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Submitted on 3 Mar 2012

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Solutions de stockage de lnergie pour les systmes deproduction intermittente dlectricit renouvelable

Gal Robin, Marie Ruellan, Bernard Multon, Hamid Ben Ahmed, Pierre-YvesGlorennec

To cite this version:Gal Robin, Marie Ruellan, Bernard Multon, Hamid Ben Ahmed, Pierre-Yves Glorennec. Solutions destockage de lnergie pour les systmes de production intermittente dlectricit renouvelable. ColloqueSeaTechWeek 2004 (Semaine Internat. des Technologies de la Mer), Oct 2004, BREST, France. 9p.,2004.

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Solutions de stockage de lnergie pour les systmes de production intermittente dlectricit renouvelable

G. ROBIN, M. RUELLAN, B. MULTON, H. BEN AHMED, P.Y. GLORENNEC*

SATIE (UMR 8029 CNRS) - ENS Cachan - Antenne de Bretagne - Campus de Ker Lann, 35170 BRUZ. * IRISA Campus Universitaire de Beaulieu - Avenue du Gnral Leclerc -35042 RENNES Cedex - France

E-Mail : robin@bretagne.ens-cachan.fr I - Energies renouvelables et stockage

Lolien offshore, avec 540 MW installs la fin de lanne 2003 et plus de 60 GW dinstallations en projet sur lEurope pour les dcennies venir [EUR_04], connat un taux de croissance trs important. Sur la base dun potentiel offshore estim 3000 TWh/an [GER_94], une tude conduite par BTM Consult [EWE_04] a valu 315 TWh/an le potentiel vraisemblablement exploitable dans les deux ou trois prochaines dcennies compte tenu des contraintes de cots actuelles et dacceptabilit des populations. Les nergies marines mergentes (courants marins, houle) sont galement promises un fort taux de croissance, lEREC (European Renewable Energy Council) a tabli des projections jusquen 2040 [ERE_04]. La production marine attendue pourrait ainsi atteindre 230 TWh/an si des politiques incitatives sont mises en place, dans le cas contraire, ce chiffre se rduirait 104 TWh/an.

La mer constitue donc une ressource pour la production dnergie lectrique qui assurera une part de plus en plus importante de notre consommation.

Une caractristique commune ces diffrentes ressources nergtiques est la fluctuation de la puissance produite au fil du temps (Fig. 1) [ADE_03]. Or la stabilit du rseau repose sur lquilibre entre production et consommation. On estime que les rseaux modernes peuvent accueillir jusqu 20% de production fluctuante sans problme technique majeur [EWE_04], le Danemark a dj atteint de faon instantane plus de 50% de production olienne. Cette performance a t rendue possible par un quilibrage des imports/exports avec les pays voisins et notamment la Norvge et la Sude qui possdent de trs grandes capacits de stockage hydraulique.

Fig. 1 Evolution temporelle de la puissance issue dun

gnrateur houlomoteur (modle numrique).

Le stockage reprsente donc la cl de la pntration des nergies renouvelables sur le rseau lectrique. Il fournit non seulement une solution technique au gestionnaire du rseau pour assurer en temps rel lquilibre production consommation mais il permet galement dutiliser au mieux les ressources renouvelables en vitant un dlestage en cas de surproduction. Associ une production locale dorigine renouvelable, un stockage dcentralis prsenterait galement lavantage damliorer la robustesse du rseau lectrique en permettant un fonctionnement en lotage de la zone alimente par cette ressource. II - Caractristiques des moyens de stockages

Dans ce paragraphe nous avons choisi de prsenter les caractristiques que nous avons juges fondamentales avec un regard critique sur leur interprtation. Ces caractristiques sont utilises pour tablir des comparaisons entre les diffrentes technologies de stockage de llectricit. Elles permettent notamment de dgager les technologies candidates pour chaque type dapplication (stationnaire ou embarque, stockage court ou long terme, puissance maximale ncessaire, ).

