31/05/2011 | CSTB - Dpt Enveloppe & Revêtements | Div. Matériaux PAGE 1

La place du véhicule électrique comme nouvel équipement électrodomestique

Daniel QUENARDCSTBdaniel.quenard@cstb.fr - 04 76 76 25 46

ENPC-LVMT-RENAULTLundi 4 Juillet 2011

crisis

Ménages : Logement/DéplacementsChiffres-Clés

BEPOS + VE : modèle CSTB

Quelques exemples à travers le monde

Conclusion

Sommaire

Ménages : Emissions de CO2Logement+Transport : 84 %

Source : GREEN INSIDE – IPSOS - 2011

Ménages : LogementChauffage/Energie : 84 % CO2

Source : GREEN INSIDE – IPSOS - 2011

Ménages : TransportsVéhicule Personnel : 79% CO2

Source : GREEN INSIDE – IPSOS - 2011

Chauffage et TransportsEchelle : France/Foyer

ChaudièresCheminées

MoteursPots d’échappement

BILAN ENERGETIQUE France 2006Énergies renouvelables et développement localL’intelligence territoriale en actionRapport de MM. Claude BELOT et Jean-Marc JUILHARD, Sénateurs

Foyer

France

Combustion :Epuisement des ressources

40 %

29 %

21 %

Bâtiments + Transports~ 70 %

Consommation Finale Energie

Bâtiments

~ 70 % Chauffage/ECS

chaudières : fioul-gaz-bois électricité

Transports

~ 50 % VP

moteurs combustion interne

(98% pétrole)

Chiffres 2006

UraniumHydraulique

Source : Lille Métropole

Famille : 3 personnes - 100 m² - Gaz naturel

Performance & Localisation

Dépenses énergétiques des ménages2006

2006 : 8,4 % budget4,8 % énergie du logement 3,6 % carburant automobile.

LOGEMENTChauffageEau Chaude SanitaireCuissonEquipement électrique de la maison

DEPLACEMENTCarburant pour les véhicules.

Logement : surface d’habitation et source d’énergie utilisée pour le chauffage.

L’éloignement des villes-centres est, quant à lui, le facteur clé en terme de dépenses en carburant.

Source : http://www.lefigaro.fr/conso/2010/10/12/05007-20101012ARTFIG00753-energie-les-francais-depensent-2300euros-par-an.php

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Faible consommationProduction locale

Mobilité

éner-givore neuf optimisé faible moyen fort faible forte faible fort

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

transport

energie grise

PV

mobilier

immobilier

kWhe

p /

m².a

n

consommation production énergie grise mobilité

Bâtiment/Occupants Localisation

Connaissance des usages

Le VE, unité de stockage d’électricité

Stockage stationnaire

Support réseau

Production locale EnR

Véhicule électrique – Stockage d’appoint

Consommation électrique

Etat du réseau électrique

Prévisionsmétéorologiques

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Connaissance des déplacements

Simulation sous TRNSYS

Intérêts:

• Utilisation de données précises, simulation dynamique sur une année (ou plus)• Pouvoir tester plusieurs scenarii (économiques, énergétiques,…)• Proposer des améliorations pour la partie électrique de TRNSYS• Possibilité de corréler par la suite avec la gestion thermique du bâtiment

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Présentation de TRNSYS Studio

• Référence (niveau international) dans le domaine de la simulation dynamique de bâtiments et de systèmes

• Utilisation principale sur des applications thermiques• Caractère modulaire intéressant, permettant une utilisation type

gestion de flux d’énergie électrique dans le bâtiment

Objectifs de l’étude

Développer une 1ère version d’un outil de simulation permettant l’étude d’un système intégrant bâtiment et transport dans une même approche, et dans un contexte de développement des EnR et des modes de transports doux. • Viabilité/intérêt d’utiliser le VE comme unité de stockage pour valoriser les EnR• Permettre le bon dimensionnement du stockage stationnaire et de la centrale PV• Le système vu du réseau (Producteur- Consommateur- Passif?)• Complémentarité avec recharge sur lieu de travail• Ecrêtage des pics

Objectifs:

Les verrous

- Connaissance sur les usages (consommation, déplacements, …)

- Données sur les technologies de stockage (stationnaire et embarqué)

- Quelle pertinence à plus grande échelle?

