Stockage d'énergie

Approfondir et accélérer la R&I 

Les activités ressources énergétiques d’IFPEN ont reçu le label « Institut Carnot » en 2020, reconnaissance des nombreuses collaborations existantes avec des acteurs des mondes économique et académique, tant en France qu’à l’international. IFPEN Ressources Energétiques fait désormais partie du réseau Carnot, fort de 39 Carnot, pour une durée de quatre ans.

Créé par le ministère de l'Enseignement supérieur, de la Recherche et de l'Innovation en 2006, le label est décerné à des laboratoires publics fortement engagés dans une logique de recherche partenariale au bénéfice de l’innovation d’entreprise et de la croissance française.

Implantés sur tout le territoire français, les Carnot poursuivent en synergie une mission commune : préparer l’avenir industriel et économique en accélérant le transfert de technologies de la recherche vers le monde socio-économique.
 

Relever le défi de la transition énergétique

Le Carnot IFPEN Ressources Energétiques (IFPEN RE) est résolument engagé dans la thématique de la transition énergétique en se proposant de  : 

• développer des énergies renouvelables en privilégiant l’éolien et les énergies marines, la géothermie, l’hydrogène ainsi que leur intégration dans le réseaux d’électricité via le stockage de l’énergie ; 
• minimiser le « risque climat » lié aux activités industrielles, via la réduction des émissions de CO₂ et une meilleure compréhension et anticipation des interactions sol/climat ;
• accompagner ses partenaires pétroliers et parapétroliers pour produire de manière plus respectueuse de l’environnement les hydrocarbures strictement nécessaires dans cette période de transition, en minimisant les risques liés à l’exploration et la production, aux techniques de récupérations améliorées, à terre comme en mer. 
   

Soutenir l’innovation dans les PME

Outre le développement de nouvelles technologies de l’énergie, IFPEN RE s’engage à :
- intensifier par des actions très volontaristes ses partenariats avec des ETI, PME et start-up ;
- faire bénéficier le réseau des Instituts Carnot de ses compétences en termes de développement à l’international et profiter également d’expériences en retour.
 

Le réseau IFPEN RE 

Le Carnot IFPEN Ressources Energétiques entretient des relations privilégiées avec l’industrie, des TPE, PME, ETI jusqu’aux grands groupes industriels français et internationaux.

De plus, il est engagé, aux niveaux national, européen et international, dans de nombreuses structures collaboratives, ce qui le place au centre d’un réseau dense de partenariats de recherche.

Au niveau national, le Carnot IFPEN RE s’investit activement dans les alliances de recherche Ancre, dont IFPEN est membre fondateur, et AllEnvi, dédiées respectivement à l’énergie et à l’environnement. Il est également fortement impliqué dans d’autres structures thématiques telles que le pôle de compétitivité AVENIA consacré aux géosciences, le Club CO₂ dont il assure la présidence dans le domaine du CCS, l’association EVOLEN de promotion de l’excellence technologique française et le programme CITEPH d’Open Innovation en faveur du développement de PME et ETI dans le domaine de l’énergie, ou encore l’institut Convergence Data IA dédié au numérique.
Le Carnot IFPEN RE travaille aussi en étroite collaboration avec la communauté universitaire ainsi qu’avec d’autres établissements publics de recherche. Enfin, il est impliqué dans des projets de démonstration dans le cadre des Programmes d’investissement d’avenir (PIA) soutenus par l’Ademe.

Au niveau international, le Carnot IFPEN RE dispose de relations privilégiées avec de nombreux "Research Technology Organisations" (RTO), via notamment des accords-cadres et partenariats stratégiques. Les travaux de recherche du Carnot font l’objet d’une forte visibilité et plus de la moitié de ses publications de rang A relèvent de coopérations étrangères. Par ailleurs il est partie prenante de nombreux organismes scientifiques de premier plan mondial et est le représentant de la France au Comité exécutif du Programme de coopération technologique IEA Wind de l’Agence internationale de l’énergie (AIE). 

Plus particulièrement, en Europe, le Carnot IFPEN RE se positionne comme un acteur de poids au sein de l’Espace européen de la recherche (EER) et  travaille en synergie avec des plateformes telles que l’ETIP-DG afin de définir les besoins de l’industrie et les opportunités de développement de la géothermie. Dans le domaine du CCUS, il participe également activement aux réseaux européens tels que ECCSEL et la plateforme ZEP pour accélérer le déploiement de ces technologies. Dans le domaine des géosciences, il contribue au développement de solutions pour la gestion des sols avec l’European Energy Research Alliance (EERA).
 

Expertises et compétences  

•    Géosciences descriptives et quantitatives
•    Mécanique des fluides, des solides et des structures
•    Modélisation moléculaire, thermodynamique
•    Physico-chimie des matériaux et fluides complexes
•    Physique et Analyse
•    Biotechnologies
•    Génie chimique et technologies
•    Conception et modélisation de procédés 
•    Modélisation et simulation des systèmes
•    Science et technologies du numérique
 

Stockage d'énergie
CONTEXTE ET ENJEUX

La transition énergétique vise une économie de plus en plus décarbonée.

