Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage mcanique de

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Stockage « mécanique » de l’énergie Hydraulique Air comprimé

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le stockage Hydraulique La capacité de stockage : le volume et la chute l’énergie potentielle r g Dh à convertir en électricité P (k. W) = h h g Q h rendement (de 0, 75 à 0, 90) h hauteur nette d’eau en m Q débit nominal en m 3/s

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le stockage Hydraulique Deux grandes familles : les barrages et les stations de pompage hydraulique au fil de l’eau station de pompage / turbinage

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Technologie mature Barrages : développement historique des technologies adaptées Les turbines : 4 types principaux 1. La turbine Kaplan (type axial) : faible chute (<10 m) débit important genre hélice marine à pales orientables pour s’ajuster 2. La turbine Pelton (à impulsion): hautes chutes (10 -500 m), faibles débits roue à augets alimentée en eau haute pression par injecteurs 3. Turbine Francis (centrifuge) : moyenne chute (20 -350 m), débit moyen 4. Turbine Crossflow (Banki-Mitchell) (à impulsion) : rendement moyen, peu utilisée.

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 90% 80 -95% 90 -95% 80 -83%

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Station de Transfert d’Energie par Pompage STEP pompage heures basse conso turbine heures forte conso ~ machine hydroélectrique réversible STEP de Grand’Maison ≈ deux réacteurs nucléaires ! schéma de principe = rendement : électricité produite/électricité consommée 82% +

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 STEP mais aussi possibilité d’échanger entre un bassin de surface et un aquifère

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 STEP Avantages source d’énergie totalement renouvelable non polluante coûts de fonctionnement et entretien faibles technologie mature longue durée de vie (même après 50 ans) temps de réaction très rapide fortes capacités puissance produite flexible seule En. R à production à la demande déphasage de capacité de source /solaire en saisonnier

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Coût du système à technologie hydroélectrique données moyennes pour petites centrales hydroélectriques de 125 k. W et de 32, 4 MW Coût de la turbine : $450 - $600/k. W Coût total du projet : $1. 000 - $2. 100/k. W Répartition des coûts : Génie civil 15 - 40% Matériel 30 - 60% Infrastructure 10 - 15% Coûts de construction 10 - 15% Durée moyenne de construction : 2 -3 ans Coût d’exploitation et de maintenance : $0, 01 – 0, 02/k. Whr

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Le site de Le Chatelet Altitude terrain: 2726 ft (831 m) POSITION(Coordonnées GPS): Latitude. . . 44° 31'08''N Longitude. . . . 005° 44'15''E ~ 100 m

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à la centrale SOLENHA Cahier des charges : Calcul en puissance : Calcul capacitif : Encombrement : 20 MWe – 12 h supposant un rendement de 80% calculer le débit pour une chute de 129 m en déduire le volume d’eau pour 12 h de stockage calculer le nombre de cuves de 15. 000 m 3 Hauteur = 14 m et Diamètre = 37 m ou l’épaisseur d’eau sur la surface du terrain. . . Pour comparaison : ANDASOL (50 MW 7, 5 h 375 MWhe 1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves 14. 250 m 3

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à la centrale SOLENHA Cahier des charges : Calcul en puissance : Calcul capacitif : Encombrement : 20 MW – 12 h soit 240 MWh (12 MW 144 MWhe) P (k. W) = h H g Q P = 0, 8 129 9, 81 Q Q = 19, 8 m 3/s (11, 9 m 3/s) V = Q DT V = 19, 8 12 3600 V = 855 360 m 3 (513216 m 3) 56 cuves de H-14 m D-37, 2 m (15. 208 m 3) (34 cuves ou 64 cm) ANDASOL (50 MW 7, 5 h 375 MWhe 1010 MWht) sensible/sel-fondu « Two-Tanks » DT= 93°C: 2 cuves 14. 250 m 3

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autre solution : Le Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW Dh= 129 m V= 1, 2 milliards m 3 surface 28, 2 km 2 débit= 300 Mm 3/s V=? sur 28, 2 km 2 Dh = ? cm

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autre solution : Barrage de Serre-Ponçon P= 380 MW Dh= 129 m V= 1, 2 milliards m 3 surface 28, 2 km 2 débit= 300 Mm 3/s V = 513 216 m 3 sur 28, 2 km 2 Dh = 1, 8 cm

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 En France un savoir-faire à exploiter. . . aussi dans ce domaine !

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES Compressed Air Energy Storage rendement ~ 70 -75% stockage/déstockage thermique transformation ~ isotherme si système adiabatique stockage thermique associé !

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 pour limiter Tout et les pertes E : étages et échangeurs schéma bloc CAES c’est aussi un système de stockage thermique forte puissance/capacité. . .

