Soutenance mémoire
Technologies de stockage de l’énergie électrique
Besoins de stockage
L’utilisation des systèmes de stockage afin de supporter le réseau électrique devient incontournable surtout avec l’accroissement de la participation des énergies renouvelables dans le mix énergétique. Les services apportés par les dispositifs de stockage au réseau électrique sont rédigés comme suit [AKI14]:
1. Arbitrage de l’énergie: il inclut le stockage de l’électricité à faible coût durant les heures de faible consommation et la vente de l’énergie stockée durant les heures de pics de consommation à coût élevé .
2. Nivellement de la charge: il consiste à assurer la demande de l’énergie électrique durant les heures de pics de consommation, raser ensuite les pics de consommation inévitables et réduire par ce moyen le recours aux générateurs complémentaires de pic.
3. Intégration des énergies renouvelables: l’utilisation des systèmes de stockage d’énergie électrique réduit l’effet de l’intermittence des énergies renouvelables et conduit à une amélioration de la disponibilité et de la contribution des énergies renouvelables fluctuantes dans la consommation.
4. Réserve tournante: l’usage des systèmes de stockage peut réduire ou reporter le recours aux systèmes de production supplémentaires de l’électricité qui constituent la réserve tournante. Ces systèmes sont toujours en mode standby pour prendre le contrôle lors de l’échec d’un générateur.
5. Enjeu vital: le stockage d’électricité évite le coupage brusque d’électricité surtout dans les hôpitaux et pour des questions de sécurité.
6. Régulation de la fréquence: cela implique le soutien de la stabilité de la fréquence des réseaux électriques à travers les caractéristiques de charge / décharge des systèmes de stockage, régulant ainsi la tension et la fréquence (équilibre productionconsommation).
7. Report d’investissement: l’investissement dans les infrastructures de la transmission et la distribution (T/D) peut être reporté par l’intégration des systèmes de stockage.
Il faut noter en plus que les systèmes de stockage d’électricité sont classifiés selon leur temps de décharge. Les systèmes de stockage avec une durée de décharge de l’ordre de quelques minutes sont utilisés pour améliorer la qualité de l’alimentation (fréquence et tension), les systèmes avec une durée de décharge de l’ordre d’une heure sont employés pour assurer la continuité de l’alimentation (phases transitoires) et les systèmes avec une durée de décharge supérieure sont utilisés pour des applications de gestion de l’énergie [DEN10, CHE09].
Classification des formes de stockage de l’énergie électrique
Le stockage de l’énergie électrique est un processus qui consiste à convertir l’énergie électrique en une autre forme d’énergie plus facilement stockable [CHE09]. Les formes de stockage peuvent être classées en cinq catégories: mécanique, électrique, électrochimique, chimique et thermique.
Le stockage mécanique consiste à stocker l’énergie sous forme potentielle ou cinétique. Le pompage-turbinage hydraulique (STEP) et le stockage par air comprimé (CAES) sont des systèmes de stockage à grande échelle d’énergie potentielle. Le stockage d’énergie cinétique se réalise habituellement avec un volant d’inertie. Le stockage électrique est une catégorie de stockage qui permet d’emmagasiner l’énergie directement sous sa même forme électrique. Parmi les dispositifs de ce type de stockage, le condensateur et le super condensateur emmagasine l’énergie sous forme d’énergie électrostatique et les SMES (super conduction magnetic energy storage) l’emmagasinent sous forme d’énergie magnétique. Le stockage électrochimique regroupe le dispositif de stockage le plus usuel dans notre vie quotidienne qui est la batterie. Il existe une grande variété de batteries comme les batteries sodium-soufre, lithium-ion, sodium-chlorure de nickel, batterie à circulation ou Redox-Flow… Le stockage chimique consiste à bénéficier de l’énergie électrique excédentaire afin de synthétiser des gaz combustibles à partir des molécules moins riches en énergie. Ces gaz ont la capacité de restituer de l’énergie lorsqu’ils sont brûlés ou bien via une pile à combustible. L’hydrogène, le méthanol et le méthane en sont des exemples.
Le stockage thermique peut être réalisé à partir de trois phénomènes différents qui sont le stockage par chaleur sensible, par chaleur latente et par une voix thermochimique. Le stockage du froid (glace, liquide cryogénique) et du chaud (sels fondus, matériaux à changement de phase MCP…) sont les deux formes de stockage thermique.
Il est clair qu’il existe une grande variété de systèmes de stockage de l’énergie électrique. En effet, chaque système a ses avantages, ses inconvénients et une gamme d’utilisation selon ses propres caractéristiques.
