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Énergies renouvelables et gestion du stockage de l'énergie : une nécessité ?

État actuel et développements futurs

C. GLAIZE Professeur à l'Université Montpellier II

Laboratoire IES-GEM

3ème Conférence Internationale DERBI - Perpignan 5-7 juin 2008

C. GLAIZE - Énergies renouvelables et gestion du stockage de l'énergie 3ème Conférence Internationale DERBI - Perpignan 5-7 juin 2008 2

La nécessité du stockage pour la production d'énergie électrique à partir des énergies renouvelables

Le rayonnement solaire est une source d'énergie inépuisable.

Il peut être transformé directement en énergie électrique par des cellules photovoltaïques.

Ou indirectement par un intermédiaire thermique comme dans les moteurs Stirling ou les tours à concentration solaire.

Cette dernière technologie permet d'ailleurs de proposer un stockage thermique.

Le soleil est aussi à l'origine du vent, des marées, de la houle et de la biomasse.

Transformer directement ou indirectement l'énergie solaire respecte au mieux l'environnement.


L'adéquation ressource-besoin

Le photovoltaïque peut-il subvenir à tout moment aux besoins ?

Certes non, déjà du fait de l'alternance jour-nuit et de la saisonnalité.

De plus, la demande d'électricité est plus forte en hiver qu'en été (par exemple besoin d'éclairage plus long, chauffage).

La question est donc "que peut apporter le photovoltaïque dans la fourniture du besoin d'électricité ?"


Un mardi de mai

Examinons la courbe de charge prévisionnelle d'un mardi de mai (29 mai 2007) telle que la donne RTE sur son site (Source http://www.rte-france.com/htm/fr/vie/vie_histo_courbes.jsp) :

Estimation journalière faite par RTE de l'ensemble des puissances consommées par les clients raccordés au réseau de RTE,

ainsi que les pertes sur le réseau, mais en excluant la puissance prélevée pour le pompage par les installations hydroélectriques. Données exprimées en MW, par pas demi-horaire.


Une autre journée d'été

Le maximum de consommation sur la période de juin à août 2007 est 58 GW environ obtenue le Je 19/07/2007 en milieu de journée :

On remarque la forte ressemblance des courbes de prévisions entre le mardi de mai et ce jeudi de juillet.


Le minimum de consommation sur l'année 2007 est obtenu le dimanche 12/08/2007 à 7h avec 31,6 GW :


Pour avoir une meilleure idée de la variabilité de la puissance demandée, plaçons le zéro au bas du graphique de la courbe de consommation du mardi 29 mai 2007 :

Consommation

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Heure légale (été)

Puis

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W)


Superposons-là à la courbe de production d'un système photovoltaïque le même jour à Montpellier (la situation géographique du lieu de production photovoltaïque importe par rapport à l'heure) :

Consommation et injection PV

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Heure légale d'été

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Puissance PV

Consommation


Il est clair que la bosse de consommation peut être atténuée par la production photovoltaïque :

Consommation et consommation - injection PV

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Heure légale d'été

Puis

sanc

es (G

W)

Consommation

Conso - k*PV


Mais qu'en est-il en saison moins clémente (hiver) ?

Un jeudi ensoleillé de février (1er février 2007) :

Sur l'année 2007 entière, le maximum a été obtenu le lundi 17 décembre 2007 à 19h avec 88,96 GW.


Un jeudi ensoleillé de février (1er février 2007) : Consommation et injection PV

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Heure légale

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Puissance PV

Consommation

Moins de soleil qu'en été, plus de consommation électrique mais surtout un pic de consommation en début de soirée (ie pendant la nuit) :


L'énergie photovoltaïque diminue la consommation pendant le jour mais ne peut éliminer les pointes de consommation du matin et du soir.

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Heure légale

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W)

Consommation

Conso - k*PV

=> Économie de ressources (combustible, hydraulique,…) mais nécessité de stocker si on ne veut pas doubler les moyens de production (qu'ils soient fossiles ou renouvelables).


Ce stockage doit compenser le caractère intermittent et aléatoire dû aux nuits,

aux journées sans soleil (passages pluvieux ou nuageux).

Et les autres énergies renouvelables ?

Intermittence et caractère aléatoire existent aussi en éolien.

Production plus modulable avec biomasse…

Une solution : la complémentarité des sources.

Une autre solution : foisonnement sur le territoire mais alors transport de l'énergie électrique.


Site isolé

Le stockage est bien connu et utilisé en site isolé. Il utilise essentiellement du stockage électrochimique par accumulateurs au plomb, technologie bien connue et la moins coûteuse au kWh stocké.

Mais part de marché maintenant très faible. En Europe, 0,5 % installés en 2007 et 2,7 % en cumulé :

Installations 2007 :

Total cumulé

:

Source : EurObser'ER 2008 repris par la revue "Le journal des énergies renouvelables" (Observ'ER) d'avril 2008


Injection réseau aujourd'hui sans stockage mais nécessité demain

Rappel : l'injection sur le réseau pendant le jour et l'appel de puissance la nuit, ce n'est pas du stockage

Nécessité technique : voir courbes ci-dessus

Avantage économique : Le stockage permettra d’approvisionner le réseau en électricité non pas aux heures de production solaire, mais aux heures où le réseau est prêt à acheter à un prix beaucoup plus élevé, inférieur au coût de production de pointe très élevé.


