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Stockage « mécanique » de lénergie Hydraulique Air comprimé Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521.

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1 Stockage « mécanique » de lénergie Hydraulique Air comprimé Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

2 Le stockage Hydraulique La capacité de stockage : le volume et la chute lénergie potentielle g h à convertir en électricité P (kW) = h g Q rendement (de 0,75 à 0,90) h hauteur nette deau en m Q débit nominal en m 3 /s Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

3 Le stockage Hydraulique Deux grandes familles : les barrages et les stations de pompage hydraulique au fil de leau station de pompage / turbinage

4 Les turbines : 4 types principaux 1. La turbine Kaplan (type axial) : faible chute (<10m) débit important genre hélice marine à pales orientables pour sajuster 2. La turbine Pelton (à impulsion): hautes chutes ( m), faibles débits roue à augets alimentée en eau haute pression par injecteurs 3. Turbine Francis (centrifuge) : moyenne chute ( m), débit moyen 4. Turbine Crossflow (Banki-Mitchell) (à impulsion) : rendement moyen, peu utilisée. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Technologie mature Barrages : développement historique des technologies adaptées

5 Laboratoire PROMES CNRS UPR % 80-95% 90-95% 80-83%

6 Station de Transfert dEnergie par Pompage STEP STEP de GrandMaison deux réacteurs nucléaires ! turbine heures forte conso pompage heures basse conso ~ schéma de principe rendement : électricité produite/électricité consommée 82% machine hydroélectrique réversible Laboratoire PROMES CNRS UPR =

7 mais aussi possibilité déchanger entre un bassin de surface et un aquifère Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 STEP

8 Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Avantages source dénergie totalement renouvelable non polluante coûts de fonctionnement et entretien faibles technologie mature longue durée de vie (même après 50 ans) temps de réaction très rapide fortes capacités puissance produite flexible seule EnR à production à la demande déphasage de capacité de source /solaire en saisonnier STEP

9 Coût du système à technologie hydroélectrique données moyennes pour petites centrales hydroélectriques de 125 kW et de 32,4 MW Coût de la turbine : $450 - $600/kW Coût total du projet : $ $2.100/kW Répartition des coûts : Génie civil % Matériel % Infrastructure % Coûts de construction % Durée moyenne de construction : 2-3 ans Coût dexploitation et de maintenance : $0,01 – 0,02/kWhr Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

10 Altitude terrain: 2726 ft (831m) POSITION(Coordonnées GPS): Latitude °31'08''N Longitude °44'15''E Le site de Le Chatelet Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 ~ 100 m

11 Application à la centrale SOLENHA Cahier des charges : 20 MWe – 12h Calcul en puissance : supposant un rendement de 80% calculer le débit pour une chute de 129 m Calcul capacitif : en déduire le volume deau pour 12h de stockage Encombrement : calculer le nombre de cuves de m 3 Hauteur = 14 m et Diamètre = 37 m ou lépaisseur deau sur la surface du terrain... Pour comparaison : ANDASOL (50 MW 7,5h 375 MWhe 1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » T= 93°C: 2 cuves m 3 Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

12 Cahier des charges : 20 MW – 12h soit 240 MWh (12 MW 144 MWhe) Calcul en puissance : P (kW) = H g Q P = 0, ,81 Q Q = 19,8 m 3 /s (11,9 m3/s) Calcul capacitif : V = Q T V = 19, V = m 3 ( m3) Encombrement : 56 cuves de H-14 m D-37,2 m ( m 3 ) (34 cuves ou 64 cm) ANDASOL (50 MW 7,5h 375 MWhe 1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves m 3 Application à la centrale SOLENHA Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

13 Autre solution : Le Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW h= 129 m V= 1,2 milliards m 3 surface 28,2 km 2 débit= 300 Mm 3 /s V = ? sur 28,2 km 2 h = ? cm Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

14 Autre solution : Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW h= 129 m V= 1,2 milliards m 3 surface 28,2 km 2 débit= 300 Mm 3 /s V = m 3 sur 28,2 km 2 h = 1,8 cm Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

15 En France un savoir-faire à exploiter... aussi dans ce domaine ! Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

16 CAES Compressed Air Energy Storage rendement ~ 70-75% stockage/déstockage thermique transformation ~ isotherme si système adiabatique stockage thermique associé ! Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

