Gestion du stockage de l électricité à la convergence des besoins de l habitat et du transport

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1 Gestion du stockage de l électricité à la convergence des besoins de l habitat et du transport Camille GROSJEAN, CEA Grenoble, Institut National de l Energie Solaire (Chambéry) Ingénieur-chercheur, doctorant de l Université de Corse Pasquale Paoli Schéma illustratif de l intégration verticale du secteur du solaire photovoltaïque [JPMorgan] GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 1

2 Thématiques traitées à l INES LEB Source : Marie Ruellan, SATIE, in JEEA 2012 LEB LETH Comportement des occupants Thermique du bâtiment LEB LETH LMPV LEB L2S LSE Gestion d énergie thermique et électrique LSE L2S EnR (bâtiments à énergie positive) LEB L2S LEB: Laboratoire d énergétique du bâtiment LETH: Laboratoire des systèmes thermiques LMPV: Laboratoire de modules photovoltaïques LSE: Laboratoire du stockage de l électricité L2S: Laboratoire des systèmes solaires L2ED Domotique, contrôle, régulation L2ED: Laboratoire d étude, d évaluation et de démonstration de procédés énergétiques ACV bâtiment GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 2

3 Plan de la présentation Contexte Enjeux L énergie par vecteur L énergie par secteur de consommation L énergie par poste de consommation Energie et habitat Prépondérance de l électricité Le photovoltaïque comme alternative Perspectives de développement futur du PV Energie et transport Prépondérance des voitures à carburant fossile Le véhicule électrique comme alternative Perspectives de développement futur du VE Limitations technico-économiques Viabilité du VE Non-concomitance des flux Production PV intermittente Problèmes d intégration réseau Applications du stockage Lissage de pointe Ecrêtage de pointe Effacement de charge PV garanti Autoconsommation du PV Convergence habitat-transport Choix du stockage Autoconsommation simple Autoconsommation mixte Autres convergences possibles GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 3

4 Contexte et enjeux L énergie par vecteur Le besoin énergétique augmente et mobilise le vecteur électricité GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 4

5 Contexte et enjeux L énergie par secteur de consommation Consommation d énergie finale par secteur (2007) Habitat et transport représentent : 75% de la consommation d énergie finale 47% des émissions de CO 2 Part des émissions de CO 2 par secteur en France (2005) Habitat et transport = secteurs-cibles privilégiés GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 5

6 Contexte et enjeux L énergie par poste de consommation Prédominance du chauffage La voiture : second poste de consommation Vers des bâtiments 50 kwh/m².an Utilisation d appareils électriques performants Remplacement de VT par VE Facteur 3 sur l ensemble! GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 6

7 Energie et habitat Prépondérance de l électricité Consommation d énergie finale (en Mtep) des résidences principales par usage (2009) L électricité : vecteur énergétique principal dans l habitat Consommation d électricité spécifique (en %) des ménages par usage (2008) Quels moyens de production d électricité pour l habitat? GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 7

8 Energie et habitat Le photovoltaïque comme alternative Ordre de grandeur des consommations et des productions liées à l habitat et au transport (2012) Source : Jean-Christophe Visier, CSTB in JEEA SATIE Université de Cergy Pontoise Le PV = bonne alternative de production d électricité pour l habitat! ACV du PV (silicium multicristallin) en fonction du site de production [Sylvain Gabarrou, CEA, 2012] GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 8

9 Energie et habitat Perspectives de développement futur du PV Technologies solaires et rendements associés (2010) TCAM de l électricité produite en UE de 1997 à 2007 (2010) Source : La production d électricité d origine renouvelable dans le monde, Observ ER, EDF, 2008 Marché annuel mondial du PV selon trois scenarii distincts (2010) GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 9

10 Energie et transport Prépondérance des voitures à carburant fossile Répartition de la consommation de carburants (2010) Coûts d exploitation des carburants fossiles (2008) Source : La filière bioéthanol, ANFA [d après NREL, 2011] Structure du transport intérieur de voyageurs en France (2006) Source : Mother Jones, A. Brandt, A.E. Farell, Uni. Berkeley Quelles économies d énergie pour la voiture particulière? GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 10

