Polycopié EEAII Final 2017 2018 [PDF]

Zitiervorschau

Université Hassan II-Casablanca! Faculté des Sciences Aïn Chock Département de Physique !

Licence Professionnelle : Electronique Electrotechnique Automatique et Informatique Industrielle (EEAII S6) !

ENERGIES!RENOUVELABLES!

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Cours!&!Travaux!Dirigées! (2éme Edition)

Préparé!par!:! Pre.!R.!KHATYR! ! Année!Universitaire!:!2017A2018!

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Objectifs du Module : /! /! /! /! /! /!

Connaître les différentes formes d’énergies renouvelables, Connaître les domaines d’applications d’énergies renouvelables, Connaître les avantages des énergies renouvelables, Maîtriser les techniques d’utilisation des énergies renouvelables, Dimensionner une station d’énergie renouvelables, Dominer les techniques de commutation.

Plan du cours : Chapitre 1 : Introduction aux énergies renouvelables Chapitre 2 : Cellules et panneaux photovoltaïques Chapitre 3 : Energie éolienne Chapitre 4 : Conversion d’énergie Chapitre 5 : Technique de stockage

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Chapitre 1 :

Introduction aux énergies renouvelables

________________________________ 1.1. Energie Hydraulique L'énergie hydraulique est l’énergie fournie par le mouvement de l'eau, sous toutes ses formes : chute d’eau, cours d’eau, courant marin, marée, vague. Elle est en fait une énergie cinétique lié au déplacement de l'eau comme dans les courants marins, les cours d'eau, les marées, les vagues ou l'utilisation d'une énergie potentielle comme dans le cas des chutes d'eau et des barrages. Parmi ces énergies on cite : Énergie des vagues, Énergie marémotrice, Énergie hydrolienne, Énergie osmotique, Énergie thermique des mers, Énergie hydroélectrique

1.1.1. Énergie des vagues L'énergie Houlomotrice (énergie de la houle) est une source d'énergie d'origine cinétique et potentielle liée au déplacement de la surface de la mer sous l'action de la houle

Fig. 1.1 : Colonnes d’eau oscillantes côtières

Fig. 1.2 : Le Pelamis (Longueur : 120m, Diamètre : 3.5m, Masse : 750Tonnes)

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Fig. 1.3: Power Boy

Fig. 1.4: Le SEAREV

1.1.2. Énergie marémotrice L'énergie marémotrice est issue des mouvements de l'eau créée par les marées, causées par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est utilisée soit sous forme d'énergie potentielle - l'élévation du niveau de la mer, soit sous forme d'énergie cinétique - les courants de marée.

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Fig. 1.5 : Usine marémotrice de La Rance

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1.1.3. Énergie hydrolienne Une hydrolienne est une turbine sous-marine (ou subaquatique, ou posée sur l'eau et à demi-immergée) qui utilise l'énergie cinétique des courants marins ou de cours d'eau, comme une éolienne utilise l'énergie cinétique de l'air.

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Fig. 1.6 : Eolienne flottante Hywind

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Fig. 1.7 : Hydrolienne OpenHydro

1.1.4. Énergie osmotique La conversion de l’énergie osmotique en électricité est basée sur la différence de concentration en sel entre deux solutions aqueuses séparées par une membrane. Dans la technologie PRO (Pressure Retarded Osmosis), l’eau douce migre à travers une membrane semi-perméable vers le compartiment de l’eau salée, ce qui créé une surpression dans ce dernier. Ce flux d’eau sous pression permet d’actionner une turbine hydraulique, reliée à un alternateur.

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Fig. 1.8 : Prototype de centrale osmotique

1.1.5. Énergie thermique des mers L'énergie thermique des mers (ETM) ou énergie maréthermique (ETM ou OTEC en anglais pour Ocean Thermal Energy Conversion) est produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans. Un acronyme souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal energy conversion. Cette différence de température peut être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie, utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface comme sources.

Fig. 1.9 : Installation ETM L’ETM utilise la différence de température entre l’eau chaude de surface et l’eau froide venant des profondeurs (~ 5°C pompée à env. 1000m) pour faire fonctionner une machine thermique. !

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L’application est limitée à la ceinture intertropicale pour avoir une eau chaude d’au moins 25°C afin d’avoir un rendement « acceptable ». Une usine installée en surface utilise cet échange thermique pour produire de l’électricité 24h/24h & 7j/7j (contrairement à d’autres ENR). Cette machine thermique peut fonctionner selon plusieurs concepts et selon différents cycles thermodynamiques : ouvert, fermé ou hybride, Rankine, Kalina ou Uehara, …

Une histoire française -Théorie : 1881, J. d'Arsonval, physicien, propose de mettre à profit la différence de température entre la surface et le fond de l'océan tropical pour faire tourner une machine thermique et produire ainsi de l’électricité : c'est la première formulation correcte du principe de l'énergie thermique des mers. –Pratique : Georges Claude, 1928-1930. Premières expériences à l'échelle "industrielle" du procédé d'énergie thermique des mers.

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1.1.6. L’énergie Hydroélectrique L’énergie hydroélectrique, appelée aussi hydroélectricité, c’est l’énergie électrique obtenue par conversion de l’énergie hydraulique des flux d’eau (Rivières, Chute d’eau). Elle est due à l’énergie potentielle de pesanteur Ep de l’eau. Pendant sa chute, le flux d’eau peu actionner des turbines et les met en mouvement de rotation (transformation de l’énergie potentielle Ep en énergie mécanique Em). Une turbine en rotation peu entrainer avec elle une génératrice hydraulique couplée à un alternateur et produire de l’électricité : C’est le principe d’une centrale Hydroélectrique La puissance de la centrale dépend du débit d’eau et de sa hauteur de chute. Plus ils seront importants, plus cette puissance elle sera élevée.

Fig. 1.10 : Illustration du principe de fonctionnement !

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La conduite forcée relie la prise d’eau à la turbine. Le canal de fuite ramène l’eau à la rivière. Les turbines sont généralement situées à la base de la centrale hydraulique et actionnées par l’écoulement. Les différents types de centrales hydroélectriques sont : •! Les centrales de basses chutes (moins de 30m de hauteur de chute, se trouve sur les grandes rivières ou fleuves, fonctionne avec un débit d’eau important, production d’électricité sans interruption) •! Les centrales de moyennes chutes (hauteur de chute comprise entre 30m et 300m, se trouve en moyenne montagne, réserve d’eau accumulé sur des courtes périodes, régulation de la production journalière ou hebdomadaire) •! Les centrales de hautes chutes (hauteur de chute supérieur à 300m, se trouve dans les hautes altitudes, grande rapidité de démarrage, répondre aux grandes consommations notamment en l’hiver) On distingue 3 types de turbines utilisées dans les centrales hydroélectriques : •! La turbine Kaplan : parfaitement adaptée aux basses chutes et forts débits (~350 m3/s), c’est une roue a hélice comme celle d’un bateau, mis au point par Viktor Kaplan. Ses pales peuvent s’orienter en fonction des débits utilisables. •! La turbine Francis : adaptée pour des hauteurs de chute moyennes, et pour des puissances et débits moyens (de quelques kW à plusieurs centaines de MW avec des débits jusqu’à 30 m3/s) •! La turbine Pelton : adaptée haute chute (> 300m) avec un faible débit d’eau (< 15m3/s). Elle comporte une roue mobile, muni d’aubes appelées « augets » sur sa périphérie, et un ou plusieurs injecteurs fixes qui envoient, à très grandes vitesses, l’eau sur les augets. Le tout est entouré d’une bâche en tôle d’acier destinée à protéger la roue et évacuer l’eau

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Fig. 1.11 : Turbine Kaplam

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Fig. 1.12 : Turbine Francis

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Fig. 1.13: Turbine Pelton

La Puissance Hydroélectrique installée au Maroc (1738.3MW) est illustrée dans la figure suivante :

Les!22!barages hydroélectrique!au!Maroc! (en!2010) Al!Wahda!(1998) Bin!El!Ouidan!(1953) Ahmed!El!Hansali!(2002) Hassan!I!(!1986) Oued!El!Makhazine!(1979) Moulay!Youssef!(1969) Sidi!Said!Maachou!(1929) Daourat!(1950) laou!talambot!(1935) Mansour!Eddahbi!(1972) Ait!messoud!(2002)

40 36 31 24 23 21 18 17 14,4 13,5 12 10 7 6,4

67

92 92

135 128

247 240

464

La capacité de production d’hydroélectricité installée au Maroc est intéressante (1738.3 MW) son cumul pour les 22 barrages hydroélectriques reste nettement faible que celle du barrage d’Assouan seul (2100MW).

1.2. La Géothermie La géothermie est le principe qui vise à exploiter l’énergie dégagé par la Terre. Cette énergie est appelée « Energie Géothermique » est très utilisée pour le chauffage Il existe deux grands types de Géothermie :

1.2.1. La Géothermie de Surface Le rayonnement du soleil et le ruissellement de l’eau de pluie permettent au sol de jouer un rôle d’inertie thermique, il y règne à quelques mètres de profondeur une température pratiquement constante toute l’année. La géothermie de surface (Fig. 1.14) utilise cette inertie pour obtenir des températures plus basses que les températures à la surface en été, et à l’inverse obtenir des températures plus élevées que les températures à la surface en hiver. En Hiver, la chaleur du sol ou de l’air est captée par une tuyauterie conduisant un fluide caloporteur. La chaleur est restituée dans le logement par la pompe à chaleur. !

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En été, L’excès de chaleur dans la maison est restitué dans l’air par la pompe à chaleur.

1.2.2. La Géothermie dite « verticale » ou en profondeur Le principe est de récupérer la chaleur en profondeur dans les nappes d’eau chaudes. Cette chaleur traverse « l’échangeur de chaleur » (système de pompe à chaleur), où l’excès de chaleur est rejeté dans le tuyau de réjection. La chaleur restante est envoyée aux radiateurs situés dans le logement. Ce type de géothermie est très pratique pour le chauffage (Fig. 1.15), mais, contrairement à la géothermie de surface, on ne peut pas abaisser la chaleur dans la maison.

Fig. 1.14 : Géothermie de surface

Fig. 1.15 : Géothermie de profondeur

1.3. L’énergie solaire L’énergie solaire a directement pour origine l’activité du Soleil (Fusion nucléaire à l’intérieur du soleil). Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique dans lequel on trouve notamment les rayons cosmiques, gamma, X, la lumière visible, l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radios en fonction de la fréquence d’émission. Tous ces types de rayonnement électromagnétique émettent de l’énergie. Le niveau d’irradiance (le flux énergétique) arrivant à la surface de la Terre dépend de la longueur d’onde du rayonnement solaire. Il existe différents types d'énergies solaires telles que : !

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•! L'énergie photovoltaïque : L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique renouvelable produite à partir du rayonnement solaire. La cellule photovoltaïque est le composant électronique de base, utilisant l'effet photoélectrique. •! L'énergie thermique : Cette énergie est la transformation des rayons du soleil en énergie thermique c'est-à-dire en chaleur. Cette énergie peut être utilisée directement soit pour le chauffage mais aussi pour obtenir de l'eau chaude. •! L'énergie thermodynamique : L'énergie solaire thermodynamique est un moyen de produire de l’électricité et d'accumuler l'énergie thermique nécessaire à cette production pendant plusieurs heures après le coucher du soleil, dans des centrales solaires à concentration.

1.4. L’énergie éolienne L’énergie éolienne tire son nom d’Eole (en grec ancien Aiolos), qui est le nom donné au dieu du vent dans la Grèce antique. L’énergie éolienne c’est l’énergie extraite de l’énergie cinétique du vent (Flux d’Air), (Ec des masses d’air en mouvement horizontal : Ec=1/2 M V2). Lorsque celui-ci est intercepté par un dispositif correctement conçu appelé : une éolienne. Une éolienne est un dispositif qui transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis éventuellement en énergie électrique. Les éoliennes produisant de l’énergie électrique sont appelées : Aérogénérateurs Les autres éoliennes produisant de l’énergie Mécanique seulement sont appelées : -! Moulins à vents : utilisées le plus souvent pour moudre des céréales, presser ou broyer diverses substances ou écraser des olives pour produire de l’huile -! Éoliennes de pompage : utilisées pour pomper directement de l’eau pour irriguer ou abreuver le bétail

1.5. Énergie Biomasse L’homme utilise le feu depuis la nuit des temps pour se chauffer, cuire ses repas et s’éclairer. A la fin du 19éme siècle, le français R. Diesel invente un moteur fonctionnant à l’huile végétale. De récentes crises ont relancé l'intérêt pour la biomasse. Du gaz de bois a servi à faire fonctionner de nombreux véhicules quand le pétrole a manqué pendant les 1ére et 2éme Guerres Mondiales. Les deux dernières grandes crises pétrolières ont relancé l'usage du bois de chauffage, voire de la tourbe. La biomasse est une matière organique issu d’un processus biologique spontanée ou provoqué appelée : Photosynthèse.

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La Biomasse provient de trois sources principales : •! La biomasse ligneuse (bois, feuilles mortes pailles) utilisée pour le rendement énergétique. •! La biomasse à glucide (céréales, betteraves). •! La biomasse oléagineuse (colza, palmier à huile) principalement destinée au biocarburant. L’énergie extraite de la biomasse s’appelle la bioénergie. On utilise la biomasse pour produire 3 types d’énergies : •! Le biocarburant, •! La production de chaleur, •! La production d’électricité.

Inconvénients de la Biomasse : •! L’inconvénient majeur de la biomasse est que le bois devient surexploité par les industriels : cela entraîne des déforestations et à des effets nocifs sur la biodiversité. •! La revalorisation des déchets est également trop utilisée. En effet, brûler des déchets n’est pas aussi efficace que faire brûler du charbon… •! Le biocarburant est toujours moins utilisé que l’essence… •! Le biocarburant coûte également plus cher…

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Avantages de la Biomasse :

La biomasse a été pendant plusieurs millénaires la seule source d’énergie maîtrisée par l’homme. Elle est infinie, pour peu que l’homme ne la maltraite pas. C’est une énergie de future car elle permet de revaloriser les nombreux déchets de notre société. Elle pourra permettre d’endiguer la pollution grâce à la revalorisation des déchets…

1.6. Energie Hydrogène et Piles à combustibles 1.6.1. Historique

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L’hydrogène est produit par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre. Son utilisation n’entraine pas de gaz à effet de serre et il est pratiquement inépuisable. Sa densité massique d’énergie plus élevée que celle des combustibles courants : facteur 2,4 à 2,7 (H2 140MJ/Kg, Essence 46MJ/Kg ). C’est un gaz non polluant et non toxique.

1.6.2. Les piles à combustible Une PAC est un système électrochimique qui converti l’énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée : !! deux électrodes une anode et une cathode alimentées par deux gaz : O2 et H2 !! d’un électrolyte qui permet d’assurer une étanchéité entre les deux électrodes et d’assurer le passage des ions en bloquant le passage des électrons

Energie reçu de la réaction globale : H2 + O2 → H2O + Electricité. Elle continue de fonctionner tant qu’elle est alimentée en réactifs.

1.7. Énergie nucléaire 1.7.1. Première transmutation induite artificiellement •! En 1900, à Montréal, Rutherford observa un effet curieux, lors de mesures de l'intensité du rayonnement d'une source de thorium. L'intensité n'était pas la même selon que la porte du laboratoire demeurait ouverte ou fermée. Rutherford s'aperçut que le thorium produisait une « émanation », un gaz radioactif, qui était soufflé par le courant d'air de la porte ouverte. Il appela cette émanation thoron et montra que sa radioactivité diminuait de moitié en moins d'une minute. C'était la première observation de la décroissance exponentielle d'un radioélément. Le thoron se transforme en un isotope du polonium qui forme un « dépôt actif ». •! Parfois, les noyaux provenant d'une source radioactive (émetteur a) ont la bonne énergie pour provoquer la transformation d'un noyau atomique stable qui est bombardé par ces particules a. C'est ainsi que les réactions nucléaires artificielles ont été découvertes par Ernest Rutherford en 1913, lorsqu'il a constaté que l'atmosphère d'azote, sous !

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laquelle il avait stocké une substance radioactive, se convertissait au fur et à mesure en oxygène et en hydrogène.

1.7.2. L’énergie nucléaire

1.8. Référence [1] R. Khatyr, Introduction aux énergies renouvelables et systèmes énergétiques, Polycopié

L.P. : Energie Solaire et Eolienne, Faculté des sciences Aïn Chock, Université Hassan II, Casablanca, 2014-2015. !

