ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 2. J.P. Hulot Février 2016

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1 ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 2

2 AVANT-PROPOS L électricité se stocke difficilement Alors pourquoi chercher à stocker l électricité? Parce que l on cherche à utiliser de plus en plus des énergies intermittentes pour la produire ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 3

3 Sommaire Production à partir des énergies intermittentes Pourquoi stocker? Stockage de l énergie électrique Généralités Différentes technologies Comparaison entre les technologies Prospective ADEME 2050 Simulation de stockage Conclusion ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 4

4 Energies intermittentes ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 5

5 Energies intermittentes Puissance moyenne 30' (MW) Production cumulée électricité origine énergies renouvelables intermittentes Décembre Photovoltaïque Eolien Date ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 6

6 Quelles énergies stocker? L énergie thermique Stockage à court terme ou saisonnier L électricité Obligation d assurer l équilibre permanent du réseau : PRODUCTION = CONSOMMATION L utilisation des énergies renouvelables intermittentes (éolien, photovoltaïque) à grande échelle nécessite : Des sources de production de «backup» (combustibles fossiles) en attendant : Des équipements de stockage Des systèmes de «lissage» de la consommation ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 7

7 Pourquoi stocker l électricité? Deux objectifs pour le stockage : Stockage embarqué : Appareils mobiles Véhicules électriques Nécessité d une bonne capacité en énergie (rapport autonomie / encombrement) Stockage stationnaire : Stabilité du réseau Lissage de la production intermittente Stockage de la production intermittente Selon les applications les critères de choix sont différents : Échelles de temps du stockage différentes Journalier, hebdomadaire, inter-saisonnier Priorité à l énergie ou à la puissance ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 8

8 Comment stocker l électricité? Convertir une énergie de flux en énergie de stock ce qui la rend pilotable : Transformer l électricité en : Energie chimique Energie potentielle Energie cinétique Réseau Transformation Pertes Stockage Pertes Transformation Pertes Réseau ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 9

9 STEP Stockage de l énergie électrique Hydrogène Méthanation Energie Potentielle Air comprimé Energie Mécanique Energie Chimique Ammoniaque 3 H 2 + N 2 2 NH 3 Accumulateurs Energie Cinétique Volant inertie Super condensateurs Supraconducteurs (SMES) ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 10

10 Equivalence d énergie Pour stocker 11,6 kwh (1/1 000 ème Tep) il faut : 300 kg de batterie au plomb 60 kg de batterie lithium Un réservoir d hydrogène de 30 l (15 à 30 kg) Deux camions de 40 tonnes lancés à 116 km/h 43 tonnes d eau faisant une chute de 100 m 2 tonnes de super condensateurs ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 11

11 STOCKAGE DE L ELECTRICITE Les différents stockages sont caractérisés par : Capacité de stockage en énergie Nombre de cycles possibles (durée de vie) Puissance de charge Puissance de décharge Temps de stockage (de charge) Temps de déstockage (de décharge) Rendement Le coût du MWh stocké L impact des installations Les critères de choix dépendent de l application La bonne gestion du stockage est primordiale pour maximiser sa durée de vie ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 12

12 Comparaison des modes de stockage de l électricité Station pompage Batterie Li-ion Batterie Ni-MH Batterie Redox Batterie Zn-Br Batterie Na-S Air comprimé Batterie Pb Batterie Cd-Ni Energies de stockage Electricité Volant inertie Super condensateur Energie chimique Batteries Energie potentielle Energie cinétique Puissance nominale (MW) ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 13

13 Super condensateurs Stockage direct Temps de charge et décharge courts Bon rendement Capacité de stockage limitée Supra conducteurs Envisageables avec de la supraconductivité (inductances) à température «abordable» nécessitent de l innovation Stockage de masse ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 14

14 Energie potentielle Stockage en énergie mécanique STEP (Station de Transfert d Energie par Pompage) Grande capacité, puissance importante, bon rendement Système mature Impact environnemental Gaz comprimé Mauvais rendement Utilisations possibles à différentes échelles (véhicule, réservoirs souterrains) Energie cinétique Volant d inertie Temps de charge et décharge courts Bon rendement Capacité de stockage limitée ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 15

15 Schéma de principe d une STEP ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 16

16 STEP Parc installé ~4,9 GW en France (43 GW installés en Europe) Différents types de STEP STEP en circuit fermé STEP avec apports Différentes catégories de STEP STEP «journalière» ou «hebdomadaire» Environ 1% de la production électrique est utilisée pour le pompage (5 TWh) ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 17