17 schéma bloc CAES cest aussi un système de stockage thermique forte puissance/capacité... pour limiter T out et les pertes E : étages et échangeurs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

18 Electricité out/Electricité in 1,5 Combiné à une source énergétique : GN, fuel,... biomasse, solaire !!! Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

19 Avantages du CAES : Stockage grande échelle : 50 – 300 MW, Peut stocker lénergie sur de longues périodes (1 an), Temps de réponse très court : 9 min à 12 min, Exploitation dun volume existant (réduction investissement), Volume de stockage invisible (acceptabilité), Séparation des étapes compression/génération: on exploite en production 100% de la turbine à gaz (1/3 en conventionnel pour comprimer le gaz à lentrée). Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

20 CAES Compressed Air Energy Storage Inconvénients du CAES : Besoin dune caverne pour être low-cost, Aspects de corrosion à traiter sur de lair comprimé humide, Surveillance nécessaire de la « structure », Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

21 HUNTORF Germany E.N. Kraftwerke 1978 (30 ans !) 580 MWh première CAES au monde deux cavernes de m 3 chacune H-200 m; D-30 m profondeur m Pressions: bars Vitesse de décompression max : 15 bars/h 290 MW pendant 2h 60 MW pendant 12h Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour dexpérience

22 Deux cavernes : avantages - redondance pour maintenance, - remise en pression plus rapide en cas de remise à P atm, - minimum de 13 bars pour démarrer le compresseur (besoin dun compresseur mobile au démarrage). problème de tenue des canalisations en fibre de verre/polymère Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retours dexpérience : Huntorf

23 Mesures Laser sur la structure entre 1984 et 2001 : pas deffet échanges thermiques avec la paroi sur une épaisseur de 1 m environ Retours dexpérience : Huntorf Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

24 McIntosh Alabama USA Alabama Electric Corporation MW Caverne de sel « cylindrique » creusée par dilution à leau profondeur m H-300 m D-80 m m 3 Pressions : bars Capacité : 110 MW pendant 26 h Démarrage en 15 min Consommation 30% GN (conv 40%) première CAES à récuperateur Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour dexpérience

25 Norton Ohio USA NES Norton Energy Storage 2700 MW Volume: 10 millions m 3 mines de calcaire disponibles 9 turbine Alstom 300 MW P H = 100 bars turbine à gaz + fuel Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour dexpérience

26 CAES avec compensation de Pression Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

27 Quelques perspectives damélioration Stockage thermique : capacité MWth, T~ 600°C matériaux résistants en T et P et corrosion ! Compresseurs adaptés : domaines de T et P (600°C, 160bars) haut rendement, débit variable, temps de réponse court (qq min) Turbines Air : nouvelles nécessaires 300 MW domaines de T, P, Q. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

28 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12h hypothèses de travail : rendement : 75% (1) type « Huntorf »: P H = 70 bars, P B = 43 bars, T= 293 K (2) type « Hautes »: P H = 100 bars, P B = 50 bars, T= 293 K Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

29 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12h Le travail cest celui récupéré lors de la détente isotherme du gaz de P H à P atm : W H atm = P dV = (nRT/V) dV transformation isotherme : = nRT dV/V = nRT dP/P = nRT ln(P H /P atm ) W H atm = n RT ln(P H /P atm ) avec n le nombre de moles dair concernées ! Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

30 nombre de moles dair concernées : n H P H V, T n B P B V, T n = n H – n B = (P H V/RT) – (P B V/RT) = V (P H – P B ) / (RT) ce sont celles qui ont quitté le volume... qui lui, est passé de P H à P B Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

31 hypothèses de travail : « Huntorf » P H = 70 bars, P B = 43 bars, T= 293 K n = V (70 – 43) 10 5 / (RT) W = = MJ ( MJ) rendement de 75% W corr = MJ = n RT ln (70/1) = V (P H – P B ) ln (P H /P atm ) V = m 3 ( m 3 ) comparaison « Huntorf » : V = MWh/240MWh = m 3 Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

32 Autres hypothèses « Hautes » : P H = 100 bars, P B = 50 bars, T= 293 K W = = MJ rendement de 75% Wcorr= MJ = V (100 – 50) ln (100/1) V = m 3 ( m 3 ) Question : Y-a-til une caverne de à m 3 sous Le chatelet ??? Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521

33 Cest peut-être une grande idée de construire des CES en montagne …


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