Le stockage d'électricité à portée de main - CES

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Le stockage d'énergie stationnaire est une solution qui apporte de nombreuses possibilités dans le système électrique (production, transport, distribution). Il peut par exemple permettre une meilleure insertion des énergies renouvelables, venir en support des moyens de production pour le réglage de la fréquence et de la tension, ou encore décongestionner les réseaux aux heures de pointe en déchargeant de l'électricité préalablement stockée. Aujourd'hui, l'essentiel des services de stockage est assuré par des stations hydrauliques de pompage-turbinage: d'après l'institut Fraunhofer et l'EPRI, il représente 127 GWe soit 99% des capacités de stockage [1]. En effet, cette technologie bien maîtrisée bénéficie des coûts les plus compétitifs tout en offrant de larges capacités de stockage. Néanmoins, comme le souligne le professeur Donald Sadoway du Masschusset Institute of Technology (MIT), il est aujourd'hui très difficile d'obtenir des permis de construire et d'implanter de nouveaux sites de pompage-turbinage [2]. De plus, certains emplacements n'ont pas la configuration géographique nécessaire pour le développement de l'hydraulique.

Enfin, de nouvelles tendances apparaissent dans le stockage énergétique, pour qu'il s'intègre au système électrique partiellement décentralisé qui se met en place actuellement. De taille plus réduite, il sera dimensionné pour une maison ou un groupe de maisons et constituera une brique élémentaire des "smart grids". La gestion de l'énergie dans les éco-quartiers est repérée comme une réelle opportunité pour certains acteurs comme Bouygues et Alstom, qui ont récemment créé EMBIX, une entité commune offrant des services sur ce créneau [3]. Les technologies de stockage qui émergent pour ces utilisations sont principalement les batteries, mais les supercondensateurs et les systèmes de volants d'inertie sont également envisagés [4] [5]. Parmi les batteries, on verra par la suite que celles au lithium-ion semblent favorites.

Le stockage stationnaire résidentiel et commercial

L'application la plus intuitive du stockage individuel concerne les maisons ou les commerces équipés de panneaux solaires ; Panasonic a d'ailleurs prévu de longue date la commercialisation en 2011 d'un batterie de maison prévue à cet effet [6]. D'après le Pike Research, les installations photovoltaïques (PV) résidentielles pourraient représenter 3 GW en 2020 et si le stockage pénétrait 10% seulement du marché avec des batteries Li-ion à $345/kW, cela représenterait donc une opportunité de $100 millions [7].

Les applications du couplage PV+stockage ont été listées par le Sandia National Laboratory et résumées dans le tableau ci-après [4].

On y voit les interactions fortes avec la mise en place des smart grids ou la tarification variable de l'électricité au cours de la journée. Notons que la tarification variable peut prendre de nombreuses formes, comme le remarque GreenTech Media [8], et qu'elle sera sans doute une condition nécessaire au développement du stockage résidentiel possédé par les usagers, afin que ces derniers y trouvent une incitation financière. C'est le discours de Kenneth Munson, président et co-fondateur de l'entreprise Sunverge: un système PV de 2 kW couplé à 8,8 kWh de batteries au lithium-ion coûte le même prix qu'un système PV de 4 kW, mais les factures d'électricité seraient de 20% à 30% inférieures dans les régions qui appliquent un système de tarification dynamique. D'après lui, les utilisateurs pourraient de surcroît se faire rémunérer par les compagnies d'électricité s'ils les laissaient programmer la batterie comme ils l'entendent [9]. Notons que Sunverge intègre des batteries au lithium-ion du constructeur français Saft dans son système qui sera en démonstration sur 34 maisons à Sacramento (Californie) [10].

Pour les fournisseurs d'électricité, la réduction des coupures d'électricité représente un intérêt non négligeable. Aux Etats-Unis, en tous cas, celles-ci sont en constante augmentation depuis 15 ans avec 92 minutes de coupure dans le Midwest et 214 minutes pour le nord-est du pays lors d'une année normale (hors événements extraordinaires), d'après Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Le coût annuel de ces black-outs serait de $49 milliards [11]. A titre de comparaison, le temps de coupure moyen pour les clients du réseau de distribution français ERDF est de 85 minutes [12] et de 4 minutes au Japon [11].

