Le stockage d’énergie pour le bâtiment Sandrine PINCEMIN
Les aspects électriques 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Le CSTB en bref … 800 personnes, 4 sites, 8 départements, 3 métiers > Recherche et ingénierie innovante > Evaluation de la qualité > Diffusion du savoir
4 axes de R&D + 1 axe transverse > Ville durable > Bâtiment propre et efficace > Maîtrise des risques > Constructions et évolutions sociétales > Systèmes d’information et communication
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Pôle EnR: Thèmes de recherche Production décentralisée de chaud et de froid Capteurs solaires (optimisation du fonctionnement des ballons) Evaluation énergétique et environnementale du Plan SOLEIL 140
14.0
123
12.0
Emissions de CO2 évitées par les CESI du plan Soleil
10.0 7
8.0 6.0 4
4.0 2
2.0 0
0.0 1999
0
0
2000
2001
2003
2004
2005
2006
Economies d’énergie primaire apportées par les CESI du plan Soleil
100 70
80 60 37
40 17
20
1
2002
120 GWh énergie primaire
milliers de tonnes de CO2
12
0
0
1
0 1999
2000
2001
6
2002
2003
2004
2005
2006
temps
temps
Géothermie Plateforme Géothermique Plateforme recherche (champ de sondes) Approche multi-site avec le BRGM
COFOGE Fondations géothermiques
GEOBAT (F) et MESSIB (EU) Stockage saisonnier dans le sol 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Pôle EnR: Thèmes de recherche Production décentralisée d’électricité Aide à la conception – Produits verriers photovoltaïque Simple, double et triple vitrage
Météorologie Production PV Température des interfaces
Aide à l’innovation - Composants solaire hybrides Influence du refroidissement du module PV Température (°C)
80 Module non isolé Module isolé Module Hybride
60 40 20 0 4200
4300
4400
4500 Temps (mn)
4600
4700
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4800
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Pôle EnR: Thèmes de recherche Stockage d’énergie Production décentralisée de chaud et de froid Thèses:
Stockage géothermique (V. Partenay) Etude de la stratification des ballons ECS (D. Blandin)
MESSIB :
Stockage d’énergie multi-source pour le bâtiment
Production décentralisée de chaud et de froid Projet LionBat (financement Ademe) - démarrage le 26 nov. Accroissement de la part PV par utilisation de batterie Li-ion
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Plan de la présentation Contexte énergétique Secteur du bâtiment Stockage électrique Technologies adaptées Travaux préliminaires
Convergence bâtiment – véhicules Optimisation de l’usage électrique : PAC
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Plan de la présentation Contexte énergétique Secteur du bâtiment Stockage électrique Technologies adaptées Travaux préliminaires
Convergence bâtiment – véhicules Optimisation de l’usage électrique : PAC
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Le contexte énergétique Des enjeux à l’échelle planétaire Des réserves limitées Charbon (220 ans), Gaz (60 ans), Pétrole (50 ans) Les tensions géopolitiques Développement de conflits Les changements climatiques et les émissions de CO2
t CO2/hab
20 –
Amérique
Emissions de CO2 par habitants
15 –
10 –
Ademe – chiffres clés Australie
Asie et nouveaux pays industrialisés Japon Europe de l’ouest Moyen orient
5–
CEI Europe centrale Chine
0– 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
Amérique latine Asie pacifique en développement Afrique Asie du sud
Population PAGE 8
Le contexte énergétique Solutions envisagées Protocole de Kyoto (1998, entré en vigueur en 2005) Parmi les objectifs : Limiter les émissions des GES, - 5,2 % pour les pays industrialisés
80%
Evolution entre 1990 et 2002 60%
40%
20%
-14% - 1,9% -18% - 38%
Tendance vers la baisse est amorcée
0% Inde
Brésil
Chine
Canada
Etats-Unis
Japon
France
Royaume- Allemagne
Russie
Uni
-20%+70%
+49% +13% +57% +20% +12%
-40%
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Le contexte énergétique Solutions envisagées Protocole de Kyoto (1998, entré en vigueur en 2005) Parmi les objectifs : Limiter les émissions des GES, - 5,2 % pour les pays industrialisés
Directives européennes (règle des trois 20) 20% d’énergies renouvelables dans la consommation totale d’énergie Réduction de 20% des émissions de GES / niveau de 1990 20% d’économie d’énergie
En France Grenelle de l’environnement Accélération du calendrier : 2012 = BBC / 2021 = BePos Facteur 4, division par 4 des émissions de GES (Facteur 4)
A venir Conférence de Copenhague, Dec 2009 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Plan de la présentation Contexte énergétique Secteur du bâtiment Stockage électrique Technologies adaptées Travaux préliminaires
Convergence bâtiment – véhicules Optimisation de l’usage électrique : PAC
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Secteur du bâtiment Les évolutions
Bâtiment réhabilité « basse énergie »
État du parc
RT 2005 RT 2005 autre Chauffage électrique Chauffage
Bâtiment passif ou très basse énergie BePos
Construction « basse énergie »
Nouvelles solutions pour atteindre ces objectifs 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Secteur du bâtiment Les évolutions : du bâtiment ancien vers le BePOs 600
500
Ventilation ECS Electricité PV ECS Solaire
400 kWh/(m2.an)n)
EnR et stockage associés Thermique et électrique
Murs Toit
300
Solutions multiples & usages nombreux Solaire thermique Sensible, latent, thermochimique
200
Solaire photovoltaïque Electrochimique, mécanique, magnétique
100
Géothermie + PAC
0 Maison anciennes
Enveloppe 2005 Chauffage ancien
Enveloppe 2005 Chauffage neuf
2050?