Pour garantir l’équilibre, plusieurs solutions de flexibilité existent :

• les interconnexions,
• le pilotage de la consommation en fonction de la production (Demand side management), faisant appel par exemple à l’effacement (le fait de rémunérer un consommateur pour qu’il diminue sa demande),
• la mise à disposition de moyens de production flexibles, souvent émetteurs 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, en permettant à la fois de :
  • répondre aux pointes,
  • et d’absorber les pics de production.

Plusieurs défis à relever pour un déploiement du stockage d’énergie à grande échelle :

• durée de vie du système de stockage : objectif = une vingtaine d'années,
• coût de l'électricité stockée et restituée,
• performance environnementale des solutions : bilan gaz à effet de serre, analyse du cycle de vie, sécurité.
   

Nous nous intéressons aux technologies de stockage adaptées aux services à fournir aux réseaux électriques ou aux zones non ou mal interconnectées. Nous développons deux technologies : un système à haut rendement de stockage d’énergie par air comprimé ; et une batterie à flux, qui constitue une alternative aux batteries Li-Ion, actuel standard du marché des batteries. Nous travaillons aussi sur le pilotage des systèmes électriques et la gestion de l’énergie au moyen d’Energy Management Systems (EMS).
 

Le stockage électrochimique via les batteries à circulation répond aux besoins de la maison individuelle (dizaines de kW) comme de l’écoquartier (plusieurs MW). Il permet un temps de stockage modulaire allant de deux (autoconsommation) à dix heures (distribution d’électricité).

Développer des technologies pour stocker massivement l’électricité produite par les ENR, par essence variables, afin d’assurer l’équilibre entre production et consommation.

Stockage d'énergie
Nos solutions

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, et donc d’afficher une production variable et non pilotable. D’où une possible non concomitance entre la production et la demande d’électricité. Afin de maximiser le taux d’énergies renouvelables dans le mix électrique, IFPEN propose des innovations technologiques pour l’insertion des renouvelables variables sur les réseaux, accompagnant ainsi le développement des filières de stockage d’énergie techniquement et économiquement viables.
 

Les systèmes de gestion de l’énergie

Un stockage d’énergie peut fournir des services de natures diverses au réseau (arbitrage ou effacement des pics notamment) : 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. IFPEN développe une analyse multicritère capable d’identifier les meilleures solutions techniques au regard de leurs enjeux économiques et environnementaux. Ses travaux intègrent la simulation du système concerné tout au long de sa durée de vie et reposent notamment sur la capacité à mettre au point des systèmes de gestion de l’énergie (Energy Management System ou EMS).

« Les EMS sont des systèmes informatiques et matériels 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. Ils sont intéressants dans des contextes aussi différents que :

• les Smart Cities, où ils interviennent à différentes échelles (bâtiment, quartier, ville). Les EMS agrègent des données historiques et effectuent des prévisions de la production et de la consommation afin de piloter au mieux le stockage et la demande (bornes de charge par exemple). Associés aux réseaux intelligents, les EMS permettent une gestion optimale des situations complexes.

• les sites isolés où il est nécessaire de gérer un système de stockage pour créer un réseau électrique ou supporter un réseau électrique fragile.

Notre expertise en optimisation, data science et contrôle de systèmes, et la performance de nos moyens de tests nous permettent de développer des EMS pour proposer trois types de services :

• orienter l’intégration d’ENR et de stockage dans la consommation d’électricité et identifier les investissements associés. Notre objectif est de proposer des méthodes et outils d’optimisation de projets qui intègrent des possibilités de production d’électricité par ENR, selon différents modèles d’achat/vente d’électricité ou d’objectif d’autoconsommation. Notre compétence historique en modélisation de batterie nous permet d’intégrer dans le cœur de calcul la prise en compte du vieillissement des batteries de stockage.
•  favoriser l’émergence et la rentabilité de projets d’autoconsommation ou de communautés énergétiques. Nous travaillons sur les services distants de prévisions de la flexibilité et  le pilotage des systèmes de stockage. Pour prédire la consommation électrique et la production, nous nous basons sur des historiques de données et sur une collection de méta-données, et développons des modèles intelligents (machine learning). Notre équipement microréseau sur notre site de Lyon nous permet de tester et de valider nos développements.
• accéder aux données opérationnelles des projets, les traiter, afficher les marges de flexibilité, piloter la demande. La plateforme EMS-lab@ifpen assure le monitoring temps-réel de sites équipés de moyens de production renouvelables en autoconsommation, de systèmes de stockage, de bornes de charge. A travers un compte utilisateur, les prévisions de production et de consommation d’un collectif de bâtiments (résidentiels, tertiaires) sont représentés ainsi que le bénéfice des moyens de pilotage. »
  
  

 
 Philippe Pognant-Gros, chef de projet EMS, IFPEN

 

Le stockage d’énergie par air comprimé AA-CAES

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) : il permet de stocker la chaleur de la compression et d’atteindre un rendement bien plus important.

