Le stockage d'énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes

AQPER – Colloque 2017 1
Le stockage d’énergie, un incontournable au plein
déploiement des énergies renouvelables intermittentes

AQPER - Colloque 2017 2
Agenda
 Pourquoi « stocker » l’énergie?
 Comparaison des principales technologies
Les volants inertiels
 Marchés et applications

Pourquoi « stocker » l’énergie?

Source: IEA PVPS, Trends 2015 in Photovoltaic Applications, IEA Source: historical data from GWEC, and from WWEA
Source: Solar Power Europe; Global Wind Energy Council (GWEC) 2016

Que se passe t-il quand …

Variabilité de la production éolienne annuelle et journalière en Irlande
Source: World Energy Council 2017

Balance Production / Consommation

Réservoirs
hydroélectriques
Batteries
Super Condensateurs Volants Inertiels
Comparaison des principales technologies

Le stockage d’énergie existe depuis longtemps
Barrage Romain de Cornalvo, Espagne
Potier devant sa tour
Antiquité Grecque (Musée Historique de Berlin)

• Moyen le plus ancien et le moins cher de conserver l'énergie.
• Création de réservoirs d'énergie à grande échelle avec de l'eau, libérés
sur demande.
• Possibilité de pompage également. Pompage-turbinage.
Réservoir hydroélectrique

• Usage très répandu. Véhicule électrique, montres, téléphone cellulaire...
• Flexibilité de dimensionnement
• Temps de réaction rapide
Batterie électrochimique

Les batteries d’état solide
Électrodes et électrolytes solides
Quelques exemples: plomb-acide, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, lithium-ion

Les batteries redox-flow (batteries à flux)
Énergie stockée directement dans la solution d’électrolyte
Plus longue durée de vie et temps de réponse rapide
Décorrélation énergie / puissance

• Forte densité de puissance (plusieurs kW/kg)
• Temps de décharge rapide (plus rapide qu’1 batterie)
• Utilisation: stockage d’énergie embarqué pour récupérer l'énergie du
freinage d’un véhicule (voiture, locomotive…)
Super condensateur

• Stockage par chaleur sensible
• Stockage par changement de phase
Stockage thermique

• Technologie difficilement exportable partout
• Efficacité énergétique faible
Stockage d’énergie par air comprimé (CAES)

• Réversibilité du système: électrolyse (charger les réservoirs);
pile à combustible (décharger les réservoirs);
• Dimensionnement simple du système
Stockage grâce à l’hydrogène
Électrolyse
Électricité + H2O -> H2 + O2
Pile à combustible
O2 + H2 -> Électricité + H2O

Les volants inertiels
Ek = K ⋅ mass ⋅ radius2 ⋅ RPM2

1. Caisson de confinement
2. Volant
3. Moteur-générateur
4. Palier
5. Transformateur
6. Pompe à vide
7. Courant entrant
8. Courant sortant
Volant sous vide (sans sustentation magnétique)
Volant à sustentation magnétique

Volant traditionnel cylindrique
à lévitation active (15 000 tpm)
Volant elliptique
à lévitation active (32 000 tpm)

Beacon Power:
25kWh/100kW
Temporal:
50kWh/500kW
Amber Kinetics:
320kWh/80kW
NASA G2: 525Wh/1kW
Hazle Township, Pennsylvanie – 20MW / 15min décharge
Vycon: 1.67kWh/300kW

Efficacité exceptionnelle: 97%
• Lévitation par sustentation magnétique passive
• Rotor à haute densité d'énergie (>50 Wh par kg),
développé conjointement avec Airbus Industrie
(partage de brevet)
• Conception exclusive d'un moteur-générateur
électrique à haut rendement
• Architecture hautement intégrée (efficacité de
fabrication)
• Pas de refroidissement auxiliaire
Innovations clés
Levisys:
13.5 kWh / 10 kW

• Énergie: 13.5 kWh max
• Puissance: 10 kW ou 40 kW
• Poids: 350kg
• Vitesse rotation: 14 000 tpm
• Temps de réponse (charge/décharge) : < 40 ms
• Durée de vie: 500 000 cycles
• Autodécharge : > 3 semaines
• Taille: 1350x1450 mm
• Voltage : 650 V DC, 400 V AC
• Faible sensibilité à la température ambiante
Spécifications techniques
1: Entrée AC
2: Bus DC
3: Fréquence et Tension variables
4: Sortie AC
97% efficacité
Onduleur Onduleur

Stockage courte durée
Stockage moyenne durée
Stockage longue durée
PuissanceÉnergie

•Super condensateurs
•Volants
Secondes / minutes
Stockage courte durée
Ratio E/P = 0.25h
•Batteries
•Pompage-turbinage
•Réservoir hydroélectrique
•Air comprimé
Jour
Stockage moyenne durée
Ratio E/P = 1 - 10h
•Réservoir hydroélectrique
•Stockage thermique
Semaines - Mois
Stockage longue durée
Ratio E/P = 50 - 500h
Duréeetfréquencedel'alimentation
• Services réseau (régulation de fréquence, réserve
primaire/secondaire)
• Réseaux isolés ayant une forte part de renouvelables
• Contrôle de fréquence
• Réduction de demande de charge
• Écrêtage des pics de consommation, déplacement de
charge pour combler heures de pointe
• Correction des erreurs de prévisions de la production
des renouvelables
• Prévention du déploiement de centrales thermiques
pour les pics de consommation
• Opportunités sur les variations des prix du spot market
(achat/vente électricité)
• Futures applications pour palier aux périodes de faible
génération éolien et photovoltaïque
• Stockage saisonnier pour énergie thermale

