INVESTIGATION DES DIVERSES OPTIONS DE STOCKAGE D ÉNERGIE FACE À L INTÉGRATION DES PARCS ÉOLIENS DANS LES RÉSEAUX

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1 INVESTIGATION DES DIVERSES OPTIONS DE STOCKAGE D ÉNERGIE FACE À L INTÉGRATION DES PARCS ÉOLIENS DANS LES RÉSEAUX Hussein IBRAHIM a,b, Adrian ILINCA b, Mazen GHANDOUR c, Mariya DIMITROVA a,b, Daniel BOULAY a, Cédric ARBEZ a, Mattewu ADEGNON a a TechnoCentre éolien, 51 Chemin de la mine, Murdochville, QC, G0E 1W0, Canada, b Laboratoire de Recherche en énergie éolienne, Université du Québec à Rimouski, 300 Allée des Ursulines, QC, G5L 2A1, Canada c Faculté de génie, Université Libanaise, Al-Hadath, Beyrouth, Liban hibrahim@eolien.qc.ca Résumé La production de l électricité à partir de l'énergie éolienne, qui connaît un accroissement remarquable au niveau mondial, est rarement en phase avec la demande. Cette ressource ne fournit pas une énergie régulière et réglable à volonté suivant les besoins. Ainsi, la croissance de cette production décentralisée augmente les difficultés de stabilisation du réseau électrique, en raison d un déséquilibre entre production et consommation. Ces difficultés imposent un stockage pour lequel, les batteries au plomb sont, généralement, utilisées. Cependant celles-ci ne peuvent soutenir le nombre de cycles demandés ni stocker une quantité d'énergie importante dans un volume restreint. Pour cette raison, des différentes autres technologies de stockage de l énergie sont développées et mises en application. Ceci a permis au stockage de jouer un rôle essentiel où il rend l énergie éolienne prévisible et, donc, apporte de la valeur au courant fourni surtout si l électricité est livrée en heures de pointe. Les travaux décrits dans cet article mettent en évidence l intérêt de stocker cette énergie afin d améliorer la robustesse du réseau et assurer l équilibre production-consommation. Différents types de stockage existent, certains sont déjà utilisés, d autres sont en cours de développement. Les caractéristiques principales des différentes techniques de stockage de l électricité et leurs domaines d application (stationnaire ou embarquée, stockage à long ou court terme, puissance maximale nécessaire, ) seront présentés en sommaire. Ces caractéristiques seront utilisées pour établir des comparaisons permettant de dégager les technologies candidates pour chaque type d application, surtout celles qui pourraient être bien adaptées pour les associer aux éoliennes. Mots Clés : Énergie éolienne, stockage, air comprimé, batteries, rendement. 1. Introduction Parmi toutes les énergies renouvelables contribuant à la production électrique, l énergie éolienne tient actuellement le rôle de vedette «Ibrahim et al. [2005]». Elle est la source d électricité qui croît le plus rapidement dans le monde, avec un taux de croissance dépassant 30% par an au cours des cinq dernières années et potentiel mondiale énorme estimé à kwh pour l ensemble du globe et entre 20 et kwh/an pour la part terrestre exploitable «Turkenburg and al [1994]». De par son caractère imprédictible à court terme, la production éolienne, fondamentalement décentralisée, n est bénéfique que dans les situations particulières quand il y a une bonne corrélation entre la production et la consommation ou entre la production et les besoins spécifiques du réseau. Les avantages de la production éolienne décentralisée apparaissent lors d une maximisation des revenus provenant de la production avec un impact minime sur la fiabilité du réseau. La production éolienne, comme source d'énergie intermittente (Fig. 1), variable et difficilement programmable, apporte une série de nouveaux défis et des contraintes additionnelles pour l'exploitation du réseau électrique. Les problèmes induits par l intégration d éoliennes dans le réseau électrique sont causés par «Robyns et al. [2006]» : CFSER 2010 Page 1

