Le stockage dans les zones non interconnectées

22/12/2018
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-5:24904
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Le stockage dans les zones non interconnectées

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            <title>Le stockage dans les zones non interconnectées</title></titles>
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64 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES Non interconnected islands are small electrical systems known to be less resi- lient and with higher costs of service compared to their interconnected counter- parts. They are a natural target for a faster transition towards low carbon econo- my with high levels of renewable and so a natural testbed for storage solutions. In this context a number of storage demonstration projects have been conduc- ted in French Islands both on microgrids and on major Islands such as French oversea departments. They lead to a number of industrial applications such as frequency regulation or microgrid stability. Les îles non interconnectées sont de petits systèmes électriques connus pour être moins résilients et avec des coûts de service plus élevés que leurs homolo- gues interconnectés. Ils constituent une cible naturelle pour une transition plus rapide vers une économie sobre en carbone avec de hauts niveaux d'énergie renouvelable et, par conséquent, sont des bancs d'essai naturels pour les solu- tions de stockage. Dans ce contexte, un certain nombre de projets de démonstration de stockage ont été menés dans des îles françaises, à la fois sur des micro-réseaux et dans des îles majeures telles que les départements français d'outre-mer. Ils mènent à un certain nombre d'applications industrielles telles que la régulation de fré- quence ou la stabilité de micro-réseaux. Etienne Radvanyi Sébastien Ruiz Paul Fourment EDF SEI Systèmes Energétiques Insulaires Le stockage dans les zones non interconnectées Introduction Les zones non interconnectées (ZNI), dont EDF SEI a la charge, se caracté- risent par leur petite taille, entraînant une plus faible robustesse intrinsèque et des coûts de production élevés. Ces territoires ont des mix élec- triques contrastés, associant des parts importantes d’énergies renouvelables, jusqu’à 66 % en Guyane, tout en pré- sentant une dépendance forte aux solu- tions fossiles. Sous l’impulsion d‘objectifs ambi- tieux de transition énergétique asso- ciés à une baisse de leurs coûts, les énergies renouvelables PV et éolien se développent rapidement. Ces énergies, variables, imparfaitement prévisibles, interfacées au système électrique via de l’électronique de puissance, parfois sur des départs délestables, présentent des défis importants pour ces territoires. Les systèmes électriques insulaires connaissent donc une adaptation glo- bale afin de pouvoir offrir aux clients une électricité de plus en plus décarbo- née tout en maintenant une bonne qua- lité de service à un coût maîtrisé pour la collectivité. Le stockage est une brique importante de cette adaptation. Le rôle joué par le stockage dépend de la taille des réseaux concernés, dans cet article, nous illustrerons suc- cessivement la situation des systèmes Lever de soleil sur le quai des Paimpolais (Ile de Sein). Crédit : Wikimedia_commons REE N°5/2018 Z 65 Le stockage dans les zones non interconnectées insulaires principaux (Corse et DOM) et celle des micro-réseaux. Le retour d’expérience de l’expérimentation dans les réseaux principaux des DOMs Le stockage pour le lissage de la production des énergies renouvelables intermittentes Une solution à la faisabilité technique démontrée L’objectif ici est d’utiliser un système de stockage, en l’occurrence des batte- ries électrochimiques, pour atténuer les variations de production PV ou éolienne (dues aux variations d’ensoleillement ou de vitesse du vent) afin de minimiser l’impact de ces variations sur le réseau. Les batteries limitent ainsi les variations brutales de production par l’injection et l’absorption de puissance pour respecter un profil de production prédéfini (figure 1). L’association entre batteries et éner- gies renouvelables a été testée via le pro- jet PEGASE [1]. Ce projet a été mené à la Réunion entre 2010 et 2015 ; il mettait en œuvre une batterie de 1 MW/7 MWh de technologie sodium-soufre (NaS) associée à deux fermes photovoltaïques et une ferme éolienne. Il a permis de dé- montrer qu’il était possible de fournir aux systèmes une production peu chahutée et mieux prévisible, pour l’ensemble PV, éolien et batterie, en pilotant de façon adéquate le stockage. Une solution déployée dans les ZNI… Ces travaux ont ainsi