Etat de l’art: les technologies de stockage par air comprimé

Introduction: contextes et enjeux du stockage de l’énergie électrique

Les systèmes de stockage de l’énergie électrique deviennent de plus en plus incontournables. En effet, l’importance des énergies renouvelables (sources de production décentralisées) dans le domaine de la production d’électricité augmente en raison du réchauffement climatique, de la raréfaction des sources d’énergies fossiles et de l’augmentation de leurs coûts. La production d’électricité renouvelable a dépassé les 20 % de la production d’électricité mondiale en 2012 avec une croissance annuelle moyenne de 4.5 % (entre 2002 et 2012) [OBS13]. Par contre, les sources d’énergie renouvelables sont intermittentes par nature et créent des perturbations sur le réseau électrique à cause de leur nature stochastique [AKI14]. La production des sources renouvelables dépend des aléas météorologiques indépendamment de la demande d’électricité [GAB12]. En outre, la capacité de production des centrales thermiques et nucléaires n’est pas adaptée à la consommation en temps réel, la consommation durant la journée est plus importante que celle durant la nuit. D’autre part, l’énergie électrique est un enjeu vital pour l’humanité et sa continuité doit être garantie surtout dans les hôpitaux et pour des questions de sécurité. En conséquence, l’intégration des systèmes de stockage d’énergie dans le réseau électrique est exigée. Elle permet d’améliorer la flexibilité des installations de production, de renforcer la fiabilité des systèmes énergétiques, et d’assurer un équilibre entre l’offre et la demande d’énergie afin de protéger le réseau (régulation de la fréquence et la tension). En plus, ces systèmes constituent un outil intéressant et complémentaire pour le lissage et le report de la production des énergies renouvelables. Finalement, le stockage d’énergie permet aussi de réduire les émissions des gaz nocifs des centrales thermiques par réduction de leur capacité en profitant de l’énergie stockée pendant les heures creuses de consommation.

Technologies de stockage de l’énergie électrique

Besoins de stockage

L’utilisation des systèmes de stockage afin de supporter le réseau électrique devient incontournable surtout avec l’accroissement de la participation des énergies renouvelables dans le mix énergétique. Les services apportés par les dispositifs de stockage au réseau électrique sont rédigés comme suit [AKI14]:
1. Arbitrage de l’énergie: il inclut le stockage de l’électricité à faible coût durant les heures de faible consommation et la vente de l’énergie stockée durant les heures de pics de consommation à coût élevé (voir Fig. 4).
2. Nivellement de la charge: il consiste à assurer la demande de l’énergie électrique durant les heures de pics de consommation, raser ensuite les pics de consommation inévitables (voir Fig. 4) et réduire par ce moyen le recours aux générateurs complémentaires de pic.
3. Intégration des énergies renouvelables: l’utilisation des systèmes de stockage d’énergie électrique réduit l’effet de l’intermittence des énergies renouvelables et conduit à une amélioration de la disponibilité et de la contribution des énergies renouvelables fluctuantes dans la consommation.
4. Réserve tournante: l’usage des systèmes de stockage peut réduire ou reporter le recours aux systèmes de production supplémentaires de l’électricité qui constituent la réserve tournante. Ces systèmes sont toujours en mode standby pour prendre le contrôle lors de l’échec d’un générateur.
5. Enjeu vital: le stockage d’électricité évite le coupage brusque d’électricité surtout dans les hôpitaux et pour des questions de sécurité.
6. Régulation de la fréquence: cela implique le soutien de la stabilité de la fréquence des réseaux électriques à travers les caractéristiques de charge / décharge des systèmes de stockage, régulant ainsi la tension et la fréquence (équilibre productionconsommation).
7. Report d’investissement: l’investissement dans les infrastructures de la transmission et la distribution (T/D) peut être reporté par l’intégration des systèmes de stockage.

Il faut noter en plus que les systèmes de stockage d’électricité sont classifiés selon leur temps de décharge. Les systèmes de stockage avec une durée de décharge de l’ordre de quelques minutes sont utilisés pour améliorer la qualité de l’alimentation (fréquence et tension), les systèmes avec une durée de décharge de l’ordre d’une heure sont employés pour assurer la continuité de l’alimentation (phases transitoires) et les systèmes avec une durée de décharge supérieure sont utilisés pour des applications de gestion de l’énergie [DEN10, CHE09].

Classification des formes de stockage de l’énergie électrique

Le stockage de l’énergie électrique est un processus qui consiste à convertir l’énergie électrique en une autre forme d’énergie plus facilement stockable [CHE09]. Les formes de stockage peuvent être classées en cinq catégories: mécanique, électrique, électrochimique, chimique et thermique. L’organigramme de la Fig. 5 montre les diverses formes dans lesquelles l’énergie électrique peut être convertie [AKI14, DIA12, RBI15].