2 - leur production aléatoire et difficilement prévisible - une absence de réglage puissance-fréquence - une participation limitée au réglage de la tension pour les éoliennes à vitesse variable, et aucune participation à ce réglage pour les éoliennes dont la génératrice est directement couplée au réseau - une sensibilité élevée aux creux de tension et aux variations de fréquence pour certaines technologies - une sensibilité importante aux variations rapides de la force du vent. Fig. 1. Variation de puissance au cours de la journée du 16 mars 2004 au parc éolien de Cap-Chat, Canada De plus, la production d énergie éolienne est rarement en phase avec le besoin. Les éléments de variation de la demande sont : - une tendance à long terme qui est presque toujours liée à la croissance, plus ou moins accentuée «Anzano et al. [1989]». - des variations saisonnières qui sont assez marquées du fait de la conjonction des besoins économiques et de l influence des usages thermiques (chauffage, climatisation); - des variations journalières et hebdomadaires qui sont liées à l alternance des comportements des consommateurs (entreprises ou particuliers) «Anzano et al. [1989]». - des variations aléatoires instantanées qui sont assez importantes. Pourtant, la production et la consommation d électricité doivent être égales à tout instant pour les causes suivantes : - un déséquilibre momentané se traduirait par une variation de l énergie cinétique des alternateurs (des génératrices), c est-à-dire de leur vitesse de rotation, donc de la fréquence du réseau, ce qui n est pas acceptable que dans des limites très étroites - un déséquilibre persistant aboutirait bien sûr au déclenchement des systèmes de sécurité des centrales. Comme la puissance éolienne produite au fil du temps est caractérisée par sa fluctuation, elle augmente les problèmes induits par l intégration en grand nombre d éoliennes dans les réseaux et rend difficile leur participation aux services systèmes et à la stabilisation du réseau électrique, en raison du déséquilibre entre la production et la consommation Le fait de ne pas participer aux services système (réglage de la tension, de la fréquence, démarrage en autonome ou blackstart, possibilité de fonctionner en îlotage, etc.) amène les CFSER 2010 Page 2

3 éoliennes à se comporter comme des générateurs passifs du point de vue électrique «Jenkins et al. [2000]». Le réglage de la tension et de la fréquence est dès lors reporté sur les centrales classiques. Le taux de pénétration de l éolien, c est-à-dire la puissance que génèrent les éoliennes par rapport à la puissance totale consommée, doit alors être limité afin de pouvoir garantir la stabilité du réseau dans des conditions acceptables «Crappe [2003]». Ceci est particulièrement vrai dans le cas de l éolien pour lequel certains retours d expériences (par exemple au Danemark) indiquent que, pour des taux de pénétration supérieurs à 20 ou 30%, des problèmes de stabilité peuvent apparaître «Crappe [2003]». La grande sensibilité de l éolien aux perturbations du réseau, tels que les creux de tension ou les variations de fréquence, entraîne souvent une déconnexion de la production lors d incidents sur le réseau. Cette déconnexion peut aggraver un déséquilibre productionconsommation et, par effet domino, accélérer l avènement d un incident majeur dans le réseau. Afin de stabiliser le réseau et d en assurer la fiabilité et un service équivalent en puissance, résoudre son grand défaut, l intermittence, et augmenter le taux de pénétration des éoliennes, une approche traditionnelle de gestion suppose qu il faut ajouter une centrale complémentaire pour assurer l approvisionnement en tout temps. Ceci consiste à compenser l intermittence de l énergie éolienne par la production d une source plus facile à contrôler (hydroélectricité, centrale au gaz, centrale diesel, etc.) ou par l association de ces éoliennes au réseau de transport et distribution haute tension (c est la solution la plus commune) ou bien à des systèmes de stockage permettant d avoir une réserve supplémentaire d énergie et jouant le rôle de tampon entre le producteur et le consommateur. Seulement la dernière solution sera traitée dans cet article. 