TECHNOLOGIE UTILISEE ACCUMULATEURS POUR LE STOCKAGE DE L ELECTRICITE DA NS LES SYSTEMES

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1 TECHNOLOGIE UTILISEE ACCUMULATEURS POUR LE STOCKAGE DE L ELECTRICITE DA NS LES SYSTEMES OU GENERIQUE ELECTRIQUES Type d'usage Collectif Dans les installations résidentielles/tertiaires collectives alim entées par des énergies renouvelables intermittentes de production d électricité (co nnectées ou non au réseau publique électrique) Eclairage public autonome Mobilité électrique en auto partage. Individuel Dans les installations résidentielles individuelles autonomes alimentées par énergies renouvelables Mobilité électrique individuelle Schéma de principe : Acteurs liés à la production et à la distribution de l électricité en F rance (Source EDF) Schémas applicatifs (innovations sous jacentes) : Source CEA INES 1

2 Description synthétique : L utilisation de dispositifs de stockage d électricité dans un éco quartiers doit permettre a minima de : valoriser les ressources locales afin de préserver l environnement concevoir ses différentes composantes en vue d une intégration locale, et enfin gérer intelligemment l énergie pour suivre les besoins des consomma teurs. Schéma d intégration d accumulateurs dans un schéma de productions d électricité int ermittente avec une gestion faisant appel aux technologies d information et de communication (Source CEA INES) : Liste des EQs utilisant cette technologie : Aucun EcoQuartiers retenu dans l étude détaillée de NEXUS ne dispose d un stockage d électricité par accumulateur. Mais pour montrer que le stockage existe, ci après des exemples pour d es batteries plomb. Tableau 1. Exemples d installation de stockage au plomb pour des applications de conn exion au réseau [Source : Electricity Storage Association] Nom de l'installation et localisation Année d'installation Energie Nominale [MWh] Puissance Nominale [MW] BEAWAG, Berlin ,5 8,5 Crescent, Caroline du Nord ,5 0,5 Chino, Californie PREPA, Porto Rico Vernon, Californie ,5 3 Application Réserve tournante / Régulation de Fréquence Ecrêtage du pic de consommation Réserve tournante / Echelonnement de Consommation Réserve tournante / Régulation de Fréquence Sécuration de la ourniture d'électricité / Qualité de la fourniture de puissance du réseau Stabilisation du réseau de l'île Metlakatla, Alaska ,4 1 ESCAR, Madrid Début des années Echelonnement de Consommation Herne Sodingen, Allemagne Ecrêtage du pic de consommation / Fin des années 1,2 1,2 Qualité de la fourniture de puissance du 1990 réseau 2

3 Opérateurs (nom et Aucun acteur pour cette technologie identifié dans l étude détaillée de NEXUS. nature) Conception Réalisation Exploitation Variantes des solutions retenues dans les EQs : Pas de solution de stockage d électricité par accumulateur dans l étude détaillée de NEXUS. Domaines pertinents Limites d utilisation Contribution à la mutualisation des besoins Les dispositifs de stockage électrochimiques trouvent de nombreuses applications au sein des réseaux de distribution : équilibrage entre production et consommation, services systèmes pour la gestion des réseaux d électricité et intégration des EnR intermittentes au sein de micro réseaux connectés au réseau d électricité. La formulation des contraintes des différents acteurs (producteur, gestionnaire, consommateur) opérant le dispositif de stockage électrochimique permet de déterminer une stratégie de gestion intégrant les critères d optimisation de chaque acteur ainsi que les spécifications d une technologie de stockage adéquate. La pertinence d un dispositif de stockage électrochimique peut s estimer en première instance par ses performances nominales. Cependant, les conditions réelles d exploitation (régime de charge/décharge, températures ambiantes, fréquences de sollicitation) influent notablement ses niveaux de performances et sa durée de vie donc, en dernière instance, son coût. En définitive le choix et le dimensionnement d un dispositif de stockage électrochimique sont issus d un compromis entre la stratégie de gestion mise en œuvre et les performances du stockage aux différents points de fonctionnement vus durant sa durée de vie. Les technologies de stockage d énergie peuvent être classifiées selon la durée d utilisation continue qui leur sera demandée en décharge dans l application : Applications instantanées (de 0 à quelques secondes) : principalement pour la gestion des réseaux d électricité. Applications court terme (de quelques secondes à quelques minutes) : pour les réseaux d électricité mais on retrouve également de telles contraintes pour les véhicules électrique et hybrides, les énergies renouvelables intermittentes. Applications moyen terme (de quelques minutes à moins de 5h) : pour le report de production d énergie (par ex : production d énergie photovoltaïque de la journée vers la consommation du soir). Quelques applications sont aussi envisagées pour le rééquilibrage des marchés de l énergie (stocker quand l énergie est peu chère et la revendre lorsqu elle est chère : logiques d optimisations financières). Applications long terme (plusieurs jours) : Report de production d énergie. Principalement pour pallier aux saisonnalités tant sur la production (hydraulique, nucléaire, ) que sur les consommations (automne/hiver). Le Tableau 2 situé dans la partie «Détails qualitatif», présente les différentes technologies de stockage d énergie par types d applications. L utilisation de véhicules électriques comme moyens d accumulation permettant de restituer une partie de l énergie accumulée, ne reste aujourd hui qu au stade de prototype, et leur conception se développe dans les laboratoires. La complexité de gestion d un réseau électrique faisant intervenir des énergies renouvelables intermittentes réside dans la recherche permanente d un équilibre entre production et consommation. L atteinte de cet objectif nécessite l usage de dispositifs de stockage aux performances énergétiques adaptées à la nature de l application. Les coûts d un tel dispositif doivent être rentabilisés par la mutualisation des fonctions qu il assure. Ainsi, l enjeu d une stratégie de gestion à l échelle du quartier consiste à optimiser les critères technico économiques liés à plusieurs fonctionnalités du stockage de l électricité. Pour ce faire, une description temporelle fine des paramètres d entrée (PV, Eolien, charges, stockage, tarifs réseau, etc.) est nécessaire afin de comparer les performances de différentes stratégies de gestion. Par exemple, un système de stockage peut permettre de : 3

