Le stockage des énergies intermittentes

De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque 26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-3:19551
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Le stockage des énergies intermittentes

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	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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48 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ Nicolas Martin1 , Marion Perrin2 Chef de projet - Equipe du CEA à l’INES1 Chef du laboratoire de stockage de l’électricité - Equipe du CEA à l’INES2 Introduction Le réseau électrique est en pleine mutation. De manière historique, la production a toujours été cen- tralisée pour un approvisionnement des clients sous forme de ramification du réseau électrique. Aujourd’hui, ce même réseau voit de plus en plus de productions décentralisées à l’échelle de l’habitat ou du gestionnaire du réseau de distribution ; cette insertion massive de production engendre de nou- velles contraintes de flux de puissance et de plan de tension. De plus, cette production décentralisée est le plus souvent d’origine éolienne ou photovoltaïque, par nature intermittente et aléatoire. Cette dernière contrainte est généralement compensée par un foi- sonnement important des installations mais qui peut cependant générer des contraintes locales d’équilibre production-consommation dans le cas d’une concen- tration géographiquement forte. En parallèle au déploiement des énergies renou- velables (EnR) dans les réseaux électriques, les évolutions des habitudes de consommations sont également fortes. La consommation énergétique et les puissances de pointe exigées du vecteur élec- trique à l’échelle de l’habitat résidentiel et tertiaire, ont fortement augmenté avec l’apparition de nouveaux usages tels que les technologies de l’information et de la communication ou le véhicule électrique. Il en résulte des contraintes de plus en plus fortes pour l’acheminement de l’électricité de manière économi- quement performante et sécurisée sur les réseaux. Au-delà de ces aspects techniques, la dérégulation du marché de l’électricité contribue à la non-optimi- sation globale de l’approvisionnement électrique. Elle favorise la performance de chacun des acteurs (pro- duction par exemple), sans prendre en compte leurs interactions. Parallèlement à ce contexte technique sur les ré- seaux électriques, le stockage de l’électricité est entré dans une phase de fort développement. Les techno- logies électrochimiques ont fait ces dernières années des progrès notables en termes de performances économiques et techniques. Des technologies nou- velles ou revisitées comme l’air comprimé sont égale- ment optimisées. Cet ensemble de facteurs contribue au sentiment quasi général que le stockage sera au cœur de la gestion des réseaux électriques de demain. Toute- fois, beaucoup se demandent encore aujourd’hui Le stockage des énergies intermittentes De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque Power grids are evolving rapidly due to an increased use of decentralized power units, mostly based on intermittent renewable energy resources and due also to new ways of consuming energy (e.g. electrical vehicles). In the same time, the performance increase of new technologies such as telecommunications and storage systems could provide solutions for optimizing the elec- trical system. In this context, we are more and more talking about the “smart-grids concept” because in parallel to the power interconnection, we also create communication networks which allow knowing in real time the status of the power grid, and so that the power flows can be controlled in an optimal way. In this article, we investigate challenges and opportunities for mana- ging intermittent energy sources by using energy storage systems, from the consumer level to the grid operator. First we des- cribe how the feed-in tariff could evolve in order to improve grid integration of large solar plants. We showed that behind the constraints due to the coupling of the power plants with a storage system, we could imagine lots of opportunities to diversify the business model. Then we evaluate the medium size PV with storage installation at the community level. For this purpose, we describe the local problems induced by the PV integration before proposing new ways to manage these systems. Finally, the self-consumption business model is investigated in terms of performance for the consumer and for the grid operator. ABSTRACT REE N°3/2013 