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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
AQPER – Colloque 2017 3
Pourquoi « stocker » l’énergie?
Pourquoi « stocker » l’énergie?
AQPER - Colloque 2017 4
Pourquoi « stocker » l’énergie?
AQPER - Colloque 2017 5
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
AQPER - Colloque 2017 6
Pourquoi « stocker » l’énergie?
Que se passe t-il quand …
AQPER - Colloque 2017 7
Pourquoi « stocker » l’énergie?
Variabilité de la production éolienne annuelle et journalière en Irlande
Source: World Energy Council 2017
AQPER - Colloque 2017 8
Pourquoi « stocker » l’énergie?
Balance Production / Consommation
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hydroélectriques
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Super Condensateurs Volants Inertiels
AQPER – Colloque 2017 9
Comparaison des principales technologies
AQPER - Colloque 2017 10
Le stockage d’énergie existe depuis longtemps
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Barrage Romain de Cornalvo, Espagne
Potier devant sa tour
Antiquité Grecque (Musée Historique de Berlin)
AQPER - Colloque 2017 11
Comparaison des principales technologies
• 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
AQPER - Colloque 2017 12
Comparaison des principales technologies
• Usage très répandu. Véhicule électrique, montres, téléphone cellulaire...
• Flexibilité de dimensionnement
• Temps de réaction rapide
Batterie électrochimique
AQPER - Colloque 2017 13
Comparaison des principales technologies
Les batteries d’état solide
Électrodes et électrolytes solides
Quelques exemples: plomb-acide, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, lithium-ion
AQPER - Colloque 2017 14
Comparaison des principales technologies
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
AQPER - Colloque 2017 15
Comparaison des principales technologies
• 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…)
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AQPER - Colloque 2017 16
Comparaison des principales technologies
• Stockage par chaleur sensible
• Stockage par changement de phase
Stockage thermique
AQPER - Colloque 2017 17
Comparaison des principales technologies
• Technologie difficilement exportable partout
• Efficacité énergétique faible
Stockage d’énergie par air comprimé (CAES)
AQPER - Colloque 2017 18
Comparaison des principales technologies
• 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
AQPER – Colloque 2017 19
Les volants inertiels
Ek = K ⋅ mass ⋅ radius2 ⋅ RPM2
AQPER – Colloque 2017 20
Les volants inertiels
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
AQPER - Colloque 2017 21
Les volants inertiels
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à lévitation active (15 000 tpm)
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à lévitation active (32 000 tpm)
AQPER - Colloque 2017 22
Beacon Power:
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Temporal:
50kWh/500kW
Amber Kinetics:
320kWh/80kW
NASA G2: 525Wh/1kW
Hazle Township, Pennsylvanie – 20MW / 15min décharge
Vycon: 1.67kWh/300kW
Les volants inertiels
AQPER - Colloque 2017 23
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
Les volants inertiels
Levisys:
13.5 kWh / 10 kW
AQPER - Colloque 2017 24
• 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
Les volants inertiels
1: Entrée AC
2: Bus DC
3: Fréquence et Tension variables
4: Sortie AC
97% efficacité
Onduleur Onduleur
AQPER - Colloque 2017 25
Comparaison des principales technologies
Source: World Energy Council 2016
Stockage courte durée
Stockage moyenne durée
Stockage longue durée
PuissanceÉnergie
AQPER - Colloque 2017 26
Comparaison des principales technologies
Source: World Energy Council 2016
•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
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AQPER - Colloque 2017 27
Comparaison des principales technologies
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Marchés et Applications
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AQPER - Colloque 2017 30
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AQPER - Colloque 2017 34
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1
10
100
1,000
10,000
0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000
Coutdel’énergie($/kWh)
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-
200
400
600
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Volants Li-ion
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($/MWH)
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Marchés et Applications
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
AQPER - Colloque 2017 39
Marchés et Applications
AQPER - Colloque 2017 40
Marchés et Applications
20 octobre 2011
FERC Order 755:
“Pay-for-Performance”
Capacity payment
+
Performance payment
AQPER - Colloque 2017 41
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
Marchés et Applications
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
AQPER - Colloque 2017 42
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
Marchés et Applications
AQPER - Colloque 2017 43
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
Marchés et Applications
AQPER - Colloque 2017 44
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)
Marchés et Applications
AQPER - Colloque 2017 45
Système de stockage hybride Volants-Batteries intégré en amont
Marchés et Applications
Batteries Li-ion
2x modules 10 Volants
Salle de contrôle
Connexion haute-tension
Système unique de gestion électronique
Volants + Batteries
AQPER - Colloque 2017 46
• 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
AQPER – Colloque 2017 47
Le stockage d’énergie, un incontournable au plein
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Le stockage d'énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes

  • 1. AQPER – Colloque 2017 1 Le stockage d’énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes
  • 2. AQPER - Colloque 2017 2 Agenda  Pourquoi « stocker » l’énergie?  Comparaison des principales technologies Les volants inertiels  Marchés et applications
  • 3. AQPER – Colloque 2017 3 Pourquoi « stocker » l’énergie? Pourquoi « stocker » l’énergie?
  • 4. AQPER - Colloque 2017 4 Pourquoi « stocker » l’énergie?
