Le stockage d'énergie par Leclanché

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par Fabrizio Marzolini, Head of system development chez Leclanché (Suisse)

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Le stockage d'énergie par Leclanché

  1. 1. Leclanché S.A. Utilisation des batteries li-ion dans les réseaux électriques Le 5 septembre 2014 Fabrizio Marzolini
  2. 2. 1 Sommaire 1 | Energie, électricité: un peu de physique, de chimie et de technologie 2 | Les accumulateurs d’énergie pour le réseau: mais pourquoi faire? 3 | Eléments à considérer pour le stockage d’énergie dans les réseaux 4 | Use cases − Batterie couplée à une centrale photovoltaïque − Batterie couplée au réseau pour la régulation de fréquence 5 | Conclusions
  3. 3. 2 1. Densité d’énergie: quelques ordres de grandeur Wh/kg Accumulateur hydro-électrique, 400 m de différence d’altitude 1.1 Super condensateur 3 Accumulateur au plomb (10-20h) 30-40 Eau chaude T = 50°C 60 Accumulateur au nickel-hydrure métallique (1-5h) 50-70 Accumulateur au lithium-ion (1-5h) 70-300 Pile alcaline 1.5V (20h) 120-130 Huile de chauffage 12'000 Hydrogène 33'000 Uranium-235, 3 % 600'000'000
  4. 4. 3 1. La performance: le secret c’est le lithium
  5. 5. 4 Procédé d’assemblage par lamination Les épaisseurs des couches sont de quelques dizaines de microns Le procédé de lamination confère une résistance aux vibrations et au vieillissement supérieure et une durée de vie augmentée Le li-ion est une famille qui comporte plusieurs variantes de matériaux d’anode et de cathode 1. Composition d’une cellule li-ion Alu-Foil Cu-Foil Cathode Anode Separator
  6. 6. 5 1. Lithium-ion: densité d’énergie
  7. 7. 6 1. Anode en graphite versus anode en titanate
  8. 8. 7 1. Dégradation d’une batterie li-ion en graphite vs titanate Reference: Noshin Omar, Mohamed Abdel Monem, Yousef Firouz, Justin Salminen, Omar Hegazy, Hamid Gaulous, Grietus Mulder, Peter Van den Bossche, Jelle Smekens, Thierry Coosemans, Joeri Van Mierlo: Lithium iron phosphate based battery – Assessment of the aging parameters and development of cycle life model, Applied Energy 113 (2014) 1575–1585
  9. 9. 8 1. Evaluation des performances 0 1 2 3 4 5 Cycle life Cost Safety Discharge rate Charge rate Energy density Li-ion titanate anode 0 1 2 3 4 5 Cycle life Cost Safety Discharge rate Charge rate Energy density Li-ion graphite anode Signification de l’échelle 0: très mauvais 5: excellent
  10. 10. 9 2. Mix de production énergétique en Allemagne
  11. 11. 10 2. Evolution de la consommation énergétique mondiale Source: BofA – Merrill Lynch _Alternative Energy: Grid Storage Primer – 4 August 2010 Entre 1978 et 2010, la consommation d’électricité mondiale a augmenté de 75%
  12. 12. 11 2. Installations pilotes de stockage couplées au réseau
  13. 13. 12 3 Diagramme Ragone Source: NYSERDA and GTM Research 2009
  14. 14. 13 3. Batterie li-ion titanate fonctionnant à 1,8C  High efficiency of close to 90% even at charge/discharge rates of 1,8C.  High level of usable capacity, close to 95 % of usable capacity.  Measurements from installed installation in the field.
  15. 15. 14 4 Coût du stockage de différentes technologies Over the lifetime of the system, Lithium Titanate achieves less than half the costs of alternative battery solutions
  16. 16. 15 4. Illustration du déplacement d’énergie (energy/load shifting) Cet exemple illustre le déplacement d’une partie de la production vers le pic de consommation du soir. Ce cas sollicite la batterie avec 1 cycle par jour. Cette application est similaire à ce que l’on pourrait avoir dans le cas du négoce d’énergie. 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00 4:48 Energy consumption from sun Energy consumption from battery Charging battery Energy injected in the grid