permis d’éclairer la rédaction de cahiers des charges pour les appels d’offre lancés par les services de l’Etat en 2011, 2015 et 2016 couplant PV et stockage dans les ZNI. Ces appels d’offres ont conduit à l’installation de plusieurs dizaines de MW de parcs pho- tovoltaïques et de stockages. Par ailleurs un tarif d’achat applicable à l’éolien couplé à du stockage en zone cyclonique, a permis à des projets éo- lien + stockage de voir le jour en quan- tité significative. …dont l’efficacité économique pourrait s’améliorer en bénéfi- ciant du foisonnement naturel des productions Les études menées sur l’île de la Réunion (figure 2), montrent que le foisonnement naturel des productions photovoltaïques via le réseau permet un premier niveau de lissage significatif. Par conséquent, il est plus intéressant économiquement de chercher à lisser la production de l’ensemble des parcs de l’île que de compenser les fluctuations de chaque parc séparément. Plus glo- balement il est judicieux de chercher à gérer l’intermittence à la maille géogra- phique la plus large possible, en incluant des productions et des consommations de différents types. C’est là le rôle du stockage centralisé visant à réguler la fréquence. Le stockage piloté sur un signal centralisé Le réglage de fréquence et l’arbitrage, des besoins pertinents pour les systèmes insulaires Dans les systèmes insulaires, géné- ralement de petite taille, les variations de fréquence sont naturellement plus importantes que dans les réseaux de grande taille. Ce phénomène est accen- tué par le remplacement progressif des alternateurs synchrones des machines tournantes – qui procurent de l’inertie au Figure 1 : Lissage de production PV et injection selon profil cible. Figure 2 : Foisonnement des productions PV pour l’ile de la Réunion. 66 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES système – par les onduleurs des parcs PV ou éoliens qui n’en apportent pas. Pour assurer la résilience du sys- tème en cas d’incident tel que la perte de groupe, EDF SEI provisionne de la réserve rapidement libérable sur les tranches démarrées lorsqu’est élaboré le programme d’appel. Le dimension- nement de cette réserve est un levier permettant d’augmenter les capacités d’accueil du système en énergies renou- velables non synchrones. Néanmoins, la constitution de cette réserve contraint le programme d’appel avec un coût sup- plémentaire pour le système. Les bat- teries qui disposent aujourd’hui d’une capacité à libérer de l’énergie dans des délais de quelques centaines de milli- secondes peuvent permettre de réali- ser une partie de ce service et faciliter ainsi une réoptimisation des coûts de la réserve primaire [2]. Néanmoins, la fréquence des ZNI est très volatile, ce qui mènerait à la réali- sation d’un nombre de cycles poten- tiellement très grand et donc à l’usure accélérée de la batterie. Pour pallier cela, on introduit, à l’heure actuelle, une bande morte autour de 50 Hz, permet- tant à la batterie de ne pas réagir pour de petites fluctuations de fréquence. Il demeure alors nécessaire de continuer à provisionner une partie de la réserve sur des machines tournantes tradition- nelles afin de stabiliser la fréquence au sein de cette bande morte. Enfin, à plus long terme, la montée en puissance de productions fatales sou- vent peu corrélées à la consommation renforcera également l’intérêt de dispo- ser de flexibilités permettant de faciliter la rencontre de l’offre et de la demande en stockant les excédents de production disponibles à certains instants pour les restituer lors des pics de consommation ultérieurs. Cela pourra être assuré par des stockages présentant des durées de stockage plus élevées et rendant au sys- tème le service d’arbitrage. 50 MW de stockage centralisé sélectionnés dans les ZNI La délibération 2017-070 de la CRE du 30 mars 2017 [3] définit les modali- tés et la méthode d’évaluation des pro- jets de stockage dans les ZNI par la CRE. Cette délibération a permis aux porteurs de projets le désirant de constituer un dossier de saisine en lien avec le gestion- naire de système et de charger ce dernier de saisir la CRE. Ce guichet a connu un vif succès avec près de 50 projets dépo- sés, visant à rendre le service de réserve rapide avec bande morte ou de report de charge au système. Les 11 projets lau- réats, d’une puissance totale de 50 MW, ont été rendus publics en octobre 2018 et sont récapitulés dans la figure 3. Le stockage dans les micro- réseaux EDF SEI exploite aujourd’hui près d’une trentaine de micro-réseaux au sens de la directive 2009/72/CE du Parlement européen et du Conseil. Dans ces systèmes électriques, la puissance appelée varie entre quelques