Autres solutions Convergence bâtiment – véhicule électrique
-100
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Secteur du bâtiment Usages électriques Consommation électricité Spécifique
30 kWh pour une famille de 4 personnes pendant 3 jours
Réduction sur certains postes MAIS apparition de nouveaux postes Annulation des économies 2,3 % an (autres usages) 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Secteur du bâtiment Evolution de la consommation électrique en France Pics de consommation A l’échelle nationale Idem échelle résidentielle
50000
Puissance (MW)
45000 40000
Gestion par énergie fossile
35000 30000
Autre solution
20/09/2009 Courbe consommation
25000
Introduction d’un stockage pour le lissage des pics de production
20000 Source RTE
15000 10000
Stockage du surplus Pour période de manque
5000 0 0
4
8
12 Heures
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Fonctionnement régime nominal PAGE 15
Secteur du bâtiment 3 types de solutions pour les aspects électriques - EnR + stockage - Modification du schéma type : Convergence bâtiment / véhicule - Utilisation de PAC + géothermie
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Plan de la présentation Contexte énergétique Secteur du bâtiment Stockage électrique Technologies adaptées Travaux préliminaires
Convergence bâtiment – véhicules Optimisation de l’usage électrique : PAC
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Le stockage d’énergie Pourquoi insérer un stockage d’énergie ? Dans le cas d’utilisation d’énergies renouvelables Rayonnement solaire
Rayonnement solaire Stockage
Heures de la journée Puissance requise Heures de la journée
Conséquences directes Gestion des intermittences de la source Rencontre production consommation 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
- Autoconsommation - Energies fossiles - CO2 PAGE 18
Le stockage d’énergie Heures
Rôles possibles du stockage d’énergie Transport
Minutes
Installations finales
Secondes
Temps de décharge
Puissance Réserve rapide
Energies Renouvelables
Qualité et fiabilité du réseau
Disponibilité du réseau
Puissance 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Le stockage d’énergie Les technologies existantes et adaptées au bâtiment A ce jour … Densité de puissance (W/kg) 10000 1000
Pb-Acide 1000
PACo < 1000 cycles Super conducteur
Volant à inertie
100 10
Batterie
1
Lithium
Air comprimé
Li-Ion 0,1
100
0,01 Plomb
10
Piles à combustible
1 Volant d'inertie
1 10 100 1000 Densité énergétique (Wh/kg) 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
supercondensateur
Durée de vie ()20 ans ()50 ans PAGE 20
Le stockage d’énergie Les technologies existantes et adaptées au bâtiment 8000
Fortement dépendant de la maturité
7000
Coût [€/kWh]
6000
Fort potentiel d’intégration des batteries Li-ion
5000 4000 3000 2000 1000
(+) Puissance, énergie, durée de vie (-) coût production de masse
Pi le
à
d' in
co m bu st ib Su le pe rc ap ac ité s
n ol an t V
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Li
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Pb s B
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0
Coût indicatif 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Le stockage d’énergie Ordre de grandeur Si on vise l’autonomie sur 3 jours 30 kWh Batterie au plomb La moins chère (200 €/kWh) et la fiable actuellement Représente environ 750 kg de batterie, local ventilé et fermé Investissement de 6000€, sans compter la maintenance Durée de vie 5 ans environ pour ces systèmes Non intéressant par rapport au tarif de rachat PV Injection réseau MAIS évolution vers l’autoconsommation comme en Allemagne??? 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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PV + Stockage Calculs préliminaire Vers autoconsommation Explorer différents scenarii de gestion de l’énergie
Habitants
Autoconsommation de la production (PV + Batterie) Autoconsommation et injection de l'excédent ? Autoconsommation (et injection de l'excédent) + contribution fixe du réseau. 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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PV + Stockage Moyen d’étude : Logiciel TRNSYS Simulation dynamiques et annuelles
Climat (PV) Bâtiment (besoin) Batterie (cyclage) Réseau (heure pleines /creuses)
Scenarii de gestion
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PV + Stockage Résultats préliminaires : Approche énergétique Bâtiment producteur Mais non autonome
Fraction de couverture journalier Possibilité de suffisant
Capacité de la batterie par rapport à l’énergie moyenne quotidienne produite par les PV
Bâtiment consommateur 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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PV + Stockage Forte production PV Zone 1 : forte capacité batteries. Zone 3 : faible capacité batterie
Faible production PV Zone 2 : forte capacité batterie. Zone 4 : faible capacité batterie 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
% de couverture journalier
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PV + Stockage Résultats préliminaires Augmentation du PV possible Tx de pénétration PV (x 2) avec une batterie au plomb Evolution des technologies de stockage ? A suivre Modèle nécessité de développer des modèles adapté aux nouvelles technologies
MAIS Impact environnemental ? ACV ? Augmentation continue des besoins électriques Vers responsabilisation du consommateur ?