Le stockage mécanique consiste à stocker l’énergie sous forme potentielle ou cinétique. Le pompage-turbinage hydraulique (STEP) et le stockage par air comprimé (CAES) sont des systèmes de stockage à grande échelle d’énergie potentielle. Le stockage d’énergie cinétique se réalise habituellement avec un volant d’inertie. Le stockage électrique est une catégorie de stockage qui permet d’emmagasiner l’énergie directement sous sa même forme électrique. Parmi les dispositifs de ce type de stockage, le condensateur et le super condensateur emmagasine l’énergie sous forme d’énergie électrostatique et les SMES (super conduction magnetic energy storage) l’emmagasinent sous forme d’énergie magnétique. Le stockage électrochimique regroupe le dispositif de stockage le plus usuel dans notre vie quotidienne qui est la batterie. Il existe une grande variété de batteries comme les batteries sodium-soufre, lithium-ion, sodium-chlorure de nickel, batterie à circulation ou Redox-Flow… Le stockage chimique consiste à bénéficier de l’énergie électrique excédentaire afin de synthétiser des gaz combustibles à partir des molécules moins riches en énergie. Ces gaz ont la capacité de restituer de l’énergie lorsqu’ils sont brûlés ou bien via une pile à combustible. L’hydrogène, le méthanol et le méthane en sont des exemples. Le stockage thermique peut être réalisé à partir de trois phénomènes différents qui sont le stockage par chaleur sensible, par chaleur latente et par une voix thermochimique. Le stockage du froid (glace, liquide cryogénique) et du chaud (sels fondus, matériaux à changement de phase MCP…) sont les deux formes de stockage thermique.

Critères de choix d’une technologie de stockage

L’objectif principal d’un système de stockage est de découpler la production d’électricité de la ressource énergétique. Le choix du système de stockage le plus pertinent pour un usage particulier sur un site, pour un stockage stationnaire de l’électricité, dépend des facteurs techniques suivants [JAC12, MUL08]:
• Quantité (MWh) et nature d’énergie disponible ;
• Puissances disponibles (MW);
• Densité de stockage en énergie et puissance (kWh/m3 ou kW/m3 ), qui conditionne le volume et la masse du système (coût de production);
• Coût et maintenance qui sont liés à la maturité de la technologie ;
• Temps de réaction qui présente la vitesse de montée et descente en charge / décharge (réserves primaire et secondaire);
• Efficacité du système de stockage; et
• Durée de vie ou nombre de cycles de charge / décharge admissibles;

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Table des matières

Introduction générale
Partie I. Etat de l’art: les technologies de stockage par air comprimé
1.1 Introduction: contextes et enjeux du stockage de l’énergie électrique
1.2 Technologies de stockage de l’énergie électrique
1.2.1 Besoins de stockage
1.2.2 Classification des formes de stockage de l’énergie électrique
1.2.3 Critères de choix d’une technologie de stockage
1.3 Stockage sous forme d’air comprimé (CAES)
1.3.1 Introduction
1.3.2 Cavernes souterraines
1.3.3 Réservoirs artificiels sous pression
1.3.4 Accumulateur hydropneumatique
1.3.5 Réservoir de vapeur d’eau sous pression
1.3.6 Réservoir d’air comprimé sous-marin
1.3.7 Nouvelles solutions de stockage
1.3.8 Conclusions sur les formes des réservoirs d’air comprimé
1.4 Cycle de stockage NERIALIS
1.5 Optimisation de la densité énergétique
1.5.1 Introduction
1.5.2 Température et pression de stockage
1.5.3 Température d’admission d’air
1.5.4 Coefficient adiabatique ɣ
1.5.5 Conclusions sur l’amélioration de la densité énergétique
1.6 Revue des systèmes de stockage de l’énergie thermique
1.6.1 Introduction
1.6.2 Matériaux de stockage d’énergie thermique
1.6.3 Stockage thermique dans le liquide
1.6.4 Stockage thermique dans le solide
1.6.5 Conclusions sur les systèmes de stockage thermique
1.7 Architectures du système CAES
1.8 Conclusions
Partie II. Modélisation statique et analyses énergétique et exergétique de différentes architectures de stockage par air comprimé
2.1 Introduction générale
2.2 Etude bibliographique
2.3 Présentation du logiciel Dymola
2.4 Modélisation statique
2.4.1 Introduction
2.4.2 Compresseur
2.4.3 Turbine à gaz
2.4.4 Pompe
2.4.5 Turbine hydraulique
2.4.6 Echangeur de chaleur
2.4.7 Réservoir de stockage d’eau chaude
2.4.8 Réservoirs de stockage air/eau
2.4.9 Régénérateur de chaleur
2.4.10 Brûleur
2.5 Etude exergétique
2.5.1 Définition de l’exergie
2.5.2 Exergie thermomécanique d’un système ouvert
2.5.3 Calcul exergétique
2.6 Analyses énergétique et exergétique
2.6.1 Introduction
2.6.2 Cycles CAES adiabatiques
2.6.3 Cycles CAES non adiabatique
2.6.4 Cycles de stockage combiné avec une turbine à combustion
2.6.5 Synthèse des architectures de stockage
2.7 Analyse exergoéconomique
2.7.1 Introduction
2.7.2 Principes du combustible et du produit
2.7.3 Méthode SPECO
2.8 Conclusions
Partie III. Modélisation dynamique, validation composant par composant
3.1 Introduction générale
3.2 Etude bibliographique
3.3 Modélisation dynamique
3.3.1 Ecoulement dynamique
3.3.2 Echangeur de chaleur
3.3.3 Réservoirs d’eau chaude
3.3.4 Machines centrifuges
3.3.5 Vanne
3.3.6 Système de régulation
3.3.7 Bancs d’essais
3.4 Conclusions
Conclusion générale

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