dizaines de kW et quelques MW. Parmi ces micro-réseaux on retrouve de nom- breuses communes isolées de Guyane française, mais également certaines îles bretonnes et normandes non intercon- nectées. Ces territoires historiquement électrifiés avec des groupes électro- gènes présentent des coûts de pro- duction élevés, liés en grande partie à la logistique des combustibles, et des Figure 3 : Lauréats du guichet CRE stockage 2017. Photo 1 : Vue aérienne de l’ile de Sein. REE N°5/2018 Z 67 Le stockage dans les zones non interconnectées niveaux d’émissions de CO2 importants. A ce titre, ils sont des candidats naturels à une transition énergétique rapide via la mise en place de mesures d’efficacité énergétique, le déploiement d’installa- tions de production renouvelable et la mise en place de dispositifs spécifiques, comme des systèmes de stockage, permettant d’intégrer cette production renouvelable tout en maintenant une bonne qualité de fourniture ainsi que la sûreté du réseau. Exemple de la transition énergétique sur l’Ile de Sein L’île de Sein (photo 1) est une petite île de moins d’un km² au large de la pointe du Raz dont le système électrique n’est pas raccordé au conti- nent. Il alimente une commune de 237 habitants (2015, source Insee) avec une puissance appelée variant de 50 à 450 kW selon les saisons pour une moyenne de 160 kW. Jusqu’en 2017, la production électrique y était quasi exclusivement assurée par des groupes électrogènes. La commune s’est fixée à travers la programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) [4] une cible d’auto- nomie énergétique d’ici à 2030. Cet objectif a conduit, en plus de la mise en place de mesures d’efficacité éner- gétique, à l’installation d’une puissance photovoltaïque et micro-éolienne de près de 150 kW (mise en service en 2017) et à l’instruction d’un projet éo- lien de 250 kW. Le raccordement de cette puissance renouvelable a néces- sité une profonde évolution du système énergétique de l’île avec en particulier la mise en place sDUNSYSTÒMEDESTOCKAGE s DUN %NERGY -ANAGEMENT 3YSTEM (EMS) qui pilote les différentes briques du système électrique (installations renouvelables, système de stockage, groupes électrogènes, flexibilités de consommation) et garantit en perma- nence l’équilibre offre-demande tout en maximisant la part renouvelable dans le mix. Un modèle de stockage multi-usages pour le système électrique Un système de stockage de 198 kVA/180 kWh (photo 2) a donc été installé dans le phare de l’île de Sein (qui abrite déjà la centrale thermique actuelle). Ce système de stockage est composé d’une batterie lithium-ion et d’onduleurs qui font l’interface avec le réseau électrique. Piloté par l’EMS du système élec- trique, le système de stockage est ame- né à jouer plusieurs rôles en fonction des besoins du système de l’île (figure 4). Pendant les périodes où la produc- tion renouvelable est insuffisante pour couvrir l’intégralité des besoins élec- triques de l’île, le système de stoc- kage joue les rôles traditionnels de lissage d’une production renouvelable intermittente et procure une flexibilité essentielle pour la gestion de l’équi- libre offre-demande en temps réel et prévisionnel (afin d’éviter les arrêts/ Photo 2 : Système de stockage installé dans le phare de l’île de Sein. Figure 4 : Utilisation du système de stockage de l’île de Sein. 68 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES démarrages trop fréquents de groupes) [5]. Elle permet également en cas de besoin de toujours faire fonctionner les groupes diesel au-dessus de leur puis- sance minimale de bon fonctionnement et évite ainsi le vieillissement prématuré des moteurs et une dégradation impor- tante de leur rendement sans limiter la puissance injectée par les installations renouvelables. Les convertisseurs du système de stockage installés à l’île de Sein ont en plus la particularité de pou- voir générer le réseau électrique de ma- nière autonome et d’assurer l’ensemble des services système, c’est le mode grid-forming [6] : ils sont ainsi capables de réguler la tension et la fréquence du réseau et de délivrer suffisamment de puissance de court-circuit pour assurer le plan de protection du système électrique. Ainsi, lorsque les conditions sont réunies en termes de puissance appelée, de production renouvelable disponible et d’état de charge de la batterie, l’EMS commande l’arrêt de la centrale thermique et ordonne au sys- tème de stockage de générer le réseau et de passer en mode grid-forming. A titre d’exemple, au mois de mai 2018, la centrale thermique a pu être éteinte pendant l’équivalent de quatre jours complets. Une évolution permanente pour s’adapter aux