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Optimisation d’un système hybride de génération d’énergie électrique
Les systèmes de stockage d’énergie
Le stockage de l’énergie possède de nombreux domaines d’application. On pourra l’utiliser comme solution pour favoriser l’insertion des énergies renouvelables fluctuantes mais aussi pour améliorer l’efficacité énergétique ou apporter de la flexibilité aux systèmes énergétiques ou encore pour renforcer la sécurité et la fiabilité des réseaux. Dans le cas d’un groupe électrogène hybride, le système de stockage d’énergie nous servira à maitriser la production du moteur thermique pour en minimiser sa consommation. Nous nous positionnons donc dans le cadre du système de stockage ayant pour objectif d’améliorer l’efficacité énergétique d’un groupe électrogène traditionnel. Regardons alors quelles sont les technologies actuelles qui sont susceptibles de répondre à nos besoins pour l’hybridation d’un groupe électrogène.
Les technologies
L’énergie électrique ne se stocke jamais sous sa forme première et nécessite une transformation pour être stockée sous une autre forme. On pourra par exemple la stocker sous forme : – mécanique (énergie potentielle ou cinétique), – thermique (chaleur latente ou sensible), – chimique (accumulateur, hydrogène), – électromagnétique (bobines supraconductrice). Selon les caractéristiques souhaitées, différentes technologies existent. Certaines seront bien adaptées pour des fortes puissances, d’autres pour des quantités d’énergie stockées très importantes.La figure 1 montre la répartition des différentes technologies de stockage en fonction de leur puissance et de leur autonomie. Ceci ne reste qu’un ordre de grandeur car les technologies évoluent assez rapidement notamment pour les batteries lithium et les super-condensateurs qui sont en pleine expansion. Dans le cadre de cette thèse, le système de stockage devra être lié au groupe électrogène et devra donc rester transportable. Nous ne parlons pas ici de système de stockage mobile comme on peut les retrouver dans les véhicules électriques mais bien de système de stockage transportable car ils peuvent être amenés à être déplacés mais ne sont que très rarement en mouvement lors de leurs utilisations. Nous pouvons d’ores et déjà écarter de notre étude les technologies de pompage hydraulique, de stockage par la chaleur ou de stockage par air comprimé qui nécessitent des installations à part entière et ne sont utilisées que pour de très fortes puissances, en général supérieures au mégawatt. De plus, nous bornons notre étude à des groupes électrogènes d’une puissance comprise entre 10kW et quelques centaines de kilowatts. Nous nous intéresserons alors par la suite exclusivement aux technologies des volants d’inertie, des super-condensateurs et des batteries électrochimiques.
Les volants d’inertie
Un volant d’inertie est un système permettant le stockage de l’énergie sous forme cinétique dans une masse en rotation. Son intégration peut se faire directement sur l’arbre moteur. Néanmoins pour l’utiliser en tant que stockage électrique, il doit être associé à une machine électrique qui fonctionne en moteur ou en générateur suivant les flux de puissance souhaités. En notant 𝔐 le moment d’inertie du rotor et ω sa vitesse de rotation, on peut écrire l’énergie stockée suivant la formule (1) : E = 1 2 𝔐 𝜔 2 ( 1 ) Dans le cas d’un cylindre plein de rayon 𝑟 et de masse 𝑚, le moment d’inertie peut s’écrire suivant l’équation (2) : 𝔐 = 1 2 𝑚 𝑟 𝟐 ( 2 ) La quantité d’énergie stockée est donc proportionnelle à la masse en rotation 𝑚, au carré de sa vitesse de rotation ω et au carré de son rayon 𝑟. Les systèmes à haute vitesse sont donc souvent utilisés pour éviter d’avoir un encombrement ou un poids trop importants. Pour les volants d’inertie haute vitesse, il devient intéressant de les placer sur des paliers magnétiques et dans des enceintes sous vide pour limiter au maximum les pertes mécaniques par frottements. Même si cela rajoute des pertes de par la pompe à vide et l’électroaimant des paliers magnétiques, le gain apporté reste favorable. La vitesse de rotation est néanmoins limitée par la résistance à l’étirement des matériaux. Les volants les plus modernes sont en fibre de carbone, un matériau plus souple que l’acier, et tournent en lévitation magnétique, sous vide, entre 20 000 et 50 000 tours par minute. Il est nécessaire, par sécurité, d’encapsuler le rotor dans un boitier très résistant, ce qui représente souvent un poids encore plus important que le rotor lui-même, mais en fait un système robuste. La vitesse maximale de rotation est atteinte après quelques dizaines de secondes seulement, ce qui en fait un mode de stockage parmi les plus rapides au niveau du chargement
Table des figures |