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Chapitre 2 :

Cellules photovoltaïques et Panneaux solaires __________________________________________________________________________________

2.1. Introduction En raison du développement de l'industrie, du transport et des moyens de communication, une croissance de la consommation mondiale d’électricité a été observée pendant les dernières décennies. Cependant, la plupart de l’énergie électrique est produite par combustion de ressources non renouvelables (carbone, pétrole, gaz, nucléaire) dont le délai d’épuisement est estimé à quelques décennies. De plus, ce type de production d’énergie est très polluant. Le développement des sources d’énergies renouvelables et non polluantes est donc d’actualité. Parmi les sources d’énergies renouvelables, on compte le vent, les flux marins et océaniques, la géothermie, le solaire PV, etc... Ce dernier est une source d’énergie très puissante. En effet, Introduction la puissance du rayonnement solaire au niveau du sol est d’environ 950 Watt/m2 [2]. La quantité En raison du développement de l'industrie, du transport et des moyens de communication, une croissance de la consommation mondiale d’électricité a été observée pendant les totale d’énergie solaire reçue au niveau du sol pendant une semaine dépasse l’énergie produite dernières décennies. Cependant, la plupart de l’énergie électrique est produite par combustion non de renouvelables (carbone, pétrole, nucléaire) dont le délaidans la plupart des par les réserves mondialesdederessources pétrole, carbone, de gaz et gaz, d’uranium. Mais d’épuisement est estimé à quelques décennies. De plus, ce type de production d’énergie est très polluant. Le développement de des sources d’énergies et non polluantes est en électricité est cas, une conversion (transformation) l’énergie durenouvelables rayonnement solaire donc d’actualité. nécessaire. Parmi les sources d’énergies renouvelables, on compte le vent, les flux marins et océaniques, la géothermie, le solaire PV, etc… Ce dernier est une source d’énergie très puissante. En effet, la puissance du rayonnement solaire au niveau du sol est d’environ 950 Watt/m2 [1]. La quantité totale d’énergie solaire reçue au niveau du sol pendant une semaine dépasse l’énergie produite par les réserves mondiales de pétrole, de carbone, de gaz et d’uranium. Mais dans la plupart des cas, une conversion (transformation) de l’énergie du rayonnement solaire en électricité est nécessaire. L’électricité photovoltaïque est obtenue par la transformation directe de la lumière du soleil en électricité, au moyen de cellules photovoltaïques. La production d’électricité photovoltaïque connaît une croissance importante depuis les années 1990-95, pour dépasser les 700 MWc [2] en 2003 (cf. figure 1).

L’électricité photovoltaïque est obtenue par la transformation directe de la lumière du soleil en électricité, au moyen de cellules photovoltaïques. La production d’électricité photovoltaïque connaît une croissance importante depuis les années 1990-95, pour dépasser les 700 MWc en 2003 [2] (cf. figure 2.1).

Figure 1 Evolution de la production mondiale de cellules photovoltaïques (en MWc) [1].

Fig. 2.1 : Evolution de la production mondiale de cellules photovoltaïques (en MWc) [2] Les projections les plus courantes prévoient un marché annuel est de l’ordre de 3 GWc pour l’année 2010, et entre 9 et 21 GWc pour 2020. Pour faire face à cette croissance, la recherche dans le domaine s’oriente sur deux axes essentiels, qui peuvent sembler opposés : augmenter le rendement des cellules, tout en diminuant les coûts de production. Le matériau le plus commercialisé dans l’industrie photovoltaïque est le silicium cristallin (abondant, facile à processer, non toxique). Cependant, dans le coût du module, le prix du matériau intervient pour environ 50% et de nombreuses études visent donc à réduire les coûts relatifs à la préparation des substrats. Dans ce sens, le programme SUCCES (SUbstrats bas Coût, report de Couches monocristallines et Epitaxies pour une filière Silicium photovoltaïque en couche) concerne la mise au point d’un nouveau procédé de réalisation de cellules photovoltaïques (PV) en silicium cristallin particulièrement économe en matériau et utilisant des techniques

Le matériau le plus commercialisé dans l’industrie photovoltaïque est le silicium cristallin (abondant, facile à processer, non toxique). Cependant, dans le coût du module, le prix du matériau intervient pour environ 50% et de nombreuses études visent donc à réduire les coûts relatifs à la préparation des substrats. !

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Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon

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Dans ce chapitre, nous aborderons ainsi en premier lieu quelques notions sur la source d’énergie que représente le soleil, et son application dans le domaine photovoltaïque. Nous décrirons ensuite le fonctionnement des cellules photovoltaïques, leurs caractéristiques principales, et les limites du modèle théorique.

2.2. Notions préliminaires sur le rayonnement solaire Le développement, l’optimisation et la caractérisation de cellules photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d’énergie utilisée : le soleil. La surface de celui-ci se comporte comme un corps noir à la température d’environ 5800 K. Ceci conduit à un pic d’émission situé à une longueur d’onde de 0,5 µm pour une puissance d’environ 60 MW/m2, soit un total de 9,5.1025W [2]. En tenant compte de la surface apparente du soleil et de la distance entre celui-ci et la terre, cela conduit à un éclairement moyen dans l’année de 1,36 kW/m2 hors atmosphère. Cette irradiance est pondérée par divers facteurs à la surface de la terre : absorption par les molécules des différentes couches de l’atmosphère, conditions climatiques, latitude du lieu d’observation et saison. Des gaz comme l’ozone (O3), pour des longueurs d’ondes inférieures à 0,3 µm, le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O), pour les infrarouges au dessus de 2 µm, absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison, ce qui conduit à des «trous» dans le spectre solaire visible au sol. Par ailleurs, les poussières et aérosols présents dans l’atmosphère conduisent à une absorption répartie quasiment sur toute la gamme spectrale, ce qui conduit à une baisse globale de la puissance incidente. Afin de comparer et d’unifier les performances des cellules photovoltaïques élaborées dans les différents laboratoires du monde, il a été institué la notion d’Air Mass (AM). Elle quantifie la quantité de puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle θ du soleil par rapport au zénith : !" =

$

(2.1)

%&'((*)

θ représente l’angle entre la position du soleil´ et l’horizon (figure 2.2). 1.4.

CARACTERISTIQUES DES CELLULES PHOTOVOLTA¨ IQUES

Zenith (perpendiculaire)

Soleil

AM 0

AM 1,0

48,2°

M

A 5

1, Atmo

θ

sphèr

e

Terre

Fig. 1.2 – Description du nombre de masse d’air AM.

1.4.2

Fig. 2.2 : Description du nombre de masse d’air AM [1]

Absorption

Dans cellules ıques organiques, mat´ eriau absorber le maximum Si le soleil est au les zénith du photovolta¨ lieu d’observation, θ=0°,leAM=1 : ladoit notation utilisée est AM1. AM0 de lumi` ere sur une ´ epaisseur assez faible. correspond à l’irradiance hors atmosphère, et est surtout utilisée pour prédire le comportement Consid´ erons un mat´ eriau organique d’une ´ epaisseur e, travers´ e par un flux ´ energ´ etique des cellules pour applications spatiales. Le spectre standard le plus étudié est AM1.5G, G monochromatique . Le flux ´ energ´ etique traversant une ´ epaisseur x du film organique signifiantest global à la fois des radiations directes et diffuses, par opposition à donn´ ecar paril latient loi decompte Beer-Lambert : 0

!

(x) =

0

· exp( 18!

↵x)

↵ est le coefficient d’absorption du mat´ eriau, exprim´ e g´ en´ eralement en cm signe la densit´ e optique DO par la valeur log(

0/

).

Pour un mat´ eriau organique solide, elle est donn´ ee donc par la relation :

(1.2) 1

. On d´ e-

AM1.5D qui ne tient compte que des directes. AM1.5G donne une irradiance de 970 W/m2, mais a été arrondi à 1kW/m2. L’intensité ID reçue à la surface de la terre peut être calculée grâce à la formule empirique suivante [2] : ,- = 1,353 0,745

6,789

(2.2)

avec ID en kW/m2, pour une surface perpendiculaire aux rayons incidents. Les spectres AM0 et AM1.5 sont représentés sur la figure 2.3.

Fig. 2.3 : Représentation graphique des spectres AM0 et AM1.5 d’après [2]. Le domaine spectral utile aux cellules en silicium est mis en évidence Il apparaît que la partie la plus importante du spectre solaire à la surface de la terre concerne le domaine du visible et du proche infrarouge. Les irradiances définies par le nombre AM ne tiennent toutefois pas compte de la variété des conditions climatiques, et de l’altitude du lieu. La terre présente ainsi de grandes disparités dans la répartition de la puissance solaire : les ensoleillements moyens sur l’année peuvent atteindre 7 kWh/m2/jour dans le nord de l’Australie et au Botswana.

2.3. Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque L’effet photovoltaïque a été mis en évidence pour la première fois par E. Becquerel en 1839 : il découvrit que certains matériaux délivraient une petite quantité d’électricité quand ils étaient exposés à la lumière. Albert Einstein expliqua le phénomène photoélectrique en 1912, mais il fallut attendre le début des années 50 pour sa mise en application pratique dans la réalisation d’une cellule PV en silicium d’un rendement de 4,5% [2]. Nous présentons ici les mécanismes de la génération de porteurs électroniques au sein d’un semi-conducteur sous l’impact de photons.

2.3.1. L’interaction photon/semi-conducteur L’écart entre les bandes de valence et de conduction, ou gap, représente une caractéristique fondamentale des semi-conducteurs. La figure 2.4 présente les différentes transitions possibles selon la nature du gap. Quand le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence coïncident dans l’espace des k, il s’agit d’un gap direct. Les transitions inter bandes s’effectuent verticalement, et sont donc radiatives (figure 2.4 (a)). Dans le cas du !

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silicium, le gap est indirect : les transitions électroniques entre les extrema des bandes sont obliques, donc non radiatives puisqu’elles impliquent un changement du vecteur d’onde de l’électron. Les électrons du sommet de la bande de valence peuvent toutefois être directement excités vers le minimum relatif central de la bande de conduction grâce à un photon de plus grande énergie. Pour que la transition s’effectue dans le gap indirect, il faut qu’un phonon soit au préalable absorbé (ou émis) par l’électron, afin que le vecteur d’onde de ce dernier corresponde au maximum de la bande de valence, pour absorber un photon (figure 2.4 (b)). Notons que la valeur du gap indirect du silicium est de 1,12 eV à 300 K (ce qui correspond à une longueur d’onde de 1107 nm), mais celle du premier gap direct vaut 3,4 eV (soit 365 nm).

Fig. 2.4 : Transitions inter-bandes d’électrons dans un semi-conducteur : a) à gap direct, b) à un gap indirect (d’après [2]) L’interaction entre les photons et un semi-conducteur se traduit par une caractéristique essentielle du matériau dans le domaine photovoltaïque : le coefficient d’absorption. Il traduit le nombre de photons absorbés par unité d’épaisseur du matériau en fonction de leur longueur d’onde. La Fig. 2.5 nous donne celui du silicium. Nous constatons que pour des longueurs d’ondes inférieures à 365 nm, la majorité des photons incidents est absorbée dans les 100 premiers Å du matériau. Comme nous l’avons vu précédemment, ces transitions directes ne sont plus possibles pour des longueurs d’ondes plus grandes. Il faut alors qu’un phonon au moins vienne assister l’électron pour que ce dernier passe dans la bande de conduction. Ceci réduit la probabilité de transition. L’augmentation de la longueur d’onde des photons entraîne donc une diminution du coefficient d’absorption. Lorsque l’énergie du photon devient inférieure à celle du gap du matériau (à l’énergie d’un phonon près), la transition n’est plus possible et le photon n’est pas absorbé.

Fig. 2.5 : Coefficient d’absorption du silicium et profondeur de pénétration des photons en fonction de la longueur d’onde, d’après [2] L’interaction photon/électron au sein du semi-conducteur se traduit finalement par la génération d’une paire électron-trou, qui modifie localement la conductivité du matériau. Notons que nous !

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nous situons dans un régime de faible injection, c’est à dire que la densité de porteurs photogénérés est faible devant celle des porteurs majoritaires au sein du matériau. Ainsi cet excès de porteurs est plus sensible dans le cas des porteurs minoritaires (trous dans la région dopée n et électrons dans celle dopée p). La cellule photovoltaïque se comportant comme un générateur, il s’agit à présent de séparer ces deux types de porteurs pour éviter qu’ils ne se recombinent entre eux, et de les collecter dans un circuit électrique extérieur.

2.3.2. Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l'énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants : •!

Absorption des photons (dont l'énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;

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Conversion de l'énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création de paires électron/trou dans le matériau semi-conducteur ;

•!

Collecte des particules générées dans le dispositif. Le matériau constituant la cellule photovoltaïque doit donc posséder deux niveaux d'énergie et être assez conducteur pour permettre l'écoulement du courant : d'où l'intérêt des semiconducteurs pour l'industrie photovoltaïque. Afin de collecter les particules générées, un champ électrique permettant de dissocier les paires électron / trou créées est nécessaire. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction p-n. D'autres structures, comme les hétérojonctions et les schottky peuvent également être utilisées. Le fonctionnement des cellules photovoltaïques est illustré sur la Fig. 2.6 :

Fig. 2.6 : Structure (image gauche) et diagramme de bande (image droite) d’une cellule photovoltaïque. Les dimensions respectives des différentes zones ne sont pas respectées Les photons incidents créent des porteurs dans les zones n et p et dans la zone de charge d'espace. Les photoporteurs auront un comportement différent suivant la région : -! Dans la zone n ou p, les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge d'espace sont "envoyés" par le champ électrique dans la zone p (pour les trous) ou dans la zone n (pour les électrons) où ils seront majoritaires. On aura un photocourant de diffusion ; -! Dans la zone de charge d'espace, les paires électron / trou créées par les photons incidents sont dissociées par le champ électrique : les électrons vont aller vers la région n, les trous vers la région p. On aura un photocourant de génération. Ces deux contributions s'ajoutent pour donner un photocourant résultant Iph. C'est un courant de !

21!

porteurs minoritaires. Il est proportionnel à l'intensité lumineuse.

2.3.3. Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque Le courant délivré sur une charge par une cellule photovoltaïque éclairée s'écrit : I(V) = Iph −Iobsc(V)

(2.3)

avec : Iph : densité de courant photogénéré et Iobsc : densité de courant d'obscurité. Pour une cellule photovoltaïque idéale, l’équation (2.3) peut être écrite sous la forme suivante : I(V) = Iph −Is(exp(qV/kT)−1)

(2.4)

avec : Is : courant de saturation de la diode, q : charge élémentaire, k : constante de Boltzmann et T : température. Ainsi, dans une cellule photovoltaïque, deux courants s'opposent : le courant d'éclairement et un courant de diode appelé courant d'obscurité qui résulte de la polarisation du composant. La caractéristique d'une cellule sous obscurité est identique à celle d'une diode. Sous éclairement, la caractéristique a l’allure présentée sur la figure 2.7.

Figure I-5 Caractéristiques I=f(V) sous obscurité et sous éclairement d’une cellule photovoltaïque.

I.2.4 Facteurs limitant le rendement

Fig. 2.7 : Caractéristiques I=f(V) sous obscurité et sous éclairement d’une cellule En pratique, la conversion d'énergie lumineuse en énergie électrique n'est pas totale. Différentes pertes photovoltaïque viennent influencer le rendement d’une cellule. Elles sont dans la plupart des cas dues à la nature du matériau et à la technologie utilisée. Ces pertes sont évoquées ciaprès : La première limitation correspond aux photons utiles dans la conversion. Tous les photons possédant une longueur d’onde supérieure à celle associée au gap du semiconducteur ne peuvent générer de paire électron/trou, et sont donc perdus. Un modèle plus détaillé du phénomène permet toutefois de considérer les mécanismes d’absorption assistée par phonons (voir figure I-2 (b)). Ceci repousse la limite de l’énergie du gap du silicium de 1,124 eV à 1,052 eV dans le cas d’une absorption assistée par un phonon [6]. Les photons d’énergie supérieure au gap ne pourront générer qu’une seule paire/électron trou. L’excès d’énergie est perdu pour la conversion et thermalisé. Sous un éclairement de AM1.5, cette perte est évaluée à 33 % dans le cas du silicium [7]. La tension maximale aux bornes de la cellule (Voc) ne pourra pas dépasser la tension de gap Eg /q. De plus, en raison des recombinaisons Auger, Voc ne pourra dépasser 0,65 V pour le silicium, sauf dans le cas de cellules très minces (Voc=0,72 V pour une cellule de 20 µm) [8]. Le facteur de forme FF, même dans le cas d’une cellule idéale, ne peut dépasser 0,89 [8], puisque les équations courant/tension sont régies par les équations de Boltzmann sous forme exponentielle : exp(qV/kT). Il ne pourra donc pas exister de courbe courant/tension rectangulaire (voir la caractéristique courant/tension de la figure I-5). Ce paramètre dépend de la conception de la cellule, de la qualité de la jonction p-n et du matériau, de la résistivité des contacts métalliques, etc… [9]. Le rendement d’une cellule dépend aussi à la base du nombre de photons y pénétrant. Cette quantité est limitée par le coefficient de réflexion R de la surface de la cellule, qui pondère toutes les équations des courants photo-générés par un coefficient (1R). Afin de diminuer les réflexions, la surface de la cellule est texturée et recouverte d’une couche anti-reflet. De manière analogue, le taux d’ombrage tient compte de la couverture partielle de la surface de la cellule par une partie opaque correspondant à la surface des contacts

A partir de la caractéristique I(V) de la cellule photovoltaïque, on déduit les paramètres électriques propre à la cellule et notamment : ICC : courant de court-circuit (obtenu pour V=0) ; VCO : tension en circuit ouvert (obtenu pour I=0) ;

Im : courant à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule photovoltaïque ; Vm : tension à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule photovoltaïque ; η : rendement de conversion ; FF : facteur de forme. !