Critères de choix d’une technologie de stockage
L’objectif principal d’un système de stockage est de découpler la production d’électricité de la ressource énergétique. Le choix du système de stockage le plus pertinent pour un usage particulier sur un site, pour un stockage stationnaire de l’électricité, dépend des facteurs techniques suivants [JAC12, MUL08]:
● Quantité (MWh) et nature d’énergie disponible ;
● Puissances disponibles (MW);
● Densité de stockage en énergie et puissance (kWh/m3 ou kW/m3 ), qui conditionne le volume et la masse du système (coût de production);
● Coût et maintenance qui sont liés à la maturité de la technologie ;
● Temps de réaction qui présente la vitesse de montée et descente en charge / décharge (réserves primaire et secondaire);
● Efficacité du système de stockage; et
● Durée de vie ou nombre de cycles de charge / décharge admissibles;
Le système de stockage hydraulique STEP présente un coût d’investissement élevé, nécessite des sites adaptés et a des effets négatifs sur l’environnement. Le système CAES classique présente un coût moins élevé et des impacts environnementaux faibles mais il nécessite des sites adaptés. Le perfectionnement de la compression d’air est ainsi attendu.
Bien que le système CAES classique soit une technologie mature et opérationnelle, elle est limitée géographiquement et offre un faible rendement et une faible densité énergétique. Les contraintes géographiques peuvent être surmontées en stockant l’air comprimé dans des réservoirs artificiels alors que cette solution induit des coûts d’investissement supplémentaires. Le stockage par air comprimé doit être toujours accompagné d’un stockage de l’énergie thermique afin de récupérer la chaleur de compression, réaliser un cycle adiabatique et améliorer le rendement de l’installation. Par contre, le système CAES adiabatique est une technologie non mature et en cours de développement. Une étude bibliographique sur la forme des réservoirs de stockage d’air comprimé et de l’énergie thermique est donc développée dans ce chapitre afin de synthétiser une conclusion sur les solutions possibles pour franchir les inconvénients du système CAES classique. De plus, le système de stockage proposé est présenté.
Stockage sous forme d’air comprimé (CAES)
Afin d’adapter la consommation d’électricité quotidienne entre la journée et la nuit avec la production et protéger le réseau, le stockage d’énergie par air comprimé (système CAES) est la solution retenue. Elle permet un stockage de l’ordre de 20 heures avec une puissance de quelques centaines de MW (Fig. 6) ce qui est convenable pour un stockage quotidien à grande échelle. Cette technologie permet également de lisser la production des énergies renouvelables et de l’adapter à la consommation.
Les systèmes de stockage sous forme d’air comprimé sont divisés en trois catégories:
1. CAES non adiabatique
2. CAES adiabatique
3. CAES isotherme .
Pour chaque catégorie, plusieurs architectures de stockage sont rapportées dans la littérature. Les formes des réservoirs de stockage de l’air comprimé et de l’énergie thermique peuvent varier d’une architecture à une autre. L’étude bibliographique de chaque architecture de stockage est donc nécessaire pour trouver une combinaison optimale entre ces 2 formes de stockage en termes de rendement et de densité énergétique. D’abord, une étude bibliographique des formes des réservoirs d’air comprimé est explicitée.
Cavernes souterraines
L’énergie est stockée sous forme d’air comprimé dans des cavernes souterraines dans le système CAES classique. Ce dernier est un système de stockage d’énergie potentielle sous forme d’air comprimé et profite souvent de l’énergie chimique à travers une chambre de combustion durant la phase de décharge. Différentes architectures de ce système de stockage sont présentées dans la littérature.
S.K. Khaitan et al. [KHA13] ont examiné un système de stockage CAES classique à base d’une turbine à gaz (Fig. 8). L’air est comprimé à haute pression (jusqu’à 70 bars) et stocké dans une caverne souterraine . Ce système renferme un seul réservoir de stockage qui est celui de l’énergie potentielle. Vu que cette énergie est emmagasinée dans une caverne souterraine, le déploiement de ce système de stockage est de ce fait limité par la disponibilité des sites adaptés. Le système CAES classique a un rendement de 42% et une densité énergétique de 2.9 kWh/m3 .D’autres systèmes de stockage CAES utilisant des cavernes souterraines sont également rapportés dans la littérature. P. Zhao et al. [ZHA15] ont proposé un système de stockage CAES classique combiné avec un cycle de Kalina afin de récupérer l’énergie thermique résiduelle contenue dans les fumées à la sortie de la turbine basse pression. Cette valorisation de l’énergie thermique perdue permet d’améliorer l’efficacité énergétique du système de 4%. Un autre système CAES innovant est conçu par C. Bullough et al. [BUL04]. Dans le système proposé, la chaleur de compression est récupérée et emmagasinée dans un système de stockage de l’énergie thermique. Lorsque l’énergie est requise par le réseau électrique, l’air déjà comprimé dans une caverne souterraine et l’énergie thermique stockée sont recombinés, et détendus à travers une turbine à air. La chaleur emmagasinée et restituée à l’air durant la production évite l’usage des combustibles fossiles.
