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Stockage « mécanique » de l’énergie

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521. Stockage « mécanique » de l’énergie. Hydraulique Air comprimé. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521. Le stockage Hydraulique. La capacité de stockage : le volume et la chute. l’énergie potentielle r g D h à convertir en électricité.

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Stockage « mécanique » de l’énergie

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  1. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage « mécanique » de l’énergie Hydraulique Air comprimé

  2. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le stockage Hydraulique La capacité de stockage : le volume et la chute l’énergie potentielle r g Dh à convertir en électricité h rendement (de 0,75 à 0,90) h hauteur nette d’eau en m Q débit nominal en m3/s P (kW) = h h  g  Q

  3. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le stockage Hydraulique Deux grandes familles : les barrages et les stations de pompage station de pompage / turbinage hydraulique au fil de l’eau

  4. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Technologie mature Barrages : développement historique des technologies adaptées Les turbines : 4 types principaux 1. La turbine Kaplan (type axial) : faible chute (<10m) débit important genre hélice marine à pales orientables pour s’ajuster 2. La turbine Pelton (à impulsion): hautes chutes (10-500 m), faibles débits roue à augets alimentée en eau haute pression par injecteurs 3. Turbine Francis (centrifuge) : moyenne chute (20-350 m), débit moyen 4. Turbine Crossflow (Banki-Mitchell) (à impulsion) : rendement moyen, peu utilisée.

  5. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 90% 80-95% 90-95% 80-83%

  6. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 turbine heures forte conso pompage heures basse conso ~ + = Station de Transfert d’Energie par Pompage STEP machine hydroélectrique réversible STEP de Grand’Maison ≈ deux réacteurs nucléaires ! schéma de principe rendement : électricité produite/électricité consommée 82%

  7. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 STEP mais aussi possibilité d’échanger entre un bassin de surface et un aquifère

  8. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 STEP Avantages source d’énergie totalement renouvelable non polluante coûts de fonctionnement et entretien faibles technologie mature longue durée de vie (même après 50 ans) temps de réaction très rapide fortes capacités puissance produite flexible seule EnR à production à la demande déphasage de capacité de source /solaire en saisonnier

  9. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Coût du système à technologie hydroélectrique données moyennes pour petites centrales hydroélectriques de 125 kW et de 32,4 MW Coût de la turbine : $450 - $600/kW Coût total du projet : $1.000 - $2.100/kW Répartition des coûts : Génie civil 15 - 40% Matériel 30 - 60% Infrastructure 10 - 15% Coûts de construction 10 - 15% Durée moyenne de construction : 2-3 ans Coût d’exploitation et de maintenance : $0,01 – 0,02/kWhr

  10. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le site de Le Chatelet Altitude terrain: 2726 ft (831m) POSITION(Coordonnées GPS): Latitude............44°31'08''N  Longitude.......005°44'15''E ~ 100 m

  11. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à la centrale SOLENHA Cahier des charges : 20 MWe – 12h Calcul en puissance : supposant un rendement de 80% calculer le débit pour une chute de 129 m Calcul capacitif : en déduire le volume d’eau pour 12h de stockage Encombrement : calculer le nombre de cuves de 15.000 m3 Hauteur = 14 m et Diamètre = 37 m ou l’épaisseur d’eau sur la surface du terrain... Pour comparaison : ANDASOL (50 MW 7,5h 375 MWhe  1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves 14.250 m3

  12. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à la centrale SOLENHA Cahier des charges : 20 MW – 12h soit 240 MWh (12 MW 144 MWhe) Calcul en puissance : P (kW) = h  H  g  Q P = 0,8  129  9,81  Q Q = 19,8 m3/s (11,9 m3/s) Calcul capacitif : V = Q DT V = 19,8  12  3600 V = 855 360 m3 (513216 m3) Encombrement :  56 cuves de H-14 m  D-37,2 m (15.208 m3) (34 cuves ou 64 cm) ANDASOL (50 MW 7,5h 375 MWhe  1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves 14.250 m3

  13. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autre solution : Le Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW Dh= 129 m V= 1,2 milliards m3 surface 28,2 km2 débit= 300 Mm3/s V = ? sur 28,2 km2 Dh = ? cm

  14. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autre solution : Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW Dh= 129 m V= 1,2 milliards m3 surface 28,2 km2 débit= 300 Mm3/s V = 513 216 m3 sur 28,2 km2 Dh = 1,8 cm 

  15. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 En France un savoir-faire à exploiter... aussi dans ce domaine !

  16. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES Compressed Air Energy Storage rendement ~ 70-75% • stockage/déstockage thermique • transformation ~ isotherme • si système adiabatique • stockage thermique associé !

