LIGE Présentation choix batterie pour bâtiment mobile autonome Vincent Phlippoteau Daniel Chatroux 4 Septembre 2013 CEA | 10 AVRIL 2012

sommaire Sommaire Données d’entrée Modélisation de la batterie Résultats des simulations pour une batterie de 20kWh Optimisation de la taille de la batterie Considérations annexes (dimensionnement des paNneaux PV, éoliens, etc.) Bilan LIGE - 4 sept 2013

Données d’ENTRée CEA | 10 AVRIL 2012 LIGE - 4 sept 2013

Données d’entrée Fichiers sources Fichier de production solaire : Réception du fichier « FACE SOLEIL - production horaire 25 juillet 2013.xlsx » production solaires du 01/01/2012 au 31/12/2012, au pas horaire, selon 3 technologies et 2 inclinaisons. Fichier de production éolienne : Réception du fichier « FACE VENT - production horaire GRE 25 juillet 2013.xlsx » production solaires du 01/01/2005 au 31/12/2005, au pas horaire, pour 1m² de panneau éolien. Fichier de consommation : Réception du fichier « 20130715_ConsommationsLiveArium.xlsx » + mises à jours ultérieures Consommations du 30/03/2002 au 29/03/2003, XXXXXXXXXXXXXXX LIGE - 4 sept 2013

Travail sur les données sources Données d’entrée Travail sur les données sources Les données sources n’ont pas le même horodatage comme les données sont annuelles, nous les avons décalées pour les mettre sur le même référentiel la base de temps choisie a été du 01/01/2005 au 01/01/2006 LIGE - 4 sept 2013

Production éolienne : présentation Données sources Surface: 30 m² LIGE - 4 sept 2013

Production éolienne : analyse P < 5% Pmax pendant 86% du temps Facteur de charge : 2.44 % Bilan : les éoliennes sont installées sur un site sans vent !! 1m ² 30 m² 100 m² Nb de kWh produit / an 109 3276 10920 Min (kW) Max (kW) 0.51 15.00 51.18 moyenne (kW) 0.012 0.374 1.247 médiane (kW) 0.000 0.014 0.048 LIGE - 4 sept 2013

Production solaire : présentation Données sources Surface: 142.8 m² 3 technos Multi jonctions Monocristallin Cuivre-Indium-Sélénium 2 inclinaisons 5° 15° LIGE - 4 sept 2013

Production solaire : analyse Revoir termes mono cristalin Production solaire : analyse Analyse Surface: 142.8 m² Pour chaque technologie, on gagne 5 à 8% d’énergie en inclinant à 15° au lieu de 5° => préférer 15 ° d’inclinaison Le multi jonctions a un rendement 2.5 à 3 fois meilleur que les autres technologies, le monocristallin a un rendement ~ +18% meilleur que le CIS.  à puissance égales, on pourrait installer : 45 m² de multi, 120 m² de mono, 142.8 m² de CIS On choisit le mono cristallin incliné à 15° Multi jonctions Mono jonction CIS 5° 15° Nb de kWh produit / an 39636 42620 14722 15830 12457 13395 Min (kW) Max (kW) 31 33 11 12 10 moyenne (kW) 4.5 4.9 1.7 1.8 1.4 1.5 médiane (kW) 0.22 0.23 0.08 0.07 LIGE - 4 sept 2013

Production solaire : analyse Comportement hivernal Puissance très faible (< consommation) pendant presque 10 jours consécutifs => problématique importante pour la batterie ! LIGE - 4 sept 2013

Production solaire : analyse Comportement hivernal On peut donc supposer que ces jours de carence de production solaire aura un impact très fort sur le dimensionnement de la batterie => impact fort pour la dimensionnement de la batterie qui ne pourra pas se recharger Exemple : 30 m² d’éoliennes + 142.8 m² de PV mono 15° + 12 kWh de batterie : On décharge beaucoup la batterie ! On ne recharge jamais la batterie ! LIGE - 4 sept 2013

