développement
- des énergies renouvelables,
- du stockage de l’énergie électrique,
- d’une meilleure maîtrise de la consommation
des charges tout en améliorant leur efficacité.
→ Tous les secteurs sont concernés : les bâtiments industriels, tertiaires et
domestiques, les systèmes de transport, les réseaux embarqués,…
→ Les bâtiments représentent 45 % de l’énergie consommée en France.
→ Les villes regroupent les trois quart de la population et l’urbanisation est croissante.
→ En France, les transports représentent un des plus importants émetteur de CO2.
Contexte
3
- Intégration des EnR dans les réseaux électriques et accroissement de
l’efficacité énergétique dans un marché de l’électricité libéralisé
- Stockage d’énergie dans les bâtiments - historique
- Smart buildings, smart grids, micro grids,…
- Le stockage dans les réseaux électriques
- Apport du stockage électrique dans les bâtiments: exemples de développement
- Bâtiment commercial
- Mutualisation énergétique
- Vehicle-to-Home & Vehicle-to-Building
- Vehicle-to-Grid
- Démonstrateur Smart Grids et Smart Building de l’Université Catholique de Lille
– Etude d’une communauté locale énergétique citoyenne
Plan
4
Intégration des EnR dans les réseaux
Problèmes induits par l’intégration des EnR dans les
réseaux électriques:
• Prévisibilité et variabilité de la production
• Production souvent décentralisée
• Capacité d’accueil du réseaux électriques
• Participation aux services système
• Sensibilité aux perturbations du réseaux
0 2 4 6 8 1 0
-200
0
20 0
40 0
60 0
80 0
1000
1200
1400
1600
P uissa nce éléctriqu e (kW )
tem ps (heure)
→ Limitation du taux de pénétration des EnR
Eolien Solaire Hydraulique
5
Intégration EnR et ↑ efficacité énergétique
Solutions pour augmenter le taux de pénétration des EnR et
accroître l’efficacité énergétique dans un marché libéralisé:
• Actions au niveau des Sources (pilotage, stockage…)
• Actions au niveau des Réseaux (smart grids, stockage…)
• Actions au niveau des Consommateurs (smart grids, stockage…)
Profils types de consommateurs tertiaires
Profils types de consommateurs domestiques
hors chauffage électrique
6
Stockage d’énergie dans les bâtiments
efficacité énergétique
Les bâtiments alimentés directement par le réseau n’ont a priori pas
de besoin de stockage d’énergie électrique, sauf certains bâtiments
sensibles équipés d’alimentations de secours afin d’assurer:
• la sécurité de bâtiments accueillant du public,
• des besoins sanitaires dans les hôpitaux,
• des enjeux économiques liés au maintien de l’activité dans
certaines entreprises.
Stockage d’énergie thermique dans des ballons d’eau chaude
afin de limiter les pointes électriques du matin et du soir (mis en
œuvre en France depuis les années 70).
Influence de l’appel de puissance des
chauffe-eau électriques sur le profil
de puissance (normalisé) à l’échelle
de la France métropolitaine.
7
Smart buildings
Autoproduction : C/B
Autoconsommation : C/A
Flexi-consommateur
Agrégateur de production,
de charges, de services,…
Compteur communicant
8
Smart grids, micro grids,…
Smart grids
Pilotage mutualisé de
sources , charges
et réseaux d’énergie
Micro grids
Smart grids à petite échelle
pouvant être raccordé
à un grand réseau ou non.
Emergence de Communautés
d’Energie Renouvelable.
9
Le stockage dans les réseaux électriques
Deux voies de développement du stockage dans les réseaux électriques peuvent
être distinguées :
- adossées aux grandes unités de productions intermittentes (ex : stockage
hydraulique associé à de l’éolien connecté sur le réseau de transport),
- diffuses, c'est-à-dire réparties dans le réseau de distribution par exemple.
9
Pour rendre le stockage rentable, une approche consiste à mutualiser les services
que peut apporter un système de stockage auprès de différents acteurs
(gestionnaires, producteurs, consommateurs,…).
10
Bâtiment commercial
Gestion Intelligente des Sources d’Energie électrique intégrant du
Photovoltaïque, des charges de bâtiments commerciaux et des
procédés de stockage d’énergie (GISEP)
Objectif principal : Développer une gestion
de diverses sources, charges et systèmes
de stockage d’un bâtiment commercial afin
- d’accroître l’efficacité énergétique du
site,
- la fiabilité de son approvisionnement
énergétique,
- et d’assurer une valorisation financière à
terme des sources disponibles.
11
Bâtiment commercial
CONFIGURATION DU RÉSEAU
- Capacité du système de
stockage 1700 kWh;
- Puissance maximum de charge
et de décharge 400 kW.
0 1 2 3 4 5 6 7
0
200
400
600
800
1000
1200
Puissance (kW)
0 1 2 3 4 5 6 7
0
200
400
600
800
1000
1200
Puissance (kW)
0 1 2 3 4 5 6 7
0
20
40
60
80
100
Temps (Jour)
Niveau du stockage (%)
Puissance fournie par reseau
Puissance souscrite
Production panneau solaire
Consommation du magasin
hypermarché
d’une surface de
vente de
13 000 m2
Puissance Crête : 1,16 MWc
Pointe pouvant
atteindre 1500 kW
12
Bâtiment commercial
 Objectifs :
. Diminuer la facture d’électricité
. Diminuer les émissions de CO2
. Assurer l’autoconsommation de
toute la production d’électricité
solaire
. Assurer la bonne gestion des
capacités de stockage afin
d’éviter sa saturation
 Contraintes :
. La puissance souscrite
. Les limites de capacité des
systèmes de stockage (Durée de
vie)
. Production solaire aléatoire
 Moyens d’actions
. Consigne de puissance du
système de stockage pour
soutirer ou fournir de la
puissance
MÉTHODE
1
2
1 Phase de descente en température Consommation > 0
2 Phase de montée en température Consommation = 0
Stockage de froid
Stockage par
Batterie li-ion
13
Bâtiment commercial
Abonnement
fonction de P
souscrite (€)
Consommation sur
une semaine (€)
Emission CO2 pour
une semaine (T)
Sans stockage, ni PV 79 344 8 782 11,604
Avec stockage
65 856
(-17 %)
8 407
(-4.27 %)
11,499
(-0,9 %)
Avec stockage et PV
56 533
(-28,75 %)
6 096
(-30,58 %)
8,541
(-26,40 %)
INDICATEURS FINANCIERS
& ENVIRONNEMENTAUX
1 2 3 4 5 6 7 1
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Time (Day)
CO2
Emission (T) CO
2
emission without PV and storage
CO2
emission with PV and storage Emission de CO2 sur
une année (T)
Sans stockage
et sans PV
260
Avec stockage
et PV
123.8
Difference
-136.2
(-52.38%)
14
0 200 400 600 800 1000 1200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Temps (s)
Puissances
(kW)
Mutualisation énergétique
Gestion et Echanges de Services Energetiques Decentralises Multi - Acteurs
PGC : puissance Galerie
Commerciale
PSSE : puissance Système
de Stockage Electrique
PGDs : puissance Groupe
Diesel
0 200 400 600 800 1000 1200
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Temps (s)
Puissances
(kW)
0 200 400 600 800 1000 1200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Temps (s)
Puissances
(kW)
0 200 400 600 800 1000 1200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Temps (s)
Puissances
(kW)
0 200 400 600 800 1000 1200
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Temps (s)
Puissances
(kW)
15
STOCKAGE V2H et V2B
Concept V2H développé par Nissan
et mis en œuvre au Japon
Six Nissan Leafs alimentant un bâtiment tertiaire
au Japon suivant le concept V2B
Vehicle to Home ou V2H le véhicule alimente un habitat résidentiel généralement
isolé d’un réseau électrique
Vehicle to Building ou V2B le véhicule alimente un immeuble résidentiel ou un
bâtiment tertiaire. Il s’agit alors plusieurs véhicules sur un parking.
16
W2V
PV2V
V2Grid
Train2V
Breaking
Energy
V2Building
Parking lot
STOCKAGE V2G
Pour la gare par exemple, potentiel gain sur la puissance souscrite.
Vehicle to Grid ou V2G, le véhicule alimente le réseau électrique via une borne de
recharge sur la voie publique ou sur des parkings (par exemple de gares, de centre
commerciaux, etc.).
Consommation
d’électricité en
France en 2012:
489,5 TWh
Consommation
annuelle estimée
de 2 millions de
VE: 4,8 TWh
DÉMONSTRATEUR
Smart Building
Stockage
xStorage Building
DÉMONSTRATEUR
SocioTechnique
DÉMONSTRATEUR
Mobilité
11 points de charge
DÉMONSTRATEUR
Mobilité
9 points de charge
DÉMONSTRATEUR
Autoconsommation
Mobilité électrique
4 points de charge
Stockage
Centre de pilotage énergie
DÉMONSTRATEUR
Mobilité
2 points de charge
Développement de démonstrateurs Smart Buildings et Smart Grids intégrant du stockage
dans le quartier Vauban à Lille sur le campus de l’Université Catholique.
Chacun pourra participer activement au système énergétique !