17 Exemple de fonctionnement d une STEP Me (F) J (F) V (O) S (F) D (F) L (O) Ma (O) Me (O) J (O) V (O) S (O) ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 18

18 Electricité stockée dans les STEP 2000 GWh 1750 Utilisation électricité produite Solde échanges exportateurs 500 Consommation Pompage STEP /01 01/02 01/03 01/04 01/05 01/06 01/07 01/08 01/09 01/10 01/11 ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 19

19 Projet de STEP marine en Guadeloupe Réservoir haut : 90 ha 6, m 3 Digues : 10 m Hauteur de chute : 50 / 61 m Deux groupes turbine / pompe Puissance : 50 MW Stockage : 1 GWh Autre projet en étude à la Réunion ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 20

20 Compression de gaz (CAES) Utilisation de cavités souterraines ou anciennes mines de sel comme réservoir Véhicule hybride moteur thermique moteur à air comprimé ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 21

21 Compression de gaz (CAES) Systèmes de première génération : Pertes thermiques Rendement mauvais ~ 40% Site pilote à Huntorf (Allemagne) Cavité souterraine saline ( m 3 ) Rendement 40 % Stockage de courte durée Systèmes adiabatiques : Récupération de la chaleur issue de la compression L air est réchauffé avant restitution de l énergie Site projet avec un rendement pouvant atteindre 70 % Système limité par les contraintes liées aux cavités ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 22

22 Système Inertiel de Stockage d Energie (SISE) Quelques réalisations : Métro de Rennes : récupération énergie de freinage 230 MWh économisés (11 jours de consommation) Centrale de régulation du réseau (Stephentown état de New York USA) 20 MW, 200 volants d inertie 10 % de la puissance de régulation en fréquence de la ville de New York ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 23

23 Projet : VOSS Système Inertiel de Stockage d Energie (SISE) Volant d inertie en béton Couplage avec du photovoltaïque Stockage journalier ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 24

24 VOSS ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 25

25 Stockage électrochimique Accumulateurs (batteries) Grande diversité des types de batteries Caractéristiques différentes selon le type Chaque type de batterie nécessite un protocole d utilisation spécifique Hydrogène Stockage pour utilisation avec des piles à combustible Difficultés de stockage Faible rendement Méthanation Système industriel à développer Faible rendement Ammoniaque Filière à développer ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 26

26 Les familles de batteries Batteries aqueuses : Pb-acide, Cd-Ni, NiMH Batteries organiques : Li-ion, Li-S, Na-ion, Al-ion, Mg-ion Batteries hautes températures : Na-S, Zebra, Ambri Batteries à circulation : Vanadium, H 2 -Br, Zn-Br Batteries métal-air : Zn-air, Na-air, Li-air ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 27

27 Densité d énergie des batteries ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 28

28 Batteries aqueuses Technologies matures Technologies Pb les plus anciennes : Pb-acide : technologie bon marché, faible densité d énergie, autodécharge Applications mobiles limitées Technologies NiCd & NiMH : Applications mobiles à faible quantité d énergie, Nécessitent des cycles de décharge complet (Ni Cd) Disponibilité des matières premières et bonne recyclabilité du Ni Ni - Cd remplacé pour l embarqué par Ni - MH à cause de la toxicité du Cd Autres technologies aqueuses : Ni Zn : bonne densité d énergie, faible cyclabilité Na ion aqueux : bonne cyclabilité, efficacité énergétique réduite ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 29

29 Batteries organiques Famille en plein essor Nécessite une électronique de contrôle Li - ion organique : Forte densité d énergie Appareils mobiles et véhicules, également stockage stationnaire Li - S : Matériaux de base peu onéreux et non toxiques Technologie prometteuse Forte densité d énergie Tout solide : Forte densité massique, rendement élevé Influence de la température Faible maturité technologique (sauf Bolloré) Na ion organique : Matériaux abondants et non toxiques, coûts réduits Faible maturité mais profite des développements technologiques du Li ion Intérêt accru pour cette technologie ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 30