2. Importance du stockage pour l énergie éolienne En l absence d un réseau interconnectant producteurs et consommateurs, la nécessité du stockage de l énergie s impose si l électricité sera consommée à la demande, même lorsque la production est nulle (cas d une éolienne en absence de vent par exemple). Mais lorsque le réseau électrique existe et procure une mise en commun solidaire des ressources ainsi qu un certain effet de lissage, le consommateur oublie que le problème continue à se poser. Cependant, la stabilité du réseau, et par conséquent sa sûreté de fonctionnement, est assujettie à l égalité permanente et instantanée de la production et de la consommation «Multon et al. [2003]». Le stockage d énergie joue un rôle flexible et multifonctionnel dans le réseau d alimentation d énergie électrique, en assurant une gestion plus efficace des ressources éoliennes disponibles. En combinaison avec les systèmes de production d énergie électrique par la conversion des énergies renouvelables, les systèmes de stockage d énergie (SSE) assurent, en temps réel, l équilibre production-consommation «Ibrahim et al. [2007-a]». Ils augmentent également la valeur de l énergie générée par les centrales éoliennes surtout si l énergie accumulée pendant les périodes où la demande d énergie est réduite est restituée pendant les périodes de pointe «Ibrahim et al. [2007-a]». Les SSE permettent aussi d éviter le délestage en cas de surproduction et améliorer la gestion et la fiabilité du réseau. De plus, les SSE facilitent l intégration des éoliennes dans le système énergétique et augmentent leur taux de pénétration en énergie ainsi que la qualité de l énergie fournie en assurant un meilleur contrôle de la fréquence et de la tension. Stratégiquement placés, les SSE peuvent augmenter l efficacité du système existant de transmission et de distribution de l énergie électrique. Les SSE peuvent être utilisés pour réduire les pointes de charge dans une station d alimentation d énergie électrique (lissage de CFSER 2010 Page 3

4 puissance) (Fig. 2). Cela peut éliminer les centrales thermiques d appoint fonctionnant seulement pendant les périodes de pointe, ce qui permettra une meilleure utilisation des centrales fonctionnant en régime permanent et une réduction remarquable de dégagement des gaz à effet de serre (GES). Fig. 2. Élimination des crêtes et lissage de puissance par le stockage «Energy Storage» Alors, le stockage représente la clé de la pénétration de l énergie éolienne sur le réseau électrique. Il fournit non seulement une solution technique au gestionnaire du réseau pour assurer en temps réel l équilibre production consommation mais il permet également d utiliser au mieux les ressources éoliennes en évitant un délestage en cas de surproduction. Associé à une production locale d origine éolienne, un stockage décentralisé présenterait également l avantage d améliorer la robustesse du réseau électrique en permettant un fonctionnement en îlotage de la zone alimentée par cette ressource. 3. Différentes techniques de stockage pour l énergie éolienne Les possibilités techniques pour stocker l énergie sont très vastes et concernent pratiquement toutes les formes d énergie : mécanique, chimique ou thermique. Ces diverses solutions ont toutes été explorées. Elles ont donné naissance aux techniques qui seront présentées ci-après. Les technologies de stockage répondant aux critères techniques et économiques, qui varient considérablement selon la nature d applications et des besoins, seront nécessairement de types différents. Il existe de nombreuses technologies, mais la comparaison entre elles est rendue difficile, entre autres raisons, par la variété de leur degré de maturité «CEA». Un classement des techniques de stockage peut se faire, selon leur nature d applications, en deux catégories : 1. Techniques de stockage à grande échelle, où l énergie pourrait être stockée sous forme gravitaire (systèmes hydrauliques), thermique, chimique (accumulateurs, batteries redox), d air comprimé (ou couplé avec un stockage de gaz naturel ou de gaz liquéfié). Leurs applications peuvent être dans le cas de gestion du réseau (contrôle de la qualité de la puissance, connexion au réseau avec lissage de pointes). 2. Techniques de stockage à moyenne et faible échelles, où l énergie pourrait être stockée sous forme cinétique (volants d inertie), chimique, d air comprimé, d hydrogène (piles à combustible) ou stockage dans des supercondensateurs ou supraconductrices. Leurs usages peuvent être pour les applications de faible puissance en sites isolés, essentiellement pour des CFSER 2010 Page 4