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Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon

23

η = (Puissance électrique maximale fournie) / (Puissance solaire incidente) : ;< =
? @

=

AA(;BC =BB

(2.5)

>? @

avec Pi : puissance d’éclairement reçue par unité de surface ; S : surface de la cellule photovoltaïque. FF = (Puissance maximale délivrée sur la charge) / (Vco*Icc) :

métalliq ues de la face avant. Par contre, pour certaines structures de cellules, le taux d’ombrage est égal à zéro (par exemple pour les cellules photovoltaïques à contacts arrières, voir le paragraphe I.5). ;< =< Il y a une partie des photons qui, bien qu’ayant l’énergie nécessaire, traversent ;BC =BB l’épaisseur de la cellule sans être absorbés (voir figure I-3). Ce terme devient important quand la cellule est très fine (ÄÅÇ

=

$7 J8

= 0.59 (loi de Betz) (voir TD)

3.6.2. Aérodynamique de pales Son principe repose sur l’effet de portance subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif. Le vent est freiné par les obstacles du sol (arbres, bâtiments…), par conséquent, sa vitesse augmente avec l’altitude. Pour une éolienne, la force exercée par le vent est donc plus importante au niveau de la pale la plus haute qu’au niveau de celle la plus basse. Cette différence induit une torsion au niveau de l’axe du rotor et du moyeu de l’éolienne. Cela entraîne des contraintes mécaniques et augmente l’usure et le risque de panne du système. (Fig. 3.9, Fig. 3.10, Fig. 3.11) La multiplication du nombre de pales et leur disposition en nombre impaire (donc sans opposition verticale) réduit ces contraintes. En outre, cela diminue les vibrations et donc le bruit émis par l’éolienne. Cependant, chaque pale produit des turbulences qui gênent la pale suivante et réduit donc le rendement global du dispositif (Fig. 3.12 et Fig. 3.13). Par ailleurs, le coût d’une éolienne augmente avec le nombre de pales. Le nombre de trois pales est donc le meilleur compromis entre fiabilité technique, rendement, coût et nuisance sonore réduite.

Fig. 3.9 : Aérodynamique de pales

Wα ωR V

Fig. 3.10 : La portance

ω

V Fig. 3.11 : Aérodynamique des pales en rotation

!

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Fig. 3.12 : Sillage d’une éolienne

Fig. 3.13 : Interaction

3.7. Finances, économie, régulations, publicité 3.7.1. Retombées locales Exemple : communauté de communes de Janville –! 27 éoliennes, soit 60MW installés –! 4000€/éolienne/an pour le propriétaire terrien (location) –! 4000€/éolienne/an pour la Région Centre (taxe professionnelle) –! 10000€/éolienne/an pour le département Eure et Loir (taxe professionnelle) –! 10000€/éolienne/an pour la communauté de communes (taxe professionnelle)

3.7.2. Coûts d’un projet éolien

!

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3.7.3. Montage d’une éolienne

3.8. Au plan national 3.8.1. Place des Energies renouvelables

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3.8.2. Parc éolien national

a-! 2000 : 1er Parc :

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b-! Parc Amougdoul :

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c-! Exploitation et maintenance des parcs éoliens

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3.9. Capacité installée dans le monde

3.10. Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne La croissance de l'énergie éolienne est évidemment liée aux avantages de l'utilisation de ce type d'énergie. Cette source d'énergie a également des désavantages qu'il faut étudier, afin que ceux-ci ne deviennent pas un frein à son développement.

3.10.1. Les avantages !! L’énergie éolienne, propre, fiable, économique, et écologique, c’est une énergie qui respecte l'environnement. !! Bien que ne pouvoir envisager de remplacer totalement les sources traditionnelles d’énergie, l’énergie éolienne peut toutefois proposer une alternative intéressante et renouvelable. Elle s’inscrit parfaitement dans l’effort global de réductions des émissions de CO2, etc. ... !! L'énergie éolienne est une énergie renouvelable propre, gratuit, et inépuisable. !! Chaque mégawatheure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique. !! Parmi toutes les sources de production d’électricité, celle d’origine éolienne subit de très loin le plus fort taux de croissance. !! L'énergie éolienne n'est pas non plus une énergie à risque comme l'énergie nucléaire et ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs. !

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!! L'exploitation de l'énergie éolienne n'est pas un procédé continu puisque les éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées, contrairement aux procédés continus de la plupart des centrales thermiques et des centrales nucléaires. Ceux-ci fournissent de l'énergie même lorsque que l'on n'en a pas besoin, entraînant ainsi d'importantes pertes et par conséquent un mauvais rendement énergétique. !! Les parcs éoliens se démontent très facilement et ne laissent pas de trace. !! C'est une source d'énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie. Ainsi les pertes en lignes dues aux longs transports d'énergie sont moindres. Cette source d'énergie peut de plus stimuler l’économie locale, notamment dans les zones rurales. !! La durée de vie des éoliennes modernes est maintenant de 20 à 25 ans, ce qui est comparable à de nombreuses autres technologies de production d'énergie conventionnelles. !! C'est l'énergie la moins chère entre les énergies renouvelables, selon l’article le coût de l’éolienne à diminuer presque 90% depuis le début des années 80. Le coût de l'énergie éolienne continue de diminuer grâce aux percées technologiques, à l'accroissement du niveau de production et à l'utilisation de grandes turbines. !! Cette source d'énergie est également très intéressante pour les pays en voie de développement. Elle répond au besoin urgent d'énergie qu'ont ces pays pour se développer. L'installation d'un parc ou d'une turbine éolienne est relativement simple. Le coût d'investissement nécessaire est faible par rapport à des énergies plus traditionnelles, ce type d'énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà. !! L'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple.

3.10.2. Les inconvénients Mêmes s’ils ne sont pas nombreux, l’éolien a quelques désavantages : !! L’impact visuel : ça reste néanmoins un thème subjectif. Des images de synthèse sont élaborées pour montrer l’impact visuel. Dans la plus grande majorité des cas, les enquêtes réalisées montrent une réelle acceptation des populations voisines ou visitant un site éolien. !! Les bruits mécaniques ou aérodynamiques ont été réduits par l’utilisation de nouveaux profils, extrémités de pale, mécanismes de transmission etc. et ne sont plus une gêne, même proche des machines (50-60 dB équivalent à une conversation). Une distance d’environ huit fois le diamètre permet de ne plus distinguer aucun bruit lié à cette activité (< 40 dB). De plus, il faut souligner que le bruit naturel du vent, pour des vitesses supérieures à 8 m/s, a tendance à masquer le bruit rayonné par l’éolienne. !! Les éoliennes peuvent nuire à la migration des oiseaux en étant un obstacle mortel. En effet, les pales en rotation sont difficilement visibles par mauvais temps ou la nuit. Les oiseaux peuvent alors entrer en collision avec celles-ci. Plus le parc éolien est dense plus ce risque est grand. Des lumières sur les pales peuvent réduire ce danger. Cependant, aucune étude sérieuse ne semble actuellement avoir démontré la réalité du danger pour !

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les oiseaux. !! La source d’énergie éolienne étant stochastique, la puissance électrique produite par les aérogénérateurs n’est pas constante. La qualité de la puissance produite n’est donc pas toujours très bonne. Jusqu’à présent, le pourcentage de ce type d’énergie dans le réseau était faible, mais avec le développement de l’éolien, notamment dans les régions à fort potentiel de vent, ce pourcentage n’est plus négligeable. Ainsi, l’influence de la qualité de la puissance produite par les aérogénérateurs augmente et par suit, les contraintes des gérants du réseau électrique sont de plus en plus strictes. !! Les systèmes éoliens coûtent généralement plus cher à l’achat que les systèmes utilisant des sources d’énergie classiques, comme les groupes électrogènes à essence, mais à long terme, ils constituent une source d’énergie économique et ils demandent peu d’entretien. Il a fallu plusieurs décennies pour réaliser des éoliennes silencieuses, esthétiques et résistantes aux conditions météorologiques très capricieuses.

3.11. Références [1] J. Khalid Naciri, Energie éolienne : Généralités, Cours master : Energies renouvelables et systèmes énergétique, Chapitre 0, Faculté des Sciences Aïn Chock, Université Hassan II, Casablanca, 2014-2015. [2] R. Redjem, Etude d’une chaîne de conversion d’énergie éolienne, Mémoire de magistère, Faculté des Sciences de l’Ingénieur, Université Mentouri de Constantine, 2009. ! !

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Chapitre 4 :

Conversion d’énergie

4.1. Conversion d’une énergie renouvelable en énergie électrique Les énergies renouvelables sont disponibles sous une grande variété de formes. C’est seulement la biomasse qui n’est disponible que sous forme de carburant et joue ainsi un rôle similaire aux corps combustibles classiques. Pour produire de l’électricité, toutes les autres énergies renouvelables exigent un certain nombre d’étapes de conversion qui différent de ce que l’on utilise dans les centrales classiques. -! L’énergie éolienne est disponible sous forme cinétique. La fonction d’une éolienne est d’extraire l’énergie du vent en le ralentissant et de la convertir sous forme mécanique pour entraîner un générateur électrique. Pour améliorer le rendement de la conversion, et pour des raisons opérationnelles, le générateur peut être relié au secteur par l’intermédiaire d’un convertisseur électronique. -! L’énergie hydraulique, que ce soit par la marée (énergie potentielle) ou dans une canalisation d’eau (énergie cinétique) exige une turbine pour qu’il y ait transformation du mouvement en rotation, lequel va encore entraîner un générateur électrique. -! L’énergie cinétique des courants marins provoqué par les effets de marée peut être capturée par l’équivalent aquatique des éoliennes. -! La conversion de l’énergie des vagues requiert des systèmes spécifiques qui transforment la variation basse fréquence en variation de pression d’huile, qui provoque la rotation d’un générateur électrique. Un autre procédé consiste à utiliser l’air comprimé pour obtenir la rotation du générateur. -! L’énergie solaire est utilisable pour tous les rayonnements allant de l’infrarouge à l’ultraviolet. On peut mettre en œuvre la conversion en électricité en utilisant des fours solaires, où l’on obtenir de la vapeur qui va être envoyée vers des turbo-générateurs. Il est possible également d’installer des panneaux photovoltaïques. Dans ce cas, le transfert de la puissance vers le réseau nécessite un onduleur. Cette présentation rapide montre que toutes les énergies renouvelables, à l’exception du photovoltaïque, utilisent en étape finale une conversion mécanique-électrique. Ce chapitre présente le principe de cette conversion selon deux types de générateurs, les « synchrones » et les « asynchrones » (ou à induction), utilisés tous les deux dans les applications des énergies renouvelables.

!

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4.2. Générateur synchrone (alternateur) Dans un générateur électrique, la puissance mécanique est convertie en puissance électrique. Le processus de conversion naturel de la mécanique (la vitesse u) vers l’électrique (la f.é.m E) s’effectue grâce à la présence d’un champ magnétique B. Selon la loi de Faraday : un conducteur de longueur L (en m) se déplaçant à la vitesse u (en m/s) et soumis à un champ magnétique B (en Tesla) (ces trois grandeurs sont de directions orthogonales), ce conducteur est le siège d’une force électromotrice (f.é.m) E (en volt) telle que : E=B L u

(3.1)

Remarques : •! Pour produire une f.é.m suffisamment élevée pour l’usage pratique, il est nécessaire d’obtenir un champ magnétique (donc flux magnétique) de fort niveau, et d’un conducteur aussi long que possible. Pour cela toutes les structures des générateurs sont conçues pour utiliser un mouvement rotatif plutôt que linéaire. •! En pratique, on laisse les conducteurs fixes et on fait tourner la source du champ magnétique, cela entraine des problèmes de connexions et d’isolement simples et pas de forces centrifuges.

Fig. 4.1 : Générateur synchrone

Les centrales électriques comportent de gros alternateurs (Fig. 4.1). Il n’y a pas d’aimants mais des électroaimants qui vont tourner autour d’un axe : on appelle ce dispositif le rotor. Ces électroaimants sont constitués de bobines entourant des « noyaux » de fer parcourues par un courant continu ; ils se comportent comme des aimants. !

57!

La partie fixe comporte un ensemble de bobines appelé « stator » (ces bobines sont immobiles). La vitesse de rotation va créer par l’intermédiaire de ce dispositif une tension alternative de fréquence égale à 50Hz. Cette tension va atteindre entre 3kV et 20kV selon les alternateurs industriels. Les rotors sont entrainés par des turbines, mises en mouvement par l’eau (dans les centrales hydrauliques), par de la vapeur d’eau (dans les centrales thermiques ou nucléaires).

4.3. Transformateur Terminale Génie Électrotechnique

Chapitre 3

Un transformateur est un appareil statique permettant de modifier la présentation de l'énergie électrique. sur la loi de Lenz , il ne fonctionne qu'en alternatif. Avec un excellent LE Basé TRANSFORMATEUR MONOPHASE rendement (99% pour un transformateur industriel), il permet de monter (ou abaisser) la tension tout en abaissant (ou montant) l'intensité.

I.

INTRODUCTION Son utilisation est fondamentale pour le transport de l'énergie électrique à longue distance : les lignes haute tension (donc faible intensité I) sont le siège de pertes Joule RI2 réduites. Le 1. Fonction sert aussi beaucoup pour abaisser la tension 220V du réseau jusqu'à obtenir la transformateur valeur recherchée pour construire une alimentation à courant continue nécessaire pour tout Un transformateur est une machine statique permettant, en alternatif, le changement de appareil transistorisé (ampli, ordinateur, radio, télé, magnétoscope, etc...) consommant trop de grandeurs (tension et intensité) sans changer leur fréquence. On peut rencontrer plusieurs types puissance pour être: monophasés, alimenté partriphasés. piles. On peut aussi l'utiliser en adaptateur d'impédances et, de transformateurs mis en série avec un ampèremètre, comme transformateur de courant nécessaire pour la mesure Il joue un rôle important en électrotechnique car c’est l’appareil de base pour le transport de l’énergie électrique. utilisable avec des courants ou des tensions variables mais d'intensités élevées (Il> est 5 Aégalement ). non alternatifs (ex : transfo d’impulsions). transformateurs monophasés sont utilisés essentiellement pour l’obtention de très basse DeuxLes enroulement sont bobinés sur un noyau de fer canalisant le flux magnétique Φ : tension (6V-12V-24V) , pour isoler galvaniquement deux circuits et pour produire de forts courants sous de faibles tensions.

-! Primaire – enroulement de N1 spires -! Secondaire – enroulement de N2 spires 2. Constitution -! Noyau de fer traversé par le flux Φ d’induction magnétique : tôles feuilletées au silicium (pour abaisser les monophasé pertes de fer courants Foucault et hystérésis) La constitution du transformateur estpar assez simple de : c’est un quadripôle constitué de deux enroulements entourant un circuit magnétique.

Primaire (convention récepteur)

Secondaire (convention générateur)

a. Inducteur Fig. 4.2 : Transformateur (monophasé) Il est constitué de deux parties : - l’enroulement primaire. - Le circuit magnétique.

!

58! Il est alimenté par une tension alternative, généralement le réseau EDF, il se comporte comme un récepteur. - avec un seul noyau qui porte la totalité de l’enroulement primaire. (fig. 2) L’enroulement primaire est traversé par un champ magnétique variable, il est donc le siège de pertes magnétiques (pertes par courants de Foucault et par hystérésis).

La Figure 4.2 montre un transformateur. Le primaire est relié à la tension V1. Il est bobiné autour d’un noyau ferromagnétique. Ce circuit magnétique a une réluctance faible par rapport à l’air. Un courant primaire dit courant magnétisant (de faible valeur) est nécessaire pour obtenir la force magnéto motrice créatrice du flux qui va induire la tension V2 au secondaire.

