Couplage et stockage de l’énergie électrique

(1)

Couplage et stockage de l’énergie électrique

La production décentralisée La production décentralisée.

Ancien Directeur membre fondateur du GREAH

Professeur Brayima Dakyo Université du Havre

Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre GREAH

Responsable de l’équipe thématique

« Maîtrise des énergies renouvelables et systèmes » (MERS) Responsable pédagogique de la licence professionnelle Systèmes à Energies Renouvelables et Alternatives. (SERA) Membre fondateur responsable scientifique de la PFT de Fécamp

Animateur du réseau régional Haut Normand

« Centre de Recherche sur les Energies Renouvelables et Alternatives. (CRERA)

1

II) Réciprocité, disponibilité de l’énergie, rentabilité

I) « Développement durable » sous contrainte environnementale

III) Energies renouvelables et production électrique

Plan de l’exposé

IV) Le stockage de l’énergie et disponibilité pour les usages.

V) Les interfaces et convertisseurs énergie-vecteur électricité Le facteur dual d’échelle temps-fréquence, énergie-puissance

Les classes de convertisseurs

Convertisseurs électrique-chimiques et stockage III) Energies renouvelables et production électrique

Convertisseurs électrique-mécaniques et stockage Convertisseurs électrique-magnétique et stockage VI) Participations aux services « système » de parcs éoliens

2 Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

(2)

Conso annuelle en 2000

Monde : 140 10⁶GWh France : 2,6 10⁶GWh

.

pétrole charbon gaz nucléaire renouv.

Hydraulique 7 % Biomasse 12 %

pétrole charbon gaz nucléaire Consommation mondiale par source d’énergies primaires en 2000

p g

34 % 22 % 19 % 6% 19 %

Emissions gazeuses et sonores : effet de serre, pollution urbaine

pétrole charbon gaz nucléaire 40 ans 220 ans 60 ans 60 ans Autonomie estimée des réserves d’énergies fossiles et fissiles Raréfaction inéluctable à moyen terme, source de crises

3

Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

Bilan d’ émissions de CO2

4

(3)

La réduction des émission de Gaz Carbonique

Une meilleure efficacité de la conversion d'énergies primaires.

Une meilleure efficacité du transport de l’énergie et l’introduction de nouveaux vecteurs.

Une meilleure efficacité dans les usages.

5

Le Rapport Chambolle (Juin 2004)

http://www.recherche.gouv.fr/rapport/

Pour réduire à l'horizon 2050 les émissions de gaz à effet de serre liées à l'activité humaine

Les pays industrialisés, et en particulier la France, devraient réduire leurs émissions par un facteur 3 à 5

Miser sur un mix énergétique combinant nucléaire, fossiles et renouvelables (En France)

« Grenelle de l’environnement » en 2007

6

(4)

La situation et projection de la production française d’électricité

Scénario énergétique de référence DGEMP-OE(2008)

Ministère de l’Écologie, de l’Énergie, du Développement durable et de l’Aménagement du territoire

7

Remplacement En France

Évolution fictive du parc nucléaire français dans le scénario de référence DGEMP-8

(5)

« L’énergie nucléaire et les nouvelles technologies de l’énergie sont

technologies de l énergie sont résolument complémentaires.

Les énergies du futur seront

l i ll i t té t

plurielles interconnectées et interdépendantes. »

Commissariat à l’Energie Atomique

CEA 9

La production décentralisée

Trois démarches structurantes

Produire au plus prêt des utilisations Jouer sur le mix énergétique

Accroitre le taux de pénétration des énergies

Trois démarches structurantes

Accroitre le taux de pénétration des énergies renouvelables

Nouvelles Technologies de l’énergie Electrique

Nouveaux Paysages de l’énergie Electrique

(6)

400kV/63kV Transport

Production

Intégration Réseau

HTA/BT 20kV/400V

HTB/HTA 63kV/20kV

400kV/63kV 400kV/63kV

HTB/HTA 63kV/20kV

HTA/BT 20kV/400V Répartition

Distribution

PED

20kV/400V

Consommation

PED

Source IDEA GIE

11

Réseau de transport Réseau de

Centrale Virtuelle : vers une coopérative énergétique

GA Z

Réseau de distributio

n

Prod. Cons.

Supervisio n/contrôle

Source IDEA GIE

(7)

IV) Le stockage de l’énergie

et disponibilité pour les usages.

IV) Le stockage de l’énergie et disponibilité pour les usages.

Résultats de découvertes et d’inventions au cours des

Toutes les formes de réciprocité sont utilisables pour le conditionnement de l’énergie.

siècles.

Les facteurs d’échelle discriminant:

temps-fréquence et énergie-puissance

(8)

Énergie magnétique

Les formes de l’énergie et convertisseurs

₁₅

• Une bonne gestion de l’énergie demande

d l i l à l f i d’

donc la mise en place à la fois d’un réseau de distribution et de capacités de stockage de l’énergie.

• Le transport de l’énergie est assuré par

• Le transport de l énergie est assuré par

l’intermédiaire d’un vecteur énergétique

(9)

Pourquoi stocker dans les réseaux électriques et comment?

Caractéristiques générales des systèmes de stockage.

Les échelles de comparaison et de choix.

Exemple de consommation d’un ménage

Adéquation production consommation

Ex. production éolienne (Kariniotakis, Ecrin dec.

18

03)

Rapport P_max/P_moy de l’ordre de 4 (éolien) à 7 (PV)

Stockage

(10)

Exemple microcycles

MPPT

Le stockage des énergies intermittentes

p de stockage

par batteries.

Système PV

19

Le stockage des énergies Intermittentes

Technologies à horizon de stockage en fractions

Le stockage des énergies Intermittentes suppose des technologies avec des horizons temporels de stockage variés

Technologies à horizon de stockage en fractions de « secondes » en « minutes » en « heures » et

« jours »

(11)

Cycle journalier fréquences

Moyens de production variés

Caractéristiques:

Production puissance importante à évolution lente (nucléaire) Production faible puissance évolution plus rapide (classique)

Production complémentaire par stockage (Turbinage, lacs, éclusées..) 22

(12)

Fonctions du stockage

améliorer et sécuriser la gestion du réseau dans un contexte d’ouverture des marchés,

de croissance des systèmes de production non pilotés par la demande

augmenter la pénétration des sources variables et incertaines Alimentation en électricité plus sure et plus robuste permettre l’ilotage de consommateurs/producteurs

23

g p

éoliennes, photovoltaïques, houlomotrices…

Développement durable (CO2, indépendance énergétique…)

Puissance : 100 kW à quelques 10 MW

Durée : quelques minutes à plusieurs heures Sollicitation : en continu et/ou plusieurs fois/jour

Qualité de la tension : absence de creux de tension, coupures brèves de quelques secondes

BESOIN EN STOCKAGE

POUR UNE FERME CONNECTEE AU RESEAU

BESOIN EN STOCKAGE POUR UN SITE ISOLE Puissance : Quelques 100 W à plusieurs kW Durée : quelques secondes à plusieurs heures Sollicitation : en continu et/ou plusieurs fois/jour

(si source d’énergie renouvelable non disponible)

BESOIN EN STOCKAGE POUR APPLICATION MOBILES

24

BESOIN EN STOCKAGE POUR APPLICATION MOBILES

Puissance : quelques W à quelques 100 kW Durée : quelques secondes à plusieurs heures Sollicitation : en continu et/ou plusieurs fois/jour

(13)

STOCKAGE

Quelques rappels

25

Pe Ps Pe = Psto +Ps + Pertes

∫

Fonction stockage dans les systèmes : indispensable

Psto, Wsto, Pertes

∫

Δ

= −

0 0

( )

t t

Psto Pertes dt Wsto

Energie stockée

26

Découplage de Ps et Pe sur un horizon de temps ΔT₀ qui dépend des qualités du stockage et de sa capacité Applications de l’énergie :

Source, Stockage, Transport, Utilisation

(14)

Première loi : conservation de l’énergie

Q W

U = Δ + Δ

Δ

Travail et chaleur

Conversion sans stockage intermédiaire, avec pertes

Convertisseur = Transformateur ou Gyrateur + dissipateur

Pe

Pd, Qd

Conversion avec pertes

Pu

27

Pe = Pd + Pu

Conservation instantanée ⇒égalité des puissances : Convertisseur Transformateur ou Gyrateur + dissipateur

Bilan d’énergie :

21 2

1 21

2 1 2

1

Pe dt Pd dt

^t

Pu dt Qd Wu

t t

t

= ∫ + ∫ = +

∫

Conversion avec stockage intermédiaire et avec pertes

Pe

Ps Ws Pd Q

Pu Ps, Ws, Pd, Q

Pe = Pd + Psto +Pu

Conservation globale :

21 21

2

1 21

2 1

2 1 2

1

Pe dt Pd dt Psto dt

^t

Pu dt Qd Wsto Wu

t t

t

t t t

t

= ∫ + ∫ + ∫ = + +

∫

28

Cycle :

cycle

cycle cycle

cycle

Pe dt = ∫ Pd dt + ∫ Pu dt = Qd + Wu

∫

cycle

Psto dt ⁼ 0 Wsto (cycle) = 0

(15)

Conversion avec stockage intermédiaire et pertes (suite)

Pe

P W Pd Q

Pu

Psto = Pe - Pd - Pu

Ps, Ws, Pd, Q

Permet de découpler Pe et Pu ….

Psto > 0 ⇔ charge

Psto < 0 ⇔ décharge

et We et Wu sur un horizonΔt0 inférieur au temps de cycle

29 0 0

t

Psto dt Wsto

_Δt

∫

Δ

⁼

Trois paramètres : Psto

_max

et Wsto

_max

et Δt

₀

… et We et Wu sur un horizon Δt0 inférieur au temps de cycle

Energie stockée

Stockage thermique

Stockage mécanique potentiel Stockage mécanique cinétique

Principes et Technologies de stockage

Convertisseurs électrique-mécaniques V) Les interfaces et convertisseurs

énergie-vecteur électricité

Stockage mécanique cinétique

Stockage électrique Stockage magnétique

Stockage en supercondensateurs

Convertisseurs électrique-magnétiques

30

Convertisseurs électrique-chimiques Stockage en accumulateur

Piles à combustible

Mixtes : redox-flow, piles métal-air Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

(16)

Système à stockage thermique

Refroidisseur Turbine

Compresseur Récupérateur

Réfractaires chauffés

él t i t Refroidisseur Turbine

haute température de chaleur

électriquement

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM 31 200 kWh/m³

Rendement : environ 60 % Capacité : 1 à qq 100 GWh Puissance : 10 à 100 MW

Gaz chauds 1400°C À l’étude,

pas encore de réalisation.

Potentiel économique et géographique attractif

Gravitaire hydraulique

Retenue d'eau supérieure Ensemble Pompes

et Turbines

V) Les interfaces et convertisseurs énergie-vecteur électricité

Retenue d'eau inférieure

Conduite forcée

3 Exemple : Grand-Maison

Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM 32 1 kWh/m³pour une chute de

360 m

Rendement : 65 à 75 % Capacité : 1 à qq 100 GWh Puissance : 100 à 1000 MW

Exemple : Grand Maison 935 m de dénivelée, 170 Mm³

400 GWh

12 groupes 150 MW 1400 MW en pompage 1800 MW en turbinage

(17)

W = m g h

Pompage - turbinage entre deux réservoirs d’eau d’altitudes différentes

Barrages de Grand ‘Maison : 935 m de dénivelé, 170 Mm3 1800 MW, 400 GWh , rendement 70%

Plusieurs MWh, rendement 70 à 85%

(12 groupes de 150 MW dont 8 réversibles)

33

La mer peut constituer le réservoir inférieur ou même sous-terrain Japan in 1999 (Yanbaru, 30 MW).

