U NIVERSITA DI C ORSICA - P ASQUALE P AOLI ECOLE D
OCTORALE “Environnement et Société”
BP 52, 20250 Corti – Tel : 04 95 37 23 22 / 45 02 20 – E.mail : ecole.doctorale@univ-corse.fr Site : h t t p : / / e d . u n i v– c o r s e . f r
FICHE PROJET DE THESE pour ANNEE 2018-2019
Discipline du Doctorat
4200014 – Mécanique des fluides, Energétique, Thermique, AcoustiqueMention du Doctorat
Energétique, génie des procédés (62°)Domaine scientifique principal
ENERGIES RENOUVELABLESDomaines scientifiques
secondaires
Génie Electrique, Automatique, hydroélectricitéEntités de rattachement
UMR CNRS 6134 Projet EnR
Direction de la thèse
Christian CRISTOFARI (UDC/CNRS – Projet EnR) Tel. : 06 07 418 319
christian.cristofari@univ-corse.fr
Lingai LUO -DR CNRS -UMR_C 6607 Laboratoire de Thermocinétique de Nantes
lingai.luo@univ-nantes.fr Tel. : 0240683167
Collaborations extérieures
éventuelles envisagées
Une convention de collaboration sera mise en place entre l’UDC, UDN et EDF
Type de financement visé
Contrat doctoralConnaissances et compétences requises chez l’étudiant
Compétences en thermodynamique, énergétique et hydraulique. Traitement de données – Connaissances
Matlab® - La thèse couplant des aspects théoriques scientifiques d’une part, et des aspects relevant potentiellement de la mise en œuvre d’un prototype, le
doctorant devra faire preuve d’un sens pragmatique scientifique et pratique.
Titre de la thèse
Conceptualisation et Optimisation d’un Système de Stockage Hydropneumatique Couplé à un Ouvrage
Hydraulique
Abstract 1
Dans le cadre du déploiement de la PFT Paglia-Orba, microgrid couplant différentes technologies de stockages avec différentes technologies solaires, le sujet repose sur le
développement d’un stockage hydropneumatique complétant ainsi le stockage de microSTEP. Les systèmes
hydropneumatiques de stockage d’énergie (HyPES), sont des stockages innovants qui utilisent une machine hydraulique pour réaliser le travail mécanique sur l’air au travers d’un piston fluide. L’énergie est stockée grâce à l’air
sous pression. Ce stockage d’énergie sous forme mécanique possède un rendement élevé (environ 75%), une
longue durée de vie (20-30 ans) et grand nombre de cycle (~100 000) compatibles avec des ouvrages hydrauliques.
Abstract 2
Les enjeux de cette thèse résident dans le déploiement futur de ce type de stockage sur des ouvrages hydrauliques.
EDF considère que le stockage hydropneumatique qui utilise la force de l’eau pour stocker l’énergie en air comprimé présente un potentiel intéressant en couplage avec des ouvrages hydraulique en Corse et ailleurs à travers
le monde. Des progrès techniques restent nécessaires pour rendre ce stockage compétitif et apprendre à l’exploiter.
Explicitation du Projet de thèse
1°) Présentation des aspects scientifiques du projet de thèse
1.1 Résumé
Dans le cadre du déploiement de la PFT Paglia-Orba, microgrid couplant différentes technologies de stockages avec différentes technologies solaires, le sujet repose sur le développement d’un stockage hydropneumatique complétant ainsi le stockage de microSTEP. Les systèmes hydropneumatiques de stockage d’énergie (HyPES), sont des stockages innovants qui utilisent une machine hydraulique pour réaliser le travail mécanique sur l’air au travers d’un piston fluide. L’énergie est stockée grâce à l’air sous pression. Ce stockage d’énergie sous forme mécanique possède un rendement élevé (environ 75%), une longue durée de vie (20-30 ans) et grand nombre de cycle (~100 000) compatibles avec des ouvrages hydrauliques.
1.2 Présentation explicite
Finalité : Développer une conception de stockage hydropneumatique énergétiquement et exergétiquement optimisé permettant un couplage performant avec des ouvrages hydrauliques.
