Le stockage d énergie pour un métro automatique Eric CHATTOT 12 mars 2009 Journée Club EEA Systèmes électriques pour véhicules du futur

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Fabienne Michaud
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1 Le stockage d énergie pour un métro automatique Eric CHATTOT 12 mars 2009 Journée Club EEA Systèmes électriques pour véhicules du futur 1

2 Les trois Secteurs de Siemens Industrie Industrie Mobility Industry Automation Drive Technologies Drive Technologies Industry Automation Building Technologies Mobility Osram Lighting (OSRAM) Building Technologies Industry Solutions Energie Fossil Power Generation Renewable Energy Oil & Gas Service Rotating Equipment Power Transmission Power Distribution Sectors Energie Santé Imaging & IT Divisions Divisions Divisions Workflow & Solutions Fossil Power Generation Renewable Energy Oil & Gas Energy Service Power Transmission Power Distribution Diagnostics Pourcentage du chiffre d affaire global par Secteur * Activités transversales IT Solutions and Services Siemens Financial Services Santé Imaging & IT Workflow & Solutions Diagnostics 51,3% 27,8% 14,2% 6,7% 2

Imaging & IT Divisions Divisions Divisions Workflow & Solutions Fossil Power Generation Renewable Energy Oil & Gas Energy Service Power Transmission Power Distribution Diagnostics Pourcentage

3 La Division Mobility (secteur Industie) Rolling Stock Traffic Solutions Public Transit Locomotives & Components Integrated Services Traffic Solutions Rail Automation Turnkey Systems Infrastructure Logistics Rail Automation Turnkey Systems Electrification Postal Automation Airport Logistics * Au 30 septembre

Automation Turnkey Systems Infrastructure Logistics Rail Automation Turnkey

4 Les activités de STS Centre mondial de compétence pour les automatismes de métros Métros entièrement automatiques Automatismes pour transport urbain Activités clés en main : systèmes de métros automatiques sur pneus ou sur fer Fournisseur en France des produits et solutions de TS Trains, tramways, tram-trains, locomotives, électrification, Prestataire de services : maintenance, aide à l exploitation 4

automatiques sur pneus ou sur fer Fournisseur en France des produits et solutions de TS Trains,

5 L'innovation chez STS Le Val : premier métro entièrement automatique (Lille, 1983) Optiguide : le premier Système de guidage optique pour autobus (Rouen, 2001) Le SACEM : premier système informatisé de contrôle des trains (Paris,1988) La première application d un automatisme CBTC sur un métro à forte capacité (Paris, Ligne 14, 1998) La première re-signalisation d'une ligne en exploitation 24h/24 (New York, Ligne L, 2006) 5

des trains (Paris,1988) La première application d un automatisme CBTC sur un métro à forte capacité

6 Système Val du 206 au 208 NG Développé dans les années 70, le Val est modernisé et amélioré au fil des années en fonction des besoins et des marchés Val 206 Val 208 Val 208 NG Val 208 NG climatisé 6

7 Le Val dans le monde 6 villes et 3 aéroports équipés ou en cours d équipement 119,5 km de lignes en service ou en construction Plus d un milliard de passagers transportés en toute sécurité depuis 1983 Disponibilité > % 7

en construction Plus d un milliard de passagers

8 Neoval Nouvelle génération de métro automatique qui vient enrichir la gamme VAL 2 déclinaisons Airval et Cityval Innovations par rapport au VAL Véhicule guidé par un rail central Concept châssis - véhicule modulaire Modularité du nombre de véhicules Automatismes de nouvelle génération de type CBTC Plus de confort et services passager Stockage d énergie embarqué 8

central Concept châssis - véhicule modulaire Modularité du nombre de véhicules Automatismes

9 Principe du système de guidage central actif Concept commun au véhicule TransLohr : un unique rail central entre deux galets localisés en extrémité de chaque roulement Utilisation d un type de guidage nouveau permettant des réductions de coût importantes sur le véhicule et sur les infrastructures 9

extrémité de chaque roulement Utilisation d un type de guidage nouveau

10 Contexte et enjeux Même si le transport ferroviaire et le métro sont des moyens de transport dont l efficacité énergétique n est plus à démontrer, le coût de l énergie de traction devient un poste de dépense majeur. Cette tendance oblige les exploitants à regarder de plus près leur consommation énergique pour identifier les sources potentielles de réduction. Axes d amélioration: Véhicule et sa chaine de traction Maitrise de la conduite Distribution d énergie 10

Cette tendance oblige les exploitants à regarder de plus près leur consommation énergique pour identifier les

11 Spécificité des métros automatiques Longueur des inter-stations: 300m à 700m Heures de pointe: Intervalle jusqu à 60 s minimum Heures creuses: Intervalle > 4 mn Exploitation 21 h/ 24h et 24h/24h 11