Marchés et Applications
Source: U.S. Department of Energy. 2013. Grid Energy Storage.
Marché Chinois en 2012

Déploiement du stockage: résidentiel, commercial
& industriel, réseau électrique, génération
Stockage devant le compteur
Stockage derrière le
compteur

Source: GTM Research/ESA
x 4 réseau et services auxiliaires
x 40 résidentiel et commercial

Applications de stockage d'énergie et valeur correspondante pour diverses durées de décharge
Source: Sandia National Laboratories, Fév. 2010
Source: GTM Research

Couts d’investissement
Capacité de stockage
COUT EN CAPITAL
Couts opérationnels
Couts de maintenance
COUT TOTAL DE
POSSESSION
Couts de remplacement
Couts de charge
COUT ACTUALISÉ
Scenario #1
Scenario #2
Scenario #3
Hypothèses basées sur le scenario
• #cycles
• Prix spécifique d’électricité
• MW/MWh
COUT ACTUALISÉ
ADAPTÉ AU SCENARIO

Source: Energy Storage Association
Volants
Li-ion
Acide-plomb
NaS Flow
1
10
100
1,000
10,000
0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000
Coutdel’énergie($/kWh)
Cout de la puissance($/kW)
Cout en capital
-
200
400
600
800
1,000
Volants Li-ion
Frequency Regulation - Grid scale
COUT ACTUALISÉ DE STOCKAGE
($/MWH)
5 ans 10 ans 15 ans 20 ans
Project Lifetime:
$/MWh
12 cycles / jour
10 MW / 2.5 MWh
Volant: 500 000 cycles
Li-ion: 15 000 cycles
0
1,000
2,000
3,000
3 6 9 12 24 48 72
$/MWh
# cycles
LCOS Volants / Li-ion (10 ans)
Variation du # cycles
Li-ion Volants

Lissage des pics de consommation

Marché de gros de l’électricité
3 types de marches de gros:
• Marché de capacité = Vous êtes payé pour ce que vous êtes en mesure de produire
• Marché d’énergie seulement = Vous êtes payé pour ce que vous produisez
• Marché des services auxiliaires = Contrôle de fréquence (réserve primaire / secondaire / tertiaire),
puissance réactive pour la régulation de la tension, les capacités de redémarrage (black start)
FERC = U.S. Federal Energy Regulatory Commission

20 octobre 2011
FERC Order 755:
“Pay-for-Performance”
Capacity payment
+
Performance payment

PJM: 1er marché en terme de stockage installé pour
la régulation de fréquence
• 1er operateur à appliquer la directive 755
• Créé un 2nd signal plus rapide, spécifiquement
adapté pour le stockage
• Autorise les participants >= 100kW
Initiatives au niveau des états
Mandat obligeant les utilités à installer une certaine capacité de stockage
• Californie: 1.3GW d’ici 2020 pour les 3 utilités PG&E, SG&E, SCE
• Massachusetts: 600MW recommandés par la commission MassCEC; l’état doit
approuver d’ici juillet 2017
• Oregon: Portland Gas & Electric et PacifiCorp doivent avoir >= 5 MWh stockage
d’ici 2020
• Ville de New York: 100 MWh d’ici 2020

Réseaux isolés
Iles et réseaux isolés, avec une forte intégration des énergies renouvelables
 marché adapté pour le stockage court et moyen
• Prix de l’électricité très élevé et peu de ressources (ex: gaz)
• Limite d’intégration des renouvelables vite atteinte (faible inertie)
Stockage de courte durée (ex: volants)
• Régulation de fréquence, stabilisation de la tension
Stockage de moyenne durée (ex: batteries)
• Lissage de la production / consommation
 Plusieurs besoins pour assurer le plein déploiement des ENR

Alimentation sans interruption
Récupération de l'énergie
Lors du freinage d’un véhicule
Stockage de courte durée
• Forte puissance
• < 1 min temps de décharge
Fiabilité sans faille: volants

Système de stockage hybride
Rentabilité des sites de stockage: multi-applications
• Complémentarité
• Cycles courts et cycles longs
• Stockage temps de décharge court (puissance)
• Stockage temps de décharge long (énergie)
• Bénéfices additionnels (ex: extension de la durée de vie des batteries)
Tendance actuelle
• Ontario: 5MW volants + 7MW li-ion pour IESO services réponse rapide
(régulation fréquence et support de tension)
• Alaska – Iles Kodiak: éoliennes + volants + batteries
Réseau isolé avec un client à forte demande
(grue électrique du port)

Système de stockage hybride Volants-Batteries intégré en amont
Batteries Li-ion
2x modules 10 Volants
Salle de contrôle
Connexion haute-tension
Système unique de gestion électronique
Volants + Batteries

• Le stockage est incontournable pour :
• Le plein déploiement des énergies renouvelables
• Maintenir la fiabilité et la robustesse des réseaux
• Les réseaux isolés sont l’un des marchés où le stockage apporte le plus
de bénéfices
• Diverses technologies complémentaires (courte / moyenne / longue
durée de stockage)
• Solutions hybrides = avenir afin de capturer plusieurs valeurs
Conclusion

Le stockage d’énergie, un incontournable au plein
déploiement des énergies renouvelables intermittentes

Le stockage d'énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

Similaire à Le stockage d'énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes

Similaire à Le stockage d'énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes (20)

Le stockage d'énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes