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Vers un stockage d’énergie techniquement et économiquement viable

La transition énergétique passe par un accroissement important de la production d’électricité renouvelable, notamment en provenance d’éoliennes et de panneaux photovoltaïques. Ces deux technologies ont la particularité de dépendre des conditions météorologiques locales et donc d’afficher une production variable. Il est en effet envisageable de réduire leur production lors de pics, mais il est impossible d’en augmenter la production en cas d’absence de vent ou de soleil ! D’où une possible non concomitance entre la production et la demande d’électricité.
 
Afin de maximiser le taux d’énergies renouvelables (EnR) dans le mix électrique, IFPEN propose des innovations technologiques pour le développement des filières de stockage d’énergie.
 

Le stockage d’énergie comme source de flexibilité

Tant que la part d’EnR est faible sur l’ensemble du réseau électrique, les difficultés rencontrées se limitent à la prévision de la production ainsi qu’à des problématiques systèmes (connexion et intégration au réseau). Celles-ci sont aujourd’hui gérées par des systèmes de réglage de fréquence et/ou de tension.
 
Lorsque la part d’EnR devient plus importante, des difficultés d’équilibrage entre l’offre et la demande peuvent apparaître. Pour rétablir l’équilibre, plusieurs solutions de flexibilité existent :

  • les interconnexions,
  • l’effacement (le fait de rémunérer un consommateur pour qu’il diminue sa demande),
  • le pilotage de la consommation en fonction de la production, 
  • la mise à disposition de moyens de production flexibles, souvent émettrices de CO2, comme les turbines à combustion (TAC)
  • le stockage stationnaire de l’électricité. Cette solution est souvent la plus chère mais elle est également celle qui apporte le plus de services. Comparé notamment aux TAC, le stockage permet à la fois de répondre aux pointes et d’absorber les pics de production.

Si le stockage stationnaire de l’électricité semble un moyen évident d’assurer l’équilibre de l’offre et de la demande sur le système électrique, il existe encore de nombreux obstacles techniques, réglementaires et économiques qui freinent son déploiement vis-à-vis des autres solutions de flexibilité.
 
Il existe deux types de systèmes de stockage :
- Les systèmes « puissance » optimisés économiquement pour fournir une puissance durant une courte durée, comme par exemple les volant d’inertie.
- Les systèmes « énergie » optimisés économiquement pour fournir une certaine puissance pendant une longue durée. C’est le cas des STEP (Station de Transferts d’Eau par Pompage).
 
Bien que mieux adaptée à la puissance, la technologie Li-ion se place aujourd’hui sur les deux créneaux.
 

Choisir les meilleures solutions pour chaque cas d’application

 

Piloter les systèmes énergétiques

Un stockage d’énergie peut fournir des services de natures diverses au réseau (arbitrage ou effacement des pics notamment) et doit être valorisé selon des modèles économiques qui sont variables et potentiellement combinables.
 
En fonction de leurs caractéristiques propres (coûts d’investissement et d’opération, rendement, profondeur de décharge admissible, etc.), les diverses technologies de stockage sont donc plus ou moins aptes à répondre à ces besoins.
 
L’approche d’IFPEN vise à identifier les meilleures solutions techniques au regard de leurs enjeux économiques et environnementaux. Cette analyse multicritère intègre la simulation du système concerné tout au long de sa durée de vie.
 
Cette simulation repose notamment sur la capacité à développer des systèmes de gestion de l’énergie ou Energy Management System (EMS), qui sont des systèmes informatiques destinés à piloter au mieux des systèmes énergétiques, en appliquant des stratégies permettant de tirer le meilleur parti d’un système de stockage au sein d’un réseau particulier.
 
En complément de ces travaux, IFPEN développe deux technologies de type « énergie » : le stockage par air comprimé AA-CAES et les batteries Redox à flux.
 

L’air comprimé pour donner un nouveau souffle au stockage

Le stockage d’énergie par air comprimé existe depuis 1978 (centrale de Huntorf en Allemagne) sous la forme de centrales à gaz améliorées dont le rendement énergétique se limite à 50 %. Dans ces anciens systèmes CAES (Compressed Air Energy System), la chaleur produite par la compression est perdue.
 
Un concept plus évolué est le stockage d’énergie par air comprimé AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage). Ce concept a l’avantage de stocker la chaleur de la compression et d’atteindre un rendement bien plus important. La construction d’une première plateforme de démonstration est l’objet du projet Adele en Allemagne (2009 – 2018).
 