LIVE TREE : Lille Vauban-Esquermes en
Transition Energétique, Ecologique et Economique
LIVE TREE : Lille Vauban-Esquermes en
Transition Energétique, Ecologique et Economique
Eaton Xstorage Building : 203 kWh
40 kW en charge
80 W en décharge
Eaton Xstorage Home : 6 KWh
6 KW en charge et en décharge
Stockage TESLA : 420 KWh
100 kW
LIVE TREE : Lille Vauban-Esquermes en
Transition Energétique, Ecologique et Economique
Poste HTA 15 kV
TGBT HEI
Bâtiment H
TGBT Hôtel
Académique
TGBT 41
rue du port
TGBT HEI 13RT
et 1,3RNS
Production
photovoltaïque
P
P
P
P
P
Puissance crête : 189 kWc
Production annuelle :
142MWh/an
Puissance crête : 28,8 kWc
Production annuelle :
23MWh/an
Stockage 203 kWh
40/80 kW
Démonstrateur smart grids îlot historique.
Vers une Communauté d’Energie Renouvelable locale…
Optimisation de l’autoconsommation dans
une communauté locale énergétique citoyenne.
Développement d’un modèle d’échange énergétique technico-économique au moyen d’une
approche combinant la théorie des jeux et une blockchain (distribuée, sécurisée et
décentralisée), pour maximiser l’autoconsommation au sein de la communauté:
- Les acteurs s’échangent l’énergie sans intermédiaires (marché décentralisé).
- Automatisation des échanges en fonction de la production PV et de la consommation
(smart contracts).
- Prise en compte d’acteurs très différenciés : consommateurs permanents, consommateurs
de passage (VE), consommateur/ producteur, producteur, stockeur, gestionnaire du réseau
public de distribution,…
Optimisation de l’autoconsommation dans
une communauté locale énergétique citoyenne.
Exemple de valorisation du stockage au sein d’une communauté énergétique.
Hypothèses de prix de l’électricité :
→ venant du réseau public : en été 11,15 c€/kWh en h pleine, 6,05 c€/kWh en h creuse
en hiver 18,04 c€/kWh en h pleine, 12,26 c€/kWh en h creuse
→ photovoltaïque produit localement : 10 c€/kWh (durée de vie de 25 ans)
→ venant du stockage : max(prix_PV, prix_Réseau) + 21,9 c€/kWh (durée de vie de 10 ans)
Le stockage est mieux valorisé lorsque la gestion est distribuée.
Evolution du niveau de charge du stockage pour des gestions distribuée et centralisée
favorisant l’autoconsommation.
Optimisation de l’autoconsommation dans
une communauté locale énergétique citoyenne.
Comparaison de la consommation énergétique du système blockchain et
d’une solution centralisée.
Blockchain privée utilisée pour la mise en œuvre du processus d’échange, sans agent central
 Estimation de la consommation énergétique par rapport à une solution centralisée :
- Consommation un peu plus forte pour un nombre réduit d’acteurs (moins d’un douzaine)
- Pour un grand nombre d’acteurs, la blockchain privée pourrait être moins coûteuse en énergie
M.Stephant, D.Abbes, K.Hassam-Ouari, A.Labrunie, B.Robyns, Distributed optimization of energy profiles to improve photovoltaic self-
consumption on a local energy community, Simulation Modelling Practice and Theory, vol.108, 2021.
M.Stephant, D.Abbes, K.Hassam-Ouari, A.Labrunie, B.Robyns, Increasing photovoltaic self-consumption with game theory and
blockchain, EAI Endorsed Transactions on Energy Web, 2020.
23
Livres
Stockage d’énergie électrique pour les bâtiments au sein de réseaux intelligents
ISTE, 2019, ISBN 978-1-78405-632-2
Electrical Energy Storage for Buildings in Smart Grids
ISTE-Wiley, 2019, ISBN: 978-1-84821-612-9
J.-F. Affolter, janvier 2021
Stockages en Suisse ;
développements et perspectives
Stockages
Développements et perspectives (CH)
• Qui sommes-nous ?
• Brève présentation HES-SO, HEIG-VD, IESE
• Stockages @IESE
• Stockages; actuels et besoins futurs
• Perspectives des productions CH
• Solutions actuelles
• Développements de stockages en Suisse
• Perspectives long-terme
• Basées H2 (ou pas ?)
www.hes-so.ch
https://heig-vd.ch/
http://iese.heig-vd.ch
2
Département des Technologies Industrielles
Institut d’Energie et Systèmes Electriques
• 7 Professeurs + 15 ingénieurs Ra+D
3
Axe 4: Simulation of
Electromagnetic Systems
Axe 3: Power Electronics and Static
Energy Conversion
Axe 2: Electrical Machines
and Drives
Axe 1: Production / Transmission /
Distribution and Use of Electrical
Energy (Renewable energy,
Sustainable developments,
Smartgrids)
Axe 5: Mechatronics
and Electromechanical
Systems
HEIG-VD
IESE; quelques exemples de stockages (mobilité)
• PlanetSolar: 1er tour du monde à
l’énergie solaire PV (2008-12)
• Capacités batteries : 1'200 kWh;
13 tonnes de batterie Lithium Ion
(technologie HDW Gaya)
• Bateaux Hydroxy: Plateformes de test
“conditions réelles”
• Hydroxy3000 (2003):
• Piles à combustibles H2/air, H2/O2
(1kg H2 permet 15h de navigation)
• Pile Aluminium-Air (technologie
Phynergy)
https://www.planetsolar.swiss/
http://iese.heig-vd.ch/projets/hydroxy-3000
http://www.lemanbleu.ch/fr/News/Des-bateaux-a-hydrogene-sur-le-Leman.html 4
Exemple Hydroxy3000
Comparaison de deux systèmes
A) Système Pile à combustible (H2/air)
• 1 kg H2 = bouteille 32 kg
• Pile + électronique = 60 kg
• Système complet 100 kg
• Autonomie 15h
• H2 fabriqué sur PV, localement
• Rendement global env. 30-35%
B) Système pile Aluminium/air
• 17 kg Aluminium
• Système complet = 70 kg
• Autonomie 60h
• Pas de possibilité de fabr. Alu locale
• Rendement global env. 30-35%
Phynergy
HEIG-VD
5
https://phinergy.com/
HEIG-VD
IESE; quelques exemples de stockages (stationnaire)
• Projet PIPA/IRGIS: Groupe de
secours mobile H2 (2020)
• 15 kg H2 et piles à combustibles
modulaires 2*10 kW
(technologie SwissHydrogen)
• Environ 20 heures d’autonomie
• Plateforme ReIne (réseaux
intelligents)
• Batterie 63 kWh / 100 kW
(Leclanché, Li-titanate)
• Batteries domestiques
• Carport solaire, bornes VEL
6
Stockages CH; besoins
Pénétration PV, Ouest Suisse, étude PENELER, 2015
Etude du réseau CH à l’horizon
2050, avec 20% de l’énergie
produite en photovoltaïque
Variations de production PV sur
Lausanne, un jour d’été avec une
grande alternance nuage – soleil
(simulation par minute, basé sur
mesures d’ensoleillement)
6h
75 MW
7
Stockages CH
Actuels: pompage-turbinage
8
Source: https://www.letemps.ch/suisse/crise-barrages-suisses-sinfligent-une-cure-dausterite
https://youtu.be/e-LBLu8lNIc
https://youtu.be/2Da-aSVlTmk
http://www.fmhl.ch/Video02.asp?m=620
Pour les centrales de pompage-turbinage, la Suisse occupe le 6e
rang européen avec 5,9 % du total européen ; plus de 2 000 MW
supplémentaires sont en construction ou en projet
Potentiel actuel de stockage environ 10% de l’électricité
produite en CH; en puissance environ ¼ de la Ppointe
1000 MW
40->34
GWh
900 MW
480 MW
8
Stockages
Remarque sur le stockage gravitaire
Source
NREL
• Quelle quantité d’énergie stocke 1 kg d’eau
à 360 m de dénivelé ? (rendements négligés)
• E = m*g*H
• E = 1*9,81*360/3,6E3
~ 1 Wh/kg
9
Stockages CH
Futur et Ra+D
Dénommé «Station de
transfert d’énergie par
pompage-turbinage à
petite échelle
(Steppe)», de petites
unités de pompage-
turbinage (1-10 MW; 2
à 6h) pourraient offrir
du stockage régional à
un coût intermédiaire
entre Pompage-
turbinage et batteries
https://www.bulletin.ch/fr/news-detail/un-stockage-local-et-competitif-de-lenergie.html
10
Stockages CH
Ra+D: Prototype, stockage gravitaire
https://energyvault.ch/ Typique: 35 tonnes à 60m avec mgh= 21 MWh ; rendement annoncé entre
80 et 90%
Du site (citations) :
The system is modular and flexible
with each plant having a capacity of
between 10 and 35MWh and a
power output of between 2 and
5MW
Pricing
The Energy Vault storage solution
will operate at less than 50% of the
cost/kWh of current competitor
storage solutions
The lowest-cost bulk energy
storage system available on the
market
11
Stockages CH
Ra+D: prototype, stockage air comprimé
• L’air, comprimé à environ 30
bar cède sa température
(env.550°C; stockage
~adiabatique) à un lit de
cailloux, lequel rend cette
température à la sortie, pour
l’alimentation de la turbine
• Rendement annoncé 72%
• Coût annoncé 20 à 30%
inférieur au pompage-turbinage
• Proto: volume suffisant pour
alimenter Lugano (63’000.hab)
pendant 12 à 24h
https://www.swissinfo.ch/fre/energie-dans-la-montagne_une-maxi-batterie-remplie-d-air/42300112
Photo
K.