« Sur le principe de l’AA-CAES, nous développons un système :

• reposant sur un maximum de composants sur étagère, comme les compresseurs et les turbomachines,
• proposant des solutions innovantes, pour les composants qui n’existent pas encore comme les systèmes de stockage de chaleur TES (Thermal Energy Storage).

Son fonctionnement est le suivant :

• 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. 

Le stockage est réalisé en cavité, ce qui présente l’avantage d’offrir à la fois un bon rendement et un coût modéré par rapport à un stockage en surface qui nécessiterait des équipements plus conséquents. 

Nous concentrons nos développements principalement à deux niveaux :

• Choix de systèmes de stockages de chaleur performants
• Optimisation du procédé
  • Amélioration de la gestion des transferts de chaleur lors des phases de compression et de détente de l’air 
  • Choix des paliers de pression
  • Utilisation de matériaux innovants »

 David Teixeira, chef de projet Stockage de l’énergie par air comprimé, IFPEN
 

Le stockage électrochimique par batteries Redox à flux

Le stockage électrochimique, en particulier via les batteries à circulation (Redox Flow Batteries), est particulièrement adapté pour les applications nécessitant le stockage de quantités importantes d’énergie, notamment parce qu'il permet de diminuer les coûts à grande échelle.

Les batteries Redox à flux sont 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.

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)

« La caractéristique des batteries Redox à flux réside dans le découplage, en termes de conception, entre :

• la puissance, régie par la section active des électrodes et de la membrane (taille du réacteur) et par le flux d’électrolyte circulant (débit de pompage)

• et la quantité d’énergie stockée, qui dépend de la quantité des électrolytes présente dans les réservoirs.

Cette technologie offre donc une modularité unique, puisque les batteries peuvent être dimensionnées en puissance et en énergie, et donc répondre à un grand nombre de cas d’applications. 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 deux à dix heures.

Pour aider au déploiement de la technologie, nous concentrons nos recherches sur trois axes principaux :

• mettre au point de nouveaux matériaux (électrolytes) moins coûteux et plus performants que les systèmes actuels, tels que le vanadium, notamment en développant des systèmes à base de molécules organiques solubles dans l’eau,

• optimiser la gestion du système en utilisant la modélisation multiphysique et multi-échelle,

• comprendre les mécanismes élémentaires (réactions électrochimiques, transfert de matière) via une caractérisation multi-échelle (laboratoire, pilote et démonstrateur) et des dispositifs d’analyse en ligne. »

  David Pasquier, chef de projet Stockage d’énergie, IFPEN

Découvrir la batterie Redox à flux en images avec David Pasquier

Stockage d'énergie
Nos ATOUTs

Une expertise sur l’ensemble de la chaîne de R&I :
 

• Electrochimie : des moyens d’essai et de caractérisation à toutes les échelles représentatives, du matériau jusqu’au système : 
  • Pour les batteries à circulation : cellules électrochimiques compartimentées, empilement (stack) et module intégré sur un réseau électrique. 
  • Pour les batteries Li-ion : cellule (pile bouton, pouch cell), module, pack batterie de véhicule.
  • Des outils d’analyse in operando (par ex. spectroscopie UV-vis en ligne sur un système redox flow)
• Contrôle et simulation : 
  • Des modèles multi-physiques de batteries Li-ion et de batteries à circulation, représentant de manière fidèle leur comportement, pour diverses chimies et aux différentes échelles.
  • Des outils de développement et de prototypage rapide de fonctions logicielles pour BMS prenant en compte les spécificités  de ces technologies. Validation selon des cas d’usage dans un environnement Hardware In the Loop.
  • Des outils de dimensionnement intégrant les aspects technico-économiques et ajustés en fonction des cas d’usages (puissance, énergie, profils de production et consommation, services rendus au réseau).
• Optimisation, sciences des données, génie informatique :
  • Plateforme Web de gestion de l’énergie regroupant des services dédiés aux batteries : planification  selon des critères tarifaires, suivi du comportement en vieillissement, …

Un démonstrateur sur notre site de Lyon

Un micro-réseau composé d’un panneau photovoltaïque, d’une borne de recharge électrique et d’un système de stockage raccordé au réseau électrique a été mis en place. Il permet de tester l’intégration du stockage stationnaire sur le réseau, afin de piloter la ressource énergétique pour une meilleure intégration des EnR. Il est notamment utilisé pour qualifier des systèmes de stockage pour différents services réseau. 

Découvrez le démonstrateur micro-réseau d’IFPEN à Lyon avec Joseph Martin, chercheur à IFPEN :