Ainsi, le stockage à l'échelle du particulier sera certainement développé conjointement aux systèmes de production individuels, et c'est d'ailleurs l'objectif en Californie avec le programme de subvention Self-Generation Incentive Program (SGIP) qui existe depuis le début des années 2000 [13]. Cependant, il semblerait qu'il y ait plus de sens à tirer profit de l'interconnection de ces systèmes individuels et à utiliser l'expertise des gestionnaires de réseau d'électricité. C'est pourquoi la société American Electric Power (AEP), qui s'intéresse depuis longtemps au stockage de plus grande taille connecté au réseau, promeut depuis quelques années la solution du "Community Energy Storage" (CES).

Le stockage d'énergie communautaire

Le concept du CES, illustré ci-dessous, est d'installer une batterie par transformateur secondaire (240V|120V) soit, aux Etats-Unis, une batterie pour un groupe d'environ cinq maisons. Autrement dit, il s'agit d'unité de stockage d'environ 25 kW, distribués "à chaque coin de rue" [14].

Le contrôle de plusieurs batteries est effectué à distance en fonction de nombreuses informations comme le niveau de charge des batteries, la consommation des résidents ou des demandes du centre de dispatching [15].

L'entreprise travaille actuellement sur un projet de démonstration de smart grids dans l'Ohio touchant 110.000 consommateurs. Le budget est de $150 millions financé à 50% par le Department of Energy (DoE) [16]. Une partie du projet comportera des systèmes de CES : occupant à peu près le même volume qu'un réfrigérateur, ils contiennent chacun une batterie au lithium-ion de 25 kW de la société International Battery. L'installation du premier système a eu lieu récemment chez un employé d'AEP; trois autres maisons devraient ensuite y être connectées d'ici à la fin du mois. Enfin, d'ici la fin de l'année, quatre-vingt systèmes seront en place puis testés jusqu'en 2013. Pour commencer, AEP prévoit de se concentrer sur le confort des particuliers en leur offrant un service continu même en cas de coupure de courant, avant d'étudier le report de charge, et pour finir, la participation au réglage en fréquence et en tension du réseau. Comme le souligne le journal GigaOm, il est peut-être prudent d'impliquer et d'intéresser les ménages dans le développement du stockage communautaire, pour éviter les revers que connaissent les compteurs intelligents [17].

Dans le cadre du même fonds de démonstration, Detroit Edison a obtenu $5 millions pour un autre projet [16] comportant deux niveaux de stockage: 500 kW/250kWh seront associés à une centrale photovoltaïque de 500 kW et des batteries de 25kW/50kWh seront insérées au niveau des transformateurs basse tension, assurant ainsi du CES. A123 fournira les batteries, d'une durée de vie estimée à 1000 décharges profondes, qui seront enterrées pour réduire l'empreinte au sol (elles seront surmontées d'un onduleur S&C). Point original, des batteries de véhicules électriques fournies par Chrysler seront intégrées au système global à partir de mi-2013. Celles-ci auront déjà vécu une "première vie" dans une voiture et seront réutilisées pour le stockage stationnaire. Les applications qui seront démontrées dans ce projet concerneront plutôt le soutien au réseau : réglage de fréquence et en tension, report du pic et lissage de la production d'énergie solaire, "demand response" et enfin ilôtage [18].

Et que se passe-t-il en Californie?

En Californie du nord, le Sacramento Municipal Utility District (SMUD) développe un projet comprenant [19] :
- du stockage résidentiel couplé à du PV pour 15 maisons (10 kW/9 kWh)
- du stockage communautaire avec trois systèmes pour une vingtaine de maisons (30 kW/30 kWh pour des groupes de 5 à 9 maisons)
- 25 maisons "témoins" qui n'auront pas de stockage.

