Projet SETHER Appel à projets Adrien Patenôtre, POWEO

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1 Projet SETHER Appel à projets 2008 Adrien Patenôtre, POWEO

2 SETHER STOCKAGE D ELECTRICITÉ SOUS FORME THERMIQUE À HAUTE TEMPÉRATURE Partenaires : POWEO, SAIPEM, CEA, CNAM, GEMH, ONERA, ARMINES Date de début du projet : 01/12/2008 Date de fin du projet : 31/05/2012 Budget total : 1700 k Aide accordée : 780 k Labellisation par le pôle de compétitivité TENERRDIS

3 Technologie de stockage d Electricité sous forme Thermique Présentation du projet SETHER Contexte, Objectifs Défis scientifiques et technologiques Résultats Conclusion - Perspectives

4 Principe de stockage d électricité sous forme thermique : un cycle thermodynamique entre 2 enceintes de matériaux réfractaires Principes de stockage d électricité Stocker l énergie thermique dans des matériaux réfractaires à très haute Convertir cette chaleur en électricité grâce à des systèmes de turbomachines Composants du système de stockage 2 enceintes de matériaux réfractaires pour le stockage de l énergie thermique Un gaz caloporteur circulant en cycle fermé Enceinte de matériaux réfractaires à basse Charge Electricité Enceinte de matériaux réfractaires à haute Des systèmes compresseurs turbines pour la conversion d énergie COMPRESSEUR TURBINE Décharge Electricité

5 Fonctionnement du stockage : Phase de charge Chauffage 780 C 380 C ENCEINTE BASSE TEMPERATURE ENCEINTE HAUTE TEMPERATURE 20 C -74 C Refroidisseur TURBINE FROIDE MOTEUR COMPRESSEUR CHAUD ENERGIE ELECTRIQUE L énergie électrique entraine un compresseur faisant circuler le gaz depuis l enceinte basse vers l enceinte haute

6 Fonctionnement du stockage : Phase de décharge Chauffage 780 C 380 C ENCEINTE BASSE TEMPERATURE ENCEINTE HAUTE TEMPERATURE 20 C -74 C Refroidisseur GENERATEUR ENERGIE ELECTRIQUE TURBINE CHAUDE COMPRESSEUR FROID La différence de entre l enceinte haute et l enceinte basse entraine une turbine de détente qui produit de l électricité

7 Technologie de stockage d Electricité sous forme Thermique Présentation du projet SETHER Contexte, Objectifs Défis scientifiques et technologiques Résultats Conclusion - Perspectives

8 /MWh Contexte Développement des ENR Production décorrélée de la consommation Energie intermittente par nature Remise en question de la stabilité du réseau de transport Stockage équivalent avec La technologie SETHER Développement de la consommation électrique des ménages et du tertiaire Forte variation intra-journalière Besoin de moyens de production flexibles stockage Prix de l'electricité heure déstockage Station de Pompage : MWh Bath County VA - USA Besoin de technologies de stockage à grande capacité et faible encombrement

9 /MWh Contexte Développement des ENR Intérêts du procédé Production décorrélée de la consommation Energie intermittente par nature Remise en question de la stabilité du réseau de transport Fonctionne en circuit fermé Forte densité de stockage de chaleur Faible temps de réaction Développement de la consommation électrique des ménages et du tertiaire Forte variation intra-journalière Besoin de moyens de production flexibles stockage Prix de l'electricité déstockage Pas de contrainte de localisation Pas d impact environnemental Stockage à grande échelle Adapté à l intégration des ENR heure Besoin de technologies de stockage à grande capacité et faible encombrement

10 Intérêts et avantages Avantages technologiques Pression relativement limitée (<5-10 bar) Stockage de la chaleur et de la pression dans les mêmes enceintes, entièrement artificielles Températures inférieures à celles des matériaux réfractaires et turbines existantes ( maximale de l ordre de 800 C) Applications industrielles possibles Adapté aux grandes capacités de stockage Puissance : MW Temps de charge/décharge :1h-1 jour Faciliter l intégration des ENR dans le mix énergétique Eviter la construction de moyens d ultrapointe coûteux Système fonctionnant en cycle fermé, avec utilisation possible d un gaz neutre : absence de risque de corrosion Principe : adapter des technologies existantes à ce nouveau procédé Opportunité pour une nouvelle forme de stockage de grande capacité

11 Objectifs du projet Valider la faisabilité du procédé de stockage Organisation du projet SETHER autour d un partenariat public-privé Dimensionner les éléments constitutifs du système de stockage permettre les premiers choix technologiques majeurs Modélisation Matériaux réfractaires Coordination Turbomachines Conception technologique Valorisation économique

12 Technologie de stockage d Electricité sous forme Thermique Présentation du projet SETHER Contexte, Objectifs Défis scientifiques et technologiques Résultats Conclusion - Perspectives

