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Action Concertée ENERGIE CNRS – Ministère de la Recherche avec la participation

Action Concertée ENERGIE CNRS – Ministère de la Recherche avec la participation de la DGA Programme Energie GAT 5 Réseaux et stockage de l’électricité Projet exploratoire Stockage Rapport final Rappel : Description courte du Projet Alors que le développement de la production décentralisée d’énergie électrique pour les applications nomades (véhicules) ou domestiques est inéluctable, l’insertion aléatoire de sources souvent intermittentes (éolien, solaire photovoltaïque ….) implique la disponibilité de moyens qui permettent le stockage de l’électricité en quantité suffisante dans des conditions d’exploitation et de coût compatibles avec un usage industriel, ce qui n’est pas le cas aujourd’hui . Il y a donc au niveau du stockage un verrou au développement de ces nouvelles technologies de l’énergie. Le but de ce programme exploratoire était d’analyser les différents composants utilisables et de retenir les plus prometteurs afin de choisir un nombre restreint de filières pour les proposer dans le cadre d’une action concertée qui serait proposée en 2004 par le GAT. Malheureusement, l’évolution du programme Energie pour 2004 n’a pas permis cette poursuite d’études. Le travail du groupe de projet exploratoire a été affiné au cours d’une réunion en Octobre 2003. Il a été décidé de se limiter aux types de stockage proches des problématiques du vecteur électricité et de la PEDR : Stockage électrochimique, y compris les batteries au Pb dont le comportement n’est pas encore entièrement caractérisé d’autant plus que de nouvelles technologies sont en cours de développement, Stockage inertiel, facilement couplé aux machines électriques et de développer les problèmes de modélisation. Partenaires du Projet Laboratoire (pas de sigle) Ville Coordinateur Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble pour le compte du GAT : Y. BRUNET Grenoble Laboratoires Partenaires Laboratoire d’électrochimie et de physico-chimie des matériaux et interfaces LEPMI : P. OZIL Laboratoire d’électrotechnique et d’électronique industrielle LEEI : Y. CHERON Systèmes et Applications des technologies de l’information et de l’énergie SATIE : B.MULTON Centre Interuniversitaire de recherche et d’Ingénierie sur les Matériaux (CIRIMAT) : S. CARILLO Grenoble Toulouse Cachan/ Rennes Toulouse PE 2 Partie travaux SATIE 2003-2004 (B.Multon) Volants d’inertie et stratégie de gestion du stockage Volants d’inertie (FES : Flywheel Energy Storage) L’étude a porté sur la conception et l’étude d’un accumulateur électromécanique d’énergie pour des applications stationnaires, à longue durée de vie, à bas coût global (investissement et fonctionnement) et relativement longue constante de temps (1 heure, alors que le secteur d’application des FES est plutôt orienté vers les décharges de quelques min). Un nouveau concept de moteur-générateur, répondant aux contraintes de cette application à volant acier, a été développé (brevet international CNRS) et a fait l’objet de recherches sur sa modélisation, son optimisation et sa commande. Le moteur/générateur est constitué d’une partie bobinée fixe dans l’entrefer, le fer est tournant, mais fixe par rapport au champ tournant. Le choix de la technologie circuit imprimé de puissance pour la réalisation du bobinage dans l’air permet une optimisation aisée de la répartition des forces magnétomotrices. Par son aspect modulaire, la réalisation et le montage du bobinage complet son simples. En revanche, des études comparatives ont montré un mauvais taux de remplissage volumique et donc des pertes Joule importantes relativement à une structure à bobinage filaire « classique ». Volant d’inertie et moteur-générateur montés sur paliers à billes Pour l’évaluation et l’optimisation des performances globales du dispositif, une modélisation semi-analytique 2D, fondée sur des modèles de perméances superficielles, a montré son efficacité en termes de précision et d’intégration à un outil d’optimisation de type stochastique. L’approche a été étendue au dimensionnement de l’ensemble des actionneurs à champ axial. Le choix d’une excitation bobinée offre un degré de liberté supplémentaire sur l’optimisation de l’ensemble convertisseur-machine, permettant d’améliorer sensiblement le rendement pour les fonctionnements à faibles couples par rapport aux machines à aimants. Une étude d’optimisation combinant géométrie et commande, réalisée à partir d’une machine simplifiée où les bobinages sont représentés par des nappes de courant, a permis de dégager les premières tendances en terme de dimensionnement dans le cadre d’un fonctionnement à pertes minimales. Concernant le guidage mécanique, compte tenu des vitesses de rotations élevée et de la nécessité de minimiser les pertes mécaniques, le choix s’est tout d’abord orienté vers des systèmes magnétiques semi-passifs (aimants permanents et bobine contrôlée en courant). Les études menées, dans le cadre du projet, par une équipe du LEG (J. Delamarre et F. Faure), ont mis en évidence des problèmes imprévus d’instabilités dues à des phénomènes de courants induits. Une solution