Gestion de la puissance

5.1.1. Utilisation de réservoirs en parallèle

Une possibilité pour garantir un bon rendement dans le cas d’une demande de puissance variable est l’utilisation de plusieurs réservoirs avec différentes pressions initiales en cycle fermé (Figure 168). Le but est d’ajouter un degré de liberté en rendant possible le choix d’une pression de service variable. Le choix du réservoir utilisé est fonction de la puissance requise, en essayant de maintenir un certain niveau de rendement (ici >50%). On choisit le réservoir, qui selon sa pression et la puissance requise, permettra de travailler avec un rendement correcte. La Figure 169 illustre ce principe.

Figure 168 : configuration à plusieurs réservoirs ; cycle fermé

Pour cette démonstration, la demande de puissance est sinusoïdale et les volumes de stockage sont surdimensionnés afin de limiter les variations de pression. Une puissance positive correspond au pompage et une puissance négative au turbinage.

Le volume de chaque réservoir devrait être choisi en fonction des prévisions de demande de puissance propre à l’application visée c'est-à-dire de la durée, ou fréquence

d’apparition, des différentes plages de puissance nécessaires (voir Figure 170); on rappelle que l’énergie stockable est fonction de la pression et du volume.

Figure 169 : diagramme schématique puissance-pression-rendement pompe ;

principe de réservoir en parallèle

Figure 170 : scénario de distribution de puissance de stockage possible ; vue de principe de fréquence d’apparition de

puissances

Ici un ensemble de 7 réservoirs d’un volume total de 2000m3 est modélisé. Les pressions

initiales configurées sont respectivement de 7, 12, 17, 22, 32 et 37 bar. On utilise ensuite les caractéristiques de la machine, fournies par le constructeur, pour déduire la vitesse de rotation à appliquer. Ceci est fait par une table de correspondance évoquée dans le paragraphe 4.7.3; c’est une table à deux entrées (∆P {Pa}, et Pu_réf {W}) et une sortie (ω_réf {rad/s}). Le passage entre deux réservoirs se fait quand la puissance requise sort des limites de la gamme choisie pour le réservoir actif.

Les résultats sont illustrés dans les figures ci-dessous.

Figure 171: puissances de référence (points) et effective (trait plein)

Figure 172: débits des 7 réservoirs. Les réservoirs utilisés sont RES-1 à RES-4 puis RES-1 à RES-7

0 50 100 150 200 -40 -20 0 20 40 Time (s) P o w e r (k W ) EFF POWER REF POWER 0 50 100 150 200 -60 -40 -20 0 20 40 Time (s) F lo w r a te ( m 3/h ) RES-1 RES-2 RES-3 RES-4 RES-5 RES-6 RES-7 R r 0.5 R = 0.5 Puissance Pression RES n°1 n°2 n°3 n°4 n°… Pu_mini Puissance de stockage Pu ~ ΔP Heures Temps

Energie par plage de puissance Volume par plage

Figure 173: rendement de la machine Figure 174: différence de pression entre l’entrée et la sortie de la pompe/turbine

Comme illustré dans les Figure 174 et Figure 171, la pression appliquée à la machine change avec la plage de puissance dans laquelle se trouve la référence. La puissance effective résultante reste proche à la référence sauf lors des périodes de transition (périodes d’ouverture et fermeture de vanne) durant lesquelles le rendement chute (Figure 171 et Figure 173). Sinon, le rendement est maintenu à un niveau relativement élevé pour les phases de stockage et restitution. La pression en Figure 174 suit des pseudo-plateaux après les changements de réservoir à cause des volumes élevés configurés.

Le fait de placer la machine à une pression de service initiale élevée peut également faciliter la tâche d’optimiser le rendement dans une configuration à cycle ouvert. Ceci On pourrait imaginer une optimisation de cette approche sur plusieurs aspects. Par exemple, le changement de réservoir d’accumulation pourrait se faire avant d’atteindre le rendement minimal en vérifiant si la pression du réservoir suivant permettrait un rendement meilleur de manière à pouvoir ‘’traverser’’ la colline de meilleur rendement contrairement à ce qui est illustré par Figure 173 en pompage. Ceci n’est pas possible en turbinage à cause du comportement évoqué dans le paragraphe 3.4.3. On peut aussi imaginer d’optimiser la pression de service moyenne par réservoir en termes de densité d’énergie ; on rappelle que la maximisation de l’énergie cumulable pour une pression maximale donnée, est fonction de la pression initiale du réservoir.

Par ailleurs cette possibilité de fonctionnement reste très théorique puisque dans le cas modélisé la pression varie peu du fait de la configuration choisie. D’autre part, il est vraisemblable qu’un système industriellement viable sera basé sur un cycle ouvert ; il n’est pas vraiment évident que ce principe soit applicable.

Si le degré de liberté nécessaire ne peut que difficilement être obtenu par une flexibilité dans la pression de service, on peut diriger la réflexion sur la souplesse de fonctionnement que peuvent apporter les machines hydrauliques autres qu’une pompe fonctionnant en turbine dans la configuration actuelle.

5.1.2. Autres choix de machines hydrauliques

L’utilisation d’une pompe/turbine à distributeur fixe dans une configuration à pression variable présente le désavantage d’une plage de fonctionnement à rendement convenable assez restreinte en mode turbine. Il parait intéressant d’étudier la possibilité d’accroitre la flexibilité du système par la modification du système de conversion de puissance mécanique hydraulique.

Une idée serait d’utiliser plusieurs machines identiques en série ou parallèle selon le niveau de pression auquel on se trouve. Il s’agit simplement, dans le cas où l’on voudrait par exemple maintenir une puissance constante, de faire fonctionner les machines en parallèle, quand la pression d’accumulation est faible et de les faire fonctionner en série quand la pression est plus forte.

Figure 175 : relation puissance-pression au point BEP en mode pompe ; machines en

série/parallèle

Figure 176 : relation puissance-pression au point BEP en mode turbine ; machines en

série/parallèle

Le principe peut être illustré par les graphiques de la Figure 175 et de la Figure 176 où l’on donne les valeurs de ce que pourraient être les puissances mécaniques au point de meilleur rendement en fonction de la pression de service, pour une machine équivalente à l’actuelle mais séparée par tranches de 6 étages. Ainsi, pour une puissance donnée, on peut opérer à deux (ou n) pressions de service a un rendement moyen plus élevée.

C’est une solution qui peut être complexe à mettre en place du fait de la gestion des connexions et potentiellement plus chère à cause de la question de l’entraînement (deux moteurs ou accouplement, ….). Elle présente cependant l’avantage de pouvoir utiliser des pompes/turbines industrielles ordinaires.

Concernant d’autres machines hydrauliques, on peut citer les machines à point de fonctionnement variable, c’est-à-dire plus flexibles de par la construction même du dispositif. Par exemple on pourrait utiliser une pompe/turbine à distributeur mobile ou une turbine Pelton en supplément de la pompe.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 P u is sa n ce (k W ) Pression(bar) Puissance pompe au BEP

6 étages 2x6 étages - - 2x6 étages // 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 P u is sa n ce (k W ) Pression(bar) Puissance turbine au BEP

6 étages 12 étages 6 étages //