Etudes statiques et dynamiques des différentes configurations envisagées et optimisation algorithmique de l’HyPes pour une production optimale d’électricité dans le cadre d’un couplage avec un ouvrage hydraulique raccordée au réseau.
Les objectifs scientifiques de ce projet sont de contribuer au développement d’outils, de systèmes et de techniques optimisés pour la conception de chaîne énergétique présentant une viabilité technico- économique et ce afin de maximiser la maturation des technologies de stockage et d’en accélérer leur mise sur le marché. Dans le cadre de cette thèse, il s’agit d’investir le stockage relevant de la technologie hydropneumatique pouvant répondre potentiellement aux critères requis pour un couplage à des ouvrages hydrauliques.
La technologie hydropneumatique, comme système d’accumulation d’énergie pouvant être connecté au réseau électrique, est apparu il y a moins de 10 années. Cette technique utilise une machine hydraulique, reliée à un moteur-générateur électrique, pour déplacer un dispositif hydraulique de
compression-détente d’air. L’énergie est stockée sous forme d’énergie potentielle de pression. Les technologies présentes dans la littérature utilisent des machines hydrauliques volumétriques, rotatives ou à pistons. L’air et le fluide de compression sont séparés par une pièce intermédiaire. Ce stockage d’énergie sous forme mécanique possède un rendement élevé (environ 75%), une longue durée de vie (20-30 ans) et grand nombre de cycle (~100 000) compatibles avec des ouvrages hydrauliques. Le prisme des critères de sélection (cf. figure 1) pour l’utilisation d’un système de stockage tels que la puissance, le temps de décharge, le temps de réaction, l’efficacité, la durée de vie ou la densité énergétique permettent de définir un choix technologique. Par conséquent, le choix d’orientation stratégique fait par EDF en matière de couplage avec un ouvrage hydraulique (microstep) est le stockage hydropneumatique.
Figure 1. Différentes technologies de stockage en fonction de leur puissance et du temps de décharge (autonomie).
D’un point de vue environnemental, l’hydraulique s’avère moins impactant (pollution) et moins dangereux (risque chimique et incendie), mais l’option Hypes couplé à la µSTEP offre aussi l’avantage de pouvoir aussi envisager du multi-usage de l’eau (irrigation, citerne incendie, etc.).
Cependant les démonstrateurs existants Hypes de quelques dizaines de kW présentent des coûts d’investissement élevés ramenés aux kW [2000€-6000€] installés et au kWh utiles pour de petites installations.
Pour compenser ces surcoûts, plusieurs optimisations technico-économiques sont donc nécessaires :
Conceptualiser un schéma de principe permettant une optimisation des rendements de production et les coûts d’exploitation.
Valoriser au mieux les services réseaux.
Les travaux de cette thèse que nous proposons comportent plusieurs étapes : 1ère Année :
• Etude bibliographique sur les technologies existantes.
• Etude Statique Energétique et Exergétique des différentes configurations envisagées
• Prise d’information du banc µSTEP et la station de mesures météorologiques de la plateforme Paglia Orba
• Préconisation sur prototypage à développer et à installer
• Formalisation d’une publication Review stockage
• Rédaction de la thèse 2ème Année :
• Développement d’un nouveau modèle en dynamique et mise en place de protocoles de mesures pour validation des paramètres
• Développement des premières briques d’algorithme de pilotage des pompes (base et transitoires) en fonction de la ressource hydraulique et des besoins du réseau – Tests et optimisations des dynamiques de régulation
• Réception prototypage sur site fin de 2ème année
• Rédaction de la thèse
3ème Année
• Premiers bilans en puissances
• Lancement campagne de tests sur une longue période
• Confrontation des mesures énergétiques avec les estimations des modèles - Evolution des modèles
• Bilan technico-économique en énergie- estimation des coûts d’exploitation et de maintenance prévisible
• Approche ACV
• Finalisation de la rédaction de la thèse
Intérêt Scientifique : développer une conception optimisée de stockage hydropneumatique minimisant les pertes notamment thermique et ce couplé avec une µSTEP et répondant à des services réseau spécifiques pour favoriser une pénétration des ENR dans les territoires et réseaux électriques ruraux particulièrement contraints.