4 Supercapa. Volant d'inertie SMES Pb NiCd NiMH Li NiZn NaS NaNiCl STEP (100m de hauteur) CAES VRB (Redox) ZnBr (Redox ZBB) PAC + Electroly- seur Durée de vie (ans) Energie Volumique (Wh/L) CEA INES DTS/LEB/Patrice Schneuwly Fiche détaillée technologie Accumulateurs pour le stockage d électricité Mise à jour le : 20/04/12 Installer un système PV ou éolien de forte puissance tout en respectant des contraintes sur la variabilité de la production ; Fournir une offre d effacement qui peut réduire la facture énergétique pour le quartier ; Assurer un service de secours à conditions d identifier les charges vitales. Stockage d'énergie L utilisation d accumulateurs sur un réseau électrique doit permettre a minima de : Valoriser les ressources locales afin de préserver l environnement ; Concevoir ses différentes composantes en vue d une intégration locale ; Gérer intelligemment l énergie pour suivre les besoins des consommateurs. Coût d investissement Voir tableau 2 dans la partie «Détails qualitatif», et en complément la figure 1 ci après : ( /kw) Coût ( /kwh) Nb de cycles Charges de fonctionnement ( /kwh) court terme moyen terme long terme Figure 1. Coût ( /kwh) et Durée de vie (Nb. de cycles) des différents moyens de stockage d électricité (Source CEA INES) Les REX diffusés sur les charges d exploitation sont surtout sur des systèmes autonomes. Le poids économique de l entretien des gros éléments de batteries ouvertes au plomb issus des technologies utilisées dans les sous marins et qui bénéficient d une bonne cyclabilité (1 500 à cycles) s avère lourd et on tente de se rapprocher du zéro maintenance en adaptant des batteries à recombinaison qui ont été étudiées et améliorées pour la traction électrique. Mais c est une solution a priori plus onéreuse et obtenue pour l instant au prix d une cyclabilité environ deux fois moindre. L accès au REX d exploitation des démonstrateurs est limité car c est un domaine encore en innovation pour le connecté réseau et le véhicule électrique. 4

5 Niveau de maturité Les technologies de stockage par voie électrochimique doivent leur maturité historique aux batteries au plomb acide qui demeurent encore aujourd hui la technologie de stockage électrochimique la plus économique et de ce fait la plus utilisée en tant que stockage électrochimique connecté au réseau, d installations domestiques de l ordre de 20kWh aux installations industrielles de plusieurs MWh, en passant par tous les systèmes de secours UPS (Uninterruptible Power Supply) de quelques centaines de Wh à plusieurs centaines de kwh. Des technologies émergentes, ZEBRA (Sodium Chlorure de Nickel à haute température) au lithium, au sodium, ou encore au vanadium à circulation d électrolyte, challengent aujourd hui très sérieusement les batteries au plomb en raison de leurs performances, à la fois en termes de ratio énergie/puissance qu en termes d endurance (durée de vie), points faibles des batteries au plomb. Cette concurrence est d autant plus tangible que les coûts de ces nouvelles technologies, bien qu actuellement de 5 à 10 fois plus chères que la technologie plomb acide, sont promises à diminuer drastiquement dans les quelques années à venir. Ces diminutions de coût attendues reposent à la fois sur l arrivée à maturité de ces technologies, ainsi qu à l effet de volume escompté, que ce soit grâce au déploiement de solutions de stockage connecté au réseau qu à l essor des véhicules électriques. De par leur conversion directe électrique/chimique et leur flexibilité à la conception/réalisation, les accumulateurs électrochimiques intéressent particulièrement les producteur et gestionnaires de sites. 5

6 Détails qualitatif Figure 2. Caractéristiques technologies de stockage d électric ité installés en novembre 2008 (Source : étude Electricity Storage Association), avec en abscisse les puissances et en ordonnée les durées de décharges (ex. Li Ion : puis. 1M W pour 6 mn de décharge ou 10 kw pour 10 h de décharge, soit dans les 2 cas 100 kw h d énergie disponible) Stocker l énergie électrique, c est la conserver en vue d une utilisation ultérieure. Cette définition soulève que plusieurs critères doivent être analys és et qualifiés au travers d indicateurs comparatifs (Source CEA INES) : Tableau 2. Quelques critères comparatifs des technologies d e stockage (source CEA INES) : Type Techno. Puiss. Vol. Energie Rende Durée de Nb de Autodéch. T min. de T max. de Temps de Coût Vol. ment (W/L) vie (ans) cycles (%/mois) fonct. ( C) fonct. ( C) réponse (s) ( /kwh) (Wh/L) (%) Electrostat. Supercapa Stockage court terme Electromécan. Volant d'inertie , Electromagnét. SMES , Pb , NiCd , NiMH , Stockage moyen Electrochim. à Li , terme réserv. fixe NiZn , NaS , , NaNiCl C STEP , Electromécan. (100m de hauteur) u Stockage long terme Electrothermo- CAES dynam. VRB , , ZnBr , Electrochim. à PAC + réserv. variable Electroly seur 6

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