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Evaluation multicritere des technologies de stockage couplees aux energies renouvelables : conception et realisation de la plateforme de simulation ODYSSEY pour l'optimisation du dimensionnement et de la gestion energetique

Benjamin GuinotTo cite this version:

Benjamin Guinot. Evaluation multicritere des technologies de stockage couplees aux energies renouvelables : conception et realisation de la plateforme de simulation ODYSSEY pour l'optimisation du dimensionnement et de la gestion energetique. Autre. Universite Grenoble Alpes, 2013. Francais..

HAL Id: tel-00934515

Submitted on 20 Mar 2014

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

Spécialité : Mécanique des fluides, Procédés, Energétique

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Benjamin GUINOT

Thèse dirigée par Yann BULTEL

préparée au sein du Laboratoire de procédés énergétiques (CEA - LITEN - DTBH - L2ED) dans l'École Doctorale Ingénierie, Matériaux, Mécanique, Energétique, Environnement, Procédés, Production (IMEP2)

Evaluation multicritère des technologies

de stockage couplées aux énergies renouvelables : conception et réalisation de la plateforme de simulation ODYSSEY et de la gestion énergétique

Thèse soutenue publiquement le

13 septembre 2013

devant le jury composé de :

Mr Philippe POGGI Président

Professeur des Universités, Université de Corse

Mr Bernard MULTON Rapporteur

Professeur des Universités, ENS Cachan

Mr Chakib BOUALLOU Rapporteur

Professeur des Universités, MINES ParisTech

Mr Yann BULTEL Directeur de thèse

Professeur des Universités, Université de Grenoble Mme Delphine RIU Co-directrice de thèse Professeur des Universités, Université de Grenoble

Mr Florent MONTIGNAC Co-encadrant

Ingénieur, CEA - LITEN

Mr Yann LAOT Examinateur

Docteur, TOTAL - Energies Nouvelles

Mr Pierre-Xavier THIVEL Examinateur

Maître de Conférences-HDR, Université de Grenoble

Mr Stéphane BISCAGLIA Invité

Docteur, ADEME

2 3 A ma fille, Manon, qui a eu la gentillesse de me laisser terminer mon mémoire avant de pointer le bout de son nez ! 4 Le stockage dans les réseaux électriques interconnectés et les micro-réseaux est

une problématique particulièrement importante à traiter dans le sens où le stockage peut jouer

un rôle majeur dans les paysages énergétiques de demain. La réalisation de cette thèse a été

pour moi un travail passionnant tout au long de ces trois années. I

possibilité de traiter un sujet pluridisciplinaire (modélisation, économie, électrochimie,

électrotechnique, conception logicielle

peu ou pas familiarisé en début de thèse. Mon désir de toujours apprendre des choses nouvelles a ainsi pu être entièrement satisfait. Pour ces raisons, je tiens à remercier dans un premier temps Monsieur Nicolas Bardi pour avoir intégré dans le Département des Technologies Biomasse et Hydrogène (DTBH) du

CEA-Liten ainsi que Madame Isabelle Noirot

pour le cofinancement de ces travaux de thèse. Je tiens également à remercier Monsieur le Professeur Bernard Multon Supérieure de Cachan et Monsieur le Professeur Chakib Bouallou pour leurs lectures critiques de ce mémoire et pour les échanges (parfois intenses !) que nous ntenu du mémoire mais également d

à ces travaux.

mes recherches le jury de thèse. Je souhaite également exprimer ma gratitude à Monsieur Yann Laot de

TOTAL Energies Nouvelles, Monsieur Pierre-

(LEPMI) et Monsieur Stéphane Biscaglia avoir exprimé leurs points de vue sur mes travaux. Je tiens enfin à mentionner mon équipe encadrante des

compétences très diverses et complémentaires de mes encadrants (électrochimie, génie

électrique, économie). Je réalise la eu de pouvoir travailler avec une équipe si riche techniquement et humainement. Ils se sont montrés toujours disponibles et les

discussions lors de nos nombreuses réunions ont été particulièrement fructueuses pour

e de mes travaux. Je tiens donc à présenter mes plus vifs remerciements à Yann Bultel (Professeur des universités, LEPMI), Delphine Riu (Professeur des universités,

G2ELab) qui ont accepté de diriger ces recherches, à Florent Montignac (Ingénieur de

recherche, L2ED) et à Cédric Clastres (Maître de Conférences, EDDEN). 5

Avant-propos ................................................................................................................... 4

Table des Matières .......................................................................................................... 5

Glossaire ........................................................................................................................... 8

Introduction générale .................................................................................................... 11

1ère Partie : Rôle du stockage dans les réseaux électriques et introduction de la

plateforme Odyssey ....................................................................................................... 15

. 16

Introduction ................................................................Erreur ! Signet non défini. 1

Les réseaux électriques : Organisation et fonctionnement technique et 2économique ................................................................................................................. 17

Les rôles du stockage dans les réseaux électriques ............................................. 35 3

Conclusion ........................................................................................................... 43 4

Chapitre 2 .......... 44

Introduction ......................................................................................................... 46 1

Périmètre et problématique de la thèse................................................................ 46 2