5 alimentations de capteurs ou de bornes d urgence, ainsi que pour les applications de moyenne puissance en site isolé (systèmes d électrification individuels, centrales de village). Afin d établir des comparaisons pour chaque type d application et choisir la meilleure technologie pouvant être associée aux éoliennes, il est indispensable de définir les caractéristiques fondamentales (techniques et économiques) des systèmes de stockage. Les caractéristiques principales des moyens de stockage, sur lesquelles se basent les critères de choix, sont : 1. La capacité de stockage : définie comme la quantité d énergie disponible dans le dispositif de stockage à la fin de la charge. 2. La puissance disponible : généralement exprimé à l aide d une valeur moyenne ainsi qu une valeur crête souvent utilisée pour représenter la puissance maximale de charge ou de décharge. 3. Le profondeur de décharge ou taux de transmission de puissance : définie par la limite du dispositif de stockage de délivrer la totalité de l énergie emmagasinée. Ce taux de livraison détermine le temps requis pour extraire l énergie emmagasinée. 4. Le temps de décharge : est la durée durant laquelle la décharge se fait à puissance maximale. Il caractérise l adéquation du système avec certaines applications. 5. Le rendement : est le rapport entre l énergie restituée et l énergie stockée. La définition du rendement doit se baser sur un ou plusieurs cycles réalistes en rapport avec l application. La puissance instantanée est l un des facteurs qui régit le rendement (Fig. 3). Fig. 3. Courbes de rendement d un accumulateur au Plomb 48V 310Ah (15 kwh pour une décharge en 10 h) paramétrées en puissance «Gergaud [2002]» 6. La durée de vie, est le nombre de fois où le dispositif du stockage peut restituer le même niveau d énergie après chaque nouvelle recharge pour lequel il était dimensionné. Elle est exprimée en nombre maximal de cycles (Fig. 4). 7. L autonomie : définie comme la durée maximale durant laquelle le dispositif pourrait restituer, continuellement, de l énergie emmagasinée. Elle est calculée par le rapport entre la capacité énergétique (énergie restituable) et la puissance maximale de décharge et diffère selon le type de stockage et la nature de l application. 8. Les coûts : sont le capital investi qui est la part la plus marquante pour l acheteur et les frais d exploitation (maintenance, énergie perdue lors des cycles, vieillissement), et cela sur toute CFSER 2010 Page 5

6 la durée de vie. Les systèmes qui se dégradent le plus vite en cyclage et dont le rendement est le plus mauvais, sont généralement les moins coûteux à l investissement (capital faible). Fig. 4. Évolution de la cyclabilité en fonction de la profondeur de décharge pour une batterie Plombe/Acide «Messenger [1999 ]» Fig. 5. Domaines d applications des différentes techniques de stockage «Emerging Energy Storage [2003]» 9. Les domaines de faisabilité et adaptation à la source de production : Le type de stockage optimal est intimement lié à la nature de l application (application de faible et moyenne puissance en sites isolés, application pour la connexion au réseau, ) et au type de production (stationnaire, embarquée, etc.) (Fig. 4). 10. L autodécharge : est la proportion de l énergie initialement contenue dans l unité de stockage et qui s est dissipée en un temps donné en dehors de toute utilisation. CFSER 2010 Page 6

7 11. Densités massique et volumique d énergie : représentent les quantités maximales d'énergie accumulée par unité de masse ou de volume du dispositif de stockage. Elles montrent l importance de la masse et du volume de dispositifs de stockage pour certaines applications. 12. Les équipements de contrôle et de surveillance des moyens de stockage tant sur le plan de la quantité que de la sûreté du stockage ont des répercussions sur l accessibilité et la disponibilité de l énergie. 13. Les contraintes opérationnelles : notamment les aspects liés à la sécurité (explosion, rejets, éclatement comme dans le cas du stockage à volant d inertie, etc.) ou aux conditions de fonctionnement (température, pression, etc.), pouvant influer sur le choix d une technologie de stockage en fonction des types de besoins énergétiques. 14. La fiabilité : La fiabilité d un système de stockage importe toujours, parce qu elle constitue la garantie du servie sur demande «Bonneville [1975]». 