11 Energie et transport Le véhicule électrique comme alternative Emissions de CO2 «du puits à la roue» des véhicules électriques et thermiques (2010) Source : Les transports électriques : développement nécessaire sous contraintes, ADEME, 2009 Le véhicule électrique = une alternative économe en énergie sous certaines conditions GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 11

12 Energie et transport Perspectives de développement futur du VE Scénario de développement du marché et du parc de véhicules décarbonés (2011) Source : Les véhicules électriques en perspective. Analyse coûts-avantages et demande potentielle, Etudes & documents, Commissariat Général au développement Durable, 2011 GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 12

13 Limitations technico-économiques Viabilité du VE Coût Autonomie CONSOMMATEUR GESTIONNAIRE Durée de recharge Impacts environnementaux GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 13

14 Limitations technico-économiques Non concomitance des flux Production photovoltaïque et consommation électrique Besoin appelé par les charges domestiques Source : Enhanced Reliability of Photovoltaic Systems with Energy Storage and Controls, Manz et al, GE Global Research, Source : Enhanced Reliability of Photovoltaic Systems with Energy Storage and Controls, Manz et al, GE Global Research, Courbe de charge nationale [RTE] Besoin en recharge immédiate des véhicules électriques GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 14

15 Limitations technico-économiques Production PV intermittente Simulation de production PV par temps clair et par temps nuageux (Corse, 3 kwc). PROBLEMES D INTERMITTENCE GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 15

16 Limitations technico-économiques Problèmes d intégration réseau Fortes contraintes de taux de pénétration et d intégration réseau du PV et du VE STOCKAGE DE L ELECTRICITE! GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 16

17 Applications du stockage Pourquoi stocker l énergie électrique? Pour pallier l intermittence de la production d électricité à partir du soleil, du vent, des marées et des vagues Pour lisser les pointes de consommation Pour ne pas réduire le facteur de puissance Pertes par effet Joule et chutes de tension Pertes financières suivant les tarifications en vigueur Pour garantir la fourniture d électricité des réseaux Pour disposer d électricité en l absence de sources (sites isolés, véhicules, navires, satellites ) GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 17

18 Applications du stockage Lissage de pointe Illustration du maintien de l équilibre entre production (en orange) et consommation (en bleu) via le suivi de consommation par le stockage stationnaire sollicité tantôt en charge (en rouge), tantôt en décharge (en vert) Source : European White Book on Grid-Connected Storage, Elisabeth Lemaire, Nicolas Martin (CEA-INES) et al., GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 18

19 Applications du stockage Ecrêtage de pointe Utilisation du stockage pour limiter la puissance de souscription d approvisionnement électrique Source : European White Book on Grid-Connected Storage, Elisabeth Lemaire, Nicolas Martin (CEA-INES) et al., GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 19

20 Applications du stockage Effacement de charge Effacement de charge et trading d énergie Source : European White Book on Grid-Connected Storage, Elisabeth Lemaire, Nicolas Martin (CEA-INES) et al., GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 20

21 Applications du stockage PV garanti Illustration du PV garanti Source : Thèse de Franck BOURRY (CEA-INES), GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 21

22 Applications du stockage Autoconsommation du PV Illustration de la favorisation de l autoconsommation par le stockage stationnaire de l électricité photovoltaïque GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 22

23 Applications du stockage Source : Stockage d électricité dans les systèmes électriques, in Techniques de l Ingénieur, GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 23

24 Limitations technico-économiques Problèmes d intégration réseau Fortes contraintes de taux de pénétration et d intégration réseau du PV et du VE STOCKAGE DE L ELECTRICITE! GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 24

