Stockage de l’Energie Pr Xavier Py

1. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage de l’Energie Pr Xavier Py

2. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 INTRODUCTION Définition du stockage (?) Pourquoi stocker l’énergie ? Comment la stocker ? Comment qualifier le stockage ? Eléments de choix pour une application.

3. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Définition ? du stockage Le stockage de l’énergie est l’opération unitaire qui consiste à emmagasiner une énergie disponible pendant une période de disponibilité pour la restituer en différé. Cette opération s’accompagne généralement de pertes, de dégradations mais peut aussi être couplée à d’autres fonctions. assez réducteur...

4. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Classifications des fonctionnalités potentielles Fonction « production différé » : en capacité en puissance Protection thermique : en température en puissance Régulation : en température en puissance en fréquence Conversion : absorbeur solaire homogénéité focale véhicules Centrales ES Géothermie solaire Clim Asie Électroniques de P PV, CAPT sous vide nucléaire Centrales EnR Clim Solaires ECS dilution de la source Concentration S qualité du flux alternances fct

5. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Conséquences Le « stockage » n’est pas seulement un « plus » dans un procédé... Le « stockage » doit être intégré au procédé ! Avantages : fonctionnalités supplémentaires réduction d’interfaces (et donc des coûts et meilleur rendement)

6. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 50 40 30 20 10 0 MW Vers stockage Hybridation fossile stock Solaire direct 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Fonctionnalité « différé » Objectif : gérer le déphasage source / demande 200-400°C 20-100 kW/m2 Luz SEGS I huile synthétique < 400°C pas de stockage  hybridation énergie fossile five 30MW Mojave desert of California

7. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Déphasage source/demande Une réalité à deux niveaux Une réalité pour le réseau côté client :  Le consommateur a sa propre courbe de besoins. Variation puissance consommée en France moyenne journalière • Une réalité côté production • avec les EnR...délocalisées ! • Acceptabilité des EnR ! • Dans un réseau initialement fait pour du centralisé. fluctuation P ferme 76 Éoliennes Québec le 16 Mars 2004

8. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 • Stockage de production : • stratégie d’optimisation technico/commerciale source/demande • impact direct sur la valeur marchande de l’élec produite • parfois cadre législatif (Espagne 3-4 h) pour mise en réseau • en générale quelques heures de production  qq MWh

9. Fonctionnalité « différé » Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 220°C objectif Béton haute T Céramique (Al2O3 + Ox Fer) sel seul Cas des centrales cylindroparaboliques Stockage chaleur sensible L - thermoclines - huiles - sels fondus - HTF/fillers • Stockage • chaleur Latente L/S • - sels inorganiques • composites sels/graphite • 50-500 kWh/m3 (DT≈ 0°C ! ) • ~ 30 €/kWh 10-50 MWe 100 kW/m2 < 400 °C (huile) ? 52 kWh/m3 (DT= 100°C) 20 – 30 €/kWh hth-el~ 30-40% • Stockage • chaleur sensible S • - béton • céramiques • céramiques recyclées 70 kWh/m3 (DT= 100°C) ~ 30 €/kWh /1000 Objectif : gérer le déphasage source/demande

10. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 HTF Fonctionnalité « différé » Cas des centrales cylindroparaboliques HTF Stockage direct : HTF = matériau stockage (SEGS1 huile, Thémis, Solar two sels fondus) Stockage indirect : HTF ≠ matériau stockage (Solar One, ANDASOL)

11. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 2-20 MWe Fonctionnalité « différé » Cas des centrales à tour Objectif : gérer le déphasage source/demande 565 °C 1400 t sel 31$/kWh THEMIS 2.5 MWe 560°C 550 t sel Hier : stockage sensible à sel fondu … demain stockage chimique ? ou à chaleur latente ? Enjeux : Températures jusqu’à 1000°C Densités de flux 250-1000 kW/m2 Nouvelles filière: céramiques recyclées

12. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 EREC Fonctionnalité « différé » Objectif : gérer déphasage et dilution Dilution (?) de la source Valeurs moyennes : Moyenne bâtiment : 400 kWh/m2/an Objectif 2050 : 100 kWh/m2/an Objectif habitat : 50 kWh/m2/an Source solaire : > 1000 kWh/m2/an Mais besoins ponctuels en puissance  Stockage nécessaire

13. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Saunier-Duval/Vaillant Fonctionnalité « stockage » Objectif : gérer le déphasage dilution Enjeux : Valorisation en puissance, Sanitaire (éliminer l’eau), Encombrement (densification), Efficacité (réduction des surfaces et coûts), Intégration (structure, capteur multifonctionnel). Sujet de TD n°1 Eau chaude sanitaire  Évolution à méditer pour les CES !

14. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 climatisation Zone de confort chauffage Fonctionnalité « différé » Intermittences prévisibles Cas de l’habitat : gestion énergétique passive Béton : r Cp = 1.4 MJ/(m3 K) Matériau Idéal : r Cp = 100 MJ/(m3 K) !!! Enjeux : Matériaux (r Cp, L, toxicité, prix), Intégration structure, Gestion (passive, active, comportementale).

15. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de différé, cas de l’habitat

16. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Intermittences prévisibles Géothermie de surface ou géothermie « solaire » Enjeux : Intensification captage solaire, Intensification stockage, Optimisation HTF, échangeurs.

18. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Intermittences prévisibles « Free cooling » Gestion ouvertures/fermetures Free cooling avec stockage

19. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité « différé » Déphasage procédé/source Climatisation Solaire • Stockage chaud • 360 kg RT80 • 20 kg de GNE • 35% heat stored Capteurs solaires 22 m2 - (Megasun) (60 kWh heat received) • Stockage froid • 380 kg RT5 • 20 kg GNE • 80% coldness stored géothermie (thermal sink at 2 m) S=16 m2 - 50 kWh • Réacteur thermochimique • 130 kg BaCl2 • 30 kg GNE • 60 kg NH3 cycled • 24 kWh coldness

20. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection En température: PV avec production ECS en stockage

21. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection En puissance et en température réacteur nucléaire électroniques

22. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection Intermittences imprévisibles Procédés solaires Dish-Stirling Contraintes thermomécaniques Fiabilisation Acceptabilité (lissage de production) réduction Prix kWhe CNRS PROMES Odeillo

23. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de protection Intermittences imprévisibles Stockage vapeur 20-30 kWh/m3 100 €/kWh Centrale PS10 (Séville) PS10 Séville 11 MWe Stockage 50 mn à 50% : 25 MWh vapeur 40 bars 250°C

25. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de conversion et protection Moins de constituants: - meilleurs rendement - moindre coût - plus fiable - plus léger

26. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de conversion et protection Certainement des choses à faire !

27. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Fonctionnalité de régulation Climatisation solaire SOLACLIM centrale cylindroparabolique évaporation directe de vapeur DISTOR Prg Eur. DISTOR (S. Pincemin)

28. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Problématiques du stockage définir avant tout… • Fonctionnalités : stockeur, isolant (par inertie), limiteur de T, tampon, absorbeur… • Matériaux : propriétés, élaboration, composites, surfusion, mélanges binaires, • stabilité thermique et chimique, coût, disponibilité, inflammabilité, PCM multi-T, • Toxicité, recyclabilité… • Enveloppe : corrosion, tenue mécanique, échange fluide/matériau, encombrement, • connexions,… • - Intégration du matériau : encapsulation, en calandre,… • Intégration dans le procédé d’application : où, comment,… • Modélisation, simulation : échelles du matériau, du stock, du procédé,… • Intérêts du stockage : réduction des coûts, analyse de cycle de vie, • contenu énergétique (payback), critères de pertinence • - Gestion du stockage : télégestion, SAV, alarmes,…

29. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Techniques de stockage de l’énergie Technologies maturesd’intérêt Stockage mécanique Stockage thermique Stockage chimique Stockage magnétique Hydraulique STEP Air comprimé Volant d’inertie Chaleur sensible Chaleur latente Chaleur adsortion Chaleur absorption Electrochimie Photosynthèse Thermochimie Hydrogène Supraconducteurs SMES Supraconducting Magnetic ES

31. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs La capacité énergétique: Qmax C’est une énergie, donc en Joule ou en W×h (facteur 3600!) Elle n’est pas totalement disponible (pertes, irréversibilités,…) Elle influe directement sur les dimensions du stockage (poids, volume) Notions dérivées: densité énergétique volumique - Qmax/Vstockage en J/m3 densité énergétique massique - Qmax/Mstockage en J/kg Déjà un critère de choix selon les applications…

32. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs L’état de charge: SOC pour State of Charge énergie stockée / capacité énergétique SOC = Qstock / Qmax en fraction ou en % Simple pour: électricité, fuel, gaz, mécanique Difficile pour: thermique, thermochimique

33. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Profondeur de décharge PDC PDC= (Qmax – Qstock) / Qmax PDC= 1 – SOC en fraction ou en % Peut être limitée: sécurité, rendement, …

34. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Puissance de stockage : Pmax C’est un débit d’énergie, une vitesse de stockage (<0) ou déstockage (>0) donc en J/s ou W Comme la vitesse d’un véhicule, on distingue: la puissance moyenne: DE/Dt la puissance instantanée: ∂E/ ∂t

35. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Constante de temps: t = Qutile / Pmax en s Paramètre prépondérant pour la sélection d’un stockage, essentiel concernant la pertinence te la technologie/application. t = 8 s t = 5 à 10 h

36. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Rendements du stockage: h = Qutile / Qfournie en fraction ou en % rapport énergie restituée / énergie fournie (!) Attention: c’est aussi à relier au nombre de cycles et à la gestion (EDF)

37. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Cyclabilité Nombre de cycle charge/décharge avant dégradation des performances. A relier à l’usage, à la durée d’exploitation. Dépend des amplitudes, des états de fin de charge et de décharge Parfois très difficile à garantir 2500 °C/min

39. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Coûts économiques coût d’investissement, coût d’exploitation en euros / (kW h) ou en euros / (kW) Ne tiennent pas forcément compte de tous les coûts… Partie très suggestive: dépend du moment, du lieux, des partenaires,…

40. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Principaux paramètres descriptifs Coût environnemental : ACV Sûreté, nocivité, recyclabilité, … Energie grise, GES comparés au service rendu ? Etudes rarement disponibles… Pour le CSP: 2011 !

41. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Cummulative Energy Demand

42. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 L’avis d’un grand de l’énergétique EDF R&D Séminaire Stock-E Janvier 2008

43. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 L’avis d’un grand de l’énergétique EDF R&D Séminaire Stock-E Janvier 2008

44. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Systèmes installés, retour expérience

45. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Domaine stockage Puissance/temps caractéristique CES cylindroparaboliques

46. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Domaine stockage Puissance/capacité

47. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Domaine stockage Coût Invest par capa / coût invest par P

48. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage par volant d’inertie

49. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage par volant d’inertie Régulation en fréquence Fort intérêt des Flywheels : la régulation en fréquence ! beaucoup de P instantanée ! y compris pour une centrale ES !