15. Autres caractéristiques : L impact sur l environnement (matériaux aisément recyclable), la facilité de maintenance, simplicité de conception, souplesse de l exploitation et de l utilisation (l exploitant s intéresse beaucoup à cette caractéristique), la rapidité du système à mettre en disposition l énergie stockée (temps de réponse du dispositif), etc. Enfin il est très important de noter que ces caractéristiques s appliquent au système de stockage dans sa globalité : éléments de stockage et convertisseurs de puissance. 4. Systèmes hybrides éolien-stockage d énergie La combinaison de plusieurs sources d énergie surtout les renouvelables permet d optimiser au maximum les systèmes de production d électricité, aussi bien du point de vue technique qu économique. Les nouvelles solutions technologiques proposées pour les générateurs hybrides, même si elles sont très complexes comparativement aux solutions courantes mono-source, présentent par contre un intérêt évident considérable par leur flexibilité incomparable, leur souplesse de fonctionnement et leur prix de revient. Cependant, ces solutions exigent un dimensionnement laborieux préalable basé sur une connaissance approfondie du gisement en énergies renouvelables du site d implantation en amont, une gestion rigoureuse de l énergie électrique produite en aval et un savoir-faire que seule l expérience dans l ingénierie des systèmes énergétiques pourra assurer. Cette gestion rigoureuse de l énergie s appuie sur l intelligence des dispositifs de régulation et de contrôle rendu possible grâce à des logiciels très puissants. Des différentes hybridations de types éolien-stockage peuvent exister telles que : éolienvolant d inertie, éolien-stockage d hydrogène, éolien-stockage sous forme d air comprimé, éolien-stockage hydraulique gravitaire, éolien-batteries et d autres configurations qui combinent le couplage éolien-stockage à d autres sources de production d électricité tel que le système hybride éolien-diesel-stockage, etc Système hybride éolien-hydraulique L'écoulement du vent et de l'eau sont des phénomènes climatologiques à caractère stochastique qui peuvent se compléter de façon très intéressante. Dans le cas du couplage hydro-éolien, il s agit d optimiser l énergie accumulée dans des réservoirs tout en en utilisant en temps réel l énergie éolienne disponible. En termes techniques, l énergie éolienne apparaît comme un «économiseur d eau dans les réservoirs». Selon les spécialistes, une des solutions les plus rentables consisterait à installer des éoliennes directement au bord des grands réservoirs (barrages) où le vent fournirait une énergie parfaitement complémentaire à celle de CFSER 2010 Page 7

8 l eau. Cette énergie éolienne peut être emmagasinée dans les réservoirs durant les périodes de faible demande ou d excès d énergie éolienne (à l aide des stations de transfert d énergie par pompage (STEP)) et livrée plus tard à un moment plus propice, soit pour la demande domestique ou pour le marché externe (Fig. 6). Autrement dit, ce couplage permettra de minimiser les achats d énergie thermique venant de sources externes au système de production ainsi que la consommation d eau ce qui permet de conserver le niveau d eau en fin de période au voisinage de celui de départ. Ce type de couplage pourra se faire, aussi, entre des microcentrales hydrauliques et de l énergie éolienne surtout dans les sites isolés loin du réseau principal d électricité «Anagnostopoulos [2007]». Fig.6. Schéma de principe du système hybride éolien-hydraulique «Anagnostopoulos [2007]» 4.2. Système hybride éolien-air comprimé à grande échelle Le stockage sous forme d air comprimé (CAES : Compressed Air Energy Storage) est une technologie déjà utilisée, à très grande échelle, pour des projets pilotes en Allemagne, en Alabama, en Ohio et un projet planifié au Texas pour des centrales mixtes éolien-gaz naturel de l ordre de centaines à des milliers de MW. Ceci permet une augmentation significative du TPE, à un niveau proche de 100% «Ibrahim et al. [2007-b]». Le coût additionnel du CAES, de l ordre de 0.01$/kWh, est amplement compensé par la réduction (environ 80%) de la consommation de gaz naturel, les crédits de carbone et les crédits de production éolienne «Ibrahim et al. [2007-b]». Pour ces grands projets, le surplus de l énergie éolienne disponible quand (TPP>1) est utilisé pour comprimer l air via des compresseurs à forte pression (40 à 100 bars) et le stocker à une température proche de l ambiante, dans de vastes cavernes, dans des anciennes mines de sel, des puits épuisés de gaz ou du pétrole ou