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Hypothèses

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Production PV et données météo Caractéristiques des PV Photowatt PW1650

Puissance unitaire = 165 W Surface = 1,34 m²

Données météo METEONORM Site considéré: Grenoble

Surface max (particulier) = 30 m² (~3.7 kWc) Surface max (lieu de travail) = 8 m² (~1 kWc)

VE et stockage stationnaire Batteries stationnaires

Technologie Plomb (40 Wh/kg – 400 W/kg – ŋ = 0.8) DOD autorisé = 0.5

Batteries « mobiles » (= VE) Caractéristiques de la B0 (ex-Blue Car) Technologie Lithium - Autonomie 200 km- 150 Wh/km DOD autorisé = 0.9

Modèle de batterie très simplifié

Conso électrique du bâtiment Basée sur relevés IEA/ECBCS (Annexe 42)

Faites en Angleterre entre 2003 et 2005 Foyer type Représentatif de la population européenne (?) Consommation moyenne = 45 kWh/m².an

Profils de consommation électriques sur une année, avec un pas e temps de 5 min

Déplacements considérés Principaux déplacements = domicile -travail

distance médiane = 8 km distance moyenne = 26 km 8h – 17h

Déplacements loisirs WE 2 cas : 25 km/WE et 50 km/WE

14h – 17h

Ordres de priorité du système

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Ppv_conso = Pconso

(si diff_p_c = 1)Ppveff

Ppv_conso = Ppveff

(si diff_p_c = 0)

Ppv_VE = Ppveff - Pconso

(Si Ppveff – Pconso < Pcharge_VE)

Ppv_bat = Ppveff - Pconso - Ppv_VE

(Si Ppveff - Pconso - Ppv_VE < Pcharge_bat)

Si diff_p_c = 1

Ppv_VE = Pcharge_VE

(Si Ppveff – Pconso > Pcharge_VE)

Ppv_bat = Pcharge_Bat

(Si Ppveff - Pconso - Ppv_VE > Pcharge_bat)

Ppv_bat = Ppveff - Pconso - Ppv_VE – Ppv_bat

• Si pr_VE = 0• Si bp_VE = 1

• Si Ppv_VE = Pcharge_VE

• Si bp = 1• Si Ppv_bat = Pcharge_Bat

ou

ou

Prio

rité

1

2

3

4

Ordres de priorité du système

Ppv_conso = Ppveff

Ppveff

Pbat_conso = Pconso -Ppveff

Si bv = 1

Si Recharge_res > 22h & SOC_BatVE < limSOCBatVE

Pres_conso = Pconso -Ppveff

Si diff_p_c = 0

Pres_VE = Pcharge_VE

Prio

rité

1

2

3

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Représentation graphique sous TRNSYS

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Utilisation de l’outil:Choix des paramètres d’entrée

et exploitation des résultats

Nom Définition Unités

pas2tpglob Pas de temps de la simulation (à mettre en fraction) heure

duree_simu Durée de la simulation heure

PchargeBat Puissance de charge de la batterie W

PchargeVE Puissance de charge des batteries du VE W

Ppv_desiree Puissance crête installée de la centrale photovoltaïque (domicile) – multiple de 165 W

Ppv_desireeWork Puissance crête installée de la centrale photovoltaïque (lieu de travail) – multiple de 165

W

CapaBat_desiree Capacité totale de la batterie désirée kWh

nb_km_DT Distance domicile – travail considérée (aller/retour) Km

Nb_km_WE Distance parcourue en moyenne chaque jour du week-end Km

limSOCBatVE Consigne d’état de charge des batteries du VE en fin de journée [0 ;1]

DOD_Bat Profondeur de décharge des batteries stationnaires autorisée [0 ;1]