49 Le stockage des énergies intermittentes. De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque de quelle manière, dans quels buts et avec quelles perfor- mances le stockage peut être utilisé. De nombreuses études sur le sujet convergent vers une utilisation multi-services. Le stockage serait en effet opéré pour fournir des services : d’un plan de tension ; production-consommation et le lissage des transits ; L’objet de cet article est de présenter la problématique du stockage sur les réseaux avec comme fil conducteur l’inser- tion des énergies intermittentes et plus particulièrement de la production photovoltaïque (PV). On s’est intéressé à cette dernière à travers trois types d’installations : kW crête et à destination du client final ; - tribution de l’ordre de la centaine de kW crête ; Après une description des problématiques associées à chacun de ces cas d’études, on présentera le potentiel technique et économique que représente le stockage pour chaque application ainsi que les perspectives envisagées. Les grandes centrales et l’équilibre production-consommation De plus en plus d’installations photovoltaïques affichent des puissances de l’ordre de plusieurs dizaines voire cen- quelques kW généralement rencontrées au début du dé- ploiement de cette technologie. Partant du constat que le réseau électrique ne dispose que de peu ou pas de système de stockage de l’électricité, il est nécessaire d’équilibrer en temps réel la production avec la consommation. Pour ce faire, les mécanismes mis en place sont de deux types : planifier la veille pour le lendemain quels doivent être les plans de production des différentes centrales. Le prix de l’électricité dépend de l’horaire (figure 1) ; sont modulées. On parle alors de réserves opérationnelles (primaire, secondaire et tertiaire) dont l’objectif est de com- penser les écarts. Pour ce faire, la fréquence du réseau électrique sert d’indicateur car elle varie de manière propor- tionnelle à l’écart entre la production et la consommation. Ce type de réserve est rémunérée à la fois sur la capacité Dans le contexte actuel où elles sont rémunérées sur la - ticipent pas à ce mécanisme. A moyen terme, le tarif d’achat devrait disparaître et, dès lors, nous devrions voir se généra- liser l’exploitation de centrales photovoltaïques sur la base de nouveaux principes tenant compte des contraintes qui s’exercent. Plusieurs options, cumulables, sont envisagées afin de satisfaire à la fois le gestionnaire du réseau et le producteur photovoltaïque : 1) Tarif : achat de l’énergie à un prix en rapport avec le prix du marché de l’électricité ; Cette option existe déjà dans certains pays, elle est la tran- sition normale du tarif d’achat vers le marché de l’énergie. 2) Variabilité : obligation de prédire la production et de la respecter, ou obligation de lisser le profil de production, ou aucune obligation de compensation de la variabilité ; Cette option sous-tend le fait qu’une centrale de produc- tion photovoltaïque peut provoquer un déséquilibre produc- tion-consommation. La prévision permet un fonctionnement similaire à une centrale conventionnelle. Le lissage est, a priori, moins pénalisant pour le producteur car le besoin de Figure 1 : Exemple illustratif de la prévision de consommation et du plan de production prévu la veille pour une centrale conventionnelle. Figure 2 : Exemple de déclenchement des réserves. Source: site Web de la CRE. 50 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ stockage, en termes d’énergie stockée, est moindre. L’argu- mentaire émis par les gestionnaires de réseaux est de dire que les centrales PV doivent se plier aux mêmes règles que les centrales conventionnelles. Celui des producteurs consiste à dire que le PV n’est pas plus imprévisible que ne l’est la consommation qui peut varier rapidement. 3) Obligation de fournir des services réseau et systèmes (réserves opérationnelles, puissance de pointe…). Au-delà de la simple production d’électricité, qui repré- sente généralement moins de la moitié de la facture d’élec- tricité du client final, il y a l’ensemble des services réseau et systèmes que doit/pourrait fournir une centrale de produc- tion PV (réserve de fréquence, maintien du plan de tension, écrêtage de la production et des pics de consommation…). L’ensemble de ces options est étroitement lié à la ques- tion de la flexibilité des centrales PV. Celles-ci sont par nature fonction de l’ensoleillement et donc peu contrôlables. Au- delà du débat sur la responsabilité de chacun des acteurs (gestionnaire de réseau ou