dans des tuyauteries souterraines. La densité volumique de l énergie pour un système de CAES à grande échelle est de l ordre de 12 kwh/m 3 tandis que le rendement estimé est de l ordre de 55%-70% (avec récupération des gaz d échappement) «Ibrahim et al. [2008]». Dans le cas du jumelage à grande échelle avec le gaz naturel (Fig. 7), et quand la puissance éolienne ne suffit pas à la charge (TPP<1), l injection d air comprimé, déjà stocké, dans les turbines à gaz permet d atteindre une puissance 3 fois plus élevée que celle d une centrale conventionnelle pour la même consommation de gaz «Ibrahim et al. [2008]». Ce système participe également au réglage secondaire du réseau grâce à une possibilité de variation de puissance de l ordre de 50 MW/mn et à son bon rendement conditionné par la récupération de la chaleur résiduelle de la fumée pour préchauffer l air. CFSER 2010 Page 8

9 Fig. 7. Schéma de principe du système hybride éolien-caes à grande échelle «Ibrahim et al. [2007-a]» 4.3. Système hybride éolien-volant d inertie Les volants d inertie (Fig. 8) ont une excellente capacité d absorber des variations rapides de production et de charge. Toutefois, la quantité d énergie qu ils peuvent stockée n est pas suffisamment grande pour leur permettre, par exemple, d absorber la production excédentaire d un parc éolien et la fournir ensuite au réseau aux moments de plus haute charge. D un point de vue pratique, c est dans le domaine de la production d énergie sur les sites isolés que les batteries électromécaniques ont un impact le plus direct. Par exemple, des dispositifs ont été mis en place pour alimenter des habitations clairsemées ainsi que les îles d Écosse et du pays de Galle «Davies et al. [1995]». Dans le premier cas, les batteries ont essentiellement un rôle de régulation du courant pour en augmenter la qualité (constance et continuité de la tension). Dans l alimentation des îles, l objectif principal est d assurer qu un maximum de l énergie consommée soit produit par les génératrices éoliennes installées in situ. Il s agit donc d accumuler l énergie lorsque la production est supérieure à la demande. Cependant la constante de temps est trop importante par rapport aux fluctuations du vent et de la demande. Des batteries électromécaniques sont donc utilisées pour améliorer la qualité de la fourniture lorsque la production éolienne est proche de la consommation. Fig. 8. Stockage inertiel associé à une turbine éolienne (à gauche) «Leclerc [2004]», Volant d inertie de type Beacon Power (à droite) «Beacon Power» CFSER 2010 Page 9

10 4.4. Système hybride éolien-hydrogène/pile à combustible Les piles à combustible peuvent constituer une solution dans le cas de lieux isolés où il est difficile ou même coûteux, d'installer des lignes électriques (site classé, montagne...). Elles pourraient assurer une distribution fiable et indépendante des intempéries et même permettre une économie dans le coût de transport et d'installation. Des systèmes ont été proposés qui conjuguent une source renouvelable alimentant des habitations en électricité, fabricant de l'hydrogène par électrolyse quand la production est supérieure à la demande et alimentant le village en électricité générée par une pile dans le cas inverse (Fig. 9). De plus, la présence d un réseau de distribution d hydrogène pourrait être avantageuse pour alimenter des résidences, des immeubles à bureaux, des complexes industriels, des véhicules de transports (bus, véhicules industriels munis d une pile à combustible,..) ainsi que des exploitations agricoles (projets économiques qui récompensent le manque de maturité et les coûts chers de la technologie des piles à combustibles). Fig. 9. Schéma de principe d un système hybride de type éolien- piles à combustibles Fig. 10. Schéma de principe d un système hybride éolienne-diesel associé à un dispositif de stockage avec des accumulateurs chimiques 4.5. Système hybride éolien-batteries Dans la catégorie des petits systèmes (Fig. 10) en site isolé et faisant appel aux énergies renouvelables intermittentes (éolienne par exemple), le critère essentiel est l autonomie; la batterie plomb reste le meilleur compromis entre performances et coût, mais elle est pénalisée par sa durée de vie limitée, son manque de fiabilité et la difficulté de la recycler. Des performances accrues en terme de durée de vie doivent être développées pour répondre plus efficacement aux besoins de l électricité. Le lithium-ion est plus performant mais d un coût CFSER 2010 Page 10