4.4. Génératrice asynchrone (génératrice à induction)

Fig. 4.3 : Principes fondamentaux de la génératrice asynchrone

La plupart des éoliennes du monde utilisent une génératrice asynchrone triphasée à cage (d'écureuil), appelée aussi une génératrice à induction, pour produire du courant alternatif (Fig. 4.3). Ce type de génératrice n'est en fait que très rarement utilisé, sauf dans l'industrie éolienne et dans les petites centrales hydrauliques. Le fait curieux de ce type de génératrice est qu'elle soit originalement conçue comme un moteur électrique. En fait, un tiers de la consommation mondiale d'électricité est utilisé pour faire fonctionner des moteurs à induction qui actionnent des machines, pompes, ventilateurs, compresseurs, ascenseurs et d'autres types d'équipement requérant la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique. Un avantage de cette génératrice est qu'elle est très fiable et relativement peu onéreuse par rapport à d'autres types de génératrices. Elle a également quelques caractéristiques mécaniques qui la rend très appropriée pour la conversion de l'énergie éolienne (glissement de la génératrice ainsi qu'une certaine capacité de surcharge).

!

59!

Fig. 4.4 : Le rotor à cage d’écureuil

C'est en fait le rotor qui distingue la génératrice asynchrone de la génératrice synchrone. Le rotor comporte un certain nombre de barreaux en cuivre et en aluminium reliés électriquement entre eux par deux cercles en aluminium situés aux deux extrémités. Sur l'image tout en haut de la page, vous voyez le rotor muni d'un noyau de fer qui comporte plusieurs fines lames d'acier isolées avec des trous pour les barreaux conducteurs en aluminium. Le rotor est placé au centre du stator qui, également dans ce cas, est un stator à quatre pôles raccordé directement aux trois phases du réseau électrique.

Fonctionnement du moteur Lorsque le courant est connecté, la machine commence à tourner comme un moteur, à une vitesse légèrement au-dessous de la vitesse synchrone du champ magnétique tournant produit par le stator. Comment se fait-il ? Si nous regardons les barreaux du rotor montré ci-dessus, nous avons un champ magnétique tournant qui se meut par rapport au rotor. Ce champ magnétique induit un courant fort dans les barreaux du rotor qui, eux, étant court-circuités par les deux cercles situés à leurs extrémités, n'offrent que très peu de résistance au courant. Le rotor crée ainsi ses propres pôles magnétiques qui tour à tour sont entraînés par la force électromagnétique issue du champ magnétique tournant du stator. Fonctionnement de la génératrice Quand le rotor tourne à la même vitesse (1500 tours/mn) que le champ magnétique !

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aucun phénomène d'induction ne se produira dans le rotor, et il n'y aura donc aucune interaction entre le rotor et le stator. Par contre, si nous dépassons la vitesse de 1500 tours par minute, le rotor tournera à une vitesse supérieure à celle du champ magnétique tournant, ce qui signifie que le stator commence à induire un courant fort dans le rotor. Plus nous faisons tourner vite le rotor, plus grande sera la puissance transférée comme une force électromagnétique au stator et ensuite convertie en électricité. Glissement de la génératrice La vitesse d'une génératrice asynchrone varie en fonction du couple de rotation qui lui est appliqué. Dans la pratique, la différence entre la vitesse de rotation à la puissance maximale et celle à vide est très petite, d'environ 1 %. Cette différence exprimée en pourcentage de la vitesse synchrone est également appelée le glissement de la génératrice. Ainsi, une génératrice tétrapolaire fera 1500 tours par minute à vide si elle est raccordée à un réseau électrique à 50 Hz. Si la génératrice fonctionne à sa puissance maximale, elle tournera à 1515 tours par minute. Le fait que la génératrice augmente ou diminue légèrement sa vitesse en fonction des variations du couple, est une caractéristique mécanique très utile, avant tout parce que cela réduit l'usure du multiplicateur (à cause d'une réduction du couple maximal). C'est un des atouts les plus importants liés au choix d'une génératrice asynchrone au lieu d'une génératrice synchrone pour une éolienne raccordée directement au réseau électrique. Ajustement automatique des pôles du rotor Avez-vous observé que nous n'avons pas indiqué le nombre de pôles du stator lorsque nous avons décrit le rotor ? Ce qui donne au rotor à cage sa finesse, c'est qu'il s'adapte automatiquement au nombre de pôles du stator. Le même rotor peut donc être utilisé avec une grande variété de nombre de pôles. Nécessité d'un raccordement au réseau La génératrice synchrone à aimants permanents peut fonctionner sans être raccordée au réseau électrique. Il n'en est pas de même pour la génératrice asynchrone, son stator ayant besoin d'être alimenté en courant afin de créer le champ magnétique nécessaire pour le fonctionnement de la génératrice. Il est cependant possible de faire fonctionner une génératrice asynchrone dans un système autonome, si elle a été munie de condensateurs fournissant le courant nécessaire pour la magnétisation. Cette solution exige également une certaine rémanence dans le fer du rotor, c.-à-d. un certain magnétisme restant, utilisé pour le démarrage de l'éolienne. Sinon il vous faudra une batterie et de l'électronique de puissance - ou bien une petite génératrice diesel pour la mise en marche du système. !

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4.5. Electronique de puissance L’électronique de puissance est mise en jeu lorsque l’on désire contrôler par des dispositifs électroniques la puissance fournie par les générateurs. Ce contrôle implique la régulation du transfert de la puissance du générateur provenant des énergies renouvelables vers le réseau soit pour optimiser le transfert en permanence, selon les évolutions des ressources (le générateur est généralement intermittent) ou bien pour limiter ce transfert, pour diverses raisons. Le « conditionnement » de la puissance implique une transformation d’une forme d’onde de tension, de courant, à une certaine fréquence en une autre forme d’onde de tension, de courant, ayant une fréquence différente. Une interface qui contrôle les conditions du transfert de puissance est appelée convertisseur. Des convertisseurs de puissance sont placés entre le générateur intermittent et le réseau, et transmettent souvent toute la puissance. Ils sont conçus pour que la plus faible quantité de puissance possible soit perdue par watt transmis. On peut considérer les transformateurs comme des adaptateurs de puissance. Les composants (transistors, etc.) utilisés dans les convertisseurs électroniques sont fabriqués à partir d’un semi-conducteur, le silicium, comme le microprocesseur d’un ordinateur, mais physiquement, ils sont beaucoup plus gros, et pratiquement on n’utilise qu’une fonction par puce de silicium. Un convertisseur contient entre un et cent composants de puissance.

4.6. Les fours solaires d’Odeillo et de Mont-Louis 4.6.1. Le four solaire de Mont-Louis

Fig. 4.5 : Four solaire de Mont-Louis a- Origine : Le four solaire de Mont-Louis est le premier four solaire au monde. Construit en 1949 grâce au professeur Félix Trombe, cette construction va révolutionner le monde scientifique. Mont-Louis a été choisi pour ses environs montagneux car le soleil y est plus fort qu’en plaine. En effet, ce lieu propose un ensoleillement (environ 3000 heures de soleil par an) parfait pour le fonctionnement du four solaire. Ainsi les scientifiques peuvent montrer lors des visites : concentration solaire au foyer (entre 2000°C et 3500°C), inflammations du bois, fusion du !

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métal (cuivre entre autre), cuisson des céramiques... b- Utilisation : Le four solaire de Mont-Louis est en quelque sorte le prototype du four d’Odeillo. Au début (après sa construction) le four solaire est mis en service en 1952. Le passage à l’échelle de 1000 kW a pour but l’extension semi industrielle des applications dans le domaine de la fabrication des céramiques. Après plusieurs années d’essai, le four sera abandonné pour de plus grande structure. Aujourd’hui ce site a été cédé à la commune de Mont-Louis qui l’a déplacé sur les remparts pour mieux organiser les visites guidées. Depuis 1993 (dans le cadre du programme régional Hélio Parc) le Centre National de la Recherche Scientifique aidé par la SARL (Four solaire développement) exploite le four de Mont-Louis. Cette entreprise est la première à utiliser un four solaire pour des productions industrielles et artisanales. Les premières applications industrielles ont été la cuisson de céramique d’art et la fusion du bronze et de l’aluminium pour la fabrication d’objet usuels ou plus originaux comme le sifflet du train jaune.

4.6.2. Le four solaire d’Odeillo

Fig. 4.6 : Four solaire d’Odeillo a-! Origine : Le physicien français Félix Trombe et son équipe ont réalisé à Meudon en 1946 une première expérience à l'aide d'un miroir pour montrer la possibilité d'atteindre de hautes températures facilement et dans un environnement n’étant pas pollué, grâce à la lumière du soleil fortement concentrée. Il avait pour idée de faire fondre de nombreux métaux et dans faire des céramiques. Pour réussir cette réalisation et en est crée de nouvelle chose, un premier four solaire fut construit à Mont-Louis en 1949. Quelques années après, sur le modèle du four de Mont-Louis et avec de très bon résultat, un four solaire de taille quasi industrielle fut construit à Odeillo. Les travaux de la construction du Grand Four Solaire d’Odeillo durèrent de 1962 à 1968 pour une mise en service en 1970. Ils concentrèrent ensuite leurs recherches sur l’électricité. Ces travaux participèrent à l’étude d’une centrale solaire thermique qui sera réalisée par EDF au début des années 80. C’est la centrale THEMIS dont l'expérimentation dura de 1982 à 1986. La fermeture de THEMIS signifiait la mise en sommeil des recherches sur la conversion de l’énergie solaire en électricité. Le laboratoire du Grand Four Solaire d’Odeillo recentre son activité sur l’étude des matériaux et la mise au point de procédés industriels. Avec le retour des préoccupations énergétiques et environnementales, le laboratoire s'implique à !

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nouveau dans la recherche de solutions concernant l’énergie et l’environnement sans renier ses compétences uniques dans le domaine des matériaux et des procédés. Il travaille désormais, en plus des recherches sur les matériaux, sur différents systèmes de production d’électricité, plusieurs méthodes d’extraction de l’hydrogène par voie solaire, sur divers procédés de retraitements de déchets (y compris radioactifs). b-! Utilisation : Ce four solaire est à présent un laboratoire dont les but (avec l’aide de plusieurs organisations) sont : la température, les systèmes caloporteurs, la conversion de l'énergie, le comportement des matériaux à haute température dans des environnements extrêmes...Les domaines de recherches sont aussi étendus aux industries aéronautiques, aérospatiales...On peut y faire des expériences dans des conditions de grande pureté chimique. Le choc pétrolier de1973 va modifier ces orientations initiales vers la production d’énergie électrique. c-! Principe de fonctionnement :

Fig. 4.7 : Four solaire de 1 MW Contrairement au four de Mont-Louis, comme il est beaucoup plus grand (une vingtaine de mètres de haut), il est fixe et tourne le dos au soleil. Face à lui, de nombreux miroirs plans s'orientent automatiquement grâce à des diodes et suivent la course du soleil. La lumière est alors réfléchie vers le grand miroir parabolique, qui à son tour réfléchit ces rayons (qui lui arrivent parallèlement) vers le foyer, situé à une hauteur de quelques dizaines de mètres audessus du sol. C'est dans ce foyer qu'ont lieu les recherches entreprises par le CNRS. Contrairement à ce qu'on pourrait penser, le four solaire ne produit pas d'électricité, mais sert uniquement à la recherche sur la fission et la résistance des matériaux. En particulier, c'est là qu'a été testé le revêtement de la navette spatiale, qui affronte des températures de cet ordre lorsqu'elle rentre dans l'atmosphère.

4.6.3. Que peuvent apporter les fours ? •! On appelle four solaire ou cuiseur solaire un système de chauffage ou de cuisson basé sur la capture des rayonnements lumineux émis par le Soleil, leur transformation en chaleur puis l'utilisation de cette chaleur pour le chauffage ou la cuisson des !

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aliments. Il existe de nombreuses associations en France, et probablement dans le monde, qui diffuse les techniques de cuisson solaire, en particulier pour les pays défavorisés, mais aussi dans les pays plus riches. En effet, il n'y a pas de raison que les techniques de cuisson solaire soient limitées aux plus pauvres. C'est un mode de cuisson écologique, très économique, sans énergie ni électrique ni fossile, simple et très social. La propagation de ce principe permettrait dans des régions du monde défavorisé, de cesser la déforestation due à la cuisson des aliments. •! Le plus puissant four solaire Il s'agit du grand four solaire d’Odeillo dans les Pyrénées-Orientales. Il permet de concentrer l'énergie et d'atteindre des températures supérieures à 3000°C. C'est une installation du CNRS qui abrite le laboratoire PROMES, dont les principaux axes de recherches sont les matériaux et conditions extrêmes ainsi que la conversion, le stockage et le transport de l'énergie. Il est possible pour le public de visiter une exposition dans l'établissement, on y apprend quelques principes simples sur les énergies renouvelables et l'environnement, le principe de fonctionnement d'un four solaire, et aussi y visionner un film rendant compte des recherches actuellement conduites au sein du laboratoire PROMES.

Fig. 4.8 : Cuiseur solaire parabolique Les fours solaires de Mont-Louis et d’Odeillo sont les principaux auteurs de chaleur dans le département. Aussi ils permettent au village qui les accueille de faire perdurer les céramiques. Ainsi, les deux fours, qui sont le plus grand (Odeillo) et le premier (Mont-Louis), permettent de faire de grandes avancées scientifiques qui offriront au génération future un autre confort que le notre !

Fig. 4.9 : Concentration de l'énergie solaire

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4.7. Références [1] L. Freris et D. Infield, les énergies renouvelables pour la production d’électricité, Traduit de l’anglais par M. Pinard, Dunod, Paris, 2009. [2] http://www.windpower.org/fr/tour/wtrb/async.htm! [3] Transformateur monophasé - Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble, pp. 1-9. [4] R. Catala et T. Favier, Les fours solaires d’Odeillo et de Mont- Louis (www.aragoperpignan.fr)

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Chapitre 5 :

Système de stockage d’énergie _____________________________________________

5.1. Introduction L'un des obstacles au développement des énergies renouvelables est leur intermittence. Le stockage des énergies renouvelables pourrait donc constituer une solution au problème. Les qualités des énergies renouvelables sont souvent occultées par l'un de leurs défauts : elles produisent de façon intermittente et plus ou moins prévisible. Autrement dit, on ne peut pas compter sur elles de façon systématique ! Difficile dans ces conditions d'intégrer leur production dans un schéma général et global d'alimentation en électricité. Beaucoup d'organismes de recherche et tous les grands énergéticiens se sont donc penchés sur la question du stockage de ces énergies. Comment emmagasiner la production d'un parc d'éoliennes pour l'utiliser plus tard au moment où elle sera utile localement ? Comment stocker l'énergie produite par une centrale photovoltaïque pendant la journée afin de l'utiliser la nuit ? Et aussi comment utiliser au mieux ces énergies vertes pour éviter de mettre en route des centrales d'appoint, généralement au gaz ou au charbon ? En résumé, comment apporter de la souplesse à la production d'énergies renouvelables pour ne pas en perdre et ne pas en gâcher ? Le stockage des énergies renouvelables est donc le problème difficile et le plus important à résoudre.

5.2. Comment on définit le stockage d’énergie ? Le stockage de l’énergie est l’action qui consiste à placer une quantité d’énergie en un lieu donné pour permettre son utilisation ultérieure. Par extension, le terme « stockage d’énergie » est souvent employé pour désigner le stockage de matière qui contient cette énergie. La maîtrise du stockage de l’énergie est particulièrement importante pour valoriser les énergies alternatives, telles que l’éolien ou le solaire, sûres et renouvelables, mais par nature intermittentes. On s‘intéressera ici principalement à l‘opération consistant à créer un stock à partir d‘énergie disponible, et non directement à la gestion des stocks (notamment des stocks d‘énergie fossile), ni au déstockage. Le stockage d’énergie permet l’adaptation dans le temps entre l’offre et la demande en énergie. Il concerne aussi bien les demandes en électricité, en chaleur ou en froid. !

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5.3. L’efficacité énergétique du stockage d’énergies Le stockage d’énergie est associé à l’opération inverse : l’opération consistant à récupérer l’énergie stockée (le déstockage d’énergie). Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle de stockage. À la fin d’un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement “vide”) ; on a alors régénéré le stockage. L’efficacité énergétique d’un cycle correspond au rapport entre la quantité d’énergie récupérée sur la quantité d’énergie que l’on a cherché initialement à stocker. Ce rapport est généralement inférieur à 1, sauf pour les moyens naturels de stockage d’énergie ambiante où il peut être considéré comme infini (division par zéro), puisque personne ne fournit l’énergie à stocker, qui est de fait gratuite. L’efficacité énergétique d’un cycle de stockage d’énergie dépend énormément de la nature du stockage et des systèmes physiques mis en œuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage. Dans tous les cas, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d’énergie ou de matière : une partie de l’énergie initiale n’est pas réellement stockée et une partie de l’énergie stockée n’est pas réellement récupérée. Mais pour de l’énergie ambiante naturelle, ces pertes influent surtout sur l’amortissement économique des investissements éventuellement nécessaires.