- Wstoc : la capacit nergtique en Wh (Wattheures), gnralement fortement dimensionnante. Lnergie exploitable dpend nanmoins du rendement de charge ou dcharge, elle varie donc avec le temps de transfert. En charge ou dcharge trs rapide, le rendement se dgrade et lnergie extractible peut tre trs infrieure la capacit nergtique. A loppos, en rgime trs lent, cest lautodcharge qui va pnaliser le bilan. Enfin, les accumulateurs ne peuvent pas toujours tre dchargs compltement, lnergie exploitable est alors infrieure lnergie totale stocke. Souvent, la capacit nergtique est dfinie sur la base dune nergie totale stocke suprieure celle rellement exploitable que nous noterons Wutil . - Pmax : la puissance maximale de charge ou de dcharge (parfois diffrentes). En ralit, ce qui caractrise le plus une technologie de stockage cest le rapport de la capacit nergtique (utile) sur la puissance maximale.

mailto:robin@bretagne.ens(cachan.fr

- : constante de temps.maxPstocW= ou, ce qui serait

plus judicieux maxPutilW . Considrons par exemple un

systme de stockage hydraulique gravitaire, la capacit de stockage est lie la masse deau et la dnivele entre les bassins haut et bas, alors que la puissance est dtermine par la taille des conduites et la puissance des groupes rversibles turbines-machines lectriques. Toutes les technologies de stockage ne permettent pas un dcouplage aussi ais des dimensionnements en puissance et en nergie et donc un choix de la constante de temps optimale. - : le rendement. Sa dfinition est souvent simpliste car elle est fournie pour un seul point de fonctionnement, dailleurs non prcis. Or, de faon caricaturale, il y a des pertes vide ou dautodcharge et des pertes en charge . Le rendement doit donc tre dfini sur un ou plusieurs cycles ralistes en rapport avec lapplication. Ainsi un systme optimis avec une faible constante de temps aura un meilleur rendement pour des sollicitations rapides. Le schma quivalent de la figure 2 met en vidence de faon simpliste lexistence dun temps de dcharge optimal et dun rendement maximal. La quantit totale dnergie rcupre au cours dune dcharge complte dpend donc de la puissance appele. Pour les systmes de stockage rels, ces rsultats se compliquent car les lments du schma quivalent varient avec le point de fonctionnement, et notamment avec ltat de charge. On aboutit ainsi, dans le cas des batteries au plomb-acide, au rseau de caractristiques de la figure 3 qui montre lvolution du rendement en fonction de ltat de charge, pour les phases de charge et de dcharge, pour diffrentes valeurs de puissance.

Fig. 2 - Schma lectrique de principe permettant de mettre en vidence leffet du courant ou du temps de

dcharge sur le rendement (Wmax = E.Q). Les courbes en pointills correspondent un modle sans rsistance

dautodcharge.

- Ncycl : le nombre maximal de cycles de charge-dcharge ou cyclabilit. Tout dispositif de stockage subit une fatigue ou usure lors des cycles. Cela constitue gnralement la premire cause de vieillissement devant la dgradation thermique classique. Les processus de fatigue sont souvent complexes et la cyclabilit nest pas toujours bien dfinie. Dans tous les cas, elle est fortement lie lamplitude des cycles (figure 4) et/ou ltat de charge moyen. Mais comme les cycles sont souvent trs variables, la quantification de Ncycl est dlicate. Les valeurs fournies constituent des ordres de grandeurs.

Fig. 3 Courbes de rendement dun accumulateur au

Plomb 48V310 Ah (15 kWh pour une dcharge en 10h) paramtres en puissance.

Fig. 4 - Evolution du nombre de cycles en fonction de la

profondeur de dcharge pour des accumulateurs lectrochimiques ([MES_99])

- Les cots : dinvestissement (achat : le cot le plus marquant) et de fonctionnement (maintenance, nergie perdue lors des cycles, remplacement des accumulateurs en fin de vie). Les systmes les moins coteux linvestissement sont gnralement ceux qui se dgradent le plus vite en cyclage et dont le rendement est le plus mauvais. Pour minimiser le cot, il est indispensable deffectuer une analyse sur la dure de vie escompte du systme complet incluant le dispositif de stockage. Enfin, dans une logique de dveloppement durable, le cot global sur cycle de vie, incluant les dpenses de matires premires, dnergie et autres cots environnementaux de la fabrication au recyclage, doit tre considr. Le cot dinvestissement est gnralement spcifi en /kWh pour les accumulateurs longue constante de temps et en /kW pour ceux, plutt dimensionns en puissance, faible constante de temps. Mais en ralit, il serait logique de rpartir le cot entre cot de lnergie stocke

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 100,2

0,4

0,6

0,8

1

tat de charge R

ende

men

t

Charge

Dcharge

Pbat=1kW

Pbat=3kW

Pbat=2kW

Pbat=4kW

ccII

1 0,5

1

0,5

0

1

0

tmin = Wmax/(E.Icc)

max

topt tmin (R0/R)

E R0R

I

t

U

30

1000

10000

Profondeur de dcharge en %

Nom

bre

max

imal

de

cycl

es

3000

5000

7000

40 50 60 70 80

exploitable Wutil et cot de la capacit en puissance maximale. On noterait alors le cot dinvestissem