Réussir l efficacité énergétique du vecteur électrique : Des principes thermodynamiques à une description multi-échelles

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1 Réussir l efficacité énergétique du vecteur électrique : Des principes thermodynamiques à une description multi-échelles Vincent Mazauric Strategy & Innovation 26 janvier 2011 Ivry s/ Seine

2 La chaîne énergétique (d après AIE 2007) 2

3 Une tendance constatée dans la durée Quel que soit: le secteur le pallier technologique le cycle économique aux USA Une évolution d autant plus critique que l électricité s impose comme le vecteur d énergie universel 3

4 Une contribution essentielle aux GES 4

5 Une équation délicate vers la soutenabilité Démographie: Croissance des pays émergents Remplacement des capacités dans les pays développés Densification urbaine: 50% aujourd hui, 80% in 2100 réseaux d énergie à forte densité Terre: Un système chimique fermé Déplétion des ressources fossiles (et fissiles): Peak oil: 2020 Peak gas: 2030 Environ deux siècles pour le charbon et l uranium Changement climatique: La génération électrique est à l origine de 45% des émissions de CO 2 L efficacité du système électrique est de seulement 27% (35% pour l ensemble des vecteurs) Terre: Un système énergétique ouvert L énergie domestiquée est fois plus petite que le flux naturel (solaire, éolien, géothermie, marine) Mais les apports naturels sont très dilués et intermittents 5

6 Description thermodynamique De l énergie à l électromagnétisme 6

7 Description du champ électromagnétique heat tank T RI 2 RI 2 RI 2 Heat transfer generator δw in EM field δw out end-users Work flow network φi exc Couplages: magnétique courants libres I thermostat pertes Joule "RI 2 " 1 er Principe: du d Sth = Pm T d t dt La régie électrique agit sur: La puissance mécanique L excitation du rotor Fonctions d état: G dg dt = U T S φ Iexc d S d Sth d = T d 4 t 243 d 4 t ( φ I ) 2 7 P m RI > 0 dt exc P m I exc

8 Une tendance à la réversibilité heat tank T RI 2 RI 2 RI 2 Heat transfer generator δw in EM field δw out end-users Work flow network φi exc L équation de Maxwell-Faraday correspond à l évolution la plus réversible: Toutes les pertes (conversion, distribution, usage) sont réductibles Formalisme multi-échelles (filtrage + champ moyen) avec quelques déclinaisons: lois dispersives, outils de conception, critère d erreur Permet une représentation agrégée du système électrique pour discuter les conditions de stabilité 8

9 Décomposition des pertes temps planning 10s 1s Lois de Kirchhoff multi-stationnaire Quasi-statique Multi-statique (DC) 1ms Finite Element Methods 1µs PEEC 1µm 1mm 1m 1km 1000km espace 9

10 Pertes dynamiques dans les matériaux magnétiques 10

11 Décomposition des pertes H mm e Pertes macroscopiques: Induites par les courants de Foucault macroscopiques. µm e Pertes microscopiques: Induites par le mouvement des parois, Pertes par excès ou anormales. nm Pertes statiques: Spin-flip dans la paroi. 11

12 Confrontation des modèles Modèle classique: δb = µ diffδh E = ρj les pertes Joule sont sous évaluées z Φ = B u Sx x dydz NΛ Modèle de diffusion retardée: 1 2 B δb = µ diff δh ρ Λ t E = ρj phénoménologique x y Time harmonic regime t S x jω M.-A. Raulet, B. Ducharne, J.-P. Masson, and G. Bayada, "The magnetic field diffusion equation including dynamic hysteresis: A linear formulation of the problem," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 40, pp , Loi d Ohm déviée: δb = µ diff δh 1 2 B E = ρ J curl ρ Λ t dérivé de l approche thermodynamique V. Mazauric, O. Maloberti, G. Meunier, A. Kedous-Lebouc, O. Geoffroy, and Y. Rebière, "An energy-based model for dynamic hysteresis," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, pp ,