Hofer/
NZZ
http://www.airlightenergy.com
ALACAES
12
Stockages CH
Un peu d’histoire avant le future:
Gyrobus: en exploitation à Yverdon
dans les années 1950…
Entreprise http://www.djeva.com/fr/ ;
électrolyse et stockage H2 13
Stockages CH
Futur et perspectives (stockages “long termes”)
Possibilités qui s’offrent:
Plus de solaire (et autres ER)
• PV
• Thermique
• Stockage dans le sol, eau
Gestion de la demande
Hydrogène (+basé sur)
• Mobilité
• % dans gazoducs
• Power to Gaz
• Carburants synthétiques
Figure: Système électrique Suisse modifié (sans agents fossiles)
Source: “Impacts of an Increased Substitution of Fossil Energy Carriers with Electricity-Based Technologies on the Swiss
Electricity System” by M. Rüdisüli & Al, EMPA, 2019
14
Stockages (pas seulement CH !)
Futur et perspectives
Electricité
Renouvelable
Capture du
CO2
Stockages
électriques
Applications
électriques
Hydrogène Stock. H2 Applic. H2
Biomasse
Methane
Stock.
Methane
Applic.
Gaz
Liquides
synthétiques
Méthanol
Ethanol
Octane
Dimethylether
Stock.
Liquides
Applic.
ad hoc
Rendements
Coûts
15
Récupération
chaleur
Stockages électriques “long termes”
Synthèse et conclusions
Un certain nombre de solutions pour le stockage d’électricité à « long terme »
s’offrent… Elles se distinguent par :
• Les rendements énergétiques (globaux)
• Les coûts (puissance de pointe ?)
• L’« énergie grise » (émissions CO2/GES, matériaux spécifiques etc.)
• La complexité de la chaîne d’élaboration
• La facilité –ou non- de stockage
• La conservation –ou la déplétion du stock
• Les quantités gérables
• Le moyen de reconversion en électricité (récupération des pertes ?)
Si les principes sont déjà théoriquement bien abordés, on peut déplorer un
manque de démonstrateurs et une difficulté à établir clairement les coûts des
différentes possibilités
16
Annexes
Références et lectures additionnelles
Etude EMPA: https://www.mdpi.com/1996-1073/12/12/2399/htm
Scénario Nordmann: http://rogernordmann.ch/pdf-des-presentation-plan-
marshall-ps-solaire-pour-le-climat-aout-nov-2019/
Carburants synthétiques liquides: Empa - Communication - EQ69 Nachhaltige
Treibstoffe
Réseau Suisse des techniques de l’Hydrogène: https://hydropole.ch/fr/
Petits pompages-turbinages: https://www.bulletin.ch/fr/news-detail/un-
stockage-local-et-competitif-de-lenergie.html
Cours JF Affolter et travaux de recherches IESE : http://iese.heig-vd.ch/
Autres références: indiquées dans les transparents ou sources publiques
17
Hydrogène CH
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Stockage de l'énergie - Échanges d'expertises entre le Québec, les Hauts-de-France, le Canton du Vaud et la Wallonie | 28 janvier 2021

  • 1. • Stockage & Mobilité, ba1eries lithium-ion et chaîne de valeur en devenir au Québec - Karim Zaghib, Inves2ssement Québec • Stockage d’énergie électrique pour les bâAments au sein de réseaux intelligents - Benoît Robyns, Ecole Junia et Université catholique de Lille • Stockages en Suisse, développements et perspecAves - réalisaAons actuelles (pompage- turbinage, air comprimé,...) et techniques LT via hydrogène - Jean-François Affolter, HEIG-VD
  • 2. 2 Introduction - Présentations • Networking between industrial or commercial companies and others actors of sustainable energy sectors • Reactive and proactive approaches in order to stimulate new projects • Set-up technical support and management of projects • Promote networking by organizing specific events, general meetings, workshops, bilateral meetings, face-to-face meetings, visits to companies,... • Develop synergies with other actors of sustainable energy sectors (clusters,...) • Local and international promotion of members. • Carrying out industry, technical, market and economic studies on sustainable energy sector • Participation in Regional/European/International projects Cluster TWEED
  • 3. Les pôles Pôles de compétitivité wallons : > GreenWin : chimie verte, construction durable et environnement > MecaTech : ingénierie mécanique (énergie, défense & sécurité, Medtech, etc…) Mission : créer de l’emploi et de l’activité économique en Wallonie au travers de projets collaboratifs innovants et à vocation internationale Rôles et actions : > Accompagnement au montage de projets innovants collaboratifs > Réseautage (workshops, etc.) > Actions internationales (missions, conférences, support au montage de projets européens)
  • 4.
  • 5. Des innovations en action Accélérer la transition écologique et énergétique pour une prospérité durable www.ecotechquebec.com La grappe des technologies propres du Québec
  • 6. Efficacité énergétique Energies renouvelables Réseaux intelligents Mobilité Cluster en Génie Electrique des Hauts-de-France Notre mission : favoriser la R&D&I collaboraAve entre entreprises et académiques Pour en savoir plus : Anaïs ASSELIN Directrice aasselin@pole-medee.com - www.pole-medee.com - @Cluster_MEDEE 3 axes de R&D 4 marchés cibles Matériaux et Composants du G.E. Convertisseurs d’énergie intelligents Intégration système et stockage
  • 7. CleantechAlps, un outil de développement économique… • Un généraliste des technologies, spécialiste de l’écosystème de l’innova2on, en par2culier dans les cleantech • Composante réseau très forte (accès facilité auprès des dirigeants d’entreprises et des décideurs de l’écosystème et mises en rela2on qualifiées) • Une approche transversale avec un rôle de connecteur à l’interface des mondes industriel, économique, académique et ins2tu2onnel laura.schwery@cleantech-alps.com – Tel. +41 58 332 21 20 www.cleantech-alps.com CleantechAlps, un outil de développement économique… > Un généraliste des technologies, spécialiste de l’écosystème de l’innovation, en particulier dans les cleantech > Composante réseau très forte (accès facilité auprès des dirigeants d’entreprises et des décideurs de l’écosystème et mises en relation qualifiées) > Une approche transversale avec un rôle de connecteur à l’interface des mondes industriel, économique, académique et institutionnel
  • 8.
  • 9. 3 ans 5 ans 10 ans Batteries * Dvlp FCEV / autonomie * Range extenders * Technologies hybrides, … SOFC, V2H, power2fuel, cogen & H2, matériaux recyclés=>batteries, … * Batt. résidentielles, charge ultrarapide, … * Mat. recyclés=>bat. Fuels * H2, NH3, CH4, power2fuel, … * Biofuels / waste to fuel / synthetic fuels Transports * VE * Mobilité douce * … * Camions H2/FC * Flotte FCEV * Bus & camions H2/FC IoT * Application gestion de stockage * CI~recharge VE * Virtual power plant (VPP) industries, … * VPP petits consommateurs, … Réseaux - Développement d’un réseau de distribution de H2 et de rechargement de bornes électriques - Projets * CEL/CER * Industrie : bas carbone, démonstrateurs * Stockage thermique (intersaisonnier) * … * Mobilité~CEL/CER * V2G/V2H, FCEV * Stockage résidentiel * … * Prix capacitaire – flexibilité locale * Dvlp+ réseaux globaux * … Politique # Mise en place * Incitants financiers * Réseaux de formation * Task force régionale (politique), … # Opérationnalisation * Politique de tarificat° é * … # Upscaling * Politique de recyclage / regénération batteries * …
  • 10. MENACES • Concurrence : marché concurrentiel et international • Ressources : pas de matières premières • Maturité : technologies & standards SWOT : stockage OPPORTUNITÉS • Potentiel (marché) : marché du stockage sous- exploité et en croissance. • Intégration : NRJ-R & VE sur le réseau. • Électricité : croissance de la demande en électricité, toujours plus volatile par ailleurs, et des pics de consommation. • R&D : innovation ; tradition de R&D disruptive • Législatif : réglementation & normalisation (ex : V2G) FAIBLESSES • Acteurs : CdR sur stockage • Projets : développer projet pilotes (ex : secteur résidentiel/rural) & démonstrateurs • Compétences : manque XP terrain ; mise en commun des ressources (~ aperçu des acteurs / ressources disponibles) • Financier : rentabilité & soutiens difficiles, investissements Flandre / FR / DE • Politique : vision / décision / cadre légal Forces • Acteurs : industrie, CdR & universités (haut niveau et bonne intégration) • Projets : MIRRIS, Merybel, Miraccle, Arthur, … pilotes & démonstrateurs ; CEL/ACC • Technologies : présents sur ensemble de la chaîne de valeurs (ex : recyclage) ; batteries +- • Compétences : innovation / R&D ++ • Politique : intérêt / soutien Belgique & Europe
  • 11. Projet Investissement > Les projets d’investissement visent à obtenir un bonus d’aide à l’investissement pour vos infrastructures en lien avec votre programme d’innovation > Projet industriel
  • 12. Appel à projets Appel thématique stockage énergie en collaboration avec le cluster Tweed Projets R&D > Les projets R&D doivent viser le développement d’innovations technologiques et non-technologiques aboutissant à la mise sur le marché de nouveaux produits, procédés ou services > Minimum 2 entreprises + minimum 2 acteurs de recherche > Leadership industriel Projet Investissement > Les projets d’investissement visent à obtenir un bonus d’aide à l’investissement pour vos infrastructures en lien avec votre programme d’innovation > Projet industriel
  • 13. www.clustertweed.be Cluster TWEED Rue Natalis 2 • 4020 Liège • Belgique Contacts : Cédric Brüll • Directeur • cbrull@clustertweed.be Paul Bricout • Gestionnaire de projets & responsable communication • pbricout@clustertweed.be Renaud Dachouffe • Développement de projets • rdachouffe@clustertweed.be
  • 14. Stockage de l'énergie en Wallonie | Échanges d'expertises entre le Québec, la France et la Suisse 28 janvier 2021 Stockage & Mobilité, batteries lithium-ion et chaîne de valeur en devenir au Québec Dr. Karim Zaghib Conseiller stratégique Investissement Québec Professeur, Université McGill
  • 15. Plan  Les diffirents types de stockage d'énergie  Batterie Li ion  Anode  Cathode  Celllule  Marché  Prix Étude de cas pour le stockage d’énergie du KWh au MWh : LFP vs NMC Électrification du transport au Québec Écosystème au Québec de la batterie au recyclage Conclusion 2
  • 16. 3 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir Sources d’énergie primaire Stockage de carbone (C, CHx, CHOx…) Stockage électrochimique (Li, H2, oxydoréduction…) Stockage physique (énergie cinétique, potentielle…) Modes de stockage de l’énergie 1 2 3 Solaire – Photosynthèse – Thermique – Photovoltaïque Hydraulique Nucléaire – Fission – Fusion Géoénergie – Géothermique – Géodynamique Éolienne
  • 17. Avantages Inconvénients ‒ Disponibilité immédiate (charbon, pétrole et gaz) ‒ Énergie (Wh) et puissances massiques (W/kg ou W/L) élevées ‒ Partiellement renouvelable (biomasse) ‒ «Recharge» lente (> 100 M d’années pour le pétrole, et de 3 mois à 25 ans pour la biomasse) ‒ Conversion en électricité inefficace (rendement  30 %) ‒ Pollution et émissions de GES Stockage du carbone Stockage du carbone
  • 18. La croissance du nombre de véhicules en circulation se poursuit, ayant atteint 1 G en 2020 …2 10 6 morts sur les routes! > 2 10 6 décès prématurés de particules en suspension dans l'air dans les grandes villes
  • 19. Besoins en stockage électrochimique AUTOMOBILES 1.109 voiture, 10 % électrique  20.106 tonnes de batteries ÉCRÊTAGE DE POINTE Production mondiale de 2.1013 kWh, 10% stocké/jour  60.106 tonnes de batteries La durabilité est un critère primordial! c 6
  • 20. Stockage électrochimique : batteries Considérée comme la forme d’énergie par excellence, l’électricité est souple, efficace et propre, mais elle est instantanée et nécessite la disponibilité permanente d’une source. En la stockant dans des batteries : – on pourrait utiliser des sources intermittentes d’énergies renouvelables (photovoltaïque et éolienne) ; – on disposerait d’une solution de rechange aux combustibles fossiles dans le secteur du transport ( 27 % du bilan énergétique).