producteur) quant à l’insertion de cette production PV, il est nécessaire d’étudier la faisabilité technico-économique d’une telle flexibilité pour ce type de La Commission de régulation de l’énergie (CRE) a émis, à deux reprises, un cahier des charges pour la réalisation de centrales PV avec stockage devant être installées dans les systèmes électriques insulaires français tels que celui de la proches de celles indiquées ci-dessous. Le type d’opération exigé est illustré par la figure 4 : phase temporelle annoncée une heure à l’avance ; de l’installation ; doivent être monotones et croissantes (ou décroissantes) crête par minute ; - buer au maintien du plan de tension en fournissant/absor- bant de la puissance réactive. Les systèmes de stockage les plus compétitifs pour satis- Figure 3 : Vision qualitative de l’impact de l’insertion de la production photovoltaïque dans les réseaux. Source : Sandia national Laboratories. Figure 4 : Exemple d’opération d’un système photovoltaïque avec stockage. REE N°3/2013 51 Le stockage des énergies intermittentes. De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque STEP (Stations de Transfert d’Énergie par Pompage) sont aujourd’hui, pour des puissances importantes, plus com- pétitives que les systèmes électrochimiques et largement géographique approprié. Le coût d’opération d’un système électrochimique se si- élevée mais elle correspond à la première génération de ce type de centrale. De plus les contraintes imposées à ces cen- trales vont au-delà de ce qui est usuellement exigé de la production (réserve primaire, plan de production et maintien du plan de tension). Par exemple, sur le réseau métropolitain, la seule réserve primaire, qui consiste à moduler légèrement sa production en fonction de la mesure de fréquence du réseau, est rémunérée par un terme de capacité disponible Ce type de centrale est aujourd’hui au stade de l’expéri- mentation. En complément aux stockages couplés à l’unité de production, on devrait voir se développer les systèmes de stockage centralisé, notamment dans les systèmes élec- triques insulaires. Ces systèmes permettent de renforcer l’inertie du réseau qui se trouve peu à peu démuni de ses unités de production thermique. Ils favorisent non seulement l’insertion des centrales de production photovoltaïque de manière massive mais peuvent en plus participer à l’amélio- ration de la performance économique du système. Ce type de service, associé à l’insertion de la production intermit- tente, n’est nécessaire qu’à partir d’un taux de pénétration Au-delà des systèmes centralisés, le stockage peut s’avé- rer utile de manière diffuse. Il peut ainsi fournir des services systèmes via un agrégateur mais également servir de ma- nière locale afin de contribuer à l’amélioration économique des infrastructures réseaux de plus en plus tributaires de pro- ductions décentralisées intermittentes et peu contrôlables. C’est l’objet de la discussion du chapitre suivant. La production PV distribuée et les infrastructures réseaux La production photovoltaïque est présente sur le réseau électrique principalement sous la forme de microcentrales de l’ordre de 3 kWc mais également à des dimensions plus toitures tertiaires… Dans ce contexte, les contraintes géné- rées sur le réseau électrique sont principalement liées aux infrastructures réseaux et, dans une bien moindre mesure, à l’équilibre production-consommation qui bénéficie du foison- nement géographique. La figure 5 décrit la problématique du gestionnaire du ré- seau de distribution dans le cas d’une forte insertion de pro- duction photovoltaïque au niveau du réseau basse tension. La problématique du plan de tension réalisant une excursion à une valeur élevée liée une forte production photovoltaïque s’ajoute à celle liée au plan de tension faible lors des périodes de fortes consommations en hiver. L’intérêt du stockage vis-à-vis de ce type d’installations réside dans sa localisation, jugée optimale car elle permet de traiter bon nombre de problématiques réseau aussi bien valeur ajoutée du stockage, c’est-à-dire le ratio entre les avantages induits par cette localisation en termes de services réseau possibles et les problématiques d’infrastructures de raccordement ou de coût d’investissement et d’opération Figure 5 : Exemple de variation le long d’un départ BT à différents moments de l’année. Source : ERDF. 52 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ du système de stockage. Cette valeur est tracée en fonction de sa localisation sur le réseau électrique : d’une localisa- tion centralisée (type centrale thermique conventionnelle) à décentralisée (consommateur final). En effet, les pointes de production durant la période estivale peuvent être réso- lues par l’ajout d’un système de stockage afin de différer la production plus tard dans la journée voire les journées sui- vantes. Cette seule contrainte n’est aujourd’hui pas un levier économique suffisant à l’introduction de système de stoc- kage au niveau des unités de production PV décentralisées. En revanche, l’opportunité offerte par l’ajout d’un système de stockage à cette échelle permet également de fournir de multiples services réseaux complémentaires tout au long de l’année afin de contribuer à la performance technique et économique de l’approvisionnement électrique (lissage de charge et de production, réduction des transits, qualité de courant, secours…). Dans ce contexte, l’insertion des moyens de production photovoltaïque doit se faire de manière réfléchie afin d’éviter le besoin de renforcement réseau au niveau local. En cas de potentiel de déploiement intéressant, une étude du besoin doit être menée afin de déterminer si la somme des béné- fices issus des applications suivantes est techniquement et économiquement suffisante : - mance de l’approvisionnement électrique. Le stockage des énergies intermittentes à cette échelle ne doit donc pas se faire avec comme seul objectif l’insertion de la production dans un réseau contraint. Les centrales de production décentralisées étant souvent proches des lieux de consommation, l’autoconsommation de la production photovoltaïque est possible. Le chapitre suivant expose cette option, ses avantages et ses limites. L’autoconsommation L’autoconsommation de l’électricité photovoltaïque paraît naturelle dès lors que la production est décentralisée et que Figure 6 : Positionnement du stockage sur le réseau et valeur ajoutée associée. Figure 7 : La parité réseau pour le secteur tertiaire en Europe. Source : PVparity.eu. REE N°3/2013 53 Le stockage des énergies intermittentes. De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque le coût d’approvisionnement est supérieur au coût de pro- duction PV. Ce cas de figure est déjà présent dans plusieurs Pour rendre possible cette autoconsommation, il est néces- saire de mettre en phase la production avec la consommation. Dans le cas d’une installation correctement dimensionnée, c’est-à-dire pour laquelle la consommation et la production énergétique annuelle sont du même ordre de grandeur, la pro- - consommation de type tertiaire. Afin d’augmenter ce pourcen- tage, plusieurs leviers sont possibles, dont le stockage. - mation. Le stockage permet de porter ce niveau à une valeur stocker l’énergie dès que la production excède la consomma- tion et vice-versa (figure 9). Les performances d’un tel système varient considéra- blement selon le ratio entre l’énergie produite et l’énergie - consommation qui peut être atteint pour un système sans - cation de la limite théorique (l’autoconsommation est limitée Figure 8 : Adéquation de la consommation et de la production d’origine solaire dans les secteurs tertiaire et résidentiel. Figure 9 : Mode d’opération standard d’un système PV avec stockage dédié à l’autoconsommation. 54 REE N°3/2013 LE STOCKAGE DE L'ÉLECTRICITÉ par la quantité d’énergie consommée). Les simulations ont été réalisées pour 98 logements en France métropolitaine. L’impact technique de cette amélioration de l’autocon- sommation doit être mis en regard du surcoût engendré par la mise en opération d’un système de stockage. En effet, l’ins- tallation d’un tel système ne se fera que si l’écart de prix entre production et approvisionnement est suffisant pour com- penser l’investissement du stockage. En revanche, d’autres Figure 10 : Autoconsommation d’une centrale de production (3 kWc en Corse) en fonction de la consommation annuelle : apport du stockage et limite théorique (résultats de simulations). Figure 11 : Convergence entre autoconsommation et amélioration de l’approvisionnement électrique. REE N°3/2013 55 Le stockage des énergies intermittentes. De l’autoconsommation à la grande centrale photovoltaïque intérêts peuvent être mis en avant (secours, autonomie élec- trique…) afin de justifier cet investissement supplémentaire. L’autoconsommation PV avec stockage connaît actuellement une phase de forte croissance avec de nombreuses installations en Allemagne (ce pays vient de mettre en place un mécanisme permettant de subventionner le stockage résidentiel couplé à /kWh sous réserve de près des installations de production intermittentes doit