25 Convergence habitat-transport Choix du stockage Comment stocker l énergie électrique? Direct sans transformation Condensateurs Stockage d'énergie magnétique supraconductrice (SMES) Par transformation en énergie mécanique Statique : stockage pneumatique ou hydraulique Dynamique : volant d inertie Par transformation en énergie chimique Batteries Supercondensateurs Electrolyseur + Stockage hydrogène + Pile à combustible Par transformation en énergie thermique GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 25

26 Convergence habitat-transport Choix du stockage Comparatifs des technologies de stockage et de leurs caractéristiques technico-économiques Source : Stockage d électricité dans les systèmes électriques, in Techniques de l Ingénieur, GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 26

27 Convergence habitat-transport Autoconsommation simple P2S P2H S2H B2S S H Stockage stationnaire Charges domestiques Habitat (solaire) G2H Alimentation réseau directe Panneaux photovoltaïques P P2G Injection réseau directe G Réseau électrique P2B B Stockage embarqué G2B Recharge secteur directe P2M M Moteur électrique Véhicule électrique GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 27

28 Convergence habitat-transport Autoconsommation simple GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 28

29 Convergence habitat-transport Autoconsommation simple Taux de couverture solaire directe (ou naturelle) et indirecte (via Sol-ION) du besoin électrique des charges domestiques de l ensemble des maisons IRISE en fonction de leur consommation annuelle (en MWh) GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 29

30 Convergence habitat-transport Autoconsommation simple Taux d autoconsommation directe (ou naturelle) et indirecte (via Sol-ION) de la production solaire en fonction de la consommation domestique annuelle (en MWh) pour l ensemble des maisons IRISE GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 30

31 Convergence habitat-transport Autoconsommation mixte GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 31

32 Convergence habitat-transport Autoconsommation mixte Résultats de simulation : taux de couverture (TCD) et autoconsommation solaire (ASD) avec et sans véhicule Sans recharge VE Avec recharge VE 3 kwc 5 kwc 9 kwc 3 kwc 5 kwc 9 kwc 30.24% 38.39% 45.85% 32.19% 46.33% 58.71% TCD 34.52% 26.26% 17.26% 51.59% 44.50% 31.04% ASD = 3 kwc 5 kwc 9 kwc Sans Avec Sans Avec Sans Avec 30.24% 32.19% 38.39% 46.33% 45.85% 58.71% TCD 34.52% 51.59% 26.26% 44.50% 17.26% 31.04% ASD = HYPOTHESES : Conso charges : 1,4 MWh (3 mois) Capa batterie : 30 kwh DOD : 20% SOC (= 6 kwh) Pas de temps : 8 secondes RESULTATS : Le stockage est surdimensionné La recharge du véhicule électrique améliore les performances : - d autonomie - d autoconsommation GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 32

33 Perspectives Chap.6 - Usages convergents du stockage stationnaire 1 Stockage stationnaire et autoconsommation de la production solaire 2 Stockage stationnaire et services réseau 3 Gestion mutualisée de la recharge des stockages stationnaires résidentiels Chap.7 - Usages convergents du stockage embarqué 1 Recharge solaire directe des véhicules électriques 2 Injection réseau de l'énergie embarquée des véhicules électriques 3 Gestion mutualisée de la recharge de véhicules électriques bidirectionnels Chap.8 Usages convergents mixtes 1 Recharge du véhicule électrique via le stockage stationnaire de l habitat solaire 2 Décharge du véhicule électrique via le stockage stationnaire de l habitat solaire 3 Impact mixte du véhicule électrique sur le stockage stationnaire de l habitat solaire GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 33

34 Perspectives GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 34

35 Gestion du stockage de l électricité à la convergence des besoins de l habitat et du transport Camille GROSJEAN, CEA Grenoble, Institut National de l Energie Solaire (Chambéry) Ingénieur-chercheur, doctorant de l Université de Corse Pasquale Paoli MERCI DE VOTRE ATTENTION! GROSJEAN Camille / CEA-INES (Chambéry) / Laboratoire du Stockage de l Electricité (LSE) 35

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