  • 21. 150 BC - 223 AD 1780 1800 1859 1866 1900 1980 1990 1996 Mésopotamie pile de Bagdad Fe-Cu bioélectrogénèse L. Galvani Zinc – Cuivre Pile voltaïque A. Volta Pb-PbO2 Au plomb Gaston Planté Zn-MnO2 Pile saline G. Leclanché NiCd Nickel- cadmium LMP Lithium-Métal- Polymère HQ-CNRS Ni-MH Nickel- hydrure métallique LFP Sony - HQ Batterie tout solide • La durée de vie utile d’une technologie de batterie est variable. La batterie au plomb est toujours utilisées (160 ans après son invention). • LFP a fait sa place dans l’histoire des batteries dans les années 80 grâce à ses travaux sur le Lithium-Métal-Polymère (LMP), et fait une percée historique quant à la sécurité des batteries lithium-ion avec sa technologie Lithium-Fer- Phosphate (LFP) dans les années 90. L’évolution des batteries
  • 22. La batterie au lithium-ion
  • 23. Animation : Batterie lithium-ion Mouvement des électrons F U L L E M P T Y CHARGEUR Électrode positive (Cathode) Électrode négative (Anode) Mouvement des électrons F U L L E M P T Y Électrode positive (Cathode) Électrode négative (Anode) Li, Ni, Co, Mn, Fe, Al C, Si, Cu
  • 24. • Interface à électrolyte solide (SEI) et composé intercalaire en graphite (GIC) • SEI : conducteur ionique et non électronique • Dépôt de lithium à basse température • Vieillissement à haute température (perte de capacité) • Sûreté Lithium-ion (SEI et stabilité à 60 °C) Déplacement des électrons Électrode positive (cathode) Électrode négative (anode) CHARGÉE DÉCHARGÉE Production : plusieurs milliards d’éléments COÛT 11 40 % électrodes 30 % montage 30 % formation et vieillissement 1991 : Première mondiale! Sony commercialise la batterie Li-ion CHARGEUR
  • 25. Applications des batteries au lithium-ion Téléphone Ordinateur Espace Tablette, baladeur Voiture électrique Médecine Appareils numériques
  • 26. Marché : 40 milliards $, 2018
  • 27. Supériorité de la batterie au lithium-ion COMPARAISON SELON LA DENSITÉ ÉNERGÉTIQUE 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 700 Énergie volumique (Wh/l) Énergie massique (Wh/kg) Faible volume Faible poids Plom b Ni-Cd NiMH Li-ion (accus cylindriques)
  • 28. Sûreté Le concept du triangle de feu CHALEUR O2
  • 30. Li ion : anode, cathode et électrolyte High Nickel Cathode (Ni > 80% Anode Sic, SiO Épandage séparateur Électrolyte Additives R-D: passer à une densité d'énergie élevée
  • 31. Types de carbones pour anodes Référence Hitachi Chemical Graphite artificiel Graphite Naturel Cabone amorphe Coke Meso-phase (MCMB)  Cyclabilité  Haute densité  Expension faible Enrobage-Pitch Enrobage- polymere Sphérique  Grande capacité  Bas Coût Coût Coût Coût, Mou Dur  Grande puissance  Longue vie coût
  • 32. Procédé de fabrication du graphite de la mine à la cellule Note : US$ pricing from Benchmark Mineral Intelligence graphite price assessments, February and March 2018.
  • 33. 20 2020 : 377 924 tonnes
  • 35. Schei, A., et al. (1998). Production of High Silicon Alloys, Akademika Publishing. Préparation industrielle du Silicium UQAM / LFP 22 • Source abondante; • Source « bas coût »; • Pureté Si : 98% +. RAW MATERIAL CONSUMABLE ELECTRODES ELECTRIC ENERGY CLEANED GAS SILICA RECOVERED ENERGY CRATER CRUSHING SZING FILTER SOLIDIFICATION REFINNING LIQUID METAL CHARGE MATERIAL SILICON
  • 36. Broyage mécanique du Silicium 23 Metallurgical silicon Lumps d50 ~ 10 cm Procédé à sec Procédé humide 1 Ref. Zaghib et al Journal of Power Sources 299, 2015, 529
  • 38. DOE-ANL Procédé de fabrication de cathode NMC React1 H2SO4 Mn Ore Extraction du minerai, Raffinage Extraction du minerai Extraction du minerai, Raffinage Récupération CoO Na Brine NiSO4 MnSO4 CoSO4 NaOH Chaleur Mélange Mélange Électrolyse
  • 39. Tesla Cathode: procédé simplifié envisagé par Tesla
  • 40. Tesla Fe vs. Ni vs. CO
  • 41. 28 2020 : 600 657 tonnes
  • 42. 29 29 Le coût des minéraux: un facteur déterminant…
  • 43. Référence :Sony Fabrication de cellules (cylindriques) Charge/Discharge and Packing Process Winding Process Assembly Process Cell Product Pack Process at Overseas Cell Finished Good Sales To Customer
  • 44.
