Hydraulique Air comprimé Stockage « mécanique » de l’énergie

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1 Hydraulique Air comprimé Stockage « mécanique » de l’énergie
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage « mécanique » de l’énergie Hydraulique Air comprimé

2 h rendement (de 0,75 à 0,90) Le stockage Hydraulique
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le stockage Hydraulique La capacité de stockage : le volume et la chute l’énergie potentielle r g Dh à convertir en électricité h rendement (de 0,75 à 0,90) h hauteur nette d’eau en m Q débit nominal en m3/s P (kW) = h  h  g  Q

3 Le stockage Hydraulique
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le stockage Hydraulique Deux grandes familles : les barrages et les stations de pompage hydraulique au fil de l’eau station de pompage / turbinage

4 Les turbines : 4 types principaux
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Technologie mature Barrages : développement historique des technologies adaptées Les turbines : 4 types principaux 1. La turbine Kaplan (type axial) : faible chute (<10m) débit important genre hélice marine à pales orientables pour s’ajuster 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.

5 Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521
90% 80-95% 90-95% 80-83%

6 = Station de Transfert d’Energie par Pompage STEP + ~
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Station de Transfert d’Energie par Pompage STEP turbine heures forte conso pompage basse ~ machine hydroélectrique réversible STEP de Grand’Maison ≈ deux réacteurs nucléaires ! + = schéma de principe rendement : électricité produite/électricité consommée 82%

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

8 STEP Avantages source d’énergie totalement renouvelable non polluante
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 STEP Avantages source d’énergie 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

9 Coût du système à technologie hydroélectrique
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 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 d’exploitation et de maintenance : $0,01 – 0,02/kWhr

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

11 Application à la centrale SOLENHA
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 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 d’eau pour 12h de stockage Encombrement : calculer le nombre de cuves de m3 Hauteur = 14 m et Diamètre = 37 m ou l’épaisseur d’eau sur la surface du terrain... Pour comparaison : ANDASOL (50 MW 7,5h 375 MWhe  1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves m3

12 Application à la centrale SOLENHA
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à la centrale SOLENHA Cahier des charges : 20 MW – 12h soit 240 MWh (12 MW 144 MWhe) Calcul en puissance : P (kW) = h  H  g  Q P = 0,8  129  9,81  Q Q = 19,8 m3/s (11,9 m3/s) Calcul capacitif : V = Q  DT V = 19,8  12  3600 V = m3 ( m3) Encombrement :  56 cuves de H-14 m  D-37,2 m ( m3) (34 cuves ou 64 cm) ANDASOL (50 MW 7,5h 375 MWhe  1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves m3

13 Le Barrage de Serre-Ponçon
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autre solution : Le Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW Dh= 129 m V= 1,2 milliards m3 surface 28,2 km2 débit= 300 Mm3/s V = ? sur 28,2 km2 Dh = ? cm

14 Autre solution : Barrage de Serre-Ponçon
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autre solution : Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW Dh= 129 m V= 1,2 milliards m3 surface 28,2 km2 débit= 300 Mm3/s V = m3 sur 28,2 km2 Dh = 1,8 cm 

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

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

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

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

19 Stockage grande échelle : 50 – 300 MW,
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Avantages du CAES : Stockage grande échelle : 50 – 300 MW, Peut stocker l’énergie sur de longues périodes (1 an), Temps de réponse très court : 9 min à 12 min, Exploitation d’un 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 l’entrée).

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

21 deux cavernes de 150.000 m3 chacune H-200 m; D-30 m
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience HUNTORF Germany E.N. Kraftwerke 1978 (30 ans !) 580 MWh première CAES au monde deux cavernes de m3 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

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

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

24 Alabama Electric Corporation 1991 110 MW
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience McIntosh Alabama USA Alabama Electric Corporation MW Caverne de sel « cylindrique » creusée par dilution à l’eau profondeur m H-300 m D-80 m m3 Pressions : bars Capacité : 110 MW pendant 26 h Démarrage en 15 min Consommation 30% GN (conv 40%) première CAES à récuperateur

25 NES Norton Energy Storage 2700 MW Volume: 10 millions m3
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience Norton Ohio USA NES Norton Energy Storage 2700 MW Volume: 10 millions m3 mines de calcaire disponibles 9 turbine Alstom 300 MW PH = 100 bars turbine à gaz + fuel

26 CAES avec compensation de Pression
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES avec compensation de Pression

27 Quelques perspectives d’amélioration
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Quelques perspectives d’amélioration 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.

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

29 Le travail c’est celui récupéré lors de la détente isotherme du gaz
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12h Le travail c’est celui récupéré lors de la détente isotherme du gaz de PH à Patm : WHatm = ∫ P dV = ∫ (nRT/V) dV transformation isotherme : = nRT ∫ dV/V = nRT ∫ dP/P = nRT ln(PH/Patm) WHatm = n RT ln(PH/Patm) avec n le nombre de moles d’air concernées !

30 nombre de moles d’air concernées :
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 nombre de moles d’air concernées : ce sont celles qui ont quitté le volume ... qui lui, est passé de PH à PB nH PH V, T nB PB V, T Dn = nH – nB = (PH V/RT) – (PB V/RT) = V (PH – PB) / (RT)

31 Wcorr= 1.152.000 MJ = Dn RT ln (70/1) = V  (PH – PB) ln (PH/Patm)
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 hypothèses de travail : « Huntorf » PH = 70 bars, PB = 43 bars, T= 293 K Dn = V  (70 – 43)  105 / (RT) W = 20  12  3600 = MJ ( MJ) rendement de 75% Wcorr= MJ = Dn RT ln (70/1) = V  (PH – PB) ln (PH/Patm) V = m3 ( m3) comparaison « Huntorf » : V =  580MWh/240MWh = ≈ m3

32 Autres hypothèses « Hautes » : PH = 100 bars, PB = 50 bars, T= 293 K
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autres hypothèses « Hautes » : PH = 100 bars, PB = 50 bars, T= 293 K W = 20  12  3600 = MJ rendement de 75% Wcorr= MJ = V  (100 – 50) ln (100/1) V = m3 ( m3) Question : Y-a-t’il une caverne de à m3 sous Le chatelet ???

33 C’est peut-être une grande idée de construire des CES en montagne …
Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 C’est peut-être une grande idée de construire des CES en montagne …