Consommations : présentation Données sources 100 m² de Surface Consommations : Ventilation Eclairage général Informatique Pompe de maintien en pression PAC Chaud PAC Froid LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Analyse Analyse : répartition des consommations des différentes postes Ventilation [kW] Eclairage général [kW] Informatique [kW] Pompe de maintien en pression [kW] PAC Chaud [kW] PAC Froid [kW] Total [kW] Nb de kWh produit / an 166.00 267.00 2045.00 315.00 3911.00 472.00 7177.00 Min (kW) 0.00 0.02 0.04 0.05 Max (kW) 0.10 0.45 1.30 8.36 2.33 9.53 moyenne (kW) 0.03 0.23 0.82 médiane (kW) 0.25 % conso annuelle 2% 4% 28% 54% 7% 100% LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Ventilation négligeable LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Eclairage quasi nulle en été, plus importante en hiver Presque négligeable LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Informatique identique, quelle que soit la saison ~50% de la consommation totale en été, ~25% en hiver LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Pompe de maintien en pression négligeable LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Pompe à chaleur, mode « chaud » => consommation la plus importante on remarquera la consommation aussi en été. Explication : la température de régulation est de 21 °C toute l’année. Les nuits étant plus fraîches, on chauffe pour arriver à 21°C. Ce problème est assez mineur, parce qu’on est sur-production l’été. Ceci traduit un bâtiment sans inertie. LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Pompe à chaleur, mode « froid » Ne consomme que l’été Non négligeable l’été, mais l’été est aussi une période de surproduction énergétique (ie : pas de problèmes de production si panneaux PV). LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Visualisation des températures Régulation à 21°C en journée de travail Min 12°C en dehors du temps de travail Pas de température max en dehors du temps de travail LIGE - 4 sept 2013

Consommations : Visualisation poste par poste Visualisation des températures Zoom sur le mois de décembre LIGE - 4 sept 2013

Modélisation Batterie CEA | 10 AVRIL 2012 LIGE - 4 sept 2013

Production / consommation Hypothèses et choix sur les éléments de production EOLIENNES Les éoliennes ne produisant quasiment rien (facteur de charge de 2.44), une surface de 30m² a été gardée, mais cela a un impact faible sur les résultats. SOLAIRE PV Les panneaux inclinés à 15° étant plus productifs qu’ à 5°, on a gardé cet angle de 15°. 142.8 m² de panneau monocristallins étant largement suffisant, les panneaux multi-jonction ont été écartés (a priori beaucoup plus chers). Les CIS étant a peu près équivalents aux mono, les mono ont été gardés. BILAN : l’étude a été faite pour 30 m² d’éoliennes 142.8 m² de panneaux PV monocristallins, inclinés à 15°. Remarque Ces valeurs restent modifiables dans le fichier EXCEL. LIGE - 4 sept 2013

Modélisation de la batterie Mode de fonctionnement (couplage électrique) Autoconsommation (ce qui est consommé vient de la production, la différence vient de la batterie). Phénomènes modélisés Cette modélisation est la plus simple, largement suffisante pour un dimensionnement en première approximation. La puissance max de charge de la batterie est limitée (par défaut à 1C) La fin de charge de la batterie n’est pas modélisée (on considère qu’on charge à Pmax, jusqu’à atteindre 100% de charge). Lorsque la batterie a un SOC de 100%, la puissance supplémentaire est considérée comme perdue. … Lorsque le SOC de la batterie atteint son seuil min (par défaut 20 %, modifiable), on considère une interruption de service : il n’y a plus de réseau électrique. Les heures sont alors comptées et servent de critère de choix/dimensionnement. LIGE - 4 sept 2013

Modélisation de la batterie Stratégies de délestage Le stockage du surplus d’énergie en été pour une utilisation en hiver menant à un dimensionnement non réaliste (a minima ~1MWh, soit ~10 tonnes de batteries Li-ion), plusieurs stratégies sont proposées. Le critère de choix sera le nombre d’heures d’indisponibilité. Stratégie 1 Pas de stratégie spécifique. Ex : si on veut 0h d’indisponibilité, il faut 950 kWh de batterie … Stratégie 2 Le chauffage est autorisé seulement si la batterie est suffisamment chargée. Par défaut : si SOC <= 70%, le chauffage produit autrement (ex : chauffage gaz auxiliaire) Comme on ne chauffe plus avec la PAC, un chauffage au gaz est pris en compte. On compte alors le nombre de bouteilles de gaz nécessaires pour maintenir la température … / … LIGE - 4 sept 2013

Modélisation de la batterie Stratégies de délestage … / … (Stratégie 3) Idem stratégie 2, sauf qu’on coupe le parc info si le SOC de la batterie descend en dessous d’un certain seuil Stratégie 4 Un groupe électrogène se met en route lorsqu’on atteint un certain seuil. Le chauffage reste assuré par la PAC LIGE - 4 sept 2013