-stockage .. 59 3 .................. 70 4

Conclusion ........................................................................................................... 78 5

Chapitre 3 : Structure et fonctionnement de la plateforme Odyssey ....................... 79

Introduction ......................................................................................................... 81 1

Paradigme de programmation et choix du support .............................................. 81 2

Structure et éléments constitutifs de la plateforme Odyssey ............................... 82 3

Fonctionnement de la plateforme Odyssey ......................................................... 88 4

Inventaire des briques technologiques implémentées et modèles associés ......... 97 5

Conclusion ......................................................................................................... 115 6

Conclusion de la 1ère Partie ....................................................................................... 116

2ème Partie : Illustration des fonctionnalités de la plateforme Odyssey sur des cas

................................................................................................................ 117

Chapitre 4 -hydrogène (cas PV-

H2-SI) ........................................................................................................................... 119

Introduction ....................................................................................................... 120 1

................................................................................ 120 2 ........ 122 3 ............................................ 127 4 Comparaison des résultats expérimentaux et des résultats de simulation ......... 132 5 6

Conclusion et perspectives ................................................................................ 141 6

Chapitre 5 : Centrale PV-stockage en milieu insulaire répondant aux critères de

AO-CRE-PV) ... 143

Introduction ....................................................................................................... 145 1

.......................................................................... 145 2

Architecture des systèmes et stratégies de gestion ............................................ 147 3

: éclairement, température et profil de charge ...................... 152 4

Configurations étudiées ..................................................................................... 156 5

Hypothèses techniques et économiques ............................................................ 157 6

Résultats technico- .................... 164 7

...................................................... 183 8

Chapitre 6 -stockage au marché d

EPEX SPOT day-ahead (cas PV-STO-DA) ............................................................... 185

Introduction ....................................................................................................... 186 1

-économiques ..... 186 2

Résultats technico-économiques de simulation ................................................. 198 3

...................................................... 210 4

Conclusion de la 2ème Partie ..................................................................................... 212

Conclusion & Perspectives ........................................................................................ 213

électricité ..................................................................... 216

Les marchés financiers ...................................................................................... 216 1

Les marchés physiques ...................................................................................... 217 2

.................................. 220 .............................. 220 1

Modélisation des technologies de stockage....................................................... 225 2

.......................... 228 3

Annexe C: Indicateurs techniques et économiques .................................................. 229

Indicateurs centrale EnR-stockage .................................................................... 229 1

Indicateurs de la centrale virtuelle (CV) ........................................................... 235 2

Annexe D: Optimisation ............................................................................................. 238

Identification du problème et terminologie ....................................................... 238 1

Classi .................................. 240 2

Les algorithmes génétiques ............................................................................... 242 3

.................................... 247 4

Perspectives ....................................................................................................... 251 5

AO-CRE-PV .............. 252

Bibliographie ................................................................................................................ 256

7 8

AC: Alternating Current (courant alternatif)

ARENH:

BTA: Basse tension A

BTB: Basse tension B

CAES: Compressed Air Energy Storage

CC: Consommation Centralisée

CD: Consommation Décentralisée

CEA: Commissariat à l"énergie atomique et aux énergies alternatives

CH4: Méthane

CO2: Dioxyde de carbone

CRE: CSPE: Contribution au Service Public de l"Electricité CTSS: Contribution au Tarif Social de Solidarité

CV: Centrale Virtuelle

DA: Durée de vie Absolue

DC: Direct Current (courant continu)

DP: Dégradation des Performances

DR: Durée de vie Relative

EDF: Electricité de France

ELD: Entreprise Locale de Distribution

ELY:

EnR: Energies Renouvelables

EPR: Evolutionary Pressurized water Reactor (réacteur à eau pressurisée) ErDF: Electricité Réseau Distribution France

FES: Flywheel Energy Storage

GEG: Gaz et Electricité de Grenoble

GRD: Gestionnaire de réseau de distribution

GRT: Gestionnaire du réseau de transport

H2: Dihydrogène

HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine (éolienne à axe horizontal)

HTA: Haute tension A

HTB: Haute tension B

LCPE: Levelized Cost of Paid Energy (coût

Li-ion: Lithium-ion (batterie)

N/A: Non Applicable

N/D: Non Défini

NAS: Sodium-soufre (batterie)

NiCd: Nickel-cadmium (batterie)

NOCT: Nominal Operating Cell Temperature (température nominale d"utilisation des cellules)

O&M: Opération et Maintenance

O2: Dioxygène

OPC: Open Platform Communications (protocole de communication) OTC: Over the counter (marché de gré à gré)

PAC: Pile à Combustible

PbA: Plomb-acide (batterie)

PC: Production Centralisée

PD: Production Décentralisée

PE: PEM: Proton Exchange Membrane (membrane échangeuse de protons)

PF: (Prévision) parfaite

PMPb:

PMPh: Prix Moyen

PS: (Prévision) persistante

PV: Photovoltaïque

RE:

RPD: Réseau Public de Distribution

RPT: Réseau Public de Transport

RTE:

SC: Stockage Centralisé

SD: Stockage Décentralisé

SEI: Système Energétique Insulaire

SOC: State of Charge (état de charge)

SOE:

SOH: State of Health (état de santé)

SPEA2: Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2 (algorithme génétique) STEP: 10

SV: Sans considération du vieillissement

TBT: Très basse tension

11 ressources primaires fossiles a pour effets de serre, la concentration de polluants dans des zones géographiques restreintes (zones des énergies fo secteurs (Figure 1).