transforma- tions rapides du micro-réseau et aux complémentarités avec les autres sources de flexibilités Le même système de stockage est ainsi amené à jouer plusieurs rôles à tout moment en fonction des besoins dictés par l’EMS. Ce pilotage est égale- ment amené à évoluer dans le temps pour prendre en compte les évolutions de consommation, de production ou de flexibilités du système électrique de l’île. A ce titre, ces deux objets stockage et EMS constituent des objets critiques pour la gestion de ces micro-réseaux. Par ailleurs, il est clairement visible sur ces micro-réseaux que l’ensemble des sources de flexibilité doit être activé afin de permettre une meilleure inser- tion des énergies renouvelables. Cela passe en particulier par une complé- mentarité entre les sources de stockage comme les ballons d’eau chaude de l’île ou les osmoseurs (stockage d’eau fil- trée) et à plus long terme entre les bat- teries et d’autres solutions de stockage comme l’hydrogène aujourd’hui expéri- menté sur le micro-réseau de Mafate [7] sur l’ile de la Réunion par EDF SEI et le Syndicat d’électrification de la Réunion (photo 3). Photo 3 : Couplage batterie-chaîne à hydrogène (Mafate, Ile de la Réunion). LES AUTEURS Etienne Radvanyi est chef de projet en charge de la transition énergé- tique des micro-réseaux au sein de la direction Sys- tèmes énergétiques Insulaires d’EDF. Sébastien Ruiz est actuel- lement délégué smart grids et préparation de l’avenir de la direction Systèmes énergétiques insu- laires d’EDF. Il est chargé de la défini- tion et de la livraison du portefeuille de projets de la direction. Paul Fourment est actuel- lement en charge de l’intégration des solutions stockage au sein de la direction Systèmes énergé- tiques Insulaires. REE N°5/2018 Z 69 Le stockage dans les zones non interconnectées Conclusion Les réseaux insulaires jouent sou- vent un rôle précurseur. En effet leur petite taille, leur moindre robustesse ou encore le dynamisme des transi- tions énergétiques qu’ils connaissent, sont autant de caractéristiques favo- rables à l’émergence de solutions innovantes. C’est le cas des solutions de stockage qui y trouvent aujourd’hui des applications particulières pour le réglage de la fréquence ou la transi- tion énergétique des micro-réseaux. Cependant les profondeurs de marché mises en jeu y sont, par essence, limi- tées et ne permettent souvent pas, à elles seules, le développement d’une filière industrielle de grande ampleur. Le développement d’une telle filière passe donc également par la recherche d’applications viables dans des sys- tèmes de plus grande taille. Par ailleurs, les études prospectives montrent l’intérêt de penser la transition énergétique des territoires insulaires de façon systémique. Une intégration har- monieuse des EnR passe donc par la mise en œuvre d’une palette de solu- tions variées : le stockage joue un rôle important dans la révolution que sont en train de vivre les systèmes électriques insulaires, mais ne saurait en constituer l’alpha et l’oméga. Les autres leviers nécessaires pour cette intégration sont notamment la capacité des installations de production EnR à tenir les creux de tension et de fréquence, l’adaptation des réseaux à ce développement et l’adaptation de la gestion des systèmes. Bibliographies [1] Etienne Radvanyi, Vincent Grellier, and Sébastien Ruiz , “Towards more reliability for renewable energy generation: PEGASE demonstration project in La Réunion island” CIRED 2016 Paper 0286 [2] Julien Callec, Pauline Caumon, Laurent Capely, and Etienne Radvanyi “Benefits of large-scale energy storage systems in French islands” CIRED 2017; p. 1593 – 1596; DOI: 10.1049/oap- cired.2017.1110, Online ISSN 2515-0855 [3] Délibération 2017-070 de la CRE relative au stockage dans les ZNI. https://www.cre.fr/Documents/ Deliberations/Communication/projet- d-ouvrage-de-stockage-d-electricite [4] Programmation Pluriannuelle Energie Iles du Ponant : https://www. ecologiquesolidaire.gouv.fr/sites/ default/files/Volet%20Iles%20du%20 Ponant.pdf [5] Gilles Lancel, Boris Deneuville, Camille Zakhour, Etienne Radvanyi, Julien Lhermenault, Caroline Ducharme, and Sébastien Ruiz “Energy storage systems (ESS) and microgrids in Brittany islands” CIRED 2017, p. 1741 – 1744;DOI:10.1049/oap-cired.2017.1188, Online ISSN 2515-0855 [6] Thibaut Lafont, Etienne Radvanyi, Vincent Vernhes, Sébastien Ruiz, Camille Zakhour, and Boris Deneuville, “Test and operation of a hybrid microgrid in the French Island of Sein” CIRED 2018 Paper 0191 [7] Davide Beretta, Philippe Mocoteguy, Giovanna Sessa, Matthieu Limagne, and Jean Emmanuel Boucher- “A 100% renewable isolated μ-grid in Mafate” CIRED 2018 Paper 0178