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Retour d'expérience des démonstrateurs d'Enedis intégrant le stockage d'électricité
Karl Axel Strang, PhD (Mines de Nancy 99, Stanford PhD 09)
Chargé de mission stratégie
Direction Stratégie – Enedis
Frédéric Letty (Supélec 99)
Consultant Senior Smart Grids
Direction Stratégie – Enedis
Enedis a testé en conditions réelles des systèmes de stockage d'énergie afin d'évaluer leur rôle dans l'évolution des systèmes électriques. En fonction de sa taille et de son positionnement sur le réseau électrique, un système de stockage d'énergie peut apporter différents services aux acteurs du système électrique.
A ce jour, une approche multi-clients et multi-services semble la plus pertinente d'un point de vue économique. Trois familles de conditions détermineront le développement du stockage d'énergie : l'évolution du coût et des performances des systèmes, l'évolution des cadres réglementaire et régulatoire, et la définition de nouveaux modèles économiques.
Le rôle du stockage d'énergie dans le système électrique de demain
Le stockage d'énergie est perçu de façon globale comme l'un des piliers techniques sur lesquels sera fondé le futur des systèmes électriques notamment face au besoin grandissant de flexibilité de ceux-ci.
Le stockage d'électricité a été identifié comme un soutien clé à l'essor des sources de production exploitant les Energies Renouvelables (EnR), en particulier pour résoudre les problèmes liés à la variabilité, aux erreurs de prévision, au faible niveau d'adéquation entre les heures de disponibilité du productible et les heures de forte consommation, ou encore au déficit actuel de participation de ces producteurs aux services système.
En parallèle des Stations de Transfert d'Énergie par Pompage (STEP), qui représentent aujourd'hui plus de 99% de la puissance mondiale de stockage, se développent d'autres filières.
Les nouvelles technologies de stockage d'énergie (batteries électrochimiques, supercondensateurs, volants d'inertie, conversion de l'électricité en hydrogène, gaz naturel ou en chaleur) apportent de nouvelles fonctionnalités pour le système électrique de demain. En effet, ces technologies peuvent couvrir dès aujourd'hui une large gamme de besoins (du kW à plusieurs dizaines de MW et de quelques secondes d'autonomie à des dizaines d'heures, avec un temps de réponse qui peut descendre jusqu'à quelques millisecondes sous réserve essentiellement d'une commande adaptée) et pourraient permettre des synergies avec les réseaux de gaz, chaleur et de froid.
Ces nouvelles technologies de stockage d'énergie se distinguent des dispositifs conventionnels de production en offrant la possibilité d'un raccordement au plus près d'un site de consommation ou de production, ainsi qu'une grande flexibilité de ce site.
Les services apportés par le stockage d'énergie
Le stockage d'énergie peut ainsi apporter de multiples services aux acteurs du système électrique. Enedis en a identifié une trentaine à la fois pour les producteurs, les réseaux de transport et de distribution d'électricité, les consommateurs et pour un opérateur dédié à des systèmes de stockage.
Chacun de ces services utilise le système de stockage d'énergie de manière différente. Les caractéristiques principales de ces services sont la puissance, la durée de l'utilisation du système de stockage, l'énergie, et le temps de réponse nécessaires.
Certains de ces services sont déjà établis par la réglementation comme le réglage de fréquence et le réglage de la tension, alors que d'autres dépendent de la situation locale du site et du réseau. Les services les plus utilisés aujourd'hui sont l'arbitrage marché et le réglage de fréquence.
Les démonstrateurs pilotés par Enedis incluant du stockage d'énergie
Entre 2011 et 2016, Enedis a piloté les démonstrateurs Venteea et Nice Grid testant l'apport des systèmes de stockage sur le réseau public de distribution dans le contexte d'un fort développement d'énergies renouvelables variables.
Le projet VENTEEA a visé à répondre à l'enjeu de l'insertion massive de production d'énergie éolienne sur le réseau de distribution de moyenne tension en milieu rural. Le projet a développé des systèmes d'observation, de prévision et de régulation de la tension et du réactif, en combinaison ou pas avec un système de stockage d'électricité.