alors être vue comme une opportunité pour le gestionnaire des réseaux. En effet, si aujourd’hui le stockage n’est pas utilisé à une fin d’optimisation de l’approvisionnement électrique, il pourrait très bien le devenir. On pourrait alors imaginer un pilotage du sys- tème capable de satisfaire à la fois le gestionnaire des réseaux et le consommateur en lissant les pointes de production et de consommation par exemple (figure 11). Avec la participation d’acteurs individuels à la gestion des réseaux, on aurait alors une convergence entre besoins lo- caux et globaux, entre autoconsommation et insertion de la Conclusion Se sentant peu concerné par les contraintes d’insertion de l’énergie photovoltaïque, le producteur a de plus en plus ten- dance à favoriser l’autoconsommation. En effet, l’augmentation forte du prix de l’électricité au niveau européen couplée à une décroissance très importante du coût de production d’élec- tricité d’origine PV favorise ce phénomène. En outre, chaque kWh autoconsommé est autant de moins à rémunérer dans un mécanisme de rachat de l’électricité tel que la CSPE (contri- bution au service public de l’électricité) en France ou l’EEG en Allemagne. Quand on sait que le niveau d’autoconsommation de quelques kWh, il apparaît judicieux, pour le producteur, de s’intéresser à cette option. Il faut néanmoins évoquer un point important : parce que la structure de coût de l’électricité est également fonction du coût des infrastructures et de la gestion des réseaux, la perte de revenu pour le fournisseur d’électricité induite par l’autoconsommation risque de changer le type de tarification en place. Ainsi, le coût de l’abonnement deviendrait prépondérant par rapport au coût du kWh consommé. La production photovoltaïque apporte de nouvelles va- riables pour la gestion des réseaux électriques du fait qu’elle est principalement décentralisée et, par nature, peu contrô- lable. L’ajout d’un système de stockage afin de stocker cette énergie intermittente permet de gagner en flexibilité, de ré- soudre les problèmes de transit de puissance et de maintenir l’équilibre production-consommation. Le débat actuel tourne autour de la responsabilité de l’in- sertion de la production photovoltaïque. Le stockage repré- sente une solution avec de nombreux avantages qui vont au-delà de la centrale de production. Dans ce contexte, il s’avère nécessaire de fixer les limites des périmètres de res- ponsabilité de chacun des acteurs (producteur et gestion- naire de réseau) et donc de mettre en place un modèle d’affaires qui garantisse la performance technique et écono- mique de la gestion des réseaux intégrant une forte propor- tion d’énergie photovoltaïque. Dans un marché dérégulé où chaque acteur veut optimi- ser les actions dans son périmètre d’activité, il apparaît com- plexe de converger vers une solution adéquate pour chacun d’eux. En effet, l’optimisation du périmètre de chacun (mar- ché dérégulé oblige) ne va pas nécessairement vers l’optimi- sation globale de l’approvisionnement électrique. Dans le cadre de la transition énergétique mondiale, l’éner- gie photovoltaïque jouera un rôle important. Il se révèle donc nécessaire de déterminer le besoin en stockage (et autres moyens de flexibilité) afin de mieux intégrer cette énergie intermittente. Pour ce faire, une analyse globale (pas macros- copique) permettra de faire émerger les périmètres et les devoirs de chacun des acteurs du réseau électrique afin de converger vers un optimum technique et économique. Dans ce cadre, on devrait voir se présenter des systèmes dédiés au stockage des énergies intermittentes… mais pas seulement ! Ils serviront à la gestion des réseaux électriques de manière globale, reste à savoir dans quelle mesure l’électricité photo- voltaïque changera la manière d’opérer ce réseau. Nicolas Martin une spécialisation dans les sources de production décentralisées. Il occupe la fonction d'ingénieur de recherche chef de projet au sein du Laboratoire de Stockage de l'Electricité dans les équipes du CEA à l'Institut National de l'Energie Solaire. Ses thèmes de recherche concernent l'intégration des sources renouvelables de la grande centrale à l'utilisateur final. Marion Perrin est expert sénior au CEA où elle dirige le Labora- toire de Stockage de l’Electricité. Ce laboratoire se spécialise dans l’intelligence pour la gestion de technologies de stockage pour le dimensionnement, la sélection de technologie et l’optimisation de la durée de vie dans des applications autonomes, de mobilité ou stationnaires connectées au réseau. LES AUTEURS