Modélisation de la batterie Contrainte : De manière simple : il existe 2 modèles : celui du logiciel « Energie + », et le fichier excel avec la batterie. Il faudrait coupler les 2. Nous avons eu accès à une sortie de modèle (logiciel « Energie + »). Ce modèle gère notamment le pilotage de la PAC pour réguler la température de la pièce. Si on applique la stratégie 1 : Pendant le temps d’indisponibilité, on ne chauffe pas, donc la température baisserait, ce qui aurait pour conséquence une augmentation de la puissance. Ce phénomène n’est pas modélisé Idem pour les autres stratégies, si on passe en dessous du seuil bas de batterie. Cependant, si on a un temps d’indisponibilité de 0h, alors le fichier d’entrée (= sortie de modèle « Energie + ») ne devrait pas changer. LIGE - 4 sept 2013

Résultats des simulations pour une batterie de 20kWh CEA | 10 AVRIL 2012 LIGE - 4 sept 2013

Résultats avec batterie de 20kWh nb d'heures < seuil 933 h soit 10.65% du temps sur l'année nb d'heures < seuil, durant temps d'occupation 320 nb d'heures < seuil, hors temps d'occupation 613 nrj ELECTRIQUE à fournir, durant temps d'occupation 708.6 kWh nrj ELECTRIQUE à fournir, hors du temps d'occupation 551.60 Statégie 1 Batterie = 20kWh Seuil batterie = 20% LIGE - 4 sept 2013

Résultats avec batterie de 20kWh nb d'heures < seuil 7 h soit 0.08% du temps sur l'année nb d'heures < seuil, durant temps d'occupation 1 nb d'heures < seuil, hors temps d'occupation 6 nrj ELECTRIQUE à fournir, durant temps d'occupation 0.2 kWh nrj ELECTRIQUE à fournir, hors du temps d'occupation 0.6 nrj THERMIQUE à fournir, durant temps d'occupation 1460 nrj THERMIQUE à fournir, hors du temps d'occupation 741 13 Bouteilles de butane de 13kg Statégie 2 Batterie = 20kWh Seuil batterie = 20% Seuil déclenchement chauffage thermique : 70% LIGE - 4 sept 2013

Résultats avec batterie de 20kWh nb d'heures < seuil 665 h soit 8 % du temps sur l'année nb d'heures < seuil, durant temps d'occupation 215 nb d'heures < seuil, hors temps d'occupation 450 nrj ELECTRIQUE à fournir, durant temps d'occupation 420 kWh nrj ELECTRIQUE à fournir, hors du temps d'occupation 454 temps de fonctionnenment des PCs 2175 temps de travail théorique 2871 76% Statégie 3 Batterie = 20kWh Seuil batterie = 20% Seuil déclenchement de l’arrêt des PCs : 70% LIGE - 4 sept 2013

Résultats avec batterie de 20kWh nb d'heures < seuil h soit 0 % du temps sur l'année nb d'heures < seuil, durant temps d'occupation nb d'heures < seuil, hors temps d'occupation nrj ELECTRIQUE à fournir, durant temps d'occupation kWh nrj ELECTRIQUE à fournir, hors du temps d'occupation nrj ELECTRIQUE fournie par le géné, durant temps d'occupation 450 nrj ELECTRIQUE fournie par le géné, hors du temps d'occupation 544 497 L d’essence durée d'utilisation géné : Statégie 4 Batterie = 20kWh Seuil batterie = 20% Déclenchement géné : 20% P géné : 2kW (fixe) Remarque : Le pas horaire pour le calcul est trop grand : il faudrait un pas à la minute pour ce genre de simulation LIGE - 4 sept 2013

OPTIMISATION taille batterie CEA | 10 AVRIL 2012 LIGE - 4 sept 2013

Optimisation taille batterie Comparaison stratégie 1 et 2 Comme on l’a vu précédemment, lors de la présentation du « creux » de production du mois de décembre, dans la stratégie 1, il faut dimensionner la batterie pour tenir au moins 10 jours. Soit : la comparaison suivante : LIGE - 4 sept 2013

Optimisation taille batterie Optimisation de la stratégie 2 Au final, nous préconisons la stratégie 2, voir 4. LIGE - 4 sept 2013

Considérations annexes (dimensionnement des paNneaux PV, éoliens, etc CEA | 10 AVRIL 2012 LIGE - 4 sept 2013