5.4. Technologies actuelles de stockage et leur état de maturité Les technologies de stockage massif de l’énergie se déclinent selon quatre catégories aussi que d’autres nouveaux types de stockage :

1. Energie mécanique (potentielle ou cinétique). Le stockage sous forme d’énergie mécanique est selon deux types potentielle ou cinétique : stockage gravitaire par pompage (STEP), stockage par air comprimé (CAES), volants d’inertie.

2. Energie électrochimique. Le stockage sous forme d’énergie par énergies électrochimique et électrostatique : stockage par les batteries, les condensateurs et les superconducteurs.

3. Energie thermique et thermochimique. Le stockage sous forme d’énergie par énergies thermique et thermochimique : stockage par la chaleur sensible ou la chaleur latente et l’énergie par sorption.

4. Energie chimique. Le stockage sous forme d’énergie chimique : stockage par l’hydrogène, méthanation, etc. !

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5.4.1. Stockage sous forme d’énergie potentielle : Technologie du STEP

Licence PRO ESE

Schéma de fonctionnement du STEP

Letransfert Stockage sous par forme STEP ou Station de d’énergie pompage Ce système de stockage repose sur le d’énergie potentielle: principe de l’énergie gravitaire. représente près de 99 % des capacités de stockage massif Technologie duIlSTEP d’énergie installées dans le monde, avec près de 400 STEP pour une capacité totale d’environ 125 GW. laire, éolien…) ou peu ajustables ((nucléaire) ; pendant les pics de

consommation, cette eau redescend sous pression et produit à nouveau de l’électricité. Il existe une cinquan-

TEP ou Station de transfert

la courbe de charge quotidienne

taine de centrales de pompage-turbinage de plus de 1 000 MW, la plus puissante, la centrale de Bath County

d’énergie par pompage

Ce système de stockage repose sur le principe de l’énergie gra-

(c’est-à-dire le besoin en électricité) : de l’eau est pompée et remontée vers les barrages d’altitude quand

aux États-Unis, atteignant 3 003 MW, et la plus puissante d’Europe, celle de Grand’Maison, 1 800 MW ; s’y

vitaire. Il représente près de 99 % des capacités de stockage massif d’énergie installées dans le monde, avec

la demande sur le réseau est faible (pendant les heures creuses, la nuit et le week-end par exemple), en

ajoutent 14 centrales de plus de 1 000 MW en cours de construction ; 20 centrales européennes de puissance

près de 400 STEP pour une capacité totale d’environ 125 GW. Le STEP donc est utilisé pour “lisser”

utilisant la production excédentaire de sources d’énergie non ajustables (Hydroélectricité au fil de l’eau, so-

plus modeste sont également mentionnées, dont 12 dépassent 500 MW Ce dispositif électromécanique ré-

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Le STEP donc est utilisé pour “lisser” la courbe de charge quotidienne (c’est-à-dire le besoin en électricité) : de l’eau est pompée et remontée vers les barrages d’altitude quand la demande sur le réseau est faible (pendant les heures creuses, la nuit et le week-end par exemple), en utilisant la production excédentaire de sources d’énergie non ajustables (Hydroélectricité au fil de l’eau, solaire, éolien...) ou peu ajustables ((nucléaire) ; pendant les pics de consommation, cette eau redescend sous pression et produit à nouveau de l’électricité. Il existe une cinquantaine de centrales de pompage-turbinage de plus de 1 000 MW, la plus puissante, la centrale de Bath County aux États-Unis, atteignant 3 003 MW, et la plus puissante d’Europe, celle de Grand’Maison, 1 800 MW ; s’y ajoutent 14 centrales de plus de 1 000 MW en cours de construction ; 20 centrales européennes de puissance plus modeste sont également mentionnées, dont 12 dépassent 500 MW. 9

Ce dispositif électromécanique réversible, qui produit de l’électricité en turbinage et en consomme pour remonter de l’eau par pompage, a une assez bonne efficacité énergétique (de l’ordre de 80 % aux bornes de l’usine, en tenant compte des pertes de charge dans la conduite, des pertes des moteurs/alternateurs, des pompes/turbines et des transformateurs). Cependant, relativement peu de lieux conviennent : dotés des barrages de stockage de taille suffisante et avec un grand dénivelé entre les barrages/réserves d’eau inférieur et supérieur. On utilise aussi une variante de ce dispositif dans la centrale marémotrice de la Rance (en France) : à marée haute, on ne se contente pas de stocker passivement l’eau, on pompe aussi pour augmenter la réserve, cette eau sera relâchée avantageusement à marée basse (on monte l’eau de quelques mètres, par contre on utilise son potentiel de chute sur une dizaine de mètres de plus). Une autre variante consiste à installer une centrale en bord de mer (STEP marine), au pied d’une falaise sur laquelle est aménagé un réservoir dans lequel l’eau de mer est pompée !

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pendant les périodes de vent fort ou de faible demande, eau qui sera turbinée pendant les périodes de faible vent ou de demande élevée. Une telle centrale existe dans l’île japonaise d’Okinawa, et de nombreux projets sont en cours d’évaluation, par exemple en France pour les DOM et sur les côtes de la Manche et en Bretagne. Un projet détaillé a été réalisé par l’INPENSEEIHT, école publique d’ingénieurs faisant partie de l’Institut National Polytechnique de Toulouse ; il conclut à la faisabilité technique du projet, à son impact environnemental réduit mais à son absence de rentabilité dans les conditions actuelles, conclusion qui pourrait cependant changer avec le coût croissant des contraintes causées par l’intégration dans le réseau de la production des éoliennes.

Comment ça marche ? Ce système, lié à l’énergie hydraulique, fonctionne sur le principe de deux retenues d’eau à des hauteurs différentes et est souvent couplé avec un barrage. Lorsque l’électricité est produite en excès, l’eau du bassin inférieur est pompée via une conduite forcée vers le bassin supérieur, qui devient un réceptacle d’énergie potentielle. Lorsque le besoin se fait ressentir, une partie du réservoir supérieur, est vidée et par gravité, l’eau passe dans une turbine qui produit l’électricité. C’est un système réversible qui associe pompe et turbine.

5.4.2. Stockage sous forme d’énergie potentielle : Technologie du CAES (Compressed Air Energy Storage) Il existe deux types le premier : Stockage par air comprimé classique ou CAES, qui déjà réalisé et le deuxième : Stockage par air comprimé adiabatique avancé AA-CAES jamais expérimenter. CAES classique : Le système fonctionne pratiquement comme une centrale à gaz sauf que les phases de compression et de détente sont séparées et décalées dans le temps. Ce système met en œuvre une turbine à gaz ; la chaleur produite n’est pas stockée mais seulement récupérée et le stockage de l’air comprimé se fait dans des cavernes souterraines. Deux installations liées à des cavités salines existent à ce jour : la première à Huntorf en Allemagne, qui fonctionne depuis 1978 (fig. ci-dessus), et la seconde à McIntosh en Alabama, depuis 1991.

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Licence PRO ESE

Schéma de fonctionnement du CAES existent à ce jour : la première à Huntorf en Allemagne, qui fonctionne

Ledes Stockage sous forme (fig. ci-dessous), et la compte besoins énergétiques nécessairesdepuis au1978 seconde à fonctionnement McIntosh en Alabama, ded’énergie potentielle: puis 1991.

En tenant rendement d’uneTecknologie installation CAES classique est de l’ordre de 50 %. du CAES (Compressed

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En tenant compte des besoins éner-

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d’une installation CAES classique est de l’ordre de 50 %.

Outre des cavités salines, d’autres sites géologiques de stockage sont envisageables et étudiés : anciennes mines, roches poreuses et aquifères. Plusieurs projets ont été lancés aux USA notamment en liaison avec des fermes éoliennes, comme par exemple un projet au Nebraska qui envisage un stockage à 3 000 pieds dans un grès poreux, ainsi que deux projets au 11 Kansas. Des études sont également en cours aux USA pour s’affranchir de la contrainte géologique en considérant un stockage de plus faible volume dans des réservoirs en acier, ou dans des pipelines en surface ou légèrement enterrés. Il existe deux types le premier : Stoc-

sauf que les phases de compression

kage par air comprimé classique ou CAES. qui déjà réalisé et le deuxième : Stockage par air comprimé adiabatique avancé AA-CAES jamais expé-

et de détente sont séparées et décalées dans le temps. Ce système met en œuvre une turbine à gaz; la chaleur produite n’est pas stockée mais

Outre des cavités salines, d’autres

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Plusieurs projets ont été lancés aux USA notamment en liaison avec

fonctionne pratiquement comme une centrale à gaz

cavernes souterraines. Deux installations liées à des cavités salines

des fermes éoliennes, comme par exemple un projet au Nebraska qui

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sites géologiques de stockage sont envisageables et étudiés : anciennes mines, roches poreuses et aquifères.

CAES adiabatique avancé ce système a été étudié à la Technical University of Clausthalen Allemagne mais jamais expérimenté. Il visait à améliorer le système CAES classique en évitant la perte de chaleur à la sortie des compresseurs en stockant l’air chaud directement dans le réservoir. Mais il n’existe pas de tel réservoir capable de supporter à la fois une forte pression et une forte température (de l’ordre de 600 °C), et sans perte de chaleur pendant le stockage. Le principe du AA-CAES reprend cette idée, mais propose que les deux énergies : thermique et de compression, soient stockées dans deux réservoirs spécifiques. La chaleur nécessaire pour réchauffer l’air comprimé pour sa détente est apportée par cette réserve et le système s’affranchit ainsi des apports en gaz comme dans le CAES classique. (Un processus est dit adiabatique lorsque les deux systèmes qui le composent n’échangent pas de chaleur entre eux). La pression dans le réservoir d’air comprimé froid est de l’ordre de 200 bars et la température dans le réservoir de stockage de chaleur est voisine de 600 °C. Comme pour le CAES classique, d’autres environnements de stockage que les cavités salines peuvent être envisagés. Ce procédé peut être adapté à tous les types de besoins et de sources énergétiques et peut être complémentaire à tout système énergétique qui produit des surplus en périodes creuses. Un projet est en cours en Allemagne (projet ADELE) qui devrait permettre de fournir 80 MW sur 5 h en continu à partir d’énergie éolienne. Enfin, on peut noter l’émergence au stade de la recherche du concept de stockage d’énergie !

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hydropneumatique (HPES), qui reprend le principe de l’accumulateur hydraulique à piston.

Comment ça marche ? Le principe du CAES repose sur l’élasticité de l’air est d’abord comprimé via un système de compresseurs, à très haute pression (100 à 300 bar) pour être stocké dans un réservoir (cavités souterraines par exemple). Pour récupérer cette énergie potentielle, l’air est détendu dans une turbine qui entraîne un alternateur. Comme l’air se réchauffe pendant sa compression, la chaleur à la sortie du compresseur peut être récupérée via des échangeurs et stockée afin d’être utilisée pour réchauffer la turbine.

5.4.3. Stockage sous forme d’énergie cinétique : PRO ESE Technologie du VolentLicence d’inertie

Schéma de fonctionnement du Volent d’inertie

tème, au cours de laquelle l’énergie L’énergie Le est stockée sous forme d’énergie la rotation d’un disque lourd. Pour Stockage sous formecinétique par cinétique de rotation serait convertie en énergie cinétique de translation accumulerd’énergie l’énergie, un moteur accélère le disque. Pour utiliser l’énergie, on freine le disque cinétique: (autrement dit, le disque se transformerait en projectile). qui en ralentissant libère l’énergie. En pratique, dans le casEnde stockage d’énergie électrique, le Tecknologie du Volent d’inertie pratique, ce type de stockage est d’un usage très courant mais il de se moteur ou de générateur peut être le moteur (le même engin électrique peut faire office

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Pour accumuler l’énergie, un moteur accélère le disque. Pour utiliser l’énergie, on freine le disque qui en ralentissant libère l’énergie. En pratique, dans le cas de stockage d’énergie électrique, le générateur peut être le moteur (le même engin élec-

Le frottement doit être minimal pour éviter les déperditions. C’est possible en plaçant le volant dans le vide et sur des paliers à lévitation magnétique, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra résistants pour

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limite principalement aux volants d’inertie au sein des moteurs et des appareils de production d’énergie ; ils y opèrent un lissage à très court terme pour régulariser la fourniture d’énergie. C’est notamment le cas de tous les moteurs thermiques, surtout des moteurs turbo Diesel dont les à-coups sont importants.

frein/générateur). Le frottement doit être minimal pour éviter les déperditions. C’est possible en plaçant le volant dans le vide et sur des paliers à lévitation magnétique, systèmes rendant la méthode chère. De plus grandes vitesses de volant permettent une plus grande capacité de stockage mais exigent des matériaux ultra résistants pour résister à l’éclatement et éviter les effets explosifs d’une panne du système, au cours de laquelle l’énergie cinétique de rotation serait convertie en énergie cinétique de translation (autrement dit, le disque se transformerait en projectile). En pratique, ce type de stockage est d’un usage très courant mais il se limite principalement aux volants d’inertie au sein des moteurs et des appareils de production d’énergie ; ils y opèrent un lissage à très court terme pour régulariser la fourniture d’énergie. C’est notamment le cas de tous les moteurs thermiques, surtout des moteurs turbo Diesel dont les à-coups sont importants. Il y a déjà plusieurs décennies, des autobus urbains (Trolleybus) ont fonctionné avec un volant d’inertie disposé à plat sous le plancher, tels les Gyrobus qui ont circulé dans les années soixante dans plusieurs villes belges. Ce système permettait de faire plusieurs kilomètres sans pollution et en silence avant une “recharge”, qui s’effectuait en quelques minutes lors des arrêts, dans des stations équipées à cet effet. À l’époque, la relance de l’unique gros disque se faisait par un système pneumatique ou par un moteur électrique disposé dans la chaussée. La complexité technique de cette solution (la taille, le poids de l’équipement, des problèmes d’usure du volant, la complexité d’utilisation et l’effet gyroscopique qui déséquilibrait les véhicules) associé à un faible intérêt économique ont stoppé son utilisation au début des années 1960. L’évolution technique remet ce système au goût du jour. L’utilisation de deux disques contrarotatifs plus légers, tournant à très grande vitesse grâce à de nouveaux matériaux plus résistants, et lancés par un moteur électrique intégré, permet une nette amélioration du rapport poids à vide / charge utile. Ceci permet également une utilisation dans les villes en pente, où le poids est encore plus pénalisant. Plusieurs constructeurs travaillent ainsi sur l’application du volant d’inertie aux transports en commun, notamment Alstom pour ses tramways qui expérimente cette technique sur le réseau de Rotterdam depuis 2005. Des applications dans le domaine ferroviaire ont également été tentées. Des volants d’inertie sont aussi utilisés depuis 2009 sur des voitures de Formule 1 (système SREC) et sur certaines voitures de sport pour récupérer l’énergie cinétique lors des freinages. L’efficacité énergétique de ce système, appelé parfois “batterie mécanique”, est supérieure à celle permise par l’utilisation d’accumulateurs chimiques. Cette technologie est aussi utilisée dans des alimentations sans interruptions statiques (ASI) et dynamiques (ADI) (Uninterruptible Power Supply en anglais) permettant de pallier la rupture de l’alimentation électrique pendant plusieurs secondes et de permettre d’attendre le démarrage d’un groupe de secours.

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Comment ça marche ? L’électricité fait tourner à très grande vitesse une masse autour d’un axe cylindrique dans un caisson isolé. L’énergie cinétique entraînée par la rotation du cylindre peut ainsi être conservée. Cette énergie est ensuite récupérée sous forme d’électricité grâce à un alternateur (principe de la dynamo).

5.4.4. Stockage par énergies électrochimique : 5.4.4.1. Technologie des batteries

Licence PRO ESE

UPS Technologie Lithium-ion accumulateurs (LIA) pour l’usage industrielle .