DOD_VE Profondeur de décharge des batteries du VE autorisée [0 ;1]

- Résultats graphiques TRNSYS

- Fichier Excel

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Scenarii testés

Prod PV domicile Prod PV travail Dplct VE Stockage stationnaire

30 m² 22 m² sans sans 8 m² Med. Moy Sans Auton.4h Auton.2j

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

+ scenario écrêtage

1ère possibilité: Intégration d’un

stockage stationnaire

2ère possibilité: Recharge sur le lieu

de travail

3ère possibilité: Compromis entre les 2

Scenarii de base

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Courbe de charge journalièrescenario 3, journée d’avril

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Etat de charge VE

Etat de charge Batteries

Conso Maison

Prod PV

Alimentation par batterie

Pui

ssan

ce (

W)

SO

C (%

)

Absence du VE

Recharge batterie par PV

Scenarii de base

Usages de la production photovoltaïque

Quel électricité pour se loger et se déplacer? Scenario 1 Scenario 2 (distance domicile – travail = 8 km) (distance domicile – travail = 26 km)

Production PV tot. = 4783 kWh(dont 2759 kWh réinjecté sur le réseau) Consommation tot. = 3985 kWh Consommation tot. = 5881 kWh

Valeurs remarquables :

- Passif / producteur d’énergie  35,4% du temps (pas de recours au réseau)

- VE rechargé à hauteur de : 77.6% par le solaire 26.6% par le solaire

Sce

nar

io 1

& 2

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PAGE 22

Quelques résultats (1)

Scenario 3: C = 33 kWh (2 jours) Scenario 5: C = 3 kWh

(4h)

• Influence de la capacité de stockage

Passif/BePOS 84.2 % du temps

Permet de valoriser près de 30 % de la production PV(équivalent 50 cycles charge/décharge)

Passif/BePOS 54.9 % du temps

Permet de valoriser près de 13 % de la production PV(équivalent 200 cycles charge/décharge)

Prix indicatif: 6 600 euros

Durée de vie théorique: 20 ans

Prix indicatif: 600 euros

Durée de vie théorique: 5 ans

Dimensionnement optimal (économique & énergétique) à faire

Electroménager3000kWh/an10 kWh/jour1000 kWh/pers

Ecrêtage3 kWh/jour

150/200 Wh/km

200 km

100 km

80% < 60km

Source : IFRI-IEA-Fulton

Les Batteries

Quelques résultats (2)

• Influence des déplacements lors de la recharge sur le lieu de travail (+ domicile)

Scenario 2: (base) Scenario 8: Recharge sur lieu de travail

Bilan énergétique global similaire au scenario de base pour des trajets de faible distance MAIS intéressant pour des déplacements plus important:

Usa

ge d

e la

pro

duc

tion

PV

Se

loge

r, s

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épla

cer,

qu

el é

lect

ricité

?

Valorisation de la production PV: + 11%

Bilan global: + 12% issu du PV

REMARQUE: non-prise en compte ici de la consommation propre au lieu de travail

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(Possibilité d’augmenter encore cette valeur si plusieurs VE et foisonnement)

Exemple de résultats sur une semaine Scenario 7 (distance médiane) – fin août

SOC du VE dans une plage élevée de valeurs (hors mois d’hiver) VE rechargé à partir de la production PV à hauteur de 95%!

(65% PV travail – 30% PV domicile – 5% réseau)

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Pui

ssan

ce (

W)

SO

C (%

)

Utilisation particulière du stockage:Ecrêtage des pics de consommation

Stockage stationnaire, une solution pour effacer les pics de consommation? - Application sur scenario 5 (stockage = 3 kWh)

- Utilisation des batteries lorsque demande réseau > 3 kW

Tarifs EDF: Tarif Bleu, base

Résultats- Sur l’année, 1 seul dépassement

du seuil (15 minutes)

- Batteries pleines 91 % du temps

- Transit d’énergie dans batteries: 12.6 kWh (= 4.2 cycles charge/décharge)

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Pui

ssan

ce (

W)

SO

C (%

)