L'intérêt de tester les deux configurations en même temps sera de pouvoir mieux comparer les avantages et inconvénients de chacune, notamment pour l'intégration des énergies renouvelables. Comme pour le projet de Sunverge à Sacramento, c'est Saft qui fournira les batteries li-ion; pour le volet résidentiel elles seront intégrées aux systèmes OnDemand de Silent Power. Le projet a obtenu $4,3 millions du DoE dans le cadre du Stimulus Package, ce qui couvrira l'essentiel du budget ($5,9 millions) [20]. Plus au sud, c'est avec LG Chem que South California Edison (SCE) s'est associé pour un autre programme de stockage résidentiel centré sur les aspects de demand response et de production d'énergie renouvelable en couplage avec une infrastructure de compteurs intelligents [21].

Outre ces projets à l'initiative directe de compagnies d'électricité, l'Electric Power Research Institute (EPRI) s'intéresse également au stockage par batteries li-ion à petite échelle dans ses programmes de recherche. Les bénéfices attendus sont le report de charge, le report des investissements dans les moyens de production, de transport et de distribution et l'amélioration de l'utilisation des système de comptage intelligents.

Des batteries de 6kW/20kWh sur socle avec un système de gestion de Greensmith Energy ont déjà été testées au laboratoire de Knoxville (Tenessee) et l'EPRI regarde les modèles de plusieurs constructeurs de batteries, comme International Battery ou BYD par exemple. Les éléments étudiés sont la performance, la fiabilité, la capacité de cyclage et l'évolution des grandeurs des systèmes [1] [22] [23] [24].

Enfin, notons l'existence en Californie d'une startup extrêmement discrète nommée Solar Storage [25].

Conclusion

Pour récapituler, les notions de stockage distribué, stockage communautaire, stockage résidentiel, stockage pour la maison s'entremêlent parfois, tant dans les configurations d'architecture que dans les applications attendues ou encore du modèle d'affaire associé (qui sera propriétaire de la batterie?). De plus, ce sont souvent les mêmes acteurs qui proposent des solutions de tailles différentes. Citons l'exemple d'Exergonix, qui vient d'obtenir un contrat avec Kansas City pour 1 MW (150 pâtés de maisons ou 330 maisons) [26] mais qui développe aussi des systèmes communautaires de plus petite taille (25 kWh) [27].

Le tableau ci-dessous résume les exemples évoqués dans cet article et l'on peut y retenir des dimensionnements variés que les mesures retenues sont d'une demi-heure à trois heures de stockage pour une puissance crète d'environ 5 kW par maison.

Une relation notable est celle qui lie stockage à l'échelle de la maison ou du quartier et les véhicules électriques. Non seulement les ordres de grandeur sont les mêmes, mais la technologie dominante est le li-ion dans les deux cas et dans le futur les interactions "vehicule to grid" dans lesquelles les batteries des automobiles au repos offriraient des services au réseau pourraient être monnaie courante. Ainsi, les acteurs de ces deux secteurs pourraient avoir envie de jouer sur tous les fronts. On l'a vu avec Chrysler dans le projet de seconde vie des batteries, mais c'est également le cas des producteurs de batteries comme par exemple Seeo à Berkeley (Californie). Cette start-up utilise sa technologie propre d'électrolytes polymères nanostructurés pour développer une batterie de 25 kWh dédiée aux applications réseau et plus particulièrement au stockage communautaire (le projet de $12 millions est sponsorisé à 50% par le DoE [16]).

Il pourrait également il y avoir compétition entre les véhicules électriques et le stockage communautaire, notamment sur l'approvisionnement en lithium dont les ressources sont limitées (cf http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65953.htm, http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/66045.htm).


ORIGINE : BE Etats-Unis numéro 239 (11/03/2011) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/66104.htm


- [1] Electric Energy Storage Technology Options - A primer on Applications, Costs & Benefits, EPRI, déc. 2010 - http://my.epri.com/portal/server.pt?Abstract_id=000000000001020676
- [2] Innovations in Energy Storage, conférence des anciens du MIT dans le nord de la Californie, 8 mars 2011
- [3] Alstom et Bouygues créent une société commune pour le marché des éco-quartiers, CleanTech Republic, 11 jan. 2011 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/VS83P
- [4] Solar Energy Grid Integration Systems -Energy Storage (SEGIS-ES), Sandia National