11 encore trop élevé. Les batteries redox sont moins matures et reste encore à démontrer leur fonctionnement associant à l énergie éolienne Système hybride éolien-air comprimé à moyenne échelle En raison des avantages techniques, économiques et énergétiques démontrés pour le système hybride éolien-caes à grande échelle avec turbines à gaz, une possibilité novatrice et intéressante a été explorée pour l électrification des sites isolés non reliés au réseau central d électricité et généralement alimentés par des centrales au diesel. Il s agit du système hybride éolien-diesel avec stockage d air comprimé (SHEDSAC) «Ibrahim et al. [2007-a]», «Ibrahim et al. [2007-c]». Le choix de ce système n était pas seulement basé sur les réussites du système CAES à grande échelle : il résulte aussi du fait que le stockage d énergie sous forme d air comprimé est adaptable pour les deux sources de production d électricité envisagées en sites isolés, l éolien et le diesel. Le SHEDSAC présente, aussi, une solution intéressante au problème des fortes fluctuations stochastiques de l énergie éolienne car il permet une conversion à rendement élevé (60 70 % sur un cycle charge-décharge complet). Enfin, le système de stockage utilise des matériaux conventionnels, faciles à entretenir et à recycler (tuyauteries) et permet d effectuer un nombre de cycles quasi illimité «Ibrahim et al. [2007-d]». Fig. 11. Système hybride de type JEDSAC à moyenne échelle «Ibrahim et al. [2007-c]» L utilisation de SHEDSAC permet de profiter de l excès de l énergie éolienne disponible quand (TPP>1) pour comprimer l air via un compresseur et le stocker dans des tuyauteries souterraines à bars. L air comprimé sert ensuite à suralimenter le moteur diesel 1. La suralimentation est un procédé qui consiste, par une compression préalable, à élever la masse volumique de l air à l admission des moteurs pour en augmenter leur puissance spécifique (puissance par unité de cylindrée) et diminuer leur consommation en combustible «Ibrahim et al. [2007-b]». Le groupe électrogène, entraîné par le diesel, fonctionnera durant les périodes de vent faible ou nul, quand la puissance éolienne ne suffit pas à la charge (TPP<1) «Ibrahim et al. [2007-b]», «Ibrahim et al. [2007-c]». Le schéma de principe du système de stockage est présenté à la Fig Plusieurs techniques de la suralimentation supplémentaire ont été explorées dans [«Ibrahim et al. [2007-c]» comme la suralimentation en série avec une turbine à air, la suralimentation bi-étagée, la suralimentation de type hyperbare, etc. CFSER 2010 Page 11

12 4.7. Système hybride éolien-air comprimé à petite échelle Cette solution pourra être utilisée pour l électrification des stations de télécommunications situées en sites isolés. En effet, pour maximiser la portée des signaux de téléphonie et l'étendue de la couverture, les infrastructures télécoms (émetteurs de stations météorologiques, radio, cellulaires, faisceaux hertziens, etc.) sont souvent installées dans des régions éloignées, faiblement peuplées et à haute altitude (crêtes, montagnes) où les conditions atmosphériques (vitesse du vent, température) peuvent être extrêmes. Ces sites sont souvent difficiles d'accès et ne sont desservies par aucun réseau d alimentation électrique. Ces stations ont besoin d'une source d'électricité fiable et exigent une disponibilité de l énergie à 100%. Elles ne tolèrent aucune rupture d alimentation. Généralement, elles sont alimentées par des génératrices diesel, source continue d émission des gaz à effet de serre (GES) et nécessitent de fréquentes visites de service et/ou de maintenance. De plus, la consommation annuelle de carburant par station peut dépasser les litres. Ceci peut compliquer l approvisionnement en carburant en temps utile et augmenter les frais d'exploitation et fonctionnement de la station. L idée du système proposé consiste à implanter une centrale éolienne comme source d énergie d appoint couplée à un moteur d air comprimé équipé de 2 machines pneumatique (moto-compresseur) et électrique (moto-alternateur). Lorsque TPP>1, l énergie éolienne excédentaire est utilisée par l alternateur pour entraîner le compresseur afin de recharger d air comprimé des tuyauteries souterraines ou des réservoirs superficiels (à 200 bars). En l absence de l énergie éolienne (TPP<1), l air comprimé est détendu dans le motocompresseur qui entraîne l alternateur pour fournir de l électricité. Le moteur diesel sera utilisé seulement en l absence totale de l énergie éolienne et du dispositif du stockage (Fig. 12). Fig. 12. Système hybride de type JEDSAC à petite échelle «Ibrahim et al. [2007-a]» CFSER 2010 Page 12