30 Batteries hautes températures Technologies pour le stockage stationnaire Na S : Forte densité, rendement élevé, maturité industrielle, durée de vie élevée, recyclabilité Nécessite une haute température (300 C), danger du Na liquide (classement ICPE) La plus grande part du stockage électrochimique stationnaire Na NiCl2 (Zebra) : Forte densité, rendement élevé, maturité industrielle, recyclabilité Métaux liquides (Ambri) : Simplicité du système Densité de courant élevé (puissance), faible densité énergétique Abondance des composants, coûts peu élevés Aspects liés à la sécurité ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 31

31 Batteries à circulation Technologies à circulation d électrolyte (Redox) pour le stockage stationnaire, moyenne et grande capacité Réservoirs d électrolyte Possibilité de découpler énergie et puissance Tout vanadium : Temps de réponse rapide, tolérance à la surcharge et à la sur-décharge Profondeur de décharge 100 % Système complexe, coût exploitation élevé, autodécharge importante H2 Br : Temps de réponse rapide, tolérance à la surcharge et à la sur-décharge Profondeur de décharge 100 % Système complexe, impacts environnementaux (ICPE), mise à échelle industrielle à prouver Fe Fe : Matériaux abondants et peu couteux, mise à échelle industrielle à prouver Li ion à flux : Densité énergie et puissance élevée, mise à échelle industrielle à prouver, complexité ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 32

32 Batteries métal-air Zn air : Forte densité d énergie, couts réduits, matériaux abondants et non toxiques Mise à échelle industrielle à prouver Grand intérêt pour cette technologie Na air : Très forte densité d énergie Mise à échelle industrielle à prouver Fonctionnement à 100 C Li air : Très forte densité d énergie Mise à échelle industrielle à prouver Coûts élevés Intérêt croissant pour cette technologie Al et Mg air : Très forte densité d énergie Mise à échelle industrielle à prouver Efficacité énergétique réduite, faible densité de courant ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 33

33 Batteries installées ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 34

34 Batteries pour véhicules électriques ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 35

35 Stockage à partir de l hydrogène Production de l hydrogène par électrolyse L électrolyse classique a un rendement de ~ 50 % Les électrolyseurs n aiment pas fonctionner de manière discontinue Alimentation à partir de l éolien pas favorable Plus facile à partir du solaire L électrolyse à haute température a un meilleur rendement Le stockage de l hydrogène est délicat Stockage sous forme gazeuse, liquide ou solide Toutes ces formes de stockage consomme de l énergie Transport et distribution également délicats ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 36

36 Stockage à partir de l hydrogène ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 37

37 La pile à combustibles H Réactif Réactif O 2 2 H 2 Produit H 2 O Utilisations : Réaction : H2 + O2 H 2 O - Batterie de téléphone portable, ordinateur - Automobile, bus ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 38

38 MYRTE Mission hydrogène Renouvelable pour l intégration au réseau Electrique 500 kwc m² 200 foyers 200 kw Budget 20 M 200 kw ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 39

39 Méthanation (power to gas gas to power) Réaction de Sabatier : 4H 2 + CO 2 => CH 4 + 2H 2 O Réseau électrique Réaction Vent de Sabatier : 4H 2 + CO 2 => CH 4 + Stockage électricité 2H 2 O Soleil Production électricité Centrale à Réaction à haute température cycle combiné Réseau gaz Pas d installation industrielle à ce jour Stockage du gaz Electrolyse Réservoir Méthanation ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 40

40 Méthanation (power to gas gas to power) Réaction de Sabatier : 4H 2 + CO 2 => CH 4 + 2H 2 O Le méthane produit peut être utilisé : Dans le réseau de gaz Pour produire de l électricité Réaction à haute température Nécessite un CO 2 pur La filière complète a un rendement de l ordre de 34 % Pas d installation industrielle à ce jour Cette filière nécessite un développement pour passer du laboratoire à son utilisation industrielle ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 41

41 Stockage de l hydrogène sous forme d ammoniaque Réaction de Haber-Bosh : 3 H 2 + N 2 2 NH 3 La réaction doit se faire à haute température (~250 C) et forte pression (300 bars) pour avoir un rendement correct Stockage délicat (gaz toxique) Rendement? L ammoniaque peut être utilisée pour produire de la chaleur ou de l électricité Avantage : la combustion ne dégage pas de CO 2 : 2 NH 3 + 3/2 O 2 N H 2 O Filière complexe ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 42

42 Autoconsommation ou stockage? L autoconsommation associée à un stockage local évite de surcharger le réseau Cette approche est en opposition de phase entre hiver et été Le système actuel d aide financière aux énergies renouvelables ne favorise pas cette approche Impact sur le réseau ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 43