Conclusions / Perspectives

Améliorations envisageables à court termes: Prise en compte de la technologie de batteries (Type de charge, autodécharge, durée de vie, etc…)

Diversification des scenarii: Utilisation aléatoire du véhicule, …

Etude économique: Evolution du prix de l’électricité, coût global des technologies

Impact environnemental global

Perspectives:• Etude énergétique global du système bâtiment + transports (thermique et

électrique)

• Application à plus grande échelle

• Comparaison V2H – V2G

• Stockage dispersé, équipements intelligents

Conclusions:

- 1ère version d’un outil opérationnel permettant de traiter dans son ensemble les questions énergétiques relatives aux bâtiments et aux transports associés

- 1ères simulations ont permis de mettre en avant des pistes à développer plus en détail

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Expérimentation sur le site du CSTB Grenoble

OBJECTIFS:

- Acquisition de données réelles

- Corrélation avec simulations sous TRNSYS

- Proposition d’une IHM

- Intégration d’un moyen de stockage stationnaire

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Présentation de l’installation photovoltaïque:- 2 places de parking

- 24 m² de PV, soit Pc = 3.45 kWc

- Production estimée: 3795 kWh/an

- Consommation totale sur site

Présentation du VE présent

- VE Saxo, ancienne génération

- 60-70 km d’autonomie, 80 km/h max

- Rechargé sur bornes sous l’abri par production PV ou réseau

- Consommation: 150-200 Wh/km (3795 kWh = ~ 21 500 km)

Quelques remarques

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Autonomie : un problème ?

La moitié des salariés travaillent à moins de 10 km de leur domicile.Plus de la moitié des véhicules est utilisée pour effectuer le trajet domicile-travail

Distance moyenne domicile-travail = 25,9 km Distance médiane domicile-travail = 7,9 km

87 % des personnes font moins de 60 km/jour en voiture

Stationnement : 4 à 8h

Gare/Parking Relais

Source : ACCENTURE

AUTONOMIEQuestion Technique ou SHS ?

Source : Lille Métropole

Temps de recharge ?

Les voitures ne sont utilisées que 5 % du temps,… reste donc 95 % du temps pour les recharger,… le temps de recharge est-il un problème ?

Source – GM-SAE

Où sont les véhicules ?

France : 16 Millions Maisons Individuelles16 Millions Prises ??

Premiers Retours d’Expérience

UK :Utilisateurs : familles multi motorisées, aux revenus supérieurs à la moyenne, parking privé

chaque déplacement journalier domicile-travail en VE.

Bornes de Recharge : principalement sur le lieu travail et à leur domicile. les bornes en voirie restent en bon état mais sont très peu utilisées. celles installées dans les parkings = une place de stationnement (sans recharge).

Les bornes publiques ne répondent pas véritablement aux contraintes technologiques, ni à la demande actuelle. (Rapport du Cabinet « Element Energy »)Paradoxalement, cette analyse est à tempérer par le fait qu’un réseau dense de bornes publiques serait considéré par les londoniens comme un signe de confiance de la part des pouvoirs publics et un moyen de réassurance non négligeable contre le risque de panne sur la voirie.

USA : 95% des utilisateurs préfèrent la recharge “à la maison” (Rapport EPRI)Favoriser l’installation de prises « à la maison » semble être un investissement plus efficace pour faciliter le développement des VE que l’installation d’infrastructures publiques (Rapport PlaNYC)

Au niveau des constructeurs automobiles

- Nissan : Andy Palmer (Vice Président) demandait plus d'infrastructure de charge dans les lieux publics . Pourtant lors de la conférence « Infrastructure de Recharge 2011 » de San Diego , Nissan faisait partie du panel de constructeur déclarant que les performances des batteries actuelles ne nécessitaient pas l'utilisation de bornes de charges sur la voie publique.