  • 45. 32 NMC Cell LFP cell De la cellule au pack
  • 46. Tesla Après 2020 , < 100 $ par KWh
  • 48. MATÉRIAU APPLICATIONS TYPES 35 Divers accumulateurs pour diverses applications FORME SONY, PREMIER FABRICANT AU MONDE DE BATTERIES AU LI-ION, UTILISE DIFFÉRENTES CHIMIES AVANTAGES CATHODE LFP NMC NCA LCO Cylindre Pochette cylindrique Cylindre Pochette Durée de vie Sûreté Performance équilibrée à haute puissance Haute capacité Poids léger Taille flexible Système de stockage d’énergie (SSE) Outils électriques Batteries de secours Outils portatifs Vélos électriques Outils portatifs
  • 49. 36 • Sûreté • Cyclage élevé • Plage de températures étendue • Efficacité • Grande disponibilité • Respect de l’environnement Caractéristiques des batteries au lithium-ion a base de : LiFeP04 ( LFP) LiFePO4 (olivines) Li4Ti5012 LiFePO4 (olivines) GRAPHITE NATUREL LiCoO2 CARBONE ÉLECTROLYTE LIQUIDE RECHARGE RAPIDE < 10 MINUTES FAIBLE COÛT ET RECHARGE RAPIDE < 1 HEURE LI-ION LFP LI-ION CLASSIQUE CATHODE ELECTROLYTE ANODE ÉLECTROLYTE LIQUIDE ÉLECTROLYTE LIQUIDE
  • 50. SPÉCIFICATIONS SYSTÈME ESSTALION AVEC LFP DE SONY LFP CATHODE NMC Graphite ANODE Graphite Cylindrique TYPE Cylindrique 1,0C RÉGIME DE CHARGE 0,3C 1,5C max RÉGIME DE DÉCHARGE 0,5C max 15 000 cycles CYCLAGE 3 650 cycles 15 ans LONGÉVITÉ 10 ans Aucune exigence REFROIDISSEMENT Refroidisseur liquide 100 % DÉCHARGE 70 % 97 % EFFICACITÉ (CYCLE COMPLET) 92 % Caractéristiques de la batterie NMC LFP
  • 51. Cyclage 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 110 % 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 STABILITÉ POUR UTILISATION QUOTIDIENNE SOUS DIVERSES TEMPÉRATURES AMBIANTES Nombre de cycles Rétention de la capacité de décharge DONNÉES DE CHARGE À 1C ET DÉCHARGE À 1C (CYCLE COMPLET DE CHARGE ET DÉCHARGE) 23 °C 60 % @ 15 000 cycles 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 110 % 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 Nombre de cycles Rétention de la capacité de décharge DONNÉES DE CHARGE À 1C ET DÉCHARGE À 1C (CYCLE COMPLET DE CHARGE ET DÉCHARGE) 45 °C 23 °C 60 °C 83 % @ 7 500 cycles 60 % @ 7 700 cycles 76 % @ 6 600 cycles
  • 52. Sûreté STRUCTURE CRISTALLINE ROBUSTE DE LA CATHODE LFP -2 0 2 4 6 8 150 200 225 265 290 340 Flux thermique [W/g] Température [°C] Li Fe P O LCO LFP EMBALLEMENT THERMIQUE AUCUN EMBALLEMENT THERMIQUE SURCHARGE/CHALEUR SURCHARGE/CHALEUR LCO COMPARÉ À LFP LFP – STABILITÉ THERMIQUE LFP LCO
  • 55. Sûreté Brûleurs allumés durant 1 h Brûleurs allumés durant 1 h 2 h 30 plus tard (brûleurs éteints après 1 h) Brûleurs allumés durant 1 h 30, toujours le même comportement. Système LFP NMC – Bloc d’alimentation http://www.nfpa.org/~/media/files/news-and-research/resources/research-foundation/research-foundation- reports/other-research-topics/rffirehazardassessmentlithiumionbattery.pdf?la=en
  • 56. LFP : essai à l’IREQ d’un système de 3,6 MWh
  • 57. 44 Recharge et décharge rapides LFP La batterie doit être rechargée le jour pendant que la source solaire produit un surplus d’énergie, en quelques heures seulement, surtout l’hiver. Votre batterie est-elle assez puissante pour faire fonctionner quotidiennement plusieurs appareils, ou en cas de panne? Vous avez besoin d’une capacité de décharge rapide. LES ACCUMULATEURS LFP DE SONY TOLÈRENT UN RYTHME RAPIDE DE CHARGE ET DE DÉCHARGE CLIMATISEUR 2 kW SÉCHOIR 1 kW ASPIRATEUR 1 kW LAVEUSE 1,5 kW RÉFRIGÉRATEUR 1 kW CHARGE DÉCHARGE 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Cycle Panneaux solaires Décharge Alimentation fournie par la batterie pendant la nuit Surplus d’énergie généré par les panneaux solaires disponible quelques heures seulement
  • 58. SPÉCIFICATIONS LFP CATHODE NMC Graphite ANODE Graphite Cylindrique TYPE Cylindrique 1,0C RÉGIME DE CHARGE 0,3C 1,5C max RÉGIME DE DÉCHARGE 0,5C max 15 000 cycles CYCLAGE 3 650 cycles 15 ans LONGÉVITÉ 10 ans Aucune exigence REFROIDISSEMENT Refroidisseur liquide 100 % DÉCHARGE 70 % 97 % EFFICACITÉ (CYCLE COMPLET) 92 % Caractéristiques de la batterie LFP NMC
  • 59. 46 Régime de décharge LFP TOUT VA BIEN LORSQU’IL Y A DU SOLEIL LFP NMC
  • 60. 47 Régime de décharge LFP MAIS LORSQUE LES NUAGES SE POINTENT... LFP NMC
  • 61. 48 Régime de décharge LFP LA PUISSANCE DEVIENT INSUFFISANTE NOUS ASSURONS !! X CLIMATISATION X CUISSON LFP NMC
  • 62. 49 Régime de charge LFP LE SURPLUS D’ÉNERGIE GÉNÉRÉ PAR LES PANNEAUX SOLAIRES PEUT ÊTRE STOCKÉ GRÂCE À UN RÉGIME DE CHARGE ÉLEVÉ NE PEUT SE RECHARGER COMPLÈTEMENT EN CAS DE SURPLUS D’ÉNERGIE À CAUSE D’UN RÉGIME DE CHARGE PLUS FAIBLE Charge = 14 kW/h max 3X PLUS VITE Charge = 4,2 kW/h max 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 CONSOMMATION ÉNERGIE SOLAIRE LE SURPLUS D’ÉNERGIE N’EST DISPONIBLE QUE QUELQUES HEURES PAR JOUR CES SEGMENTS SONT PERDUS LFP 19 19 NMC
  • 63. LFP :Utilisation de la batterie en îlot : hors réseau en Australie 330 kW PV* | 620 kWh STOCKAGE D’ÉNERGIE AU LITHIUM (SSE) | 4 × 100 kVA DIESEL SS E *PV : Panneaux solaires photovoltaïques
  • 64. Batterie LFP sûre utilisée en Inde : télécommunication Station de base (Inde) Génératrice diesel État en ligne
  • 65. 52 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir Réseau autonome Éolienne Charge de délestage Deman de Compteur CA LN(CA) Batterie à décharge poussée C C Disjoncteur triphasé CA Boîtier de commande CA/CC Onduleur
  • 66. 53 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir Réseau hybride Boîtier CC C C Éolienne Charge de délestage Chargeur solaire Disjoncteu r CC C C CC Chargeur éolien WS-120C Batterie à décharge poussée Arrivée CA Onduleur Deman de Compteur CA LN( CA)
  • 67. L’électrification des transports au Québec Centre d’excellence en électrification des transports et en stockage d’énergie d’LFP
  • 68. 55 LFP Le Québec est-il prêt à avoir un parc automobile uniquement électrique ? 50 % EV-PHEV
  • 69. 56 LFP | Réinventer l’énergie pour l’avenir Initiatives au Québec ‒ 50 % du parc d’automobile électrique du canada est au Québec ‒ Vidéotron ‒ Autobus Lion ‒ IVI…….etc. ‒ Circuit électrique ‒ Gouvernent du Québec ‒ LFP (R&D depuis 1967)
  • 70. 57 Hydro-Québec | Réinventer l’énergie pour l’avenir Parc automobile au Québec : 5 millions Au Québec, rouler à l’électricité, c’est possible et avantageux ! Un million d’autos électriques = environ 2 % de l’électricité consommée au Québec en 2015 Au Québec, un million d’autos électriques = diminution de 3,4 millions de tonnes de gaz à effet de serre (GES) par année. L’électricité permet déjà de déplacer 50 % des usagers des transports publics de la région de Montréal grâce au métro et au train de banlieue (ligne Deux-Montagnes).
  • 71. 58 Hydro-Québec | Réinventer l’énergie pour l’avenir Balance économique 5 MILLIONS VÉHICULES À ESSENCE -7,7 G$ BALANCE COMMERCIALE 2015 17,5 M GES TONNES PAR ANNÉE 5 MILLIONS VÉHICULES ÉLECTRIQUES -3,7 G$ BALANCE COMMERCIALE 2,6 M GES TONNES PAR ANNÉE 14 TWh VENTES D’ÉLECTRICIT É AU QUÉBEC 1,1 G$
  • 72. 59 Hydro-Québec | Réinventer l’énergie pour l’avenir 2017 1100 bornes 2020 2500 bornes
  • 73. 60 EV et reseau intelligent HQ Production HQ TransÉnergie HQ Distribution ARCHITECTURE DU RÉSEAU ÉLECTRIQUE CTM CED CCR CCR : Centre de contrôle du réseau CED : Centre d’exploitation de distribution CTM : Centre de transmission mobile
  • 74. Interface d’échange d’énergie véhicule-réseau (batterie sûre)  Les voitures électriques branchées sont une source d’énergie décentralisée. Les flèches indiquent le sens du flux d’énergie.
  • 75. V2G : un échange bidirectionnel Le véhicule peut recevoir de l’électricité du réseau, ou lui en fournir sur demande. Des batteries sûres et performantes pourraient avoir un effet bénéfique sur le réseau électrique.
  • 76. V2H : prochaine génération Producteurs Tampon, Secours Dans la borne Véhicule de série Chargeur bidirectionnel
  • 77. La mobilité est en train de changer. complètement. Source : An Integrated Perspective on the Future of Mobility, McKinsey & Company, Bloomberg New Energy Finance, October 2016 ‒ Le modèle tradionnel n’est pas soutenable. ‒ La population augmente. ‒ Il y a migration vers les centres urbains. ‒ Il y a des enjeux de circulation et de qualité de l’air. ‒ De nouveaux modèles se développent.
  • 79. La batterie : voiture électrique automne, la miniaturisation de l’auto.