Conclusions des travaux du groupe français du projet européen PV Policy, piloté par l’ADEME, pour l’utilisation du photovoltaïque :

L'intersection de la courbe de coût (en baisse) de l'électricité d'origine photovoltaïque avec celle (en augmentation tendancielle) des prix de vente de l’électricité au consommateur final conduira

d’ici 10 ans à la compétitivité directe de l’électricité photovoltaïque avec ses concurrentes du marché sur les besoins de pointe et

d'ici une vingtaine d'année sur les besoins de base.

Ce croisement des courbes peut avoir lieu dès 2010-2012 dans des pays cumulant un fort ensoleillement et un prix élevé de l’électricité comme la Californie, le Japon ou le Sud de l’Italie.

En France, il serait effectif dans les DOM entre 2015 et 2020, puis en France métropolitaine entre 2020 et 2030.


Stockage réparti ou centralisé ?

Deux types d'expérimentations ont été et sont menées :

- stockage centralisé (expériences effectuées avant la forte progression des EnR).

Stockage a déjà étudié dans un autre but : flexibilité du réseau

Quelques expériences "anciennes" utilisant des accumulateurs au plomb :

Source : http://electricitystorage.org/tech/technologies_technologies_leadacid.htm


Ou du stockage gravitaire par pompage-turbinage (Station de Transfert d’Énergie par pompage - STEP).

En France, la plus puissante est la centrale de Grand-Maison (1987) :

En turbinage : 1800 MW (env. 300 GWh).

Dans le monde, plusieurs dizaines de puissance > 1000 MW


Alternative au plomb : le Sodium-soufre. Source : http://www.ngk.co.jp/

Au Japon, 150 installations à partir de batteries NaS pour un total de plus de 150 MW (900 MWh) utilisées pour : - stabilité du réseau, - production de pointe lors des pointes de consommation (Tokyo Electrical Power Company,…). Technologie aussi utilisée par clients pour effacer leur pointe de consommation ou maintenir la qualité de la fourniture d'énergie : métro, industries, tertiaire,…). Voire lisser la consommation (et diminuer la facture énergétique). L'une des 2 installations les plus importantes (Hitachi) peut délivrer 8 MW (58 MWh).


Installation NaS : 1 MW pendant 7 heures

http://www.sandia.gov/ess/Publications/Conferences/2005/Kishinevsky.pdf

Dans le cadre des EnR : projet d'une installation NaS de 30 MW et 216 MWh (Tohoku area) pour la stabilisation d'une ferme éolienne et le décalage de la production).

Source : http://aceee.org/conf/06et/TP1-5_mears.pdf


- stockage réparti (plus proche de la philosophie des EnR : on produit là où on utilise). Quelques exemples :

Projet ANR MICROSCOPE : Micro Injecteur Connecté au Réseau pour Optimiser par le Stockage la COurbe de Production Electrique (EdF, CEA-INES, GEM-IES,…)

Objectif : développer des systèmes de production de la pointe électrique à bas coût à partir d’une production locale photovoltaïque couplée à un stockage d’énergie.

Dissémination de tels systèmes (env. 1 kW) réduira significativement le recours aux moyens de production de pointes classiques fonctionnant à partir de combustibles fossiles, peu efficaces, polluants et très coûteux.

Ré-injection d’électricité à la demande du réseau.

Accumulateurs au plomb pour être aujourd'hui économiquement envisageable

Premières installations prévues dans les DOM.

30.000 dispositifs de 1 kW, c'est 30 MW. Soit de l'ordre de 10% de la capacité de production installée sur l'île de la Martinique.


Projet ANR Quali-Val EnR (Apex BP-Solar & GEM-IES)

Objectif : proposer une solution innovante pour mieux valoriser l’électricité produite à partir de modules photovoltaïques et d’améliorer la qualité de l’approvisionnement électrique des habitations dans un contexte d’augmentation sensible de la pénétration des énergies renouvelables.

L’intégration et l’optimisation d’une fonction de stockage permettront de décaler la consommation de l’énergie photovoltaïque par rapport à sa production et de proposer des fonctionnalités de secours et d’amélioration de la qualité de courant.

Accumulateurs au plomb pour être aujourd'hui économiquement envisageable.

Photographie de l’onduleur connecté réseau avec secours batterie Apex BP Solar.


Japon : Ota-City, Gunma Prefecture :

Programme de recherche 2002-2007 financé par le New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)

Démonstrateur : les 553 maisons d'un quartier sont toutes équipées de PV (2,13 MWc)… et de batteries au plomb (quelques kWh/maison. 5 MWh au total).

Source : http://www.nedo.go.jp

Objectif : tester en vraie grandeur la compatibilité des onduleurs entre eux et leur impact sur le réseau + gestion de l'îlotage.


Autres technologies de stockage :

Études sur les accumulateurs au Lithium

Universellement utilisés sur les appareils portables de "puissance". Encore des difficultés pour la forte puissance et les grandes énergies.

Autres stockages électrochimiques (hydrogène, redox flow,…)

Stockages mécaniques : stockage inertiel, air comprimé, STEP,...

Stockage thermique

Stockage par supraconductivité

Transformation de nature d'énergie => conversions d'énergie => pertes associées

Nécessité de minimiser les conversions inutiles pour minimiser les pertes.


En conclusion : Après d'importantes recherches sur le photovoltaïque (qui sont d'ailleurs loin d'être terminées), il faut maintenant consacrer un important effort de recherche sur les stockages.

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