- BMW-Mini : L'entreprise allemande a terminé l'expérimentation de 450 Mini - Electrique aux USA, les premiers retours d'expérience montrent que les utilisateurs ont chargé 1 fois par jour et principalement à leur lieu de domicile. Etant donné le peu d'infrastructure installée , il est fort possible que les participants du test n'aient simplement pas eu la possibilité de charger dans des lieux publics. Cependant il est remarquable de constater que le taux de satisfaction des clients reste très fort alors même que les infrastructures de charge publique étaient inexistantes.

- General Motors : Larry Nitz déclarait récemment que les besoins d'infrastructure de charge en dehors du lieu de travail et du domicile étaient sans importance.

Source : ADIT Etat-Unis- 245 - 2011 Source :Moving Ahead 2010 - Aerovironment

VHR STRASBOURGUTILISATION DES INFRASTRUCTURES DE

CHARGERecharge : en moyenne 1 fois/jour sur un des 155 points de charge installés,

très majoritairement sur leur lieu de travail et à leur domicile (96%).40% d’entre eux se sont même rechargés plus d’une fois par jour.

Points de charge : majoritairement sollicités aux heures de pointe (8 h en arrivant au travail ; 19h en rentrant à la maison) utilisés en moyenne pendant 78 minutes d’affilée (N.B. : la charge complète « à vide » 100 minutes).

Les bornes publiques (parking et voirie) ont été très peu utilisées (4%) même si elles présentent un réel avantage pour se garer en ville. (chère la place !)

VHR : agrément de conduite,grande facilité d’utilisation au quotidien,incitation à adopter naturellement un style de conduite plus respectueux de

l’environnement Source : EDF

Exemples à travers le monde

Habitat & Voiture à Emission Nulle

SOURCE : Buildings Technology In the Vanguard of Eco-efficiencyErnst Ulrich von Weizsäcker, MP – SB05 – Tokyo - 2005

OPTION TOUT ELECTRIQUE

Voiture électriquePlutôt pour les déplacements urbains et péri-urbains

Toiture et/ou Façades Photovoltaïque Eolien Intégré

Toyota Dream HouseToyota : Constructeur Véhicules & Maisons

La Toyota Prius Hybrid (essence –électrique) peut être utilisée pour fournir de l’électricité à la maison pendant 36 heures en cas d’urgence.

Les capteurs photovoltaïques de la maison permettent de recharger les batteries de la voiture.

OPTION HYBRIDEMaison « station-service »Voiture « cogénérateur  »

Projet Living & MobilityUniversité de Lucerne-CH

Echelle locale

Projet Living & MobilityUniversité de Lucerne-CH

Projet Living & MobilityUniversité de Lucerne-CH

Projet MEREGIO - Allemagne

Borne Bidirectionnelle

SMARTGRID-SMARTHOUSE

Projet SHARP - ECOHOUSE

Projet HONDA E_KIZUNA

Projet Volvo-A-HUS-VattenfallOne Tonne Life

Projet Volvo-A-HUS-VattenfallOne Tonne Life

Projet Volvo-A-HUS-VattenfallOne Tonne Life

Projet Démonstrateur Smart Grid - Village Rokkasho - Japon

Smart Grid Demonstration project in Rokkasho Village – JWD – Toyota – Panasonic - Hitachi

« L’intégration totale entre résidence et voiture est enfin arrivée » Senta Morioka, PDG de Toyota HomeDécembre 2010

Projet Energie-Plus-HouseBerlin

http://www.bmvbs.de/SharedDocs/DE/Artikel/B/neues-energie-plus-haus-berlin.html?nn=36210

Concept MFC 2020

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Mitsubishi: i-MiEV alimentation équipment électro-domestique

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Aujourd’hui :Alimentation d’un téléphone ou d’un ordinateur portable.

Demain :Prise : 100 VPuissance : 1500 W

Batterie lithium-ion : 16 kWh,Consommation d’un ménage pour environ 1, 5 jour

Intérêt Economique ?

Source – RTE-SIA-l’Expansion

Une idée ancienne …

1912

Source : Hermes

La voiture comme cogénérateur mobileLa voiture, comme système de chauffageCSTB Magazine n°98, oct. 1996

1996

Merci de votre attention

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