Le Stockage par énergies stockage massif à ce jour. Ce mode de stockage, dont le principe repose sur la conversion de l’énergie chimique en énergie électrochimique: En effet, la notion de durée de vie liée au nombre de cycles de charge/ électrique, concerne principalement les batteries, piles et accumulateurs. Les batteries utilisées Tecknologie des batteries décharge entre en ligne de compte pour l’utilisation des batteries en stacomme réserve massive d’énergie peuvent une puissance pendant quelques heures ou situe plutôt àdélivrer l’échelle d’un bâtiment tionnaire : les batteries à flux peuvent ou d’une petite collectivité où elles revendiquer plus de 10 000 cycles, permettent d’optimiserde la cycles gestion contre quelques centaines pour les Leur utilisation sur plusieurs jours et résister à un certain nombre de charge/décharge. de sources d’énergie renouvelables, batteries au plomb, voire quelques solaire ou éolienne autre), nomillierscollectivité pour les nouvelles batteries se situe plutôt à l’échelle d’un bâtiment ou (ou d’une petite où elles permettent tamment pour le lissage de la charge sodium (NaS et Zebra). Les systèmes batteries utilisées réserve journalière en stationnaire. Quelques de stockage électrochimique sont d’optimiser la Lesgestion decomme sources d’énergie renouvelables, solaire ou éolienne (ou autre), massive d’énergie peuvent délivrer batteries au plomb peuvent régénéralement composés d’un enune puissance pendant quelques pondre à ce besoin, de même que semble de batteries qui cumule la notamment pour le lissage de la charge journalière en stationnaire. Quelques batteries au plomb heures ou sur plusieurs jours et résisdes batteries au sodium ou lithiumpuissance de chaque unité. Leur atter à un certain nombre de cycles de ion, mais ce sont surtout les batteries tractivité repose sur leur flexibilité et peuvent répondre à ce besoin, de même que des batteriesleurauréactivité. sodium ou lithium-ion, mais ce charge/décharge. Leur utilisation se à flux qui font l’objet d’études pour le sont surtout les batteries à flux qui font l’objet d’études pour le stockage massif à ce jour. En

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effet, la notion de durée de vie liée au nombre de cycles de charge/ décharge entre en ligne de compte pour l’utilisation des batteries en stationnaire : les batteries à flux peuvent revendiquer plus de 10 000 cycles, contre quelques centaines pour les batteries au plomb, voire quelques milliers pour les nouvelles batteries sodium (NaS et Zebra). Les systèmes de stockage électrochimique sont généralement composés d’un ensemble de batteries qui cumule la puissance de chaque unité. Leur attractivité repose sur leur flexibilité et leur réactivité. 5.4.4.2. Technologie des Batteries sodium

En ce qui concerne ce type de batteries, la R&D (recherche et développement) est aujourd’hui en plein essor et les installations se multiplient. Ces batteries fonctionnent à ce jour à haute température (de l’ordre de 300 °C) puisque les électrodes sont sous forme liquide. Batteries sodium/soufre (NaS) :les électrodes liquides sont des formes ioniques de sodium (pôle négatif) et de soufre (pôle positif), l’électrolyte solide intermédiaire est une céramique d’alumine bêta (de sodium) et la température nécessaire est comprise entre 290 et 390 °C. Plus de 190 systèmes sont aujourd’hui installés au Japon, dont le plus performant a été mis en service en 2008 en liaison avec la ferme éolienne de Rokkasho et affiche une puissance de 34MW. Une installation expérimentale de 1 MW de puissance, développée par EDF et NGK, a été construite fin 2009 à la Réunion pour soutenir le réseau électrique de l’île en période de pointe. Batteries sodium/chlorure de nickel (Zebra) : le concept de base a été défini dès 1985 à l’université de Pretoria (Zebra, Zeolite Battery Research Africa Project) : il met en jeu une électrode positive, mélange de Ni- NaCl, avec une électrode liquide auxiliaire, le NaAlCl4. Ces batteries sont encore limitées aux applications mobiles, mais un système de 100 kWh a été testé en Ontario (par Halton Hills).

Comment ça marche ? Le courant est produit par la circulation d’électrons entre 2 plaques ou électrodes : une électrode positive ou plaque positive composée d’un corps oxydant, capable d’attirer des électrons, une électrode négative ou plaque négative composée d’un corps réducteur, capable de céder des électrons. !

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Une batterie ou une pile se caractérise donc tout d’abord par un couple « oxydant-réducteur », (par exemple Plomb/Oxyde de plomb, Nickel/Cadmium...) échangeant des électrons. L’association de deux plaques constitue l’entité primaire d’une batterie. Les deux plaques baignent dans une solution électrolytique (ou électrolyte), liquide ou sous forme de gel. C’est la réaction entre la solution et les électrodes qui est à l’origine dudéplacement des électrons et des ions dans la solution. Ainsi, l’électrolyte a pour fonction d’assurer la conduction ionique et, plus généralement, de participer à la réaction chimique. Un isolant poreux (ou séparateur) permet de séparer les deux plaques tout en autorisant le passage des ions. 5.4.4.3. Technologie des Batteries à flux

Ces batteries permettent le stockage des couples électrochimiques (électrolytes à l’état liquide) à l’extérieur de la batterie. Les électrolytes circulent à travers une cellule d’échange d’ions dont les deux compartiments sont séparés par une membrane solide. Les électrolytes peuvent également fonctionner comme liquides caloporteurs, facilitant ainsi la régulation de température, alors que les batteries conventionnelles dépendent d’une conduction passive de la chaleur, conduisant à des températures élevées à l’intérieur des cellules. Plusieurs types de batteries à flux sont ou ont été étudiés mais deux seulement sont actuellement opérationnels.

Batteries Zn-Br : ces batteries sont fondéessur le couple zinc/brome (Zn+/Br-). Plusieurs démonstrateurs ont été réalisés (par exemple un système de 400 kWh réalisé à partir de modules de base de 50 kWh à Akron, Michigan) et quelques installations commerciales sont aujourd’hui opérationnelles. Cependant, la nature corrosive du brome et la formation de dépôts solides de zinc constituent un frein important à leur mise en œuvre.

Batteries Vanadium-Redox Flow (VBR) :

le stockage de l’énergie est assuré par les

couples redox (réaction chimique d’oxydo-réduction par échanges d’électrons) de vanadium dans une solution d’acide sulfurique, V2+/V3+ dans l’électrolyte négatif et V4+/V5+ dans l’électrolyte positif. !

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Un des avantages de cette technologie réside dans l’absence de contamination possible d’un compartiment électrolytique à l’autre puisqu’il s’agit du même composant chimique. Plusieurs installations sont en service à ce jour : •King Island en Tasmanie, qui fonctionne depuis 2003 avec une batterie de capacité moyenne de 200kW/4h ou de 400kW/10 s en période de pointe ; •L’unité de stockage associée à la ferme éolienne de Tomamae Villa au Japon, d’une capacité de 4 MW/ 90min, en service depuis 2005. 5.4.4.4. Technologie des Batteries Supercondensateur

Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d’obtenir une densité de puissance et une densité d’énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques. Ces composants permettent donc de stocker une quantité d’énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu’une batterie. Majoritairement les supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double couche électrochimique d’où le sigle anglosaxon EDLC (electrochemical double layer capacitator). Le supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d’électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse (pour assurer la conduction ionique).La couche double électrique se développe sur chaque interface électrode-électrolyte, de sorte que l’on peut voir schématiquement un supercondensateur comme l’association de deux condensateurs en série, l’un à l’électrode positive et l’autre à l’électrode négative. La mobilité des anions, beaucoup moins hydratés, est plus grande que celles des cations. Ils se déplacent plus facilement dans la structure du charbon actif et forment une couche d’épaisseur plus faible, de sorte que l’on observe une valeur de capacité d’anode supérieure à celle de cathode. En raison des lois d’association des condensateurs, la capacité de l’ensemble en série est toujours inférieure à la plus faible de ces deux capacités. C’est aussi pour cette raison que le supercondensateur est polarisé, chaque !

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électrode étant optimisée soit pour des anions, soit pour des cations. 5.4.4.5. Technologie des Batteries Lithium-ion “avancées”

Une batterie Lithium-ion, ou accumulateur Lithium-ion est un type d’accumulateur Lithium. Ses principaux avantages sont une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le NickelHydrure métallique par exemple) ainsi que l’absence d’effet mémoire. Enfin, l’autodécharge est relativement faible par rapport à d’autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le Lithium aux systèmes de petite taille. Le premier fonctionnement de la batterie Lithium-ion repose sur l’échange réversible de l’ion Lithium entre une électrode positive et une électrode négative. La R&D s’intensifie sur des batteries Li-ion stationnaires de capacité compatible avec le stockage temporaire d’énergie renouvelable. Ainsi, on peut citer à titre d’exemple le projet européen STORE- visant à mettre en service en 2013 un système de stockage (produit par Saft) capable de restituer 1 MW/3 h sur l’île espagnole de Grande Canarie. Le plus important démonstrateur à ce jour se trouve en Chine, à Zhangbei ; il a été mis en service fin 2011 et allie un système de batteries Li-ion (produit par BYD) d’une capacité de 20 à 36 MW sur 4 à 6 h avec une production éolienne de 100 MW et une production solaire de 40 MW. Le programme européen Life + soutient en 2013 un projet dit « LIFE BIBAT » porté par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives visant à « valider une ligne pilote pour une nouvelle génération de batteries Lithium-ion écologiques de conception bipolaire. Le projet BiBAT vise à satisfaire aux besoins énergétiques et à remédier au problème de l’épuisement des ressources dans le cadre de la fabrication de batteries Lithium-ion ».

5.4.5. Stockage par énergies thermique et thermochimique Le stockage de chaleur concerne principalement le chauffage (ou la climatisation) des bâtiments, qui représente près de 50 % de la consommation énergétique en Europe. Les sources de chaleur proviennent en premier lieu du solaire pour lequel le stockage permettrait de réduire les effets de son intermittence et du décalage entre les périodes les plus productives (le jour/l’été) par rapport aux périodes de plus grandes demandes (le soir/l’hiver). !

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Il est également possible de stocker la chaleur produite par certaines industries en corollaire de leur activité principale (centrales à gaz ou Licence d’incinération par exemple). PRO ESE

Une centrale solaire Située près de Séville et d’une capacité de 110 GWh

Stockage pardeénergies matériau est alors via em- un transfert Tout matériau Le possède la capacité libérer ou therde stocker de lalachaleur chaleur magasinée dans le matériau ou par thermique. Ce transfert être : miquepeut et thermochimique chaleur latente, c’est-à-dire par changement de phase du matériau, généralement changement solide/liquide

d’un matériau du pour matériau lequel la varia- la chaleur est par chaleur sensible, c’est-à-dire par changement de la température tion volumique est faible. Le stockage de chaleur concerne demandes soir/l’hiver). Il est égaLe stockage de la chaleur peut alors emmagasinée dans le matériau ou par(lechaleur latente, c’est-à-dire paraussi changement de principalement le chauffage (ou la lement possible de stocker la chaleur se faire par voie thermochimique (ou phase du matériau, généralement solide/liquide d’un pour lequel la climatisation) des bâtiments, qui re- changement produite par certaines industries en sorption) via desmatériau procédés mettant présente près de 50 % de la consomcorollaire de leur activité principale en œuvre des réactions chimiques variation volumique est faible. mation énergétique en Europe. (centrales à gaz ou d’incinération par réversibles qui permettent de séLes sources de chaleur proviennent en premier lieu du solaire pour lequel le stockage permettrait de réduire les effets de son intermittence et du décalage entre les périodes les plus productives (le jour/l’été) par rapport aux périodes de plus grandes

exemple). Tout matériau possède la capacité de libérer ou de stocker de la chaleur via un transfert thermique. Ce transfert peut être : par chaleur sensible, c’est-à-dire par changement de la température du

parer un produit sous l’effet d’une source de chaleur. Les deux (ou plus) composants sont alors stockés séparément sans perte thermique et la chaleur est restituée lorsqu’ils sont remis en présence en reformant le produit initial. 7,8

Le stockage de la chaleur peut aussi se faire par voie thermochimique (ou sorption) via des procédés mettant en œuvre des réactions chimiques réversibles qui permettent de séparer un produit sous l’effet d’une source de chaleur. Les deux (ou plus) composants sont alors stockés séparément sans perte thermique et la chaleur est restituée lorsqu’ils sont remis en présence en 20 reformant le produit initial. 5.4.5.1. Technologie de Chaleur sensible

Dans le stockage par chaleur sensible, l‘énergie est stockée sous la forme d‘une élévation de température du matériau de stockage. La quantité d‘énergie stockée est alors directement proportionnelle au volume, à l‘élévation de température et à la capacité thermique du matériau de stockage. Ce type de stockage n‘est limité que par la différence de température disponible et celle supportée par le matériau ou son conteneur, par les déperditions thermiques du stockage (liée à son isolation thermique) et par l‘éventuel changement d‘état que peut être amené à subir le matériau servant au stockage (fusion ou vaporisation). Quelques exemples de stockage de chaleur sensible : Dans les systèmes de chauffage domestiques, on utilise parfois la grande inertie thermique de certains matériaux (briques, huile) pour restituer lentement la chaleur accumulée au cours des périodes où la chaleur a été produite !

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ou captée. Mais le plus souvent, le stockage est assuré par un ballon d‘eau chaude isolé. Il est aussi possible de stocker de l‘eau chaude l‘été pour l‘hiver avec un dimensionnement correct du réservoir, même si le climat est froid. Dans les fours à feude bois, en brique et terre réfractaire, la capacité de la voûte du four à emmagasiner la chaleur est utilisée pour la cuisson d‘objets (poterie, émaux, etc.) ou de plats (pain, pizza, etc.). Le stockage de l‘énergie excédentaire produite par les centrales solaires le jour, afin d‘être utilisée le soir et la nuit (exemple : chauffage urbain de la ville de Krems sur le Danube. Cette technique est utilisée dans des centrales solaires thermiques, telles les trois centrales d‘Andasol en Espagne qui peuvent stocker chacune 350 MWh dans des réservoirs de sels chauffés à 390 °C. On peut aussi citer l‘utilisation à la fin du xixe siècle des locomotives Francq sans foyer et à eau surchauffée. Un réservoir d‘eau de 3 m3 chauffée à 180 °C constituait la source principale d‘énergie et permettait de tracter plusieurs wagons de tramway et leurs voyageurs sur des trajets de plus de 10 km. 5.4.5.2. Technologie de chaleur latente

Dans le stockage par chaleur latente, l’énergie est stockée sousla forme d’un changement d’état du matériau de stockage (fusion ou vaporisation). L’énergie stockée dépend alors de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage qui change d’état. Contrairement au stockage sensible, ce type de stockage peut être efficace pour des différences de températures très faibles. Dans le cas des changements de phase solide/liquide ou liquide/vapeur une quantité d’énergie stockée et matériau de stockage donnés, le stockage par chaleur latente nécessite moins de volume que le stockage par chaleur sensible du fait que la chaleur latente est généralement beaucoup plus élevée que la capacité calorifique. Ces deux types de stockage peuvent être utilisés pour stocker du froid. Quelques exemples de stockage de chaleur latente : Des matériaux à changement de phase (MCP) sont actuellement étudiés pour améliorer l’inertie !

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thermique des parois des bâtiments.

Des matériaux à changement de phase (solide/ liquide) encapsulés dans une cuve de stockage permettent de stocker de l’énergie sous forme de chaleur latente, la nuit par exemple, durant laquelle l’électricité est moins chère, et permet ensuite de restituer cette énergie la journée. Dans le cas de la climatisation et de la réfrigération, le MCP utilisé peut être de l’eau ou de la paraffine. Cette technologie permet également de réduire la puissance installée, car elle permet de faire fonctionner le système de production de froid à sa puissance nominale, et non pas de façon aléatoire (dû à la forte demande ou à aucune demande). Les pompes à chaleur, notamment les réfrigérateurs, congélateurs et climatiseurs, utilisent des fluides caloporteurs. Ceux-ci ne stockent pas à proprement parler de chaleur mais la transporte en changeant, éventuellement sa nature (chaud / froid) et sa puissance. 5.4.5.3. Technologie de stockage par réaction thermochimique

Le stockage de chaleur par réaction chimique qui consiste en l’utilisation d’une réaction chimique réversible qui a besoin d’un apport de chaleur dans un sens (endothermique) et dégage de la chaleur dans le sens opposé (exothermique). Parmi les réactifs envisagés, la chaux. La !

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chaleur apportée permet de l’assécher (c’est-à-dire retirer l’eau du mélange). La chaux sèche est ensuite conservée à l’abri de l’humidité. Lorsqu’elle est ré-humidifiée, se produit alors un dégagement de chaleur qui peut être utilisé notamment dans l’habitat. La stabilité de ce système peut permettre un stockage saisonnier. Par rapport aux deux voies précédentes, les procédés mis en œuvre ici sont plus complexes : séparation des produits au stockage, mise en contact des réactants à la restitution, possibilité de changements de phase lors du cyclage. Les réactions de sorption semblent les plus adaptées à la climatisation des bâtiments et des applications existent. La société suédoise ClimateWell propose un système commercial de climatisation/stockage par absorption à trois phases utilisant une solution saturée de LiCl en contact avec du LiCl solide. Plusieurs pilotes ont été réalisés comme le système allemand à partir d‘hydratation/déshydratation de zéolite ou de gel de silice. En France, le projet ANR Prossis vise à étudier un procédé de stockage intersaisonnier utilisant les propriétés d‘hydratation/ déshydratation de LiBr, jusqu‘à la cristallisation.