43 Autoconsommation en Allemagne Le prix de vente de l électricité photovoltaïque inférieur au prix d achat de l électricité favorise l autoconsommation ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 44

44 Autoconsommation et/ou stockage Hypothèse : 30 m² de PV sur une habitation Puissance crête de 4,5 kw Production journalière en été : 23 kwh Production qui peut être supérieure à la consommation journalière Production journalière en hiver : 7 kwh Production inférieure à la consommation journalière Permet tout juste d effacer la pointe du soir ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 45

45 Consommation mensuelle Exemple théorique d autoconsommation Production photovoltaïque mensuelle à partir de 30 m² de PV kwh ANNEE 2009 Energie consommée (kwh) Energie produite (kwh) Mois 0 Janvier Mars Avril Mai Juin Juillet ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 46 Aout Septembre Octobre Novembre

46 Photovoltaïque : autoconsommation ou stockage 0:00 22:00 Heure 20:00 ANNEE :00 16:00 14:00 12:00 10:00 8:00 6:00 4:00 2:00 0:00 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 Date Heure consommation maxi Heure production PV maxi ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 47

47 Insertion du stockage Le stockage peut se faire à différents niveaux Production : production nucléaire nocturne Transport : accueillir les énergies intermittentes Distribution : accueillir le PV diffus Consommation : autoconsommation + stockage Production Transport Distribution Consommation Stockage Stockage Stockage Stockage ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 48

48 Systèmes de stockage installés Rastler 2010 ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 49

49 Les capacités de stockage stationnaires installées Puissance Installée (MW) Projets puissance (MW) STEP CAES Na-S Plomb Redox Li-ion Ni-Cd Volant inertie Fraunhofer 2012 (installées) DOE 2012 (projets) ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 50

50 Maturité des systèmes de stockage ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 51

51 Comparaison des systèmes de stockage ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 52

52 Coût du stockage Coût minimal de revente du kwh pour un achat en base 100 : Batteries au plomb : 133 Lithium-ion : 110 STEP : 133 CAES classique : 200 Hydrogène comprimé : 313 Le coût des batteries Li-ion est en forte réduction ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 53

53 La réglementation du stockage La règlement européenne de l électricité prévoit : La production (EDF + ) Le transport (RTE) La distribution (ERDF + ELD) Le stockage n a pas de cadre réglementaire En cours d élaboration Aucun soutien au stockage La gestion des STEP nécessite le paiement du TURPE pour le stockage et la production! ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 54

54 Prospective ADEME 100 % EnR en 2050!!! Etude basée sur : Réduction de la consommation de 10 % Parcs de production : Eolien : 106 GW (10 GW actuellement) x 10! Photovoltaïque : 63 GW (6 GW actuellement) x 10! Hydraulique : 21 GW (inchangé) Nucléaire et fossiles : 0 Importation Soit un parc installé de 190 GW Le parc actuel est de 130 GW ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 55

55 Extrapolation prospective ADEME ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 56

56 Prospective ADEME 100 % EnR en 2050!!! Ce scénario s appuie sur 3 catégories de stockage : Court terme (6h) : batteries et gaz comprimé Infra-hebdomadaire : STEP Capacité importante de nouvelles STEP à créer Inter-saisonnier : méthanation (Power to Gas Gas to Power) Cette technologie n est pas mature industriellement ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 57

57 Simulation de stockage Comment lisser la production éolienne Disposer d une capacité de stockage (STEP) dimensionnée en conséquence Objectif : injecter une puissance constante sur le réseau Injecter un pourcentage constant de la consommation Simulation Simulation ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 58

58 CONCLUSION On ne pourra utiliser de façon intensive les énergies renouvelables intermittentes pour produire l électricité que lorsque l on disposera de systèmes de stockage efficaces et acceptables économiquement et «sociétalement». La production d électricité à partir des énergies renouvelables intermittentes a un coût élevé, il le sera encore plus s il est adossé à un système de stockage. Le développement du stockage d électricité permettrait également l extension des transports électriques et réduirait ainsi l émission de GES. Pour ne pas dégrader notre bonne performance en terme de production d électricité décarbonnée (94,4 % en 2014) le nucléaire doit garder une place importante dans la production d électricité. ARCEA Saclay 9/ 2/2016 Stockage de l électricité : un impératif, mais comment faire? 59

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