Le projet Nice Grid était un démonstrateur de quartier solaire intelligent impliquant des clients résidentiels, professionnels et collectifs en milieu semi-urbain sur le territoire de Carros. Le projet a étudié un concept de réseau électrique intelligent intégrant une forte proportion de production photovoltaïque décentralisée, couplée à des systèmes de stockage répartis sur les différentes mailles du réseau de distribution.
Nice Grid a également testé différents niveaux de pilotage de ressources de flexibilité jusqu'à l'îlotage d'une zone de consommation, rendue complètement isolée du réseau principal pendant quelques heures et dotée de ses propres moyens de production et de stockage.
Pour répondre à l'enjeu de l'insertion des énergies renouvelables et le pilotage des ressources de flexibilité, ces deux démonstrateurs ont testé les différents services apportés par le stockage d'énergie cités plus haut, de manière isolée puis de manière combinée afin de tester une approche multi-clients et multi-services sur un même système de stockage d'énergie.
Les principaux retours d'expérience de Venteea et Nice Grid
Les tests de systèmes en conditions réelles ont permis la montée en compétence de tous les acteurs impliqués à la fois pour l'industrialisation de ces solutions, pour l'insertion de ces moyens sur les différentes mailles du réseau de distribution (poste source, poste de transformation HTA/BT, chez les clients résidentiels), et pour la vérification en conditions réelles des performances des équipements.
Pour une bonne utilisation des systèmes de stockage d'énergie, les modèles de prévision sont un composant clé pour établir la stratégie d'utilisation de la capacité de stockage et ainsi pour maximiser la valeur apportée.
Le point de raccordement au réseau est un facteur-clé pour déterminer les services que le stockage peut offrir. Sur les trente services identifiés, treize services ont été testés avec succès de manière individuelle ou de manière combinée sur une même journée. Certains services ne peuvent pas être combinées facilement, car en compétition pour l'utilisation de la capacité de stockage.
Perspectives pour le stockage d'énergie dans le système électrique
Du point de vue technique, le stockage d'énergie sera une source grandissante de flexibilité dans le système électrique de demain, à condition que ses performances (fiabilité, disponibilité et efficacité énergétique du système) s'améliorent. L'îlotage pourrait d'ailleurs présenter un intérêt pour l'alimentation de sites isolés qui combineraient de la production d'origine renouvelable, du stockage et dans certaines conditions un complément par groupe électrogène.
Du point de vue du modèle économique, il est important de noter que le stockage d'énergie est en compétition avec d'autres solutions pour la plupart des services identifiés. Si les coûts deviennent compatibles avec les services envisagés, le déploiement serait possible à toutes les mailles des réseaux. Les systèmes multi-clients et multi-services permettent de mutualiser les investissements et d'augmenter l'utilisation du système et donc sa performance économique, et nécessite une bonne coordination des acteurs impliqués, en particulier avec les opérateurs de réseaux.
Les nouveaux modèles économiques des services associant le stockage d'énergie sont en cours d'élaboration pour le marché français. Ils dépendent à la fois de l'évolution des cadres réglementaire et régulatoire, en discussion à l'échelle européenne et nationale, des besoins de flexibilité du système électrique et de la volatilité du marché de l'électricité, notamment dans une perspective d'une forte insertion des énergies renouvelables variables sur les marchés.
Le modèle d'une batterie dédiée dans chaque client résidentiel semble peu pertinent à ce jour en France à la fois pour des considérations économiques et pour la coordination des acteurs du système électrique. Le projet Nice Smart Valley envisage ainsi de poursuivre les tests de solutions de stockage dans des approches communautaires, dite « cloud storage », dans des quartiers résidentiels à forte pénétration PV afin de maximiser l'usage de la batterie et la valeur apportée à l'ensemble des parties prenantes.
Articles du dossier "Le Stockage de l'Energie"
1- Introduction par Cédric Ringenbach
2- Le stockage de l’électricité par batteries dans les systèmes électriques
3- Retour d’expérience des démonstrateurs d’Enedis intégrant le stockage d’électricité
4- Neoen installe avec Tesla la plus grande batterie du monde
5- Utilisation de batteries de véhicules électriques comme stockage stationnaire : Le projet ELSA
6- Supercondensateurs : Technologie et applications
7- Storengy du stockage de gaz naturel au stockage d'énergies, cas concret de l'énergie thermique
8- L’hydrogène, nécessaire outil de flexibilité des systèmes énergétiques
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