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Combiné à une source énergétique : GN, fuel, . . . biomasse, solaire !!! Electricité out/Electricité in ≈ 1, 5

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Avantages du CAES : Stockage grande échelle : 50 – 300 MW, Peut stocker l’énergie sur de longues périodes (1 an), Temps de réponse très court : 9 min à 12 min, Exploitation d’un volume existant (réduction investissement), Volume de stockage invisible (acceptabilité), Séparation des étapes compression/génération: on exploite en production 100% de la turbine à gaz (1/3 en conventionnel pour comprimer le gaz à l’entrée).

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES Compressed Air Energy Storage Inconvénients du CAES : Besoin d’une caverne pour être low-cost, Aspects de corrosion à traiter sur de l’air comprimé humide, Surveillance nécessaire de la « structure » ,

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience HUNTORF Germany E. N. Kraftwerke 1978 (30 ans !) 580 MWh première CAES au monde deux cavernes de 150. 000 m 3 chacune H-200 m; D-30 m profondeur 600 -800 m Pressions: 43 -70 bars Vitesse de décompression max : 15 bars/h 290 MW pendant 2 h 60 MW pendant 12 h

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retours d’expérience : Huntorf Deux cavernes : avantages - redondance pour maintenance, - remise en pression plus rapide en cas de remise à P atm, - minimum de 13 bars pour démarrer le compresseur (besoin d’un compresseur mobile au démarrage). problème de tenue des canalisations en fibre de verre/polymère

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retours d’expérience : Huntorf échanges thermiques avec la paroi sur une épaisseur de 1 m environ Mesures Laser sur la structure entre 1984 et 2001 : pas d’effet

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience Mc. Intosh Alabama USA Alabama Electric Corporation 1991 110 MW Caverne de sel « cylindrique » creusée par dilution à l’eau profondeur 450 -750 m H-300 m D-80 m 538. 000 m 3 Pressions : 45 -76 bars Capacité : 110 MW pendant 26 h Démarrage en 15 min Consommation 30% GN (conv 40%) première CAES à récuperateur

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Retour d’expérience Norton Ohio USA NES Norton Energy Storage 2700 MW Volume: 10 millions m 3 mines de calcaire disponibles 9 turbine Alstom 300 MW PH = 100 bars turbine à gaz + fuel

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 CAES avec compensation de Pression

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Quelques perspectives d’amélioration Stockage thermique : capacité 1. 200 MWth, T~ 600°C matériaux résistants en T et P et corrosion ! Compresseurs adaptés : domaines de T et P (600°C, 160 bars) haut rendement, débit variable, temps de réponse court (qq min) Turbines Air : nouvelles nécessaires 300 MW domaines de T, P, Q.

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12 h hypothèses de travail : rendement : 75% (1) type « Huntorf » : PH = 70 bars, PB = 43 bars, T= 293 K (2) type « Hautes » : PH = 100 bars, PB = 50 bars, T= 293 K

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Application à SOLENHA Cahier des charges : Puissance 20 MWe durée 12 h Le travail c’est celui récupéré lors de la détente isotherme du gaz de PH à Patm : WH atm = ∫ P d. V = ∫ (n. RT/V) d. V transformation isotherme : = n. RT ∫ d. V/V = n. RT ∫ d. P/P = n. RT ln(PH/Patm) WH atm = n RT ln(PH/Patm) avec n le nombre de moles d’air concernées !

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 nombre de moles d’air concernées : ce sont celles qui ont quitté le volume. . . qui lui, est passé de P H à PB n. H PH V, T n. B PB V, T Dn = n. H – n. B = (PH V/RT) – (PB V/RT) = V (PH – PB) / (RT)

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 hypothèses de travail : « Huntorf » PH = 70 bars, PB = 43 bars, T= 293 K Dn = V (70 – 43) 105 / (RT) W = 20 12 3600 = 864. 000 MJ (518. 400 MJ) rendement de 75% Wcorr= 1. 152. 000 MJ = Dn RT ln (70/1) = V (PH – PB) ln (PH/Patm) V = 100. 427 m 3 (60. 256 m 3) comparaison « Huntorf » : V = 100. 427 580 MWh/240 MWh = 242. 700 ≈ 300. 000 m 3

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 Autres hypothèses « Hautes » : PH = 100 bars, PB = 50 bars, T= 293 K W = 20 12 3600 = 864. 000 MJ rendement de 75% Wcorr= 1. 152. 000 MJ = V (100 – 50) ln (100/1) Question : V = 50. 000 m 3 (30. 000 m 3) Y-a-t’il une caverne de 50. 000 à 100. 000 m 3 sous Le chatelet ? ? ?

Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521 C’est peut-être une grande idée de construire des CES en montagne …