5.4.6. Stockage par énergies chimique Licence PRO ESE 5.4.6.1. Technologie du stockage par l’hydrogène

Schéma représentative du stockage par l’hydrogène

L‘hydrogène comme carburant a été proposé comme solution dans les problèmes d’énergie. Il simple technologiquement, mais Leutilisé Stockage par ouénergies il présented’électricité des inconvénients.par La une pile à peut aussi être comme combustible pour la production plupart des matériaux sont en effet combustible chimique ou produit par électrolyse de l’eau pour « stocker desdeénergies intermittentes poreux» vis-à-vis l’hydrogène (phénomène de diffusion intra-atomique (éolien, solaire) dans des zones isolées du réseau. Le stockage sous plusieurs dû àpeut la très être faible réalisé taille du noyau d’hydrogène, il passe au travers des formes, qui ont toutes une faible énergétique Technologie du efficacité stockage par l’hy-: mailles cristallines des métaux et de drogène

la matière condensée en général), ce qui génère des pertes lors d’un stockage de longue durée. De plus, ce mode de stockage nécessite une masse et un volume de stockage importants, et une compression très coûteuse sur le plan énergétique. Néanmoins le stockage à 350 bar et à 700 bar avec des matériaux composites permet d’alimenter des flottes expérimentales de véhicules en Eu-

Stockage d’hydrogène gazeux : Ce mode de stockage est le plus simple technologiquement, mais il présente des‘hydrogène inconvénients. plupart des intermittentes matériaux sont en effet poreux vis-à-vis de comme carbu- La « stocker » des énergies rant a été proposé comme (éolien, solaire) dans des zones isolées l’hydrogène (phénomène de diffusion intra-atomique dû à la très faible taille du noyau solution dans les problèmes du réseau. Le stockage peut être réalisé d’énergie. Il peut aussi être utilisé comsous plusieurs formes, qui ont toutes une d’hydrogène,meilcombustible passe au travers des mailles cristallines des métaux et de la matière condensée ou pour la production faible efficacité énergétique :

L

!

d’électricité par une pile à combustible ou produit par électrolyse de l’eau pour

24

82!

Stockage d’hydrogène gazeux : Ce mode de stockage est le plus

en général), ce qui génère des pertes lors d’un stockage de longue durée. De plus, ce mode de stockage nécessite une masse et un volume de stockage importants, et une compression très coûteuse sur le plan énergétique. Néanmoins le stockage à 350 bar et à 700 bar avec des matériaux composites permet d’alimenter des flottes expérimentales de véhicules en Europe depuis 2000, notamment les autobus des projets européens Ectos, CUTE, Hyfleet Cute et bientôt CHIC. Quatre constructeurs automobiles prévoient un lancement en série de voitures à piles à combustible en 2015 : Mercedes-Benz, Honda, Général Motors et Hyundai. La Mercedes “fuel cell” class B est en location à Oslo depuis janvier 2011. Vingt-deux stations services hydrogène mises en place en 2010 et un total de 212 dans le monde distribuent l’hydrogène à 350 et/ou 700 bars et/ou sous forme liquide. Stockage d’hydrogène liquide : La liquéfaction de l’hydrogène (vers −252 °C) permet de pallier partiellement le problème de volume du stockage gazeux (bien que la densité de l’hydrogène liquide ne soit que de 70 g/l) mais nécessite de refroidir l’hydrogène et de le conserver à très basse température : ce stockage est compliqué, très consommateur d’énergie, et éventuellement dangereux. Il est réservé en général au spatial, mais il est aussi utilisé pour des voitures à hydrogène liquide, comme une version (non disponible à la vente) de la BMW série 7. Stockage sous forme de composés physiques ou chimiques capables de libérer facilement le gaz, par : l’utilisation de nanotubes de carbone. les hydrures métalliques : magnésium et autres métaux légers (titane, aluminium...). L’acide formique qui par un procédé utilisant du fer comme catalyseur se décompose en dihydrogène et en dioxyde de carbone. Cette voie catalytique permet d’après ces travaux d’obtenir 53 grammes d’hydrogène pur par litre d’acide formique aux conditions normales de température et de pression, contre 28 grammes pour de l’hydrogène comprimé à 350 bars. Une alternative prometteuse est d’introduire (en une sorte de stockage diffusif) de l’hydrogène dans le réseau public de gaz naturel qui peut en recevoir sans aucun problème jusqu’à 5 %. Cette solution sera expérimentée en 2013 (360 m3 d’H2 injectée par heure) par le groupe E.ON dans le nord-est de l’Allemagne (à Falkenhagen via une installation pi- lote). En portant la proportion de 5 à 15 %, ce qui semble techniquement faisable, « la totalité de la production actuelle (2011) d’électricité d’origine renouvelable pourrait être stockée dans le réseau gazier allemand »

!

83!

Comment ça marche ? Vecteur de l’hydrogène : L’électricité va permettre de produire, via un électrolyseur, de l’hydrogène. Le gaz est ensuite stocké soit sous forme liquide, solide ou gazeuse avant d’être consommé dans une pile à combustible. Recombiné à l’oxygène il va ainsi produire de l’eau et de l’électricité. 5.4.6.2. Technologie du Stockage par le Gaz Naturel Les domaines d’utilisation de l’hydrogène et du méthane sont nombreux. Puisque le méthane constitue le composant majoritaire du gaz naturel, ce dernier peut être remplacé par le méthane issu du procédé power to gas, ce qui relie les marchés de l’électricité, de la chaleur et de la mobilité. Dans la perspective d’une transition vers des énergies renouvelables, des chercheurs de l’entreprise autrichienne Solar Fuel Technology (Salzbourg), en coopération avec l’Institut Fraunhofer de recherche sur l’énergie éolienne de Leipzig (IWES), le centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène de Stuttgart (ZSW) et l’université de Linzont mis au point une solution de stockage de l’énergie sous forme de méthane. L’énergie électrique excédentaire d’origine éolienne ou photovoltaïque est utilisée pour décomposer de l’eau en dihydrogène et dioxygène (électrolyse de l’eau), puis le dihydrogène est utilisé pour méthaniser du dioxyde de carbone (réaction de Sabatier). L’un des principaux intérêts de ce procédé est d’utiliser les infrastructures (réservoirs et conduites de gaz) existantes, dont la capacité de stockage serait suffisante pour couvrir les besoins de méthane de l’Allemagne pendant plusieurs mois, par exemple pendant les périodes où le solaire et l’éolien ne peuvent couvrir les besoins énergétiques. La conversion d’électricité en gaz (en anglais : power to gas, P2G ou PtG) a pour objet le stockage de la surproduction d’électricité lorsque celle-ci dépasse les capacités de flexibilité et de stockage du système électrique, grâce à sa transformation en dihydrogène ou en méthane. Les gaz produits peuvent être valorisés sur place ou injectés dans les réseaux existants de gaz naturel, permettant ainsi leur stockage, leur transport et leur valorisation par mélange avec le gaz naturel. L’électricité est transformée en dihydrogène par électrolyse de l’eau. Ce dihydrogène peut ensuite être converti en méthane par la réaction de Sabatier avec le dioxyde de carbone.

5.5. Autres technologies du Stockage 5.5.1. Technologie du stockage électromagnétique Le stockage magnétique à supraconducteur est appelé aussi SMES pour (Superconducting magnetic energy storage) ou (Stockage d’énergie magnétique par bobine supraconductrice). Le SMES permet de disposer quasiment instantanément d’une grande quantité d’électricité, mais il ne pourra se généraliser tant que l’on n’arrivera pas à produire des aimants supraconducteurs performants, durables et moins coûteux. Il permet aujourd’hui, encore expérimentalement, de !

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stocker de l’énergie sous la forme d’un champ magnétique créé par la circulation d’un courant continu de très haute intensité dans un anneau supraconducteur refroidi sous sa température critique de transition vers l’état supraconducteur. Le champ magnétique est généré par la circulation d’un courant électrique dans une bobine constituée d’un matériau supraconducteur et court-circuitée qui devait être refroidie à 4 °K, soit −269 °C dans les premiers modèles, mais à Grenoble, l’Institut Néel et le G2Elab ont réussi à faire fonctionner des SMES à une température de −253,15 °C, rendant le refroidissement moins difficile, et le système plus léger Licence PRO ESE et performant. Il suffit de connecter la bobine au réseau pour la décharger.

Schéma représentative du stockage par la technologie supraconducteur

Autres technologies du Stockage un anneau supraconducteur refroidi 5.5.2. Technologie du Stockage par les masses solides Technologie du stockage électromagnétique

L

sous sa température critique de transition vers l’état supraconducteur. Le champ magnétique est généré par la circulation d’un courant électrique dans une bobine constituée d’un matériau supraconducteur et court-circuitée qui devait être re-

e stockage magnétique à supraconducteur est ap-

ne pourra se généraliser tant que l’on n’arrivera pas à produire des aimants

froidie à 4 °K, soit −269 °C dans les premiers modèles, mais à Grenoble,

pelé aussi SMES pour ( Superconducting magnetic energy

supraconducteurs performants, durables et moins coûteux. Il permet

l’Institut Néel et le G2Elab ont réussi à faire fonctionner des SMES à une

storage ) ou (Stockage d’énergie magnétique par bobine supraconductrice). Le SMES permet de disposer

aujourd’hui, encore expérimentalement, de stocker de l’énergie sous la forme d’un champ magnétique

température de −253,15 °C, rendant le refroidissement moins difficile, et le système plus léger et performant.

quasiment instantanément d’une grande quantité d’électricité, mais il

créé par la circulation d’un courant continu de très haute intensité dans

Il suffit de connecter la bobine au réseau pour la décharger. 7,8

27

Il est théoriquement possible de stocker de l’énergie potentielle de pesanteur sous forme de masses solides dont la position peut varier selon un gradient de hauteur. Les différences de hauteur peuvent être exploitées le long d’un relief escarpé comme des falaises, dans des puits !

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de mines désaffectés par exemple ou en mer, en exploitant la différence de hauteur entre la surface et le fond de la mer. Un treuil peut alors être utilisé pour monter ou descendre les masses une à une. Ce treuil est relié à une machine électrique tournante fonctionnant en mode moteur pour remonter les masses (stockage, consommation d’électricité) ou en mode générateur en descendant les masses (déstockage, production d’électricité). La société Sink Float Solutions propose un dispositif maritime permettant de maintenir les masses en surface lorsqu’elles sont en position haute et ainsi exploiter des différences de hauteur de plusieurs milliers de mètres tout en multipliant le nombre des masses et ainsi réduire le coût d’investissement d’un tel dispositif de stockage. Un document technique publié sur son site prétend démontrer qu’il est ainsi possible, sans barrières technologiques, de stocker de l’énergie électrique pour un investissement inférieur à 10 €/kWh avec une efficacité énergétique globale supérieure à 80 % et ainsi réduire considérablement le coût du stockage par rapport à une station de pompage turbinage.

5.5.3. Autres nouvelles Technologie du Stockage Thermo-electrical Energy Storage (TEES) le TEES est une technologie alternative de stockage reposant sur des cycles thermodynamiques, étudiée principalement par ABB Research Ltd. Le système consiste à convertir de l’électricité produite en excès en énergie thermique pendant la phase de charge, à stocker cette chaleur via un fluide circulant, puis à la reconvertir en électricité pendant la phase de décharge. Pumped Heat (ou Thermal) Electricity Storage (PHES ou PTES) : la technologie PHES, mise au point par Saipem, repose également sur la thermodynamique. Elle s’apparente à une “super” pompe à chaleur réversible qui comprime de l’argon et le fait circuler dans deux conteneurs externes de graviers de températures différentes (800°C et –70°C). Un projet de 20 M$ pour la réalisation d’un démonstrateur au Royaume-Uni a été signé en juin 2012. La technologie PTES, étudiée notamment dans le projet SETHER soutenu par l’ANR (agence nationale de recherche), est équivalente et repose sur un cycle thermodynamique au cours duquel de l’énergie électrique est emmagasinée sous forme de chaleur sensible dans des matériaux réfractaires portés à haute température.

!

86!

Licence PRO ESE

l’aspect economique et les verous technologiques

5.6. L’aspect économique et les verrous technologiques

STEP

Puissance

Capacité

Temps de

Temps de

Efficacité

Nombre

Durée de vie

CAPEX €/

(MW)

(MWh)

décharge (h)

réaction

(%)

de cycles

(en années)

kWh

30 - 2 000

1 000 à 20

6 - 24

< 10 mn

70 à 85

13 000 et +

> 40

50 à 150

< 10 mn

50 - 70

13 000 et +

> 35

50 à 150

75

10 000 et +

000 CAES

10 - 300

120 à 1 800

5 - 24

Chaleur

4 - 100

40 000

6 - 12

Chaleur latente

10

100

Batteries NaS

1 - 50

< 200

6 - 7

< 1 sec

75 - 85

< 4 500

Batteries Li-ion

1 - 50

< 100

0,2 - 4

< 1 sec

85 - 95

10 000 ?

0,2 - 5

< 200

< 1 sec

70 - 80

14 000 ?

10 à 20

100 à 500

< 1 sec

40 ?

?

25

< 1 000 ?

50 à 150

sensible 85

> 15

15

200 à 550

500 à 1 500

avancées Batteries à flux Vanadium

Quelques secondes à 5h

Hydrogène

10 - 1 000

10 à 10 000 ?

Quelques heures

Sources : AIE 2010, ESA 2009, EPRI 2010, Visiongain 2012 et analyses IFPEN

Sources : AIE 2010, ESA 2009, EPRI 2010, Visiongain 2012 et analyses IFPEN Comparaison technico-économique comparaison des coûts européens moyens de l’ordre de 0,05 à 0,07 €/ kWh pour une centrale à gaz naturel ou au charbon. Mais des techniques

différents technico-économique types de stockage 5.7. des Comparaison des différents types de stockage

C

haque technologie a ses propres caractéristiques

la surface d’encombrement, la liaison avec le réseau en place, la gestion

de stockage opérationnelles et compétitives pourraient arriver à maturité au moment où la prévalence des

qu’il convient de comparer

complète du cycle de vie… et les

énergies intermittentes commencera

Chaqueentechnologie a ses propres caractéristiques de comparer en fonction de fonction de l’usage souhaité. En coûts d’investissementqu’il et de convient foncà rendre leur usage indispensable, effet, aucun procédé n’est par définitionnement. Pour 1 kWh d’électricité soit au-delà de 2025. Précisons qu’à l’usagetion souhaité. En effet, aucun procédé n’est par définition mieux qu’un autre ; chacun peut mieux qu’un autre ; chacun peut stocké, les coûts opératoires se sice jour, il n’existe aucun business morépondre aux besoinslocaux locaux ou tuent aux environs de 0,11 € les del permettant traiter plus large-sûr la répondre aux besoins ouna-nationaux en fonction depour plusieurs facteurs de que sont bien tionaux en fonction de plusieurs facSTEP et 0,12 € pour les technologies ment de l’économie du stockage de technique sécurité, les émissions géographique teurs mais que sontaussi bien sûrla la technique de CAES installées. de CO2, la localisation l’énergie ; ils dépendront du type de et la mais aussi la sécurité, les émissions ujourd’hui et à court stockage et de son insertion dans la proximité de la source d’énergie, la surface terme, d’encombrement, la chaîne liaison avec le réseau en place, de CO2, la localisation géographique ces coûts sont entre production et utilisaet la proximité de ladu source d’énergie, encore élevés en teurs.et de fonctionnement. Pour la gestion complète cycle de vie... et les donc coûts d’investissement 1 kWh d’électricité stocké, les coûts opératoires se situent aux environs de 0,11 € pour les STEP 29 et 0,12 € pour les technologies de CAES installées.

A

7

Aujourd’hui et à court terme, ces coûts sont donc encore élevés en comparaison des coûts européens moyens de l’ordre de 0,05 à 0,07 €/ kWh pour une centrale à gaz naturel ou au charbon. Mais des techniques de stockage opérationnelles et compétitives pourraient arriver à maturité au moment où la prévalence des énergies intermittentes commencera à rendre leur usage indispensable, soit au-delà de 2025. Précisons qu’à ce jour, il n’existe aucun business model permettant de traiter plus largement de l’économie du stockage de l’énergie ; ils dépendront du type de stockage et de son insertion dans la chaîne entre production et utilisateurs.

Les smart grids pourraient permettre à terme d’informer le client en temps réel du prix de l’électricité, de programmer l’arrêt/la mise en marche de certains appareils à certains moments, de gérer de façon plus optimale certains réseaux !

87!