  • 5. AQPER - Colloque 2017 5 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
  • 6. AQPER - Colloque 2017 6 Pourquoi « stocker » l’énergie? Que se passe t-il quand …
  • 7. AQPER - Colloque 2017 7 Pourquoi « stocker » l’énergie? Variabilité de la production éolienne annuelle et journalière en Irlande Source: World Energy Council 2017
  • 8. AQPER - Colloque 2017 8 Pourquoi « stocker » l’énergie? Balance Production / Consommation
  • 9. Réservoirs hydroélectriques Batteries Super Condensateurs Volants Inertiels AQPER – Colloque 2017 9 Comparaison des principales technologies
  • 10. AQPER - Colloque 2017 10 Le stockage d’énergie existe depuis longtemps Comparaison des principales technologies Barrage Romain de Cornalvo, Espagne Potier devant sa tour Antiquité Grecque (Musée Historique de Berlin)
  • 11. AQPER - Colloque 2017 11 Comparaison des principales technologies • 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
  • 12. AQPER - Colloque 2017 12 Comparaison des principales technologies • Usage très répandu. Véhicule électrique, montres, téléphone cellulaire... • Flexibilité de dimensionnement • Temps de réaction rapide Batterie électrochimique
  • 13. AQPER - Colloque 2017 13 Comparaison des principales technologies Les batteries d’état solide Électrodes et électrolytes solides Quelques exemples: plomb-acide, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, lithium-ion
  • 14. AQPER - Colloque 2017 14 Comparaison des principales technologies 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
  • 15. AQPER - Colloque 2017 15 Comparaison des principales technologies • 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
  • 16. AQPER - Colloque 2017 16 Comparaison des principales technologies • Stockage par chaleur sensible • Stockage par changement de phase Stockage thermique
  • 17. AQPER - Colloque 2017 17 Comparaison des principales technologies • Technologie difficilement exportable partout • Efficacité énergétique faible Stockage d’énergie par air comprimé (CAES)
  • 18. AQPER - Colloque 2017 18 Comparaison des principales technologies • 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
  • 19. AQPER – Colloque 2017 19 Les volants inertiels Ek = K ⋅ mass ⋅ radius2 ⋅ RPM2
  • 20. AQPER – Colloque 2017 20 Les volants inertiels 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
  • 21. AQPER - Colloque 2017 21 Les volants inertiels Volant traditionnel cylindrique à lévitation active (15 000 tpm) Volant elliptique à lévitation active (32 000 tpm)
  • 22. AQPER - Colloque 2017 22 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 Les volants inertiels
  • 23. AQPER - Colloque 2017 23 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 Les volants inertiels Levisys: 13.5 kWh / 10 kW
  • 24. AQPER - Colloque 2017 24 • 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 Les volants inertiels 1: Entrée AC 2: Bus DC 3: Fréquence et Tension variables 4: Sortie AC 97% efficacité Onduleur Onduleur
  • 25. AQPER - Colloque 2017 25 Comparaison des principales technologies Source: World Energy Council 2016 Stockage courte durée Stockage moyenne durée Stockage longue durée PuissanceÉnergie
  • 26. AQPER - Colloque 2017 26 Comparaison des principales technologies Source: World Energy Council 2016 •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
  • 27. AQPER - Colloque 2017 27 Comparaison des principales technologies Source: World Energy Council 2016
  • 28. AQPER – Colloque 2017 28 Marchés et Applications Source: U.S. Department of Energy. 2013. Grid Energy Storage. Marché Chinois en 2012
  • 29. AQPER - Colloque 2017 29 Déploiement du stockage: résidentiel, commercial & industriel, réseau électrique, génération Stockage devant le compteur Stockage derrière le compteur Marchés et Applications
  • 30. AQPER - Colloque 2017 30 Source: GTM Research/ESA Marchés et Applications x 4 réseau et services auxiliaires x 40 résidentiel et commercial
  • 31. AQPER - Colloque 2017 31 Marchés et Applications
  • 32. AQPER - Colloque 2017 32 Applications de stockage d'énergie et valeur correspondante pour diverses durées de décharge Source: Sandia National Laboratories, Fév. 2010 Source: GTM Research Marchés et Applications
  • 33. AQPER - Colloque 2017 33 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 Marchés et Applications
  • 34. AQPER - Colloque 2017 34 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 Marchés et Applications 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
  • 35. AQPER - Colloque 2017 35 Marchés et Applications Lissage des pics de consommation
  • 36. AQPER - Colloque 2017 36 Marchés et Applications
  • 37. AQPER - Colloque 2017 37 Marchés et Applications
  • 38. AQPER - Colloque 2017 38 Marchés et Applications 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
  • 39. AQPER - Colloque 2017 39 Marchés et Applications
  • 40. AQPER - Colloque 2017 40 Marchés et Applications 20 octobre 2011 FERC Order 755: “Pay-for-Performance” Capacity payment + Performance payment
  • 41. AQPER - Colloque 2017 41 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 Marchés et Applications 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
  • 42. AQPER - Colloque 2017 42 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 Marchés et Applications
  • 43. AQPER - Colloque 2017 43 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 Marchés et Applications
  • 44. AQPER - Colloque 2017 44 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) Marchés et Applications
  • 45. AQPER - Colloque 2017 45 Système de stockage hybride Volants-Batteries intégré en amont Marchés et Applications Batteries Li-ion 2x modules 10 Volants Salle de contrôle Connexion haute-tension Système unique de gestion électronique Volants + Batteries
  • 46. AQPER - Colloque 2017 46 • 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
  • 47. AQPER – Colloque 2017 47 Le stockage d’énergie, un incontournable au plein déploiement des énergies renouvelables intermittentes