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Table des matières
Introduction générale
Partie I. Etat de l’art: les technologies de stockage par air comprimé
1.1 Introduction: contextes et enjeux du stockage de l’énergie électrique
1.2 Technologies de stockage de l’énergie électrique
1.2.1 Besoins de stockage
1.2.2 Classification des formes de stockage de l’énergie électrique
1.2.3 Critères de choix d’une technologie de stockage
1.3 Stockage sous forme d’air comprimé (CAES)
1.3.1 Introduction
1.3.2 Cavernes souterraines
1.3.3 Réservoirs artificiels sous pression
1.3.4 Accumulateur hydropneumatique
1.3.5 Réservoir de vapeur d’eau sous pression
1.3.6 Réservoir d’air comprimé sous-marin
1.3.7 Nouvelles solutions de stockage
1.3.8 Conclusions sur les formes des réservoirs d’air comprimé
1.4 Cycle de stockage NERIALIS
1.5 Optimisation de la densité énergétique
1.5.1 Introduction
1.5.2 Température et pression de stockage
1.5.3 Température d’admission d’air
1.5.4 Coefficient adiabatique ɣ
1.5.5 Conclusions sur l’amélioration de la densité énergétique
1.6 Revue des systèmes de stockage de l’énergie thermique
1.6.1 Introduction
1.6.2 Matériaux de stockage d’énergie thermique
1.6.3 Stockage thermique dans le liquide
1.6.4 Stockage thermique dans le solide
1.6.5 Conclusions sur les systèmes de stockage thermique
1.7 Architectures du système CAES
1.8 Conclusions
Partie II. Modélisation statique et analyses énergétique et exergétique de différentes architectures de stockage par air comprimé
2.1 Introduction générale
2.2 Etude bibliographique
2.3 Présentation du logiciel Dymola
2.4 Modélisation statique
2.4.1 Introduction
2.4.2 Compresseur
2.4.3 Turbine à gaz
2.4.4 Pompe
2.4.5 Turbine hydraulique
2.4.6 Echangeur de chaleur
2.4.7 Réservoir de stockage d’eau chaude
2.4.8 Réservoirs de stockage air/eau
2.4.9 Régénérateur de chaleur
2.4.10 Brûleur
2.5 Etude exergétique
2.5.1 Définition de l’exergie
2.5.2 Exergie thermomécanique d’un système ouvert
2.5.3 Calcul exergétique
2.6 Analyses énergétique et exergétique
2.6.1 Introduction
2.6.2 Cycles CAES adiabatiques
2.6.3 Cycles CAES non adiabatique
2.6.4 Cycles de stockage combiné avec une turbine à combustion
2.6.5 Synthèse des architectures de stockage
2.7 Analyse exergoéconomique
2.7.1 Introduction
2.7.2 Principes du combustible et du produit
2.7.3 Méthode SPECO
2.8 Conclusions
Partie III. Modélisation dynamique, validation composant par composant
3.1 Introduction générale
3.2 Etude bibliographique
3.3 Modélisation dynamique
3.3.1 Ecoulement dynamique
3.3.2 Echangeur de chaleur
3.3.3 Réservoirs d’eau chaude
3.3.4 Machines centrifuges
3.3.5 Vanne
3.3.6 Système de régulation
3.3.7 Bancs d’essais
3.4 Conclusions
Partie IV. Simulation en régime dynamique du fonctionnement du système IA-CAES
4.1 Introduction
4.2 Coup de bélier
4.2.1 Efficacité de la boucle d’eau
4.2.2 Influence de la durée de fermeture des vannes
4.2.3 Réservoirs air/eau
4.2.4 Conclusions sur le phénomène du coup de bélier
4.3 Scénarios de simulation du système IA-CAES
4.3.1 Introduction
4.3.2 Assurance de la réserve secondaire
4.3.3 Assurance de la réserve primaire
4.4 Conclusions
Conclusions Générales