Licence PRO ESE

Les smart grids pourraient permettre à terme d’informer le client en temps réel du prix de l’électricité, de programmer l’arrêt/la mise en marche de certains appareils à certains moments, de gérer de façon plus optimale certains réseaux. 7

Schéma du Smart Grid

5.8.marché Un marché moyen-long terme Un de de moyen-long De nombreux paramètres vont définir la croissance des besoins en solutions de stockage massif terme de l’énergie dont en particulier :

De

nombreux

paramètres

vont définir la croissance des

solidation d’un marché pour

2015-2035.

le stockage massif d’énergie.

En 2012, la puissance de

tions permettaient d’intégrer

entre 2000 et 2035, la pro-

etc.), la technologie des STEP,

ces énergies au réseau, parmi !! Le poids des énergies intermittentes dans la production d’électricité et leur intégration de Plus cette part sera élevée, stockage d’énergie installée lesquelles : réseaux électriques stockage massif de l’énergie dans plus les les besoins seront prégdans;le monde s’élève à 134 • l’amélioration des dont en particulier : GW (+ 7 GW par rapport à modèles de prévision de !! Lanants. concurrence des solutions alternatives ; • le poids des énergies interL’utilisation d’énergie élec2010), à comparer à une la production issue de ces !! Les évolutions technico-économiques des solutions proposées ; mittentes dans la production trique va augmenter forteconsommation mondiale de sources intermittentes ; !! Lement cadre réglementaire. La la production est un d’électricité et leur intégradans les prochaines anl’ordrepart de 20des 000 énergies TWh. Si de intermittentes • une installationdans optimale tion dans les réseaux élecnées. Tirée par une demande nombreuses technologiestenant compte du potentiel élément déterminant dans l’émergence ou la consolidation d’un marché pour le stockage triques ; d’énergie primaire qui pourde stockage sont installées de foisonnement ; massif d’énergie. Plus cette part sera élevée, plus• les besoins seront prégnants. • la concurrence des solurait croître de plus de 60 % (STEP, CAES, batteries, une interconnexion renbesoins

en

solutions

tions alternatives ;

forcée des réseaux au niveau

L’utilisation d’énergie électrique augmenter dans les prochaines années. Tirée par duction d’électricité supàva la fois plus mature etfortement européen ; économiques des une solutions plémentaire issue des énerplus compétitive, couvre 99 % • une gestion plusentre dy- 2000 et 2035, la demande d’énergie primaire qui pourrait croître de plus de 60 % proposées ; gies intermittentes (éolien des capacités de stockage namique des réseaux et de production d’électricité supplémentaire issue des la énergies intermittentes (éolien et • le cadre réglementaire. et photovoltaïque) pourrait, actuelles. demande par le biais des photovoltaïque) au niveau atteindre3000TWhen2035et représenter ainsi près La part des énergies interau niveaupourrait, mondial, atteinDes mondial, alternatives au stockage smart grids. mittentes dans la production dre 3 000 TWh en 2035 et massif d’énergie sont envisde 37 % de la croissance sur la période 2015-2035. En 2012, la puissance de stockage d’énergie est un élément déterminant représenter ainsi près de 37 % ageables ou complémeninstallée dans le monde s’élève taires. à 134certaines GW (+ 7 GW par rapport à 2010), à comparer à une dans l’émergence ou la conde la croissance sur la période autres opconsommation mondiale de l’ordre de 20 000 TWh. Si de nombreuses technologies de stockage sont installées (STEP, CAES, batteries, etc.), la technologie des STEP, à la fois plus mature 30 et plus compétitive, couvre 99 % des capacités de stockage actuelles. Des alternatives au stockage massif d’énergie sont envisageables ou complémentaires. Certaines autres options permettaient d’intégrer ces énergies au réseau, parmi lesquelles : •

les évolutions technico-

7

•! L’amélioration des modèles de prévision de la production issue de ces sources intermittentes ; !

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•! Une installation optimale tenant compte du potentiel de foisonnement ; •! Une interconnexion renforcée des réseaux au niveau européen ; •! Une gestion plus dynamique des réseaux et de la demande par le biais des smart grids.

5.9. Conclusion Face au développement rapide des énergies renouvelables intermittentes et non pilotables, le stockage pourrait devenir incontournable pour assurer la continuité de l’alimentation et garantir la qualité de la fourniture en électricité des consommateurs. Batteries électrochimiques, stockage gravitationnel ou stockage d’air comprimé, les technologies se multiplient pour répondre à des besoins très variés et font l’objet de nombreuses initiatives partout dans le monde. Le stockage d’énergie constitue donc un levier technique difficilement contournable pour intégrer les moyens de production intermittents et les nouveaux usages, des incertitudes d’ordre technique, réglementaire et surtout économique demeurent. Pour conclure, la montée en puissance attendue de l’électricité d’origine éolienne ou solaire imposera certainement progressivement des moyens de stockage massifs d’énergie. Même si de nombreuses incertitudes demeurent aujourd’hui, l’importance de l’enjeu justifie pleinement la mobilisation de tous les acteurs dans ce domaine, en particulier en termes de recherche, face aux nombreux défis scientifiques et technologiques posés par les différentes solutions envisagées, à concevoir ou à améliorer.

5.10. Références [1] http://www.solener.com [2] http://blog.crdp-versailles.fr [3] http://www.ademe.fr [4] http://www.ifpenergiesnouvelles.fr [5] http://sinkfloatsolutions.com [6] http://www.smartgrids-cre.fr [7] http://edf-pulse.lefigaro.fr/ [8] M. Abiaba, M. Bouchghl, H. Bouzekri, Y. Dkhissi et A. Mhadi, Stockage et système énergétique, Mini-projet LP : ESE (S4), Faculté des Science Aïn Chock, Casablanca. !

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Série 1

Exercice 1 : Etude d’une installation solaire Une exploitation agricole isolée, non raccordée au réseau, produit l’énergie électrique dont elle a besoin à l’aide d’une installation solaire photovoltaïque. Le schéma de l’installation est représenté comme ci-dessous :

L’énergie électrique produite par les panneaux solaires peut être utilisée immédiatement, ou stockée dans des batteries d’accumulateurs, par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu. L’installation comporte une pompe, entraînée par un moteur à courant continu, permettant de fournir l’eau nécessaire à l’exploitation.

Partie A : Etude du convertisseur continu-continu Pour charger les batteries d’accumulateurs on utilise un convertisseur continu-continu. Le schéma du dispositif est représenté comme suit :

!

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K est un interrupteur électronique, supposé parfait, commandé périodiquement. Sur une période T de fonctionnement, K est fermé de 0 à αT et ouvert de αT à T. La résistance de la bobine est négligeable : on pourra donc considérer que la valeur moyenne

de la tension aux bornes de la bobine est nulle. On visualise, sur la voie 1 d’un oscilloscope, la tension uc aux bornes de la charge en fonction du temps. Sur la voie 2 on visualise l’image de l’intensité ic du courant dans la charge à l’aide d’une sonde de courant de sensibilité 100mV/A.

1-! 2-! 3-! 4-! 5-! 6-! 7-! 8-! 9-!

Quel autre nom peut-on donner à ce convertisseur continu-continu ? Citer un composant pouvant être utilisé comme interrupteur électronique. Précise le rôle de la bobine dans ce montage. Déterminer la période et la fréquence de fonctionnement du convertisseur. Quelle valeur prend uc quand l’interrupteur K est fermé ? Quelle valeur prend uc quand l’interrupteur K est ouvert ? En déduire la valeur de la tension U aux bornes des panneaux solaires. Déterminer la valeur du rapport cyclique α de la tension uc. Calculer la valeur moyenne de la tension uc. En s’appuyant sur les relevés de la figure ci-dessus, déterminer les valeurs minimale et maximale de l’intensité ic du courant. Calculer sa valeur moyenne .

Partie B : Etude des panneaux solaires

Aucune connaissance préalable sur les panneaux solaires n’est nécessaire. Un panneau solaire photovoltaïque produit de l’énergie électrique à partir de l’énergie lumineuse reçue. Il peut être considéré comme un générateur continu. Les caractéristiques courant-tension d’un panneau solaire, pour deux ensoleillements différents, sont représentées sur la figure ci-dessous :

!

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1-! Etude dans le cas d’un ensoleillement optimal : la caractéristique courant-tension correspond à la courbe 1. 1.1-! Déterminer la valeur de la tension à vide d’un panneau solaire. 1.2-! Déterminer l’intensité du courant de court-circuit. 1.3-! Déterminer la puissance électrique fournie par le panneau pour une tension de fonctionnement égale à 35V. 1.4-! En déduire l’énergie électrique produite en 10heures d’ensoleillement. 2-! Etude dans le cas d’un ensoleillement plus faible : la caractéristique courant-tension correspond à la courbe 2. Déterminer la puissance électrique fournie par un panneau pour une tension de fonctionnement égale à 35V. 3-! Pour disposer d’une puissance suffisante pour alimenter l’exploitation agricole, il faut associer plusieurs panneaux. 3.1- Quel est l’intérêt d’une association en série ? 3.2- Quel est l’intérêt d’une association en parallèle ? 4-! La puissance maximale délivrée par chaque panneau vaut 150W. L’installation doit pouvoir fournir une puissance maximale égale à 2100W. 4.1- Combien de panneaux faut-il utiliser ? 4.2- La tension de fonctionnement nominal d’un panneau à puissance maximale est égale à 35V. L’installation doit délivrer une tension de 70V. Comment les panneaux doivent-ils être associés ? 4.3- Déterminer l’intensité du courant débité par l’installation lors d’un fonctionnement à puissance maximale.

Exercice 2 : Panneau solaire photovoltaïque Les caractéristiques d’un module photovoltaïque sont données dans le tableau ci-dessous lorsque le module reçoit une puissance rayonnante de 1000 W sur 1 m2 de surface de module. Caractéristiques électriques (à 100 W.m-2) T cellules

25°C

50°C

Pmax (W)

36

32,5

U à Pmax (V)

16,3

14,4

I à 10V (A)

2,29

2,28

I court-circuit* (A)

2,45

2,5

U circuit ouvert (V)

20,3

18,4

* L’intensité de court-circuit correspond à l’intensité du courant lorsque les deux bornes de la cellule photovoltaïque sont reliées par un fil conducteur (elle est en court-circuit) Rendement z =

!

FhÑaagZÖf(ÜáhàZÑf(Fgà(âf(eáIhâf FhÑaagZÖf(àfçhf(Fgà(âf(eáIhâf

×100

92!

1-! Donner l’allure de la caractéristique tension-intensité (tension en abscisse et intensité en ordonnée) de ce module photovoltaïque, à 50°C, pour une puissance rayonnante reçue de 1000 W.m-2. On placera : 1.1-! Le point de fonctionnement A correspondant à l’intensité de court-circuit ; 1.2-! Le point de fonctionnement B correspondant à un circuit ouvert ; 1.3-! Le point de fonctionnement C correspondant à la puissance électrique maximale disponible. 2-! Ce module reçoit, à 50°C, une puissance rayonnante surfacique de 1000 W.m-2. La tension à ses bornes, lorsqu’il fonctionne est égale à 10V. 2.1-!D’après les données, quelle est, alors, la valeur de l’intensité I du courant ? 2.2-!Quelle est la puissance électrique fournie ? 2.3-!La surface du module est égale à 0,185 m2. Calculer le rendement énergétique du module. 3-! Que peut-on conclure de l’influence d’une augmentation de la température sur les performances d’un panneau solaire photovoltaïque ? En est-il de même pour un panneau solaire thermique ? 4-! Ce panneau est installé en site isolé dans un système autonome. Faites le schéma synoptique de l’installation. 5-! Comment maintenir le panneau en fonctionnement optimal (maximum de puissance) ? Citer deux méthodes. !

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Série 2 Exercice 1 : On considère une photopile au silicium : EG = 1,1 ev, ƞphot = 44% sous un ensoleillement de 1kw/m2.

1-! Calculer le domaine des longueurs d’onde des photons efficaces. 2-! Montrer que le courant (icc)Max = 400 A/m2 3-! La caractéristique (i,v) de cette cellule est assimilée à deux droites : i = 30 0≤v≤v0-0.1 i = 300(v0-v) v0-0.1≤v≤v0 i en mA/cm2 ; v et v0 en volt La tension à vide de la cellule étant v0=0.6V.

a-! Tracer l’allure de la caractéristique de la cellule et déduire le courant réel icc. b-! Calculer le rendement de collecte. c-! Calculer la puissance maximale par cm2 que peut fournir la cellule ainsi que le rendement correspondant. Exercice 2 : Energie solaire thermique De nombreux bâtiments collectifs exploitent, maintenant, les énergies renouvelables, en particulier le « solaire thermique ». L’eau chaude de certains foyers est ainsi obtenue en utilisant des panneaux thermiques solaires. 1) Schématiser les transferts et conversions d’énergie dans un panneau thermique solaire. 2) Le débit du fluide caloporteur (ici, l’eau) circulant à l’intérieur des tuyaux est D=50 L.h-1. L’eau entre à la température θe = 18°C et sort à la température θs = 54°C Calculer l’énergie reçue par l’eau pendant une durée d’une heure. En déduire la puissance fournie par le panneau. Données : pour élever de 1°C la température de 1kg (donc 1L) d’eau, il faut fournir une énergie de 4,21 KJ dans les conditions d’utilisation du panneau. 3) Le panneau thermique solaire a pour surface S=2,6 m2. Calculer le rendement de ce panneau pour une puissance lumineuse reçue de 1000 W.m-2. !

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Série 3 Exercice 1 : Longueur d'une pale

Nous souhaitons dimensionner les pales d'une éolienne à vitesse fixe pour obtenir une puissance mécanique de 750 kW pour une vitesse de vent de 13,8 m/s. On considère un coefficient de puissance Cp égal à 0,2. Quel sera la longueur de notre pale ou le rayon de la surface balayée par la turbine ? avec

masse volumique de l’air

Exercice 2 : Retrouver la limite de Betz L'énergie électrique que va fournir l'éolienne dépend de la puissance du vent qu'elle va récupérer. L'exercice va nous permettre de déterminer quelle quantité de vent la turbine va récupérer.

On modélise le passage du vent, dans le rotor de l'hélice par un tube de courant, avec V1, V, V2 les vitesses du vent avant les pales, aux pales, et après les pales. L'air est déterminé par sa masse volumique ρ en Kg/m3, la surface balayée par les pales est S en m². 1-! Quelle est la puissance P absorbée par le rotor ? 2-! 3-! 4-! 5-! 6-! ! !

Quelle est la variation d'énergie cinétique par seconde ΔEc de la masse d'air ? Que peut-on en déduire sur la relation entre V, V1, V2 ? Déterminer la vitesse V2 pour laquelle, la puissance est maximale. Calculer alors la puissance maximale Pmax. En déduire le coefficient de puissance maximal Cpmax pour une éolienne. ! 95!

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Série 4 ! Exercice 1 : La puissance apparente d’un transformateur monophasé 5 kV / 230 V ; 50 Hz est S = 21 kVA. La section du circuit magnétique est s = 60 cm2 et la valeur maximale du champ magnétique B = 1,1 T. L’essai à vide a donné les résultats suivants : U1 = 5000 V ; U20 = 230 V ; I10 = 0,5 A et P10 = 250 W. L’essai en court-circuit avec I2CC = I2n a donné les résultats suivants : P1CC = 300 W et U1CC = 200 V. 1-! 2-! 3-! 4-! 5-! 6-!

Calculer le nombre de spires N1 au primaire. Calculer le rapport de transformation m et le nombre N2 de spires au secondaire. Quel est le facteur de puissance à vide de ce transformateur ? Quelle est l’intensité efficace du courant secondaire I2n ? Déterminer les éléments RS ; ZS et XS de ce transformateur. Calculer le rendement de ce transformateur lorsqu’il débite un courant d’intensité nominale dans une charge inductive de facteur de puissance 0,83.

Exercice 2 : L’étude d’un transformateur monophasé a donné les résultats suivants : Mesure en continu des résistances des enroulements à la température de fonctionnement : r1 = 0,2 Ω et r2 = 0,007 Ω. Essai à vide : U1 = U1n = 2300 V ; U20 = 240 V ; I10 = 1 A et P10 = 275 W. Essai en court-circuit : U1CC = 40 V ; I2CC = 200A 1-! 2-! 3-! 4-! 5-! 6-!

Calculer le rapport de transformation m. Montrer que dans l’essai à vide les pertes Joule sont négligeables devant P10. Déterminer la valeur de la résistance ramenée au secondaire RS. Calculer la valeur de P1CC. Déterminer XS. Déterminer par la méthode de votre choix, la tension aux bornes du secondaire lorsqu’il débite un courant d’intensité I2 = 180 A dans une charge capacitive de facteur de puissance 0,9. 7-! Quel est alors le rendement. !

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