13 5. Analyse et conclusion Le stockage de l énergie représente un enjeu majeur pour permettre une réelle pénétration d une immense ressource renouvelable (vent), intermittente et plus ou moins aisément prédictible «Multon [1999]» et pour accroître la sûreté du système. Les solutions sont nombreuses mais tellement différentes dans leurs spécifications qu elles sont difficiles à comparer. C est la raison pour laquelle un ensemble de caractéristiques techniques et économiques ont été présentés. Ceci permettrait, aussi, d améliorer les estimations de coût qui conditionnent l acceptabilité du stockage. Toutes les techniques de stockage mentionnées dans cette étude pourraient être associées aux éoliennes mais leur efficacité de fonctionnement ainsi que la rentabilité économique des projets dépendent bien de la nature de l application. Par exemple, dans le cas de connexion au réseau avec lissage de pointes (plusieurs MWh), l air comprimé et les batteries redox sont les plus appropriés avec un avantage important pour le premier en termes de coût. Dans le cas du contrôle de la qualité de puissance, les critères essentiels sont la capacité de restitution de l énergie et le cyclage. Les volants d inertie et les super-condensateurs sont les plus adaptés ainsi que les batteries lithium-ion. L autonomie est le critère essentiel dans le cas des petits systèmes (quelques kwh) en site isolé où la batterie plomb reste le meilleur compromis entre performances et coût. Le lithium-ion est plus performant mais d un coût encore trop élevé, tandis que pour des besoins plus importants (quelques centaines de kwh), le plomb reste devant le lithium et les solutions alternatives sont soit moins performantes, soit d un coût trop élevé : air comprimé (trop d autodécharge), piles à combustible (coût très élevé et mauvais rendement énergétique), batteries redox (coût de maintenance). Aucune technologie de stockage n est optimale, mais toujours une recherche active permettra d optimiser sa performance en cherchant à l associer à la bonne source ainsi qu aux autres technologies afin d améliorer le rendement global de fonctionnement du système, la fiabilité, la maintenance et augmenter sa rentabilité économique. L hybridation de l éolien avec des systèmes de stockage et d autres sources de production d énergie permet d exploiter au maximum la ressource éolienne pour fournir de l électricité de manière autonome. Il s agit donc d une solution idéale pour les communautés éloignées du réseau. Certaines approches, «Jumelage Éolien-Diesel», sont utilisées actuellement dans des communautés nordiques au Canada et en Alaska et dans plusieurs sites isolés ailleurs dans le monde. Ces systèmes sont adaptés pour réduire la dépendance à l'égard du combustible fossile en employant le rayonnement solaire et la ressource éolienne. Cette façon de concevoir l intégration éolienne amène des économies de carburant intéressantes (50 à 80% selon le gisement éolien), et permet de réduire les déficits d exploitation des réseaux autonomes dont la production principale est obtenue par des groupes diesel. Les principales réductions de coût sont pour l entretien et le remplacement des diesels. De plus, un système de régulation performant qui maintient les groupes diesel au-dessus de leur puissance minimum de bon fonctionnement, permettra d'optimiser leur fiabilité et le taux de pénétration de l'énergie éolienne. Enfin, à chaque situation rencontrée, il existe à priori un système de stockage approprié. Certes des progrès sont encore nécessaires pour améliorer les performances de certains d entre eux et en diminuer les coûts. Mais il est encourageant d affirmer que l électricité peut être stockée quand on veut, où on le désire et en n importe quelle quantité «Multon et al. [2003]». CFSER 2010 Page 13

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