Considérations annexes Questions préliminaires Quel est le positionnement ? L’utilisation d’éoliennes est-elle obligatoire partout ? Avis sur l’utilisation ou non d’une groupe électrogène? La minimisation du coût pour le client est-elle un facteur important ? Peut-on utiliser d’autres énergies ? (solaire thermique, etc.) LIGE - 4 sept 2013

Considérations sur l’éolien Energie éolienne Comme déjà dit au dessus, installer des éoliennes dans un tel endroit n’est pas judicieux (facteur de charge 2.44) Nous préconisons, pour ce cas précis, la non utilisation d’éoliennes En effet, installer des éoliennes dans des endroits peu judicieux peut donner une mauvaise image: Les utilisateurs (et donc les meilleurs promoteurs de la techno) risquent d’avoir comme discours « les éoliennes ne fonctionnent presque jamais » => mauvaise image. LIGE - 4 sept 2013

Considérations sur l’éolien Etat de charge de la batterie pour le cas précédent : Batteries : 20 kWh 0 m² d’éoliennes 142.8 m² de PV mono15° Stratégie 2 Seuil de chauffage à 70% Seuil d’arrêt à 20% nb d'heures < seuil, durant temps d'occupation : 27 h LIGE - 4 sept 2013

Considérations sur le solaire Energie solaire Prenons le cas précédent : Batteries : 20 kWh 0 m² d’éoliennes 142.8 m² de PV mono15° Stratégie 2 avec seuil de chauffage à 70% Seuil d’arrêt à 20% Cela donne, pour 1 an : Energie produite par les PV : 18408 kWh Energie consommée : 4793 kWh Énergie perdue car batterie pleine : 13615 kWh => sur 1an, ¼ de l’énergie solaire est utilisée, ¾ sont perdus Bien que 142.8 m² permettent d’assurer l’autonomie avec une batterie de ~20kWh, le système PV est globalement sur-dimensionné. LIGE - 4 sept 2013

Considérations sur le solaire Résultats en diminuant la surface des capteurs PV Batteries : 20 kWh 0 m² d’éoliennes 40 m² de PV mono15° Stratégie 2 seuil de chauffage à 70% Seuil d’arrêt à 20% … mais plus de 1130 h d’indisponibilité … Il faut la stratégie 4 car la production d’énergie en hiver est insuffisante LIGE - 4 sept 2013

Considérations sur le solaire Résultats en diminuant la surface des capteurs PV Batteries : 20 kWh 0 m² d’éoliennes 40 m² de PV mono15° Stratégie 4 seuil de déclenchement : 20% seuil d’arrêt : 25% P géné = 2 kW Rq: chiffres à affiner à cause du calcul au pas horaire Energie électrique fournie par le géné, durant temps d'occupation 1340 kWh Energie électrique fournie par le géné, hors du temps d'occupation 1452 kWh soit 1396 L d’essence, pendant 1396 h, sans cogénération LIGE - 4 sept 2013

BILAN CEA | 10 AVRIL 2012 LIGE - 4 sept 2013

Points importants relevés lors de cette présentation Bilan Points importants relevés lors de cette présentation Etude des vents indispensable avant de décider l’installation d’une éolienne En site isolé, ¾ de l’énergie photovoltaïque produite en été est perdue si on dimensionne les panneaux pour produire suffisamment en hiver (ie: 142.8m² ici) => quelle surface de PV choisir ? Dimensionnement de la batterie : ordre de grandeur : pouvoir alimenter le bâtiment pendant au moins 1 semaine (cas de plusieurs jours sans soleil en hiver). Importance des stratégies de gestion de l’énergie : Utilisation d’un groupe électrogène ? Si oui, de quelle puissance ? Quelle stratégie de pilotage ? Cogénération (avec le circuit de refroidissement ? Récupération de la chaleur des fumées ?) ? Quel type de carburant (Essence ? Gasoil ? Gaz ? … huile végétale ? Bio gaz ? …) ? Le chauffage à partir des batteries pas n’étant pas très judicieux, quel type de chauffage alternatif (Essence ? Gasoil ? Gaz ? … Bois ? Huile végétale ? Bio gaz ? …) Chauffage solaire thermique (en masquant les panneaux l’été) ? LIGE - 4 sept 2013

Bilan Suite des actions Quelles sont les futures actions ? Livrables ? LIGE - 4 sept 2013