Le plus répandu des stockages à grande échelle, Monde 90 GW, 3% de la capacité globale de production Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

Air comprimé en « bouteille » V) Les interfaces et convertisseurs

34

(18)

Air comprimé

Compressed Air Energy Storage (CAES)

•sous-terrain 50 à 70 bars

•réservoirs 300 à 700 bars

potentiel de pression

Usage indirect: une turbine à gaz consomme 60% pour la compression de l’air.

L’air est comprimé et stocké dans des mines de sel en période de surproduction. La turbo-génératrice à gaz est alimentée directement en air

Usage direct : performances ? Cycle thermodynamique ?

35

p g g

comprimé et consomme ainsi 40% de moins pour une même énergie produite.

En 1978, première unité commerciale de 290 MW à Hundorf, Germany . En 1991 110 MW, Alabama coût $591/kW. Mise en marche :14 minutes.

La plus grande, 2700 MW prévue à Norton, Ohio.

Volants d’inertie associé à une machine électrique grande vitesse V) Les interfaces et convertisseurs

36

(19)

Stockage MECANIQUE cinétique

Volant d’inertie

associé à une machine électrique grande vitesse

W = 1/2 J ω

²

σ W K

Energie volumique

Quelques Wh à 100 Wh/kg

σ

max

V = K ρ σ

_max

M K

W =

Energie volumique

Energie massique

Energie :

Puissance : 100 W à plusieurs MW Rendement : 80/98 %

Matériaux résistants et légers

37

Temps de réponse : fractions de secondes Temps de décharge : quelques secondes à 1 heure

Longue durée de vie

Applications dans des sites industriels : Lissage de charge, traitement des harmoniques…

dV B E

dW

_r

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

=

²

ε

₀

ε

²

Poynting

Champ électromagnétique dans l’espace - temps V) Les interfaces et convertisseurs

r

⎟ ⎠

⎜ ⎝ μ

⁰

μ

∫ ^⎜⎜ _⎝ ^⎛ ⁺ ^⎟⎟ _⎠ ^⎞

=

Volume

r r

dV B E

dW

₀ ²

0

2

ε ε

μ μ

Magnétique Electrique

38

g q

Conversions réciproques à rendement théorique unitaire (ondes électromagnétiques)

Bobines d’inductances Condensateurs

(20)

Electrique

ε_rélevé, diélectrique

∫

=

Volume

r

E dV

dW ε

₀

ε

²

Capacité W = 1/2 C V

²

Champs électriques élevés Limitation : champ de claquage (3 000 000 V/m maxi en air sec) Condensateurs électrostatiques : tensions élevées à quelques kV mais très

peu intéressants en énergie massique

39

Condensateurs électrochimiques : acqueux 1 V max,

organique 3,5 V max

….. mais double couche d’Helmoltz,

supercondensateurs

(21)

Stockage MAGNETIQUE

B dV dW

W

Volume r

Volume

∫ ⁼ ∫

= μ

₀

μ

2

w

_m

= 110 B

²

Wh/m

³

Champs magnétiques élevés

μ_rpetit, proche de 1, air ou vide Courants élevés

Supraconductivité SMES : Superconducting Magnetic Electric Storage

Deux types :

• BTc, très basses températures < - 250 C (opérationnel mais lourd) Ht h t t é t > 150 C ( t li id à 180 C)

41

• Htc, hautes températures > - 150 C (azote liquide à - 180 C) Limitation : avec le vide pas de saturation,

mais les champs élevés déstabilisent l’état supra, Bmax ≈12 T Avec 10T, 11 kWh/m³ (essence : 10 kWh/kg ou 8 kWh/l) Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

Inductances supraconductrices SMES

42 www.amsuper.org

(22)

Convertisseurs électrique-chimiques et stockage Relations entre principes et aspects structurels

Exemples d’installations

Les accumulateurs Les piles à combustible

Les piles métal air

Les accumulateurs redox flow

43

Les supercondensateurs

Propriétés communes : stuctures, basse tension, modularité…...