Figure 1:

[IEA_13a] Face à ce constat, les lois Grenelle 1 [FRA_09] et Grenelle 2 [FRA_10] ont pour objectif la nes suivants (ou " grands chantiers ») :

Bâtiment et Urbanisme ;

Transport ;

Énergie-climat ;

Biodiversité/Trame verte et bleue ;

Santé-environnement ;

Gouvernance.

e réduire la consommation énergétique. Dans le domaine des transports, il est de favoriser le -climat, ces mesures visent à encadrer le développement des énergies renouvelables en accord avec les objectifs nationaux. 12

Dans un premier

temps, il constitue un des leviers de réduction des émissions de gaz à effet de serre et participe

ainsi à l"effort de limitation du phénomène de réchauffement climatique. Dans un second

temps, les énergies renouvelables semblent pouvoir répondre au problème de la sécurité de

ment selon ses deux dimensions

primaire ne sont pas équitablement réparties entre les différents continents et les différents

inépuisables. Bien que de nouvelles réserves soient régulièrement découvertes, les échelles de

temps nécessaires à leur constitution et les échelles de temps relatives à leur exploitation font

une solution répondant à des enjeux environnementaux et politiques de manière durable.

renouvelables ont amené les décideurs politiques à inciter le développement de ces énergies.

En Europe plus particulièrement, le sou

ces objectifs envisage une " hauteur de 20 % » [COM_13]

objectifs nationaux laissant chaque pays face à la responsabilité de surmonter les problèmes

technique % [COM_13]. Cet engouement international pour les énergies renouvelables a eu pour conséquence une augmentation des volumes de production des technologies permettant leur exploitation et

donc une baisse de ces coûts de production. Cet effet a davantage accéléré ces dernières

L passe par un effort d"insertion dans différents secteurs, et notamment dans le secteur de la production électrique. Ainsi en 2010 dans le monde, la moitié des capacités de production électrique installées cette année utilisait des sources renouvelables [REN_11]. (énergies solaires et éoliennes). Par

prévisible et donc non pilotable. Ces spécificités des énergies renouvelables intermittentes

soulèvent, dans le cadre de leur déploiement massif, de nouveaux enjeux pour les réseaux électriques. Un des enjeux réside dans l"équilibre permanent entre production et consommation que les gestionnaires des réseaux doivent respecter

1. Les technologies de

production actuelles, ainsi que le stockage (STEP), assurent au système électrique une

certaine flexibilité permettant d"ajuster la production à l"évolution de la consommation en

les réseaux ne se fait pas sans conséquences (impact sur les transits de puissance, plan de

1 La particularité du vecteur énergétique " électricité . Une conversion vers

le la technologie SMES

(Superconducting Magnetic Energy Storage) peut être considérée comme un stockage sans transformation

(circulation de courant, sans pertes, dans une bobine court-circuitée) mais ne constitue pas une technologie

ar conséquent stocker directement de l"électricité dans les infrastructures de transport et de

distribution n"est pas envisageable. 13

tension, etc.) [ALB_10] [GEO_08] et, si massivement déployée, cette production intermittente viendra réduire la part des technologies de production pilotables mettant en péril uvelables peut dans ce

cas être perçue comme un nouvel " élément perturbateur », qui vient " en supplément » de la

variabilité, de la faible prévisibilité et du caractère non pilotable de la consommation

électrique. Comment intégrer alors en grande proportion ces nouvelles énergies dans une

renouvelables et permettre une pénétration plus importante sur les réseaux. Elles sont parfois

partagent pas tou mutualisation de ces différentes sources permet de réduire globalement les intermittences, on importante, le territoire de mutualisation doit être grand (ex te inexorablement un renforcement

électrique vers les sites de consommation. Cette première solution constitue la vision

" Supergrid » [FOS_12]. Une deuxième solution avancée est de remettre en question un des " postulats » de départ qui autrement dit, une consommation non pilotable. La vision " Demand Side Management » de production des énergies renouvelables. Enfin, une troisième solution

électrique [DEN_10].

inconvénients. Cependant, dans un objectif de durabilité, cette évaluation doit nécessairement

être multicritère. En effet, la mise en place de ces solutions à grande échelle peut nécessiter

des changements techniques dans le fonctionnement des réseaux électriques. Il est nécessaire

économiques (quels coûts de déploiement ?) et environnementales (quels impacts environnementaux ?). Les aspects sociétaux peuvent

sociale ?). Enfin, la maturité de la règlementation encadrant le développement de ces solutions

solution(s) envisagée(s). c les réseaux électriques. Les nombreuses applications du stockage et les nombreusesquotesdbs_dbs19.pdfusesText_25

[PDF] [PDF] Evaluation multicritère des technologies de stockage - CORE