12 Distribution de l énergie de traction : situation Les contraintes d exploitation conduisent à: Surdimensionner les artères de livraison Surdimensionner le système de distribution d énergie Les véhicules produisent un appel de puissance au démarrage Ces pics de puissance sont très coûteux: Surdimensionnement du contrat de livraison Paiement de pénalités Synchronisation des tables horaires à ses limites 12

véhicules produisent un appel de puissance au démarrage Ces pics de puissance sont très coûteux:

13 Caractéristiques énergétiques d une inter-station Phase de traction Phase de vitesse palier Phase de freinage 13

14 Réceptivité du réseau Avec un déphasage approprie la réceptivité du réseau peut être amélioré Energie redresseur / Energie necessaire en fonction du decalage et intervalle Max 40s Max 30s Réceptivité varie en fonction de l intervalle et du nombre de véhicules en ligne % Max 20s Max 10s Max 0s 2 cas illustrés: sans pertes en ligne et avec pertes en ligne Energie redresseur / Energie necessaire en fonction du decalage et intervalle Pour les intervalles long la seul solution est le stockage % stations 40s 3 stations 30s 3 stations 20s 3 stations 10s 3 stations 0s

Max 0s 2 cas illustrés: sans pertes en ligne et avec pertes en ligne 100 90 Energie redresseur / Energie necessaire en fonction du decalage et intervalle Pour les

15 Transformation de l énergie Besoin énergétique Freinage 90% pour la traction 10% pour les équipements auxiliaires L énergie cinétique dissipée lors du freinage représente 40% de la consommation énergétique 15

16 Récupération de l énergie par le stockage Utilisation d éléments de stockage d énergie au sol Utilisation de dispositifs de stockage en embarqué Ces deux solutions peuvent être couplées selon les besoins de l application 16

dispositifs de stockage en embarqué Ces deux solutions

17 Applications Tram: Passages de carrefour, quartier historique à vitesse réduite Capacités:1-3 kwh Temps de recharge: plusieurs minutes Métro: Fonctionnement nominal Récupération énergie de freinage: 3-6 kwh Autonomie nécessite une grande capacité de stockage: >10kWh Cycles de recharge: <20s 17

Fonctionnement nominal Récupération énergie de freinage: 3-6 kwh

18 Bénéfices du stockage d énergie embarquée Infrastructure Postes d alimentation à la baisse (en nombre, puissance) Simplification de la voie (appareils de voie, ) Pas d électrification des zones de garage/atelier Exploitation Optimisation de la récupération de l énergie Réduction des pics de puissance (jusqu à 50%) Autonome en cas de panne du réseau Amélioration de la gestion des modes dégradés 18

de garage/atelier Exploitation Optimisation de la récupération de l énergie Réduction des pics de

19 Technologies Stockage hybride: Batteries + Supercondensateurs Technologies complémentaires Les supercondensateurs répondent aux besoins de fortes puissance et de cyclage Les batterie offrent une grande capacité et une réserve pour les modes dégradés Les performances du système et la durée de vie de composant sont améliorés 19

et de cyclage Les batterie offrent une grande capacité et une réserve pour les

20 Architecture véhicule avec stockage embarqué Auxiliaires Convertisseur DC/DC Moteur-roue Batteries Convertisseur DC/DC Hacheur 4Q dual Moteur-roue Convertisseur DC/DC Super- Condensateurs Moteur-roue R ail Rail de traction Hacheur 4Q dual Moteur-roue Boitier H.T. Atelier 20

Hacheur 4Q dual Moteur-roue Convertisseur DC/DC Super- Condensateurs

21 Architecture de la plateforme roulante Neoval Réseau pneumatique Attelage Coffre automatismes Compresseur d air Unité hydraulique Batterie LV box (basse tension) Coffre onduleur de traction Châssis Disjoncteur Coffre HT Roulements Attelage 21

22 Challenges Techniques: Répondre aux besoins (Capacité, masse, volume) Compatibilité avec les cycles de charge/décharge Contraintes d environnement (Gestion thermique) Durée de vie Sécurité: Répondre aux normes ferroviaires Fiabilité et disponibilité avec les objectifs d exploitation Exploitation: Coûts équivalents par rapport à un système traditionnel (investissement + exploitation) Maintenance peu contraignante 22

23 Perspectives Technologiques: Retombés du domaine automobile (coûts et disponibilité composants) Augmentation de la capacité de stockage Augmentation de la durée de vie Application: Stockage sol déjà exploité (produit SISTRAS SES) Neoval avec énergie embarquée envisagées à l horizon avec un déploiement progressif allant de la récupération de freinage vers une fonction d autonomie selon les évolutions technologiques et les besoins d exploitation 23

24 Axes de recherche Système Intégration du système de stockage à la chaine de traction Impact du stockage sur le réseau de distribution Impact du stockage sur la gestion de l exploitation Sécurité du système de stockage embarqué Technologie Composants de puissance Architecture convertisseurs Outils Modélisation et caractérisation des éléments de stockage (comportement, performance, durée de vie, systèmes de stockage hybrides) Méthodes et outils (modélisation temps réel, hardware in the loop, transposition et mise à l échelle) 24

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