13 13

14 Nippon Steel GO HI-B Fe-Si 3% Λ = 97,4 µm 1 ε = 5,02.10 mj R 2 = 0,99811 Λ =105,2 µm ε = 5,86 mj R 2 = 0,

15 Modélisation des phénomènes d induction 15

16 Conversion de puissance Thermodynamics Principles, Reversibility Mesh Shape functions Virtual work principle Variational formulations Finite element functional Weak formulations Weighted residuals Lorentz's force Maxwell's tensor Maxwell's equations Field calculation 16

17 Précision des calculs de courants de Foucault Dépasser les critères d erreur classique: géométrique Conservation du flux magnétique (statique) P suplied supplied P spent Equation de Poynting: ε ( Ω) = P ( Ω) P ( Ω) ( Ω ) + P ( Ω) elec Joule d F dt m t = s Number of Time Step : 2 Number of Time Step : 3 (before remeshing) Number of Time Step : 3 (after remeshing) U (V) I (A) G(J) G/I 2 (J.A -2 ) P m -dg/dt+p elec L. Rondot, V. Mazauric, and P. Wendling, "An energy-compliant magnetodynamic error criterion for eddy-current calculations," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, pp ,

18 Raffinements 3D chauffage par induction 18

19 Intégrité de signal 19

20 ~L E H S Z load ~e Régime Quasi-Statique Magnetic For λ >> L, l invariance galiléenne procure: H S E E Régime Quasi-Statique Electrique H S << cb E >> cb E dg P + d ( ) ( ) t H,E dt C m P elec min σ -1 curlh 2 3 d d r + B H 3 d r ε e 2 0L Zload min H,E C σ ( curlh ) d r + ( B H) d + dt D d dt C 3 d r 3 ( D E) d r ω 20

21 Management de l énergie électrique 21

22 Vers la smart grid 1 Distributed Generation Centralised Generation Renewable Backup Power Residential Commercial Industrial Transportation Electric Vehicle Renewable Energy Generation 1 Intelligent Transmission 4 Real-time Grid management Intelligent Distribution 2 Active Energy Efficiency: Energy visibility & means to act Active Consumers 3 Electric Vehicles & Energy Storage 22

23 Ajustement de la demande P m in out RI 2 φi exc t Les pertes augmentent: t fréquence des opérations l amplitude des ajustements le bas niveau de tension monitoring Inrush t 23

24 centralisé versus décentralisé La production domine le système énergétique (tension et fréquence): Stabilité sous fluctuation de charge Production élastique (sur-)investissements importants en génération Pertes de transport et distribution Pertes de fiabilité (mix) Les corrélations entre consommateurs sont nonsignificatives: Convergence entre l autorité de régulation et le producteur La demande contrôle le système énergétique, voire fixe sa topologie: Génération diffuse permettant l implémentation des EnR Pertes de distribution seulement Investissement en contrôle Fragilité sous fluctuation de charge (demande et production intermittente) Système fortement corrélé: Séparation entre l autorité de régulation et les fournisseurs/«joueurs» 24

25 centralized decentralized Relaxation time under spinning reserve few mn lower load or generation kinetic reserve few s lower fluctuation magnetic linkage (transmission) 10 ms lower elasticity of generation few mn no (AC/DC static converters) Losses self-consumption auto-control monitoring and data processing T&D losses reliability losses??? Investment sizing of capacity global peak Σ (local deficits) backup/storage discard peak balance intermittency demand response discard peak minimize local deficit generation & transmission BillionUS$ (WEO, IEA 2003)??? Systemic risk weak but global important but isolated Emissions/Depletion hydro renewables fossils nuclear large farms back-up no (or small units) 25

26 Au delà Challenger les engagements de Copenhague! Les faits L impératif Demande d énergie en 2050 Demande d électricité en 2030 Source: IEA 2008 vs les émissions de CO 2 pour éviter des changements climatiques dramatiques d ici 2050 Source: GIEC 2007, figure (vs level) 26