Les accumulateurs et piles électrochimiques permettent

de disposer d’une réserve d’énergie électrique autonome.

Le problème de ces éléments énergétiques est de réussir à les maintenir en état le plus longtemps possible

possible.

Ils subissent une altération de leurs performances

au cours du temps et des utilisations.

(23)

(24)

47

48

(25)

49

ces temps impactent

l

50

le rendement

(26)

51

52

(27)

53

vis à vis de l’utilisation c’est à dire la mission

Couplage énergie-puissance, théorie de Ragone

Source d’énergie et de puissance

Source d’énergie électrique

Invoque une durée du « même ordre de grandeur » que celle Invoque une durée du « même ordre de grandeur » que celle de la (les) mission(s) typique(s) que doit accomplir le système.

La pile à combustible associée à son combustible Le groupe électrogène et son carburant

Le générateur solaire associé à l’énergie solaire Le générateur éolien associé à l’énergie des vents L’accumulateur (acide plomb, lithium-ions …) Source de puissance électrique

54

p q

Invoque une durée « courte » devant celle de la (les) mission(s) typique(s) que doit accomplir le système.

Un super condensateur Un volant d’inertie Un accumulateur

Des architectures hybrides permettent de découpler ces deux aspects

(28)

55

(29)

Un problème crucial pour de nombreux systèmes autonomes véhicule électrique,

véhicule thermique,

^Energie

massique 1000

Wh/kg

PAC

Essence : Hydrogène : 30 000 Wh/kg

électrique

aéronefs, satellites, applications portables

massique

50 100

Li-ion

NI-MH

Ni-Cd

Pile à combustible Essence : 10 000 Wh/kg

Plan de Ragone Quelle disponibilité de

l’énergie électrique au regard de la mission ?

Plusieurs aspects : - autonomie

- puissance - jauge d’énergie

- durée de vie

1 Puissance massique 10

30 5

0,1 kW/kg

Pb-Ac

Super-condensateurs Roue

d’inertie

Des propriétés « temporelles » différentes

58

(30)

Etude du cas d’un système Hybride « éolien-diesel » 59

800 900 1000

Diesel engine current Wind Turbine Current Load current

400 500 600 700 800

currents(A)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 100 200 300

(31)

Micro cycles subies par la batterie

61

Exemple d’un couplage multi-sources avec volant

d’inertie 62

(32)

Principe de la commande

Batteries Flywheel (0.5kgm²)

Capacitor (35mF) Capacity

(Ah)

53 10 0.0283

(Ah)

Avant Durée de vie 1 an Pour les batteries

Après Durée de vie 4 ans

(33)

MODES DE COUPLAGE ET PARTICIPATION AUX

SERVICES « SYSTÈME » DE PARCS ÉOLIENS

Intégration de l’énergie éolienne dans les réseaux électriques

VI) Participations aux services

« système » de parcs éoliens

Architecture du réseau électrique

Fonctionnement du système d’énergie

électriq e électrique

Impacts de l’intégration de GED dans les réseaux électriques

« Production » ou « Génération »

« d’Energie Dispersée » (PED ou GED)

Source principale:

Thèse A. Teninge 66

(34)

électriques

67

Architecture des réseaux

électriques

(35)

Fonctionnement du système d’énergie électrique

Ré l hié hi é d l f é

• Réglage hiérarchisé de la fréquence

– Réglage primaire de fréquence : RPF – Réglage secondaire de fréquence : RSF – Réglage tertiaire de fréquence : RTF

• Réglage hiérarchisé de la tension : réseau Réglage hiérarchisé de la tension : réseau de transport

– Réglage primaire de tension : RPT – Réglage secondaire de tension : RST

– Réglage tertiaire de tension : RTT

₆₉

Réglage primaire de fréquence : RPF

Intégration d’un statisme dans une boucle de régulation de vitesse

(36)