  • 81. 68 68 Il s’agit d’une tendance lourde qui va bouleverser le monde du transport et… l’industrie minière. Pour preuve, tous les grands donneurs d’ordres ont adoptés des stratégies de transition vers les véhicules électriques
  • 82. 69
  • 83. 70 Marché : 2030 , par regions du monde
  • 84. … LFP met au point une application de première génération de batteries solides. Lithium-métal-polymère (LMP). Avestor se lance dans la production massive de batteries LMP. Le producteur de matériaux LFP Johnson Matthey finance l’usine de Nemaska Lithium et établit des relations avec des fournisseurs. HQ et le CNRS entreprennent la mise au point de la batterie LMP. HQ et Kerr McGee Chemical créent la première usine de batteries LMP d’Avestor World. JANVIER : Nouveau Monde Graphite mène un projet pilote d'une ligne de micronisation et de sphéronisation pour les matériaux actifs pour anodes sous licence d’HQ. LFP obtient les droits du brevet de John Goodenough pour les électrolytes à l’état solide. Phostech Lithium est fondée. Johnson Matthey acquiert Phostech Lithium. Bolloré/Solutions Bleues investit 120 M$ dans l’exploitation de l’usine de batteries LMP. 1979 2007 2020 2002 1990 2001 2004 2015 2016 2018 Grappe industrielle des batteries au Québec 71 JUIN : Solutions Bleues signe une entente d’approvisionnement de trois ans en batteries LMP avec Daimler pour l'autobus électrique eCitaro. 1996 : HQ obtient de John Goodenough les droits de brevet pour la batterie LFP. Esstalion
  • 85. 72 À proximité immédiate des principaux marchés nord-américains des véhicules électriques 15 GWh* 3 GWh 3 GWh 35 GWh 30 GWh* 20 GWh* < 1 GWh < 1 GWh < 1 GWh Montréal Usine de blocs-batteries Échanges commerciaux libres de droits de douane1 avec des fabricants de batteries et des équipementiers, qui protègent des perturbations des chaînes d’approvisionnement et qui atténuent les risques géopolitiques :  Accès aux États-Unis dans le cadre de l’ACEUM (ALENA 2.0)  Accès à l’Asie-Pacifique régi par le PTPGP  Accès à l’Union européenne par la voie de l’AECG  Accès à la Corée du Sud permis par l’ALECC Proximité du corridor automobile et liaisons ferroviaires avec cette région; ~65 % de la capacité de fabrication de cellules en Amérique du Nord Nombreux ports en eau profonde et le trajet le plus court entre l’Europe et l’Amérique du Nord Contexte politique stable centré sur le soutien à la transition énergétique et à ses acteurs Territoire favorable aux investisseurs étrangers et faisant partie d’un pays membre de l’OCDE ayant des cotes de crédit élevées :  Canada : Aaa (Moody’s), AAA (S&P)  Québec : Aa2 (Moody’s), AA- (S&P)      Grappe industrielle nord-américaine des batteries
  • 86. K. Zaghib et al, Sustainability 2020, 12, 5837 73 Completing its supply chain to produce a low- carbon footprint battery Québec’s roadmap for a circular economy La filière batterie du Québec
  • 87. … Grappe industrielle des batteries au Québec Matières premières Précurseurs Cellule Assemblage Recyclage Intégration des véhicules Matières actives Aluminium North American Lithium/CATL Nemaska Lithium Sayona Mining Galaxy Resources Critical Elements Lithium Corp Lithium Graphite Nickel et cobalt Mason Graphite Nouveau Monde Graphite Focus Graphite Waterton Global Resource Canadian Royalties Glencore, Vale (Ontario, Terre-Neuve- et-Labrador) Manganèse Manganese X Energy (Nouveau- Brunswick) Johnson Matthey Nemaska Lithium Raymor Neometals Ltd/Alphamet Recyclage Lithion/Seneca Solumet Québec Aluminium Cuivre Glencore Silicone Silicium Québec Lithium Nemaska Lithium Graphite Mason Graphite Nouveau Monde Graphite Manganèse Manganese x Energy (Nouveau-Brunswick) Bolloré/Solutions Bleues Batteries Mustang Technologies Ingeniarts (UgoWork) Divers acteurs locaux du secteur du transport (camions, autobus, scooters, motoneiges, etc.)
  • 88. Réseau de R-D et main-d’œuvre 75 Accès à un carrefour de l’innovation doté de technologies brevetées éprouvées, à un écosystème de R-D et à des établissements d’enseignement de calibre international Universités et centres de formation LibTech Centres et consortiums de recherche Plus de 40 acteurs importants Plus de 1 000 employés en R-D Nombre de diplômés – universités au Québec (chimie, génie chimique., électrotechnique, génie mécanique, génie des matériaux/physique) Doctorats Maîtrises Diplômes de premier cycle Total 341 811 1 979 3 131 L’écosystème des activités de R-D sur les batteries du Québec
  • 89.
  • 90. Les batteries au lithium-ion se retrouvent dans des secteurs en forte croissance, les véhicules accaparant la plus grande part. Téléphone Ordinateur Espace Voiture utilitaire Voiture électrique Médecine Appareils numériques
  • 91. Tesla 2030, le Marché du stockage sera XYZ TWh On parle de Terafactory
  • 92. Les principales ressources minérales du sous-sol Le Québec et le Canada possèdent quelques-uns des plus importants gisements inexploités à l’échelle mondiale et, entre autres, le plus grand gisement de lithium du monde (Nemaska). Ils sont respectivement les cinquième et huitième producteurs de nickel et de cobalt en importance dans le monde. D’importants déficits en matières premières sont prévus à compter de 2023; cependant, la participation d’IQ à des opérations et à des projets importants offre la possibilité de garantir la fiabilité de l’offre. La production de cobalt hors de la RDC présente l’occasion de mettre en valeur des sources d’énergie éthiques qui peuvent être intégrées dans la chaîne d’approvisionnement. Les coûts de transport moindres sont attribuables à l’offre de ressources minières dans la région même. Le Québec est le quatrième producteur primaire d’aluminium en importance. En collaboration avec des chefs de file du marché, le gouvernement du Québec procède à la mise au point d’un procédé révolutionnaire qui éliminera tous les gaz à effet de serre directement liés à la production d’aluminium. Sources : S&P Market Intelligence, étude de marché du Gouvernement du Québec. 1. Premier affinage du cobalt 2. Usine de cathodes Johnson Matthey 3. Usine expérimentale de recyclage du lithium 4. Usine de transformation du graphite d’Imerys Réserves et ressources primaires (en tonnes) Mise en valeur Production moins de 100 000 plus de 1 000 000 entre 100 000 et 1 000 000 Inconnu Installations non minières Ni Nickel Li Lithium Co Cobalt V Vanadium Mn Manganèse C Carbone 4 1 3 2 Nemaska Nouveau Monde VERSION PROVISOIRE Installations non minières
  • 93. 80 Discussion Q&R Troisième enjeu: une chaîne d’approvisionnement éloignée
  • 94. Mine urbaine Préparation du lisier Mélange et pétrissage Pour produire une tonne de Lithium
  • 95. Procédés de recyclage 82  Pyrométallurgie: fusion de batteries usées  Hydrométallurgie: dissolution complète ou sélective des batteries usées  Recyclage Direct: Récupérer et restaurer les matériaux Pyrometallurgie Hydrometallurgie Recyclage direct Modes de recyclage 1 Ref. Zaghib et al et al (2020)
  • 96. Recyclage - Hydrometallurgie 83 1 Ref. Zaghib et al , Materials (2020) Des éléments précieux se retrouvent dans la solution de lixiviation. Aucune perte de lithium  Pour LFP: réaction d'oxydation.  Pour les paliers Ni, Mn ou Co: réaction de réduction Source: PHET H2SO4 H2O2 Residue (C; Plastic) Solution (Co, Ni, Mn, Cu, Li, Al, Fe, P)
  • 97. Une fenêtre d’opportunité courte  Le Québec doit se positionner maintenant pour profiter de cette importante opportunité.  Beaucoup de pays, dont les États-Unis, tentent présentement d’attirer des acteurs mondiaux chez eux.  Plusieurs grands projets annoncés récemment aux États-Unis  L’implantation d’un ou deux acteurs stratégiques au Québec permettrait de développer rapidement cette industrie.
  • 98. Merci de votre attention 85
  • 99. Stockage d’énergie électrique pour les bâtiments au sein de réseaux intelligents Benoit ROBYNS 28 janvier 2021 Stockage, Bâtiments, Smart Grids
  • 100. 2 Enjeux: - Réduire les émissions de CO2 - Epuisement des ressources fossiles Développement - des énergies renouvelables, - du stockage de l’énergie électrique, - d’une meilleure maîtrise de la consommation des charges tout en améliorant leur efficacité. → Tous les secteurs sont concernés : les bâtiments industriels, tertiaires et domestiques, les systèmes de transport, les réseaux embarqués,… → Les bâtiments représentent 45 % de l’énergie consommée en France. → Les villes regroupent les trois quart de la population et l’urbanisation est croissante. → En France, les transports représentent un des plus importants émetteur de CO2. Contexte
  • 101. 3 - Intégration des EnR dans les réseaux électriques et accroissement de l’efficacité énergétique dans un marché de l’électricité libéralisé - Stockage d’énergie dans les bâtiments - historique - Smart buildings, smart grids, micro grids,… - Le stockage dans les réseaux électriques - Apport du stockage électrique dans les bâtiments: exemples de développement - Bâtiment commercial - Mutualisation énergétique - Vehicle-to-Home & Vehicle-to-Building - Vehicle-to-Grid - Démonstrateur Smart Grids et Smart Building de l’Université Catholique de Lille – Etude d’une communauté locale énergétique citoyenne Plan
  • 102. 4 Intégration des EnR dans les réseaux Problèmes induits par l’intégration des EnR dans les réseaux électriques: • Prévisibilité et variabilité de la production • Production souvent décentralisée • Capacité d’accueil du réseaux électriques • Participation aux services système • Sensibilité aux perturbations du réseaux 0 2 4 6 8 1 0 -200 0 20 0 40 0 60 0 80 0 1000 1200 1400 1600 P uissa nce éléctriqu e (kW ) tem ps (heure) → Limitation du taux de pénétration des EnR Eolien Solaire Hydraulique
  • 103. 5 Intégration EnR et ↑ efficacité énergétique Solutions pour augmenter le taux de pénétration des EnR et accroître l’efficacité énergétique dans un marché libéralisé: • Actions au niveau des Sources (pilotage, stockage…) • Actions au niveau des Réseaux (smart grids, stockage…) • Actions au niveau des Consommateurs (smart grids, stockage…) Profils types de consommateurs tertiaires Profils types de consommateurs domestiques hors chauffage électrique
  • 104. 6 Stockage d’énergie dans les bâtiments efficacité énergétique Les bâtiments alimentés directement par le réseau n’ont a priori pas de besoin de stockage d’énergie électrique, sauf certains bâtiments sensibles équipés d’alimentations de secours afin d’assurer: • la sécurité de bâtiments accueillant du public, • des besoins sanitaires dans les hôpitaux, • des enjeux économiques liés au maintien de l’activité dans certaines entreprises. Stockage d’énergie thermique dans des ballons d’eau chaude afin de limiter les pointes électriques du matin et du soir (mis en œuvre en France depuis les années 70). Influence de l’appel de puissance des chauffe-eau électriques sur le profil de puissance (normalisé) à l’échelle de la France métropolitaine.