  17. 17. 16 4. Déplacement d’énergie – structure de coûts Example 10 years 20 years 10 years 20 years Plant Requirements Power Requirement kW 10 000 10 000 10 000 10 000 Time required minutes 60 60 60 60 Times per day unit 1 1 1 1 Energy Requirement / cycle kWh 10 000 10 000 10 000 10 000 Project Life Years 10 20 10 20 Lifetme cycles cycles 3 650 7 300 3 650 7 300 Total Energy Produced kWh 36 500 000 73 000 000 36 500 000 73 000 000 System Efficiency % 90% 90% 90% 90% End of Life Capacity % 90% 90% 70% 50% C Rate C Rate 1 1 1 1 System Size kWh 12 346 12 346 15 873 22 222 System cycles cycles 15 000 25 000 3 700 7 500 System Life Years 41,1 68,5 10,1 20,5 Number of systems required Units 1,0 1,0 1,0 1,0 System Cost / kWh $ 2 000 2 000 1 000 1 000 Investment cost for 1 MW Freq Contro$l 24 691 358 24 691 358 15 873 016 22 222 222 Graphite/LTO Investment Cost $ 0,64x 0,90x Cost / kWh $/kWh 0,676 0,338 0,435 0,304 Saving: LTO/Graphite Cost % 56% 11% LTO LFP Le stockage li-ion à des fins de déplacement ou pour le négoce d’énergie est trop coûteux et n’est économique que dans des cas particuliers (réseaux insulaires, production électrique par groupe diesel) ou avec l’aide de subventions. Dans ce cas, la technologie Li-ion avec anode en graphite est moins coûteuse que le titanate.
  18. 18. 17 4. Utilisation hybride • Le déplacement d’énergie seul n’est pas compétitif • La combinaison des applications afin d’augmenter le taux d’occupation de la batterie améliore significativement la compétitivité • Exemple de combinaison pour augmenter le taux d’utilisation de la batterie: • l’écrêtage de pointe • le déplacement d’énergie • le lissage de la puissance
  19. 19. 18 4. Peak shaving / écrêtage de pointe • Peak shaving: la capacité de transport des réseaux électriques est liée à son infrastructure et demande des investissements lourds ainsi que des mises à l’enquête. Le principe de l’écrêtage de pointes permet d’utiliser la batterie comme un limiteur d’injection ou d’absorbtion de puissance dans le réseau.
  20. 20. 19 4. Energy shifting / déplacement d’énergie • Energy shifting: la production et la demande ne sont généralement pas en phase. En général, il y a sur-production à midi et déficit le soir et le matin. Le stockage permet de synchroniser l’offre avec la demande.
  21. 21. 20 4. Exemple de lissage d’une installation de 20 MW Earthshine presentation:
  22. 22. 21 4. Utilisation hybride – (équivalence à 3 cycles/jour) Dans ce cas de figure, le coût du li-ion titanate est nettement inférieur. Example 10 years 20 years 10 years 20 years Plant Requirements Power Requirement kW 8 000 8 000 8 000 8 000 Time required minutes 20 20 20 20 Times per day unit 3 3 3 3 Energy Requirement / cycle kWh 3 000 3 000 3 000 3 000 Project Life Years 10 20 10 20 Lifetme cycles cycles 10 950 21 900 10 950 21 900 Total Energy Produced kWh 32 850 000 65 700 000 32 850 000 65 700 000 System Efficiency % 80% 80% 90% 90% End of Life Capacity % 85% 75% 50% 50% C Rate C Rate 3 3 1 1 System Size kWh 3 922 4 444 17 778 17 778 System cycles cycles 15 000 25 000 11 000 11 000 System Life Years 13,7 22,8 10,0 10,0 Number of systems required Units 1,0 1,0 1,0 2,0 System Cost / kWh $ 2 000 2 000 1 000 1 000 Investment cost for 1 MW Freq Contro$l 7 843 137 8 888 889 17 777 778 35 555 556 Graphite/LTO Investment Cost $ 2,27x 4,00x Cost / kWh $/kWh 0,239 0,135 0,541 0,541 Saving: LTO/Graphite Cost % -56% -75% LTO LFP
  23. 23. 22 4. Energie de réglage primaire fournie par la batterie
  24. 24. 23 4. Solution intégrée: 500kWh / 500kW
  25. 25. 24 4. Case study: stockage appliqué à la régulation de fréquence en Californie
  26. 26. 25 4. Case study 2: stockage appliqué à la régulation de fréquence en Californie
  27. 27. 26 5. Conclusions La durée de vie et la robustesse des batteries sont capitales Les cellules li-ion pour le consumer ne sont pas adaptées. Le profil d’utilisation est déterminant pour choisir la meilleure chimie. L’investissement le plus bas n’est pas forcément le moins cher Le coût d’utilisation, respectivement le coût du kWh qui passe à travers de la batterie est déterminant. La batterie vieillit même au repos. Le marché des batteries pour le réseau est probablement très important Cependant, chaque pays a ses réglementations, un mix de production et un tarif différent. Le modèle économique qui peut se construire autour de la batterie doit être étudié au cas par cas. Le prix de l’énergie électrique est souvent encore trop bas pour avoir un modèle économique clair. Lorsque la puissance intervient dans le calcul, la batterie est une solution économique.
  28. 28. 27 Merci pour votre attention

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