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Plan de la présentation Contexte énergétique Secteur du bâtiment Stockage électrique Technologies adaptées Travaux préliminaires
Convergence bâtiment – véhicules Optimisation de l’usage électrique : PAC
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CV bâtiment - véhicules Objectifs de l’étude : Viabilité/intérêt d’utiliser le VE comme unité de stockage supplémentaire, avec EnR Etudes de plusieurs scénarii Prod PV : résidentiel et possibilité au travail recharge Utilisation d’un véhicule électrique Intégration d’un stockage stationnaire (± ± autonomie) Prod PV domicile 30 m²
22 m²
Prod PV travail sans
sans
8 m²
Dplct VE Med.
Moy
Stockage stationnaire Sans
Auton. 4h
Auton.2j
Permettre le bon dimensionnement du stockage stationnaire et PV Complémentarité avec recharge sur lieu de travail? Etude menée au CSTB Grenoble Y. Marcoux, D. Chupin, D. Quénard 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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CV bâtiment - véhicules Présentation du système étudié Prévisions météorologiques
Etat du réseau électrique
Production locale EnR*
Connaissance des usages
Consommation électrique*
Support réseau Stockage stationnaire* Véhicule électrique – Stockage appoint * Correspond à des travaux de recherche au sein du CSTB 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
Connaissance des déplacements PAGE 30
CV bâtiment - véhicules Modélisation dynamique sur TRNSYS
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CV bâtiment - véhicules Scénarii de base Pas de recharge au travail, pas de stockage stationnaire Quel électricité pour se loger et se déplacer? Usages de la production photovoltaïque
Production PV tot. = 4783 kWh (dont 2759 kWh réinjecté sur le réseau)
(distance domicile – travail = 8 km)
(distance domicile – travail = 26 km)
Consommation tot. = 3985 kWh
Consommation tot. = 5881 kWh
Valeurs remarquables : - Passif / producteur d’énergie (pas de recours au réseau) - VE rechargé à hauteur de :
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35,4% du temps
77.6% par le solaire
26.6% par le solaire
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CV bâtiment - véhicules Influence de la capacité de stockage C = 33 kWh (2 jours)
C = 3 kWh (4h)
Passif/BePOS 84.2 % du temps
Passif/BePOS 54.9 % du temps
Permet de valoriser près de 30 % de la production PV
Permet de valoriser près de 13 % de la production PV
(équivalent 50 cycles charge/décharge)
(équivalent 200 cycles charge/décharge)
Prix indicatif: 6 600 euros
Prix indicatif: 600 euros
Durée de vie théorique: 20 ans
Durée de vie théorique: 5 ans
Dimensionnement optimal (économique & énergétique) à faire 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Conclusions / Perspectives Conclusions: Outil opérationnel permettant de traiter dans son ensemble les questions énergétiques relatives aux bâtiments et aux transports associés Pistes à développer plus en détail Améliorations envisageables à court termes: Prise en compte de la technologie de batteries (Type de charge, autodécharge, durée de vie, etc…) Diversification des scenarii: Utilisation aléatoire du véhicule, … Etude économique: Evolution du prix de l’électricité, coût global des technologies Impact environnemental global 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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Plan de la présentation Contexte énergétique Secteur du bâtiment Stockage électrique Technologies adaptées Travaux préliminaires
Convergence bâtiment – véhicules Optimisation de l’usage électrique : PAC
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PAC / Géothermie Pompe à chaleur COP ≅ 3 Faible ∆T
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PAC / Géothermie
sol / sol
Eau glycolée / eau
sol / eau 21 octobre 2009 | ESE | POLE ENERGIE RENOUVELABLES
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PAC / Géothermie Comparaison des différents systèmes Prélèvement de la chaleur Air PAC Air/eau
Climat peu rigoureux Altitude peu élevée Nécessite d’un appoint lorsque T