  • 105. 7 Smart buildings Autoproduction : C/B Autoconsommation : C/A Flexi-consommateur Agrégateur de production, de charges, de services,… Compteur communicant
  • 106. 8 Smart grids, micro grids,… Smart grids Pilotage mutualisé de sources , charges et réseaux d’énergie Micro grids Smart grids à petite échelle pouvant être raccordé à un grand réseau ou non. Emergence de Communautés d’Energie Renouvelable.
  • 107. 9 Le stockage dans les réseaux électriques Deux voies de développement du stockage dans les réseaux électriques peuvent être distinguées : - adossées aux grandes unités de productions intermittentes (ex : stockage hydraulique associé à de l’éolien connecté sur le réseau de transport), - diffuses, c'est-à-dire réparties dans le réseau de distribution par exemple. 9 Pour rendre le stockage rentable, une approche consiste à mutualiser les services que peut apporter un système de stockage auprès de différents acteurs (gestionnaires, producteurs, consommateurs,…).
  • 108. 10 Bâtiment commercial Gestion Intelligente des Sources d’Energie électrique intégrant du Photovoltaïque, des charges de bâtiments commerciaux et des procédés de stockage d’énergie (GISEP) Objectif principal : Développer une gestion de diverses sources, charges et systèmes de stockage d’un bâtiment commercial afin - d’accroître l’efficacité énergétique du site, - la fiabilité de son approvisionnement énergétique, - et d’assurer une valorisation financière à terme des sources disponibles.
  • 109. 11 Bâtiment commercial CONFIGURATION DU RÉSEAU - Capacité du système de stockage 1700 kWh; - Puissance maximum de charge et de décharge 400 kW. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 200 400 600 800 1000 1200 Puissance (kW) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 200 400 600 800 1000 1200 Puissance (kW) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 100 Temps (Jour) Niveau du stockage (%) Puissance fournie par reseau Puissance souscrite Production panneau solaire Consommation du magasin hypermarché d’une surface de vente de 13 000 m2 Puissance Crête : 1,16 MWc Pointe pouvant atteindre 1500 kW
  • 110. 12 Bâtiment commercial  Objectifs : . Diminuer la facture d’électricité . Diminuer les émissions de CO2 . Assurer l’autoconsommation de toute la production d’électricité solaire . Assurer la bonne gestion des capacités de stockage afin d’éviter sa saturation  Contraintes : . La puissance souscrite . Les limites de capacité des systèmes de stockage (Durée de vie) . Production solaire aléatoire  Moyens d’actions . Consigne de puissance du système de stockage pour soutirer ou fournir de la puissance MÉTHODE 1 2 1 Phase de descente en température Consommation > 0 2 Phase de montée en température Consommation = 0 Stockage de froid Stockage par Batterie li-ion
  • 111. 13 Bâtiment commercial Abonnement fonction de P souscrite (€) Consommation sur une semaine (€) Emission CO2 pour une semaine (T) Sans stockage, ni PV 79 344 8 782 11,604 Avec stockage 65 856 (-17 %) 8 407 (-4.27 %) 11,499 (-0,9 %) Avec stockage et PV 56 533 (-28,75 %) 6 096 (-30,58 %) 8,541 (-26,40 %) INDICATEURS FINANCIERS & ENVIRONNEMENTAUX 1 2 3 4 5 6 7 1 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Time (Day) CO2 Emission (T) CO 2 emission without PV and storage CO2 emission with PV and storage Emission de CO2 sur une année (T) Sans stockage et sans PV 260 Avec stockage et PV 123.8 Difference -136.2 (-52.38%)
  • 112. 14 0 200 400 600 800 1000 1200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temps (s) Puissances (kW) Mutualisation énergétique Gestion et Echanges de Services Energetiques Decentralises Multi - Acteurs PGC : puissance Galerie Commerciale PSSE : puissance Système de Stockage Electrique PGDs : puissance Groupe Diesel 0 200 400 600 800 1000 1200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Temps (s) Puissances (kW) 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Temps (s) Puissances (kW) 0 200 400 600 800 1000 1200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temps (s) Puissances (kW) 0 200 400 600 800 1000 1200 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Temps (s) Puissances (kW)
  • 113. 15 STOCKAGE V2H et V2B Concept V2H développé par Nissan et mis en œuvre au Japon Six Nissan Leafs alimentant un bâtiment tertiaire au Japon suivant le concept V2B Vehicle to Home ou V2H le véhicule alimente un habitat résidentiel généralement isolé d’un réseau électrique Vehicle to Building ou V2B le véhicule alimente un immeuble résidentiel ou un bâtiment tertiaire. Il s’agit alors plusieurs véhicules sur un parking.
  • 114. 16 W2V PV2V V2Grid Train2V Breaking Energy V2Building Parking lot STOCKAGE V2G Pour la gare par exemple, potentiel gain sur la puissance souscrite. Vehicle to Grid ou V2G, le véhicule alimente le réseau électrique via une borne de recharge sur la voie publique ou sur des parkings (par exemple de gares, de centre commerciaux, etc.). Consommation d’électricité en France en 2012: 489,5 TWh Consommation annuelle estimée de 2 millions de VE: 4,8 TWh
  • 115. DÉMONSTRATEUR Smart Building Stockage xStorage Building DÉMONSTRATEUR SocioTechnique DÉMONSTRATEUR Mobilité 11 points de charge DÉMONSTRATEUR Mobilité 9 points de charge DÉMONSTRATEUR Autoconsommation Mobilité électrique 4 points de charge Stockage Centre de pilotage énergie DÉMONSTRATEUR Mobilité 2 points de charge Développement de démonstrateurs Smart Buildings et Smart Grids intégrant du stockage dans le quartier Vauban à Lille sur le campus de l’Université Catholique. Chacun pourra participer activement au système énergétique ! LIVE TREE : Lille Vauban-Esquermes en Transition Energétique, Ecologique et Economique
  • 116. LIVE TREE : Lille Vauban-Esquermes en Transition Energétique, Ecologique et Economique Eaton Xstorage Building : 203 kWh 40 kW en charge 80 W en décharge Eaton Xstorage Home : 6 KWh 6 KW en charge et en décharge Stockage TESLA : 420 KWh 100 kW
  • 117. LIVE TREE : Lille Vauban-Esquermes en Transition Energétique, Ecologique et Economique Poste HTA 15 kV TGBT HEI Bâtiment H TGBT Hôtel Académique TGBT 41 rue du port TGBT HEI 13RT et 1,3RNS Production photovoltaïque P P P P P Puissance crête : 189 kWc Production annuelle : 142MWh/an Puissance crête : 28,8 kWc Production annuelle : 23MWh/an Stockage 203 kWh 40/80 kW Démonstrateur smart grids îlot historique. Vers une Communauté d’Energie Renouvelable locale…
  • 118. Optimisation de l’autoconsommation dans une communauté locale énergétique citoyenne. Développement d’un modèle d’échange énergétique technico-économique au moyen d’une approche combinant la théorie des jeux et une blockchain (distribuée, sécurisée et décentralisée), pour maximiser l’autoconsommation au sein de la communauté: - Les acteurs s’échangent l’énergie sans intermédiaires (marché décentralisé). - Automatisation des échanges en fonction de la production PV et de la consommation (smart contracts). - Prise en compte d’acteurs très différenciés : consommateurs permanents, consommateurs de passage (VE), consommateur/ producteur, producteur, stockeur, gestionnaire du réseau public de distribution,…
  • 119. Optimisation de l’autoconsommation dans une communauté locale énergétique citoyenne. Exemple de valorisation du stockage au sein d’une communauté énergétique. Hypothèses de prix de l’électricité : → venant du réseau public : en été 11,15 c€/kWh en h pleine, 6,05 c€/kWh en h creuse en hiver 18,04 c€/kWh en h pleine, 12,26 c€/kWh en h creuse → photovoltaïque produit localement : 10 c€/kWh (durée de vie de 25 ans) → venant du stockage : max(prix_PV, prix_Réseau) + 21,9 c€/kWh (durée de vie de 10 ans) Le stockage est mieux valorisé lorsque la gestion est distribuée. Evolution du niveau de charge du stockage pour des gestions distribuée et centralisée favorisant l’autoconsommation.