& Réglage tertiaire de fréquence : RTF

Réglage hiérarchisé de fréquence : emploi des différentes réserves suite à un défaut

(37)

Compensation locale d’énergie réactive

• Moyens de compensation classiques L i d t

– Les inductances – Les condensateurs

– Les compensateurs synchrones

– Les transformateurs avec prises réglables en charge

• Systèmes FACTS (Flexible alternative Current Transmission Systems)

Les moyens de compensation par compensateur statique

Le SVC (Static Var Compensator)

Le TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

(38)

Les moyens de compensation par compensateur statique

Structure de FACTS avec convertisseurs : STATCOM et UPFC

UPFC (Unified Power Flow Controller)

Impacts de l’intégration de GED dans les réseaux électriques

• Impacts sur la tension

– Problèmes de tension liés à l’insertion de GED

– Solutions pour le réglage de tension dans les réseaux de distribution

réseaux de distribution

(39)

On peut remarquer ici que ce phénomène ne se retrouve pas sur le réseau de transport sur le réseau de transport puisque dans ce cas la réactance est très supérieure à la résistance :Lω>> R.

77

(40)

Les Systèmes éoliens : principes de fonctionnement

• Éolienne à base de MAS

• Éolienne à base de MASDA

• Éolienne à base de MS

Structure MAS

(41)

Éolienne à base de MASDA

Éolienne à base de MS

Structure MS

(42)

Participation au réglage de tension?

Système électrique modélisé pour l’étude de l’utilisation de la puissance réactive

Tenue aux variations de fréquence.

Contraintes de tenue aux variations de fréquence

(43)

Mostafa El MOKADEMthèse université du Havre 28 septembre 2006 Modélisation et simulation d’un système hybride pour un site isolé Problématique liée aux fluctuations et variations d’énergie au point de couplage

MULTON Bernard⁽¹⁾; ROBOAM Xavier⁽²⁾; DAKYO Brayima⁽³⁾; NICHITA Cristian⁽³⁾; GERGAUD Olivier⁽⁴⁾; BEN AHMED Hamid⁽⁵⁾;Aérogénérateurs électriques Techniques de l'ingénieur. Génie électrique ISSN0992- 5449 2004, vol. D7, n^oD3960 [Note(s): D3960.1-D3960.2] (57 ref.)

Stephan Astier« Des machines à aimants permanents aux systèmes énergétiques autonomes. Systémique, électricité et développement durable Mémoire d’HDR ENSEEIHT INPToulouse 9 Juillet 2003

hybride pour un site isolé. Problématique liée aux fluctuations et variations d énergie au point de couplage.

Dakyo, B.; El Mokadem, M.; Nichita, C.; Koczara, W. A new method to define power and

energy share in a DC link Hybrid wind-diesel powered system by means of storage and dual timefrequency approach. Power Electronics and Applications, 2007 European Conference on Volume , Issue , 2-5 Sept. 2007 Page(s):1 – 8 Digital Object Identifier 10.1109/EPE.2007.4417723

M.A. Tankari, B. Dakyo, C. Nichita,“Improved Sizing method of Storage Units for Hybrid Wind-diesel Powered System”, Conf. IEEE EUROCON, Pologne 2007.

FAUVARQUE J. F « Stockage Electrochimique de l’énergie électrique » Cycle: Énergie: quelles nouvelles techniques?Lyon, 15 novembre 2007site www.efferve-sciences.ec-Iyon.fr

Camara, M; Gualous, H; Gustin, F; Berthon, A; Dakyo, BDC/DC Converters Design for Supercapacitors and Battery Power Management in Hybrid Vehicle Applications-Polynomial Control Strategy IEEE transactions on Indutrial Electronics à paraitre Digital Object Identifier: 10.1109/TIE.2009.2025283

Alexandre Teninge « Participation aux services système de parcs éoliens mixtes : application en millieu insulaire »ThèseG2ELAB INP Grenoble4 décembre 2009

www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2008/06/storage-boosts-the-power-of-renewable-energy- 52716