  17. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 pour limiter Tout et les pertes E : étages et échangeurs schéma bloc CAES c’est aussi un système de stockage thermique forte puissance/capacité ...

  18. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Combiné à une source énergétique : GN, fuel, ... biomasse, solaire !!! Electricité out/Electricité in ≈ 1,5

  19. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Avantages du CAES : Stockage grande échelle : 50 – 300 MW, Peut stocker l’énergie sur de longues périodes (1 an), Temps de réponse très court : 9 min à 12 min, Exploitation d’un volume existant (réduction investissement), Volume de stockage invisible (acceptabilité), Séparation des étapes compression/génération: on exploite en production 100% de la turbine à gaz (1/3 en conventionnel pour comprimer le gaz à l’entrée).

  20. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES Compressed Air Energy Storage Inconvénients du CAES : Besoin d’une caverne pour être low-cost, Aspects de corrosion à traiter sur de l’air comprimé humide, Surveillance nécessaire de la « structure »,

  21. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience HUNTORF Germany E.N. Kraftwerke 1978 (30 ans !) 580 MWh première CAES au monde deux cavernes de 150.000 m3 chacune H-200 m; D-30 m profondeur 600-800 m Pressions: 43-70 bars Vitesse de décompression max : 15 bars/h 290 MW pendant 2h 60 MW pendant 12h

  22. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retours d’expérience : Huntorf Deux cavernes : avantages - redondance pour maintenance, - remise en pression plus rapide en cas de remise à Patm, - minimum de 13 bars pour démarrer le compresseur (besoin d’un compresseur mobile au démarrage). problème de tenue des canalisations en fibre de verre/polymère

  23. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retours d’expérience : Huntorf échanges thermiques avec la paroi sur une épaisseur de 1 m environ Mesures Laser sur la structure entre 1984 et 2001 : pas d’effet

  24. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience McIntosh Alabama USA Alabama Electric Corporation 1991 110 MW Caverne de sel « cylindrique » creusée par dilution à l’eau profondeur 450-750 m H-300 m D-80 m 538.000 m3 Pressions : 45-76 bars Capacité : 110 MW pendant 26 h Démarrage en 15 min Consommation 30% GN (conv 40%) première CAES à récuperateur

  25. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience Norton Ohio USA NES Norton Energy Storage 2700 MW Volume: 10 millions m3 mines de calcaire disponibles 9 turbine Alstom 300 MW PH = 100 bars turbine à gaz + fuel

  26. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES avec compensation de Pression

  27. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Quelques perspectives d’amélioration Stockage thermique : capacité 1.200 MWth, T~ 600°C matériaux résistants en T et P et corrosion ! Compresseurs adaptés : domaines de T et P (600°C, 160bars) haut rendement, débit variable, temps de réponse court (qq min) Turbines Air : nouvelles nécessaires 300 MW domaines de T, P, Q.

  28. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12h hypothèses de travail : rendement : 75% (1) type « Huntorf »: PH = 70 bars, PB = 43 bars, T= 293 K (2) type « Hautes »: PH = 100 bars, PB = 50 bars, T= 293 K

  29. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12h Le travail c’est celui récupéré lors de la détente isotherme du gaz de PH à Patm : WHatm = ∫ P dV = ∫ (nRT/V) dV transformation isotherme : = nRT ∫ dV/V = nRT ∫ dP/P = nRT ln(PH/Patm) WHatm = n RT ln(PH/Patm) avec n le nombre de moles d’air concernées !

  30. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 nombre de moles d’air concernées : ce sont celles qui ont quitté le volume ... qui lui, est passé de PH à PB nH PH V, T nB PB V, T Dn = nH – nB = (PH V/RT) – (PB V/RT) = V (PH – PB) / (RT)

  31. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 hypothèses de travail : « Huntorf » PH = 70 bars, PB = 43 bars, T= 293 K Dn = V  (70 – 43)  105 / (RT) W = 20  12  3600 = 864.000 MJ (518.400 MJ) rendement de 75% Wcorr= 1.152.000 MJ = Dn RT ln (70/1) = V  (PH – PB) ln (PH/Patm) V = 100.427 m3 (60.256 m3) comparaison « Huntorf » : V = 100.427  580MWh/240MWh = 242.700 ≈ 300.000 m3

  32. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autres hypothèses « Hautes » : PH = 100 bars, PB = 50 bars, T= 293 K W = 20  12  3600 = 864.000 MJ rendement de 75% Wcorr= 1.152.000 MJ = V  (100 – 50) ln (100/1) V = 50.000 m3 (30.000 m3) Question : Y-a-t’il une caverne de 50.000 à 100.000 m3 sous Le chatelet ???

  33. Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 C’est peut-être une grande idée de construire des CES en montagne …

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