  • 120. Optimisation de l’autoconsommation dans une communauté locale énergétique citoyenne. Comparaison de la consommation énergétique du système blockchain et d’une solution centralisée. Blockchain privée utilisée pour la mise en œuvre du processus d’échange, sans agent central  Estimation de la consommation énergétique par rapport à une solution centralisée : - Consommation un peu plus forte pour un nombre réduit d’acteurs (moins d’un douzaine) - Pour un grand nombre d’acteurs, la blockchain privée pourrait être moins coûteuse en énergie M.Stephant, D.Abbes, K.Hassam-Ouari, A.Labrunie, B.Robyns, Distributed optimization of energy profiles to improve photovoltaic self- consumption on a local energy community, Simulation Modelling Practice and Theory, vol.108, 2021. M.Stephant, D.Abbes, K.Hassam-Ouari, A.Labrunie, B.Robyns, Increasing photovoltaic self-consumption with game theory and blockchain, EAI Endorsed Transactions on Energy Web, 2020.
  • 121. 23 Livres Stockage d’énergie électrique pour les bâtiments au sein de réseaux intelligents ISTE, 2019, ISBN 978-1-78405-632-2 Electrical Energy Storage for Buildings in Smart Grids ISTE-Wiley, 2019, ISBN: 978-1-84821-612-9
  • 122. J.-F. Affolter, janvier 2021 Stockages en Suisse ; développements et perspectives
  • 123. Stockages Développements et perspectives (CH) • Qui sommes-nous ? • Brève présentation HES-SO, HEIG-VD, IESE • Stockages @IESE • Stockages; actuels et besoins futurs • Perspectives des productions CH • Solutions actuelles • Développements de stockages en Suisse • Perspectives long-terme • Basées H2 (ou pas ?) www.hes-so.ch https://heig-vd.ch/ http://iese.heig-vd.ch 2
  • 124. Département des Technologies Industrielles Institut d’Energie et Systèmes Electriques • 7 Professeurs + 15 ingénieurs Ra+D 3 Axe 4: Simulation of Electromagnetic Systems Axe 3: Power Electronics and Static Energy Conversion Axe 2: Electrical Machines and Drives Axe 1: Production / Transmission / Distribution and Use of Electrical Energy (Renewable energy, Sustainable developments, Smartgrids) Axe 5: Mechatronics and Electromechanical Systems
  • 125. HEIG-VD IESE; quelques exemples de stockages (mobilité) • PlanetSolar: 1er tour du monde à l’énergie solaire PV (2008-12) • Capacités batteries : 1'200 kWh; 13 tonnes de batterie Lithium Ion (technologie HDW Gaya) • Bateaux Hydroxy: Plateformes de test “conditions réelles” • Hydroxy3000 (2003): • Piles à combustibles H2/air, H2/O2 (1kg H2 permet 15h de navigation) • Pile Aluminium-Air (technologie Phynergy) https://www.planetsolar.swiss/ http://iese.heig-vd.ch/projets/hydroxy-3000 http://www.lemanbleu.ch/fr/News/Des-bateaux-a-hydrogene-sur-le-Leman.html 4
  • 126. Exemple Hydroxy3000 Comparaison de deux systèmes A) Système Pile à combustible (H2/air) • 1 kg H2 = bouteille 32 kg • Pile + électronique = 60 kg • Système complet 100 kg • Autonomie 15h • H2 fabriqué sur PV, localement • Rendement global env. 30-35% B) Système pile Aluminium/air • 17 kg Aluminium • Système complet = 70 kg • Autonomie 60h • Pas de possibilité de fabr. Alu locale • Rendement global env. 30-35% Phynergy HEIG-VD 5 https://phinergy.com/
  • 127. HEIG-VD IESE; quelques exemples de stockages (stationnaire) • Projet PIPA/IRGIS: Groupe de secours mobile H2 (2020) • 15 kg H2 et piles à combustibles modulaires 2*10 kW (technologie SwissHydrogen) • Environ 20 heures d’autonomie • Plateforme ReIne (réseaux intelligents) • Batterie 63 kWh / 100 kW (Leclanché, Li-titanate) • Batteries domestiques • Carport solaire, bornes VEL 6
  • 128. Stockages CH; besoins Pénétration PV, Ouest Suisse, étude PENELER, 2015 Etude du réseau CH à l’horizon 2050, avec 20% de l’énergie produite en photovoltaïque Variations de production PV sur Lausanne, un jour d’été avec une grande alternance nuage – soleil (simulation par minute, basé sur mesures d’ensoleillement) 6h 75 MW 7
  • 129. Stockages CH Actuels: pompage-turbinage 8 Source: https://www.letemps.ch/suisse/crise-barrages-suisses-sinfligent-une-cure-dausterite https://youtu.be/e-LBLu8lNIc https://youtu.be/2Da-aSVlTmk http://www.fmhl.ch/Video02.asp?m=620 Pour les centrales de pompage-turbinage, la Suisse occupe le 6e rang européen avec 5,9 % du total européen ; plus de 2 000 MW supplémentaires sont en construction ou en projet Potentiel actuel de stockage environ 10% de l’électricité produite en CH; en puissance environ ¼ de la Ppointe 1000 MW 40->34 GWh 900 MW 480 MW 8
  • 130. Stockages Remarque sur le stockage gravitaire Source NREL • Quelle quantité d’énergie stocke 1 kg d’eau à 360 m de dénivelé ? (rendements négligés) • E = m*g*H • E = 1*9,81*360/3,6E3 ~ 1 Wh/kg 9
  • 131. Stockages CH Futur et Ra+D Dénommé «Station de transfert d’énergie par pompage-turbinage à petite échelle (Steppe)», de petites unités de pompage- turbinage (1-10 MW; 2 à 6h) pourraient offrir du stockage régional à un coût intermédiaire entre Pompage- turbinage et batteries https://www.bulletin.ch/fr/news-detail/un-stockage-local-et-competitif-de-lenergie.html 10
  • 132. Stockages CH Ra+D: Prototype, stockage gravitaire https://energyvault.ch/ Typique: 35 tonnes à 60m avec mgh= 21 MWh ; rendement annoncé entre 80 et 90% Du site (citations) : The system is modular and flexible with each plant having a capacity of between 10 and 35MWh and a power output of between 2 and 5MW Pricing The Energy Vault storage solution will operate at less than 50% of the cost/kWh of current competitor storage solutions The lowest-cost bulk energy storage system available on the market 11
  • 133. Stockages CH Ra+D: prototype, stockage air comprimé • L’air, comprimé à environ 30 bar cède sa température (env.550°C; stockage ~adiabatique) à un lit de cailloux, lequel rend cette température à la sortie, pour l’alimentation de la turbine • Rendement annoncé 72% • Coût annoncé 20 à 30% inférieur au pompage-turbinage • Proto: volume suffisant pour alimenter Lugano (63’000.hab) pendant 12 à 24h https://www.swissinfo.ch/fre/energie-dans-la-montagne_une-maxi-batterie-remplie-d-air/42300112 Photo K. Hofer/ NZZ http://www.airlightenergy.com ALACAES 12
  • 134. Stockages CH Un peu d’histoire avant le future: Gyrobus: en exploitation à Yverdon dans les années 1950… Entreprise http://www.djeva.com/fr/ ; électrolyse et stockage H2 13
  • 135. Stockages CH Futur et perspectives (stockages “long termes”) Possibilités qui s’offrent: Plus de solaire (et autres ER) • PV • Thermique • Stockage dans le sol, eau Gestion de la demande Hydrogène (+basé sur) • Mobilité • % dans gazoducs • Power to Gaz • Carburants synthétiques Figure: Système électrique Suisse modifié (sans agents fossiles) Source: “Impacts of an Increased Substitution of Fossil Energy Carriers with Electricity-Based Technologies on the Swiss Electricity System” by M. Rüdisüli & Al, EMPA, 2019 14
  • 136. Stockages (pas seulement CH !) Futur et perspectives Electricité Renouvelable Capture du CO2 Stockages électriques Applications électriques Hydrogène Stock. H2 Applic. H2 Biomasse Methane Stock. Methane Applic. Gaz Liquides synthétiques Méthanol Ethanol Octane Dimethylether Stock. Liquides Applic. ad hoc Rendements Coûts 15 Récupération chaleur
  • 137. Stockages électriques “long termes” Synthèse et conclusions Un certain nombre de solutions pour le stockage d’électricité à « long terme » s’offrent… Elles se distinguent par : • Les rendements énergétiques (globaux) • Les coûts (puissance de pointe ?) • L’« énergie grise » (émissions CO2/GES, matériaux spécifiques etc.) • La complexité de la chaîne d’élaboration • La facilité –ou non- de stockage • La conservation –ou la déplétion du stock • Les quantités gérables • Le moyen de reconversion en électricité (récupération des pertes ?) Si les principes sont déjà théoriquement bien abordés, on peut déplorer un manque de démonstrateurs et une difficulté à établir clairement les coûts des différentes possibilités 16
  • 138. Annexes Références et lectures additionnelles Etude EMPA: https://www.mdpi.com/1996-1073/12/12/2399/htm Scénario Nordmann: http://rogernordmann.ch/pdf-des-presentation-plan- marshall-ps-solaire-pour-le-climat-aout-nov-2019/ Carburants synthétiques liquides: Empa - Communication - EQ69 Nachhaltige Treibstoffe Réseau Suisse des techniques de l’Hydrogène: https://hydropole.ch/fr/ Petits pompages-turbinages: https://www.bulletin.ch/fr/news-detail/un- stockage-local-et-competitif-de-lenergie.html Cours JF Affolter et travaux de recherches IESE : http://iese.heig-vd.ch/ Autres références: indiquées dans les transparents ou sources publiques 17
  • 139. Hydrogène CH Techniques H2 actuelles (-> mobilité) 18