Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage de l’Energie Pr Xavier Py

INTRODUCTION Définition du stockage (?) Pourquoi stocker l’énergie ? Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 INTRODUCTION Définition du stockage (?) Pourquoi stocker l’énergie ? Comment la stocker ? Comment qualifier le stockage ? Eléments de choix pour une application.

Définition ? du stockage Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Définition ? du stockage Le stockage de l’énergie est l’opération unitaire qui consiste à emmagasiner une énergie disponible pendant une période de disponibilité pour la restituer en différé. Cette opération s’accompagne généralement de pertes, de dégradations mais peut aussi être couplée à d’autres fonctions. assez réducteur...

des fonctionnalités potentielles Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Classifications des fonctionnalités potentielles Fonction « production différé » : en capacité en puissance Protection thermique : en température Régulation : en fréquence Conversion : absorbeur solaire homogénéité focale véhicules Centrales ES Géothermie solaire Clim Asie Électroniques de P PV, CAPT sous vide nucléaire Centrales EnR Clim Solaires ECS dilution de la source Concentration S qualité du flux alternances fct

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Conséquences Le « stockage » n’est pas seulement un « plus » dans un procédé... Le « stockage » doit être intégré au procédé ! Avantages : fonctionnalités supplémentaires réduction d’interfaces (et donc des coûts et meilleur rendement)

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Objectif : gérer le déphasage source / demande MW 50 40 30 20 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Vers stockage Solaire direct Hybridation fossile stock 200-400°C 20-100 kW/m2 Luz SEGS I huile synthétique < 400°C pas de stockage  hybridation énergie fossile five 30MW Mojave desert of California

Déphasage source/demande Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Déphasage source/demande Une réalité à deux niveaux Une réalité pour le réseau côté client :  Le consommateur a sa propre courbe de besoins. Variation puissance consommée en France moyenne journalière Une réalité côté production avec les EnR...délocalisées ! Acceptabilité des EnR ! Dans un réseau initialement fait pour du centralisé. fluctuation P ferme 76 Éoliennes Québec le 16 Mars 2004

Stockage de production : Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage de production : stratégie d’optimisation technico/commerciale source/demande impact direct sur la valeur marchande de l’élec produite parfois cadre législatif (Espagne 3-4 h) pour mise en réseau en générale quelques heures de production  qq MWh

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Cas des centrales cylindroparaboliques Stockage chaleur sensible L - thermoclines - huiles - sels fondus - HTF/fillers Stockage chaleur Latente L/S - sels inorganiques composites sels/graphite 50-500 kWh/m3 (DT≈ 0°C ! ) ~ 30 €/kWh 10-50 MWe 100 kW/m2 < 400 °C (huile) ? 52 kWh/m3 (DT= 100°C) 20 – 30 €/kWh hth-el ~ 30-40% 220°C objectif sel seul Stockage chaleur sensible S - béton céramiques céramiques recyclées 70 kWh/m3 (DT= 100°C) ~ 30 €/kWh /1000 Béton haute T Céramique (Al2O3 + Ox Fer) Objectif : gérer le déphasage source/demande

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Cas des centrales cylindroparaboliques HTF Stockage direct : HTF = matériau stockage (SEGS1 huile, Thémis, Solar two sels fondus) Stockage indirect : HTF ≠ matériau stockage (Solar One, ANDASOL) HTF

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Cas des centrales à tour Objectif : gérer le déphasage source/demande 2-20 MWe 565 °C 1400 t sel 31$/kWh THEMIS 2.5 MWe 560°C 550 t sel Hier : stockage sensible à sel fondu … demain stockage chimique ? ou à chaleur latente ? Enjeux : Températures jusqu’à 1000°C Densités de flux 250-1000 kW/m2 Nouvelles filière: céramiques recyclées

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Objectif : gérer déphasage et dilution Dilution (?) de la source EREC Valeurs moyennes : Moyenne bâtiment : 400 kWh/m2/an Objectif 2050 : 100 kWh/m2/an Objectif habitat : 50 kWh/m2/an Source solaire : > 1000 kWh/m2/an Mais besoins ponctuels en puissance  Stockage nécessaire

Fonctionnalité « stockage » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « stockage » Objectif : gérer le déphasage dilution Saunier-Duval/Vaillant Enjeux : Valorisation en puissance, Sanitaire (éliminer l’eau), Encombrement (densification), Efficacité (réduction des surfaces et coûts), Intégration (structure, capteur multifonctionnel). Sujet de TD n°1 Eau chaude sanitaire  Évolution à méditer pour les CES !

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Intermittences prévisibles Cas de l’habitat : gestion énergétique passive Zone de confort chauffage climatisation Béton : r Cp = 1.4 MJ/(m3 K) Matériau Idéal : r Cp = 100 MJ/(m3 K) !!! Enjeux : Matériaux (r Cp, L, toxicité, prix), Intégration structure, Gestion (passive, active, comportementale).

Fonctionnalité de différé, cas de l’habitat Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de différé, cas de l’habitat

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Intermittences prévisibles Géothermie de surface ou géothermie « solaire » Enjeux : Intensification captage solaire, Intensification stockage, Optimisation HTF, échangeurs.

Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Intermittences prévisibles « Free cooling » Gestion ouvertures/fermetures Free cooling avec stockage

Climatisation Solaire Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Déphasage procédé/source Climatisation Solaire Stockage chaud 360 kg RT80 20 kg de GNE 35% heat stored Capteurs solaires 22 m2 - (Megasun) (60 kWh heat received) Stockage froid 380 kg RT5 20 kg GNE 80% coldness stored géothermie (thermal sink at 2 m) S=16 m2 - 50 kWh Réacteur thermochimique 130 kg BaCl2 30 kg GNE 60 kg NH3 cycled 24 kWh coldness

Fonctionnalité de protection Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection En température: PV avec production ECS en stockage

Fonctionnalité de protection Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection En puissance et en température réacteur nucléaire électroniques

Fonctionnalité de protection Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection Intermittences imprévisibles Procédés solaires Dish-Stirling Contraintes thermomécaniques Fiabilisation Acceptabilité (lissage de production) réduction Prix kWhe CNRS PROMES Odeillo

Fonctionnalité de protection Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection Intermittences imprévisibles Stockage vapeur 20-30 kWh/m3 100 €/kWh Centrale PS10 (Séville) PS10 Séville 11 MWe Stockage 50 mn à 50% : 25 MWh vapeur 40 bars 250°C

Fonctionnalité de conversion et protection Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de conversion et protection Moins de constituants: - meilleurs rendement - moindre coût - plus fiable - plus léger

Fonctionnalité de conversion et protection Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de conversion et protection Certainement des choses à faire !

Climatisation solaire Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de régulation Climatisation solaire SOLACLIM centrale cylindroparabolique évaporation directe de vapeur DISTOR Prg Eur. DISTOR (S. Pincemin)

Problématiques du stockage définir avant tout… Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Problématiques du stockage définir avant tout… Fonctionnalités : stockeur, isolant (par inertie), limiteur de T, tampon, absorbeur… Matériaux : propriétés, élaboration, composites, surfusion, mélanges binaires, stabilité thermique et chimique, coût, disponibilité, inflammabilité, PCM multi-T, Toxicité, recyclabilité… Enveloppe : corrosion, tenue mécanique, échange fluide/matériau, encombrement, connexions,… - Intégration du matériau : encapsulation, en calandre,… Intégration dans le procédé d’application : où, comment,… Modélisation, simulation : échelles du matériau, du stock, du procédé,… Intérêts du stockage : réduction des coûts, analyse de cycle de vie, contenu énergétique (payback), critères de pertinence - Gestion du stockage : télégestion, SAV, alarmes,…

Supraconducting Magnetic ES Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Techniques de stockage de l’énergie Technologies matures d’intérêt Stockage mécanique Stockage thermique Stockage chimique Stockage magnétique Hydraulique STEP Air comprimé Volant d’inertie Chaleur sensible Chaleur latente Chaleur adsortion Chaleur absorption Electrochimie Photosynthèse Thermochimie Hydrogène Supraconducteurs SMES Supraconducting Magnetic ES

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs La capacité énergétique: Qmax C’est une énergie, donc en Joule ou en W×h (facteur 3600!) Elle n’est pas totalement disponible (pertes, irréversibilités,…) Elle influe directement sur les dimensions du stockage (poids, volume) Notions dérivées: densité énergétique volumique - Qmax/Vstockage en J/m3 densité énergétique massique - Qmax/Mstockage en J/kg Déjà un critère de choix selon les applications…

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs L’état de charge: SOC pour State of Charge énergie stockée / capacité énergétique SOC = Qstock / Qmax en fraction ou en % Simple pour: électricité, fuel, gaz, mécanique Difficile pour: thermique, thermochimique

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Profondeur de décharge PDC PDC= (Qmax – Qstock) / Qmax PDC= 1 – SOC en fraction ou en % Peut être limitée: sécurité, rendement, …

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Puissance de stockage : Pmax C’est un débit d’énergie, une vitesse de stockage (<0) ou déstockage (>0) donc en J/s ou W Comme la vitesse d’un véhicule, on distingue: la puissance moyenne: DE/Dt la puissance instantanée: ∂E/ ∂t

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Constante de temps: t = Qutile / Pmax en s Paramètre prépondérant pour la sélection d’un stockage, essentiel concernant la pertinence te la technologie/application. t = 8 s t = 5 à 10 h

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Rendements du stockage: h = Qutile / Qfournie en fraction ou en % rapport énergie restituée / énergie fournie (!) Attention: c’est aussi à relier au nombre de cycles et à la gestion (EDF)

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Cyclabilité Nombre de cycle charge/décharge avant dégradation des performances. A relier à l’usage, à la durée d’exploitation. Dépend des amplitudes, des états de fin de charge et de décharge Parfois très difficile à garantir 2500 °C/min

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Coûts économiques coût d’investissement, coût d’exploitation en euros / (kW h) ou en euros / (kW) Ne tiennent pas forcément compte de tous les coûts… Partie très suggestive: dépend du moment, du lieux, des partenaires,…

Principaux paramètres descriptifs Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Coût environnemental : ACV Sûreté, nocivité, recyclabilité, … Energie grise, GES comparés au service rendu ? Etudes rarement disponibles… Pour le CSP: 2011 !

Cummulative Energy Demand Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Cummulative Energy Demand

L’avis d’un grand de l’énergétique Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 L’avis d’un grand de l’énergétique EDF R&D Séminaire Stock-E Janvier 2008

L’avis d’un grand de l’énergétique Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 L’avis d’un grand de l’énergétique EDF R&D Séminaire Stock-E Janvier 2008

Systèmes installés, retour expérience Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Systèmes installés, retour expérience

Puissance/temps caractéristique Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Domaine stockage Puissance/temps caractéristique CES cylindroparaboliques

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Domaine stockage Puissance/capacité

Coût Invest par capa / coût invest par P Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Domaine stockage Coût Invest par capa / coût invest par P

Stockage par volant d’inertie Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage par volant d’inertie

Stockage par volant d’inertie Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage par volant d’inertie Régulation en fréquence Fort intérêt des Flywheels : la régulation en fréquence ! beaucoup de P instantanée ! y compris pour une centrale ES !