13 Verrous technologiques Résultats attendus Défis technologiques Résultats attendus Faisabilité des turbomachines adaptées Compression haute Bonne efficacité des turbomachines Durée de vie avec arrêts et redémarrages fréquents Développement d un démonstrateur Matériaux réfractaires Résistance à un très grand nombre de cycles thermiques de grande amplitude Optimisation de l ensemble du système Intérêt scientifique concernant : - Les turbomachines - Les matériaux réfractaires - Les modélisations thermodynamiques

14 Technologie de stockage d Electricité sous forme Thermique Présentation du projet SETHER Contexte, Objectifs Défis scientifiques et technologiques Résultats Conclusion - Perspectives

15 Principaux résultats Modélisation du système Modélisation complète du système réalisée : Intègre les données relatives aux échanges dans les enceintes de réfractaires Intègre les équations caractéristiques des compresseurs et turbines Matériaux réfractaires et essais Préparation en cours des essais expérimentaux Etudes des matériaux et de leur géométrie achevées 1 matériau et 1 géométrie précise ont été définis Valorisation économique Première étude de valorisation économique réalisée, basée sur un fonctionnement d un cycle par jour Etude de marché réalisée Turbomachines Cartographies des turbines et compresseurs réalisées faisabilité technique des machines du procédé validée

16 Modélisation du système Le taux d utilisation de la capacité de stockage dépend du diamètre hydraulique du matériau de stockage Paramètres étudiés : Caractéristiques débit-pression-rendement des turbomachines Caractéristiques des matériaux de stockage Echanges de chaleur gaz-solide Pertes de charge Conduction et pertes diverses Thèse réalisée au CEA Grenoble (Tristan Desrues) Exemples de profil thermique dans l enceinte chaude

17 Modélisation du système Des promoteurs de turbulence (obstacles alternés) permettent une intensification des échanges sans trop augmenter la perte de charge Géométries de matériaux étudiées : Canaux verticaux lisses Canaux avec obstacles d intensification des échanges Sphères Graviers L intensité des échanges a une répercussion sur la taille des enceintes pour une capacité de stockage d énergie donnée

18 Matériaux et empilage Matériau naturel : Faible coût Grande disponibilité Cailloux de basalte Plaques céramique formées pour optimiser les échanges : Cordiérite (5 SiO 2 2 Al 2 O 3 2 MgO) La bonne tenue de ces matériaux a été testée en laboratoire par cyclage répété à 800 C

19 Essais de stockage sur la boucle CLAIRE au CEA Grenoble Matrice A Matrice B air - Installation semi-industrielle fonctionnant en alternance - Deux régénérateurs de 5 mètres de hauteur et de 1m 2 de section - Un régénérateur est rempli avec les plaques, l autre avec les graviers mesures de dans le solide, 70 dans le gaz pour chaque régénérateur - Température chaude jusqu à 1200 C (800 C utilisé) - Puissance de l ordre du MW Début des essais : Avril

20 Modélisation des turbomachines - ONERA Maillage d un étage de compresseur L état de l art montre que les matériaux disponibles permettent de concevoir un compresseur fonctionnant à 800 C Champs de caractéristiques des compresseurs chaud et froid

21 Technologie de stockage d Electricité sous forme Thermique Présentation du projet SETHER Contexte, Objectifs Défis scientifiques et technologiques Résultats Conclusion - Perspectives

22 Conclusion et perspectives Objectif : réaliser un démonstrateur à échelle réduite Phases Objectifs Dates SETHER Choix technologiques et dimensionnement du système de stockage Validation expérimentales des matériaux réfractaires 2008/2012 Démonstrateur Puissance : 1MW Validation expérimentale du système et des turbomachines 2013/2014? Application industrielle Puissance : qqs MW A partir de 2015?

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24 Flux d énergie lors du stockage Flux d énergie lors du déstockage Moteur électrique Génératrice Enceinte basse 213 Compresseur chaud Enceinte haute Enceinte basse 213 Turbine chaude Enceinte haute 65 Turbine froide Compresseur froid Refroidisseur 0 Turbine efficiency: 24 % Refroidisseur 22

25 Flux d énergie lors du stockage Flux d énergie lors du déstockage Moteur électrique Génératrice Enceinte basse 213 Compresseur chaud Enceinte haute Enceinte basse 213 Turbine chaude Enceinte haute 65 Turbine froide Compresseur froid Heat pump efficiency : 340 % Refroidisseur 0 Refroidisseur 22

26 Flux d énergie lors du stockage Flux d énergie lors du déstockage Moteur électrique Génératrice 100 For 100 kwh stored, kwh can be discharged 78 Enceinte basse 213 Compresseur chaud Enceinte haute Enceinte basse 213 Turbine chaude Enceinte haute 65 Turbine froide Compresseur froid Refroidisseur 0 Refroidisseur 22