Caractère innovant : le caractère innovant de ce projet porte sur l’intégration des services apportés au réseau par le couple HyPES -µSTEP. Jusqu’à présent, les pompes sont soit alimentées directement par le réseau sans interconnexion EnR, soit déconnectées du réseau pour des applications solaires autonome pour de l’irrigation au fil du soleil par exemple.
2°) Argumentaire particulier 2.1 Résumé
Les enjeux de cette thèse résident dans le déploiement futur de ce type de stockage sur des ouvrages hydrauliques.
EDF considère que le stockage hydropneumatique qui utilise la force de l’eau pour stocker l’énergie en air comprimé présente un potentiel intéressant en couplage avec des ouvrages hydraulique en Corse et ailleurs à travers le monde. Des progrès techniques restent nécessaires pour rendre ce stockage compétitif et apprendre à l’exploiter.
2.2 Présentation explicite A l’échelle Régionale :
La conduite opérationnelle de deux plateformes, et des travaux scientifiques qui y sont associés, sont l’illustration de « la volonté de faire de la Corse l’un des pôles européens de la recherche et de l’innovation sur les énergies renouvelables et un modèle de développement durable régional » (avant- propos CPER Etat-CTC 2007-2013) pour en faire l’outil de recherche central du domaine stratégique d’innovation retenu n°2 de la Corse : Production, distribution et gestion énergétique en milieu insulaire par la Corse (DAS n°2).
Dans le cadre de la mise en place des mesures édictées par les lois de Grenelle de l’Environnement I et II, la Collectivité Territoriale de Corse (CTC), via la Direction déléguée à l’Energie de l’Agence d'aménagement de planification et d'urbanisme de la Corse, a adopté le Schéma Régional Climat Air Energie (SRCAE) de Corse et le Plan Climat Energie de Corse (PCEC) par délibération N°13/272 AC du 20 décembre 2013. Celui-ci intègre 3 scenarii, « tendanciel », « grenelle » et de « rupture » projetant une autonomie énergétique de l’île à l’horizon 2050 en prônant en partie le recours aux RENE (1/3 des besoins) et à la maîtrise des consommations énergétiques (diminution de 2/3). Les orientations du SRCAE de la Région Corse font clairement apparaitre le stockage de l’énergie, la microhydraulique et l’hydrogène comme des enjeux territoriaux à développer (méthanation, stockage stationnaire, mobilité, …).
Cet enjeu énergétique se retrouve aussi dans le Plan d’Aménagement et de Développement DUrable de la Corse (PADDUC) qui fixe des orientations stratégiques vers une autonomie énergétique de l’île.
Aussi, les travaux d’élaboration de la Stratégie de Spécialisation Intelligente (3S) ont positionné ces thématiques comme faisant partie des priorités du POE FEDER 2014-2020 en Corse.
Aussi, EDF a la forte volonté d’installer ce type de système à l’échelle de la cinquantaine (50) de Mégawatt sur leur ouvrage hydraulique à Sampolo et est à l’origine de cette demande de R&D et d’intégration de prototypage sur la PFT PO.
A l’échelle Nationale :
L’Alliance Nationale de Coordination de la Recherche pour l’énergie (ANCRE) qui a pour mission de mieux coordonner et renforcer l’efficacité des recherches sur l’énergie menée par les organismes publics nationaux intègre 9 groupes programmatiques (GP) ou figurent l’énergie solaire (GP4), la consommation énergétique des bâtiments (GP7) et les réseaux énergétiques et stockages (GP10) décliné in fine par le CNRS.
A l’échelle Européenne :
La dépendance énergétique Européenne coûte chaque année 350 milliards d’Euros. C’est pourquoi l’Europe construit une stratégie européenne de l’énergie en ayant trois objectifs qui relèvent de la sécurité de l'approvisionnement, de la compétitivité et de la durabilité. Celle-ci vise à garantir aux citoyens et aux entreprises de l'UE une énergie sûre et respectueuse de l'environnement, à un prix abordable. Pour cela, il s’agit à l’horizon 2030 de passer la part des ENR en Europe de 14,1% à hauteur de 27%. Différents programmes européens existent pour atteindre ces objectifs comme le programme cadre de recherche européen Horizon 2020.