Sur le principe de l’AA-CAES, IFPEN propose un système reposant en partie sur des composants déjà existants comme les compresseurs et turbines, mais également sur de nouveaux composants comme les systèmes de stockage de chaleur TES (Thermal Energy Storage).
 
- Le stockage est réalisé par la compression de l’air et le stockage de la chaleur.
- Le déstockage est réalisé par le turbinage de l’air après son réchauffage.

Principe du AA-CAES

Cette technologie est particulièrement intéressante car elle ne nécessite pas de cavité pour le stockage de l’air : elle peut ainsi être placée au plus près du besoin. Dans le cas des grandes quantités d’énergie, le stockage en cavité reste malgré tout l’option privilégiée, sur laquelle IFPEN travaillant également.
 
L’apport d’IFPEN sur cette technologie se situe à trois niveaux :

  • Optimisation du procédé : grâce à son expérience en procédés appliqués à divers domaines, IFPEN a été en mesure de développer un système AA-CAES optimisé sur le plan technico-économique.
  • Stockage de chaleur : l’expérience acquise par IFPEN en génie des procédés a également été mise à contribution pour proposer des technologies innovantes pour le stockage de chaleur. Ces innovations ont fait l’objet de plusieurs brevets et sont aujourd’hui en cours de développement, avec des essais en laboratoire.
  • Stockage d’air sous pression : le réservoir d’air est un élément crucial dans l’équation économique du système en raison de sa contribution importante au coût global. Pour répondre à cette problématique, IFPEN propose une solution innovante permettant de réduire les coûts de manière notable.

 

Faire circuler l’énergie pour diminuer les coûts

Parmi les différentes technologies de stockage d’énergie, le stockage électrochimique répond à de nombreux besoins et services pour les applications stationnaires. Parmi ces technologies, les batteries à circulation (Redox Flow Batteries) trouvent un intérêt grandissant pour les applications nécessitant le stockage de quantités importantes d’énergies, car ces systèmes, qui s’apparentent à des procédés, permettent de diminuer les coûts à plus grande échelle.

Les batteries Redox à flux sont en effet des accumulateurs rechargeables qui ont la particularité de stocker l’énergie en phase liquide. Deux électrolytes liquides contenant des espèces électro-actives en solution circulent dans les deux compartiments positif et négatif d’un réacteur électrochimique, compartiments séparés par une membrane échangeuse d’ions. Les électrolytes sont stockés dans des réservoirs. La caractéristique unique de cette technologie est le découplage entre la puissance et la quantité d’énergie stockée. La puissance est régie par la section active des électrodes et de la membrane (taille du réacteur) et par le flux d’électrolyte circulant (débit de pompage). L’énergie stockée dépend de la quantité des électrolytes présente dans les réservoirs.

stockage électrochimique

Les principaux composants d’une batterie à circulation sont:

  • les stacks : les cellules élémentaires sont associées mécaniquement entre elles et connectées électriquement en série pour atteindre les tensions usuelles des courants continus,
  • les réservoirs d’électrolyte,
  • les pompes et les conduites nécessaires à la circulation des électrolytes,
  • le système de contrôle de la batterie (BMS / Battery management system),
  • le système de conversion de puissance continue-alternatif (PCS / Power conversion system)

Les batteries Redox à flux offrent une modularité unique, puisqu’elles peuvent être dimensionnées en puissance et en énergie, et peuvent ainsi répondre à un grand nombre de cas d’application. La densité d'énergie relativement faible des électrolytes induit cependant un encombrement important. Les domaines d’application préférés pour ces batteries sont donc dans des gammes de puissance intermédiaires de la dizaine de kW à plusieurs MW, et des temps de stockage de 2 à 10 heures.
 
La contribution d’IFPEN sur cette technologie concerne :

  • La recherche d’électrolytes innovants pour améliorer les performances électrochimiques (densité d’énergie et de puissance) et dans une optique de réduction globale du coût de la technologie.
  • La modélisation multiphysique et multiéchelle d’une batterie à circulation en couplant les phénomènes électrochimiques, de transfert, hydrauliques et électriques. Le modèle peut être utilisé pour réaliser un dimensionnement ou une optimisation de son utilisation, simuler son fonctionnement et optimiser sa gestion.
  • La compréhension des mécanismes élémentaires (réactions électrochimiques, transfert de matière) via une caractérisation multiéchelle (laboratoire, pilote et démonstrateur) au niveau des composants et de la batterie complète.

 

L'espace Découverte vous propose des clés pour comprendre les enjeux énergétiques du 21ème siècle liés à un développement durable de notre planète.

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