moins performante mais plus simple de suspension hybride utilisant des paliers à billes assistés par un dispositif magnétique à aimants totalement passif a été étudiée. Le dimensionnement effectué montre que l’utilisation d’une couronne aimantée en matériaux ferrites (0.75 T, largeur de 15 mm, épaisseur de 10 mm) suffit à sustenter la masse du volant. Cette solution n’a pas fait l’objet de tests. Une partie des travaux, menés en collaboration avec des mécaniciens, ont porté sur le dimensionnement en fatigue du volant d’inertie (Thèse C. KERZREHO). Erreur ! Des objets ne peuvent pas être créés à partir des codes de champs de mise en forme. Erreur ! Des objets ne peuvent pas être créés à partir des codes de champs de mise en forme. Sustentation simple par aimant avec guidage assuré par paliers à billes Gestion du stockage de consommateurs couplés au réseau et ilotables L’étude a porté sur un système dans lequel une multitude de petits systèmes de production électrique (quelques kW à quelques 10 kW) exploitent les ressources renouvelables disponibles localement associés à des moyens de stockage. Nous y avons ajouté une qualité supplémentaire, celle de l’ilotage (capacité à fonctionner de façon autonome, éventuellement en régime de puissance et/ou consommation réduites, selon les investissements effectués). L’inconvénient majeur de ces dispositifs, outre leur coût actuel encore prohibitif, réside dans l’inadéquation production/consommation instantanées. Dans les systèmes autonomes, ce problème est résolu grâce à un accumulateur électrochimique. En situation normale de connexion à un réseau, la mutualisation des ressources et la diversité des consommateurs produisent un effet de lissage bénéfique mais encore insuffisant. Nous pensons, et c’est là une originalité de ce travail, qu’un stockage présent sur le lieu de production, donc fortement décentralisé à l’échelle du réseau, présenterait deux avantages, à la fois pour le gestionnaire réseau et pour de tels « consommateurs-producteurs » : - d’une part, un meilleur dimensionnement des installations de distribution et de transport ainsi que de nouvelles possibilités de pilotage par le gestionnaire réseau d’un tel système de stockage décentralisé, même si cela n’est pas envisageable dans le dispositif économique actuel ; - d’autre part, une très grande sécurité d’approvisionnement des consommateurs qui pourraient s’iloter sans difficulté, dans un système électrique qui, bien qu’actuellement très fiable, reste stratégiquement très vulnérable. C’est sur l’optimisation technico-économique d’un tel système de production-stockage que nous avons démarré nos travaux. Une première thèse (Olivier GERGAUD, dec. 2002) a permis de mettre en place des modèles, de réaliser les premières optimisations ainsi que lever les points durs. Nous avons pu ainsi dégager une problématique particulièrement intéressante sur la gestion prédictive de l’énergie stockée en exploitant des données météorologiques. La thèse de Gaël ROBIN exploite les méthodes de l’intelligence artificielle (collaboration IRISA et Direction interrégionale Ouest de Météo-France). Nous projetons d’étudier prochainement le potentiel d’accumulateurs électromécaniques inertiels dans de telles applications de stockage distribué. Des études préliminaires de stratégie de gestion optimale ont été faites. La figure ci-dessous simule une situation d’écrêtage d’un consommateur non producteur. L’objectif est d’optimiser le coût total lorsque l’on réduit la puissance crête prélevée au réseau à 3 kW pour un utilisateur consommant jusqu’à 6 kW. Pour mettre en évidence les effets de la stratégie de recharge, nous avons comparé deux cas, l’un en recharge rapide à la puissance maximale disponible (pour ne pas dépasser la puissance crête souscrite), l’autre avec une puissance limitée à 1 kW. On constate, dans le premier cas, une perte d’énergie de 6 kWh au bout d’une journée alors que, dans le second, cette perte chute à 4 kWh. Ces études font partie des travaux de la thèse de G. ROBIN). Recharge de l’accumulateur à puissance maximale disponible Recharge de l'accumulateur à puissance limitée (1kW) Publications SATIE 2003-2004 relatives au stockage : B. MULTON, « Le stockage d’électricité. Pourquoi, où, comment ? Quid du "stockage à haute densité énergétique pour le tertiaire" ? », Réunion CNRS programme énergie GAT « Réseaux et Stockage de l'Electricité » 17 avril 2003, Grenoble. N. BERNARD, H. BEN AHMED, B. MULTON, C. KERZREHO, J. DELAMARE, F. FAURE, “Flywheel energy storage systems in hybrid and distributed electricity generation”, Papier invité au congrès PCIM, Nürnberg, May 2003. B. MULTON, J. RUER « Stocker l’électricité :oui, c’est indispensable et c’est possible. Pourquoi, où, comment ? », Publication ECRIN en contribution au débat national sur l’énergie, avril 2003, téléchargeable : http://www.ecrin.asso.fr/energies/ O. GERGAUD, G. ROBIN, B. MULTON, H. BEN AHMED “Energy Modeling of a Lead-Acid Battery within Hybrid Wind/Photovoltic Systems”, EPE 2003 (European Power Electronics Conf.), Toulouse, Sept. 2003. B. MULTON, G. ROBIN, H. BEN AHMED, O. GERGAUD, N. BERNARD « Le stockage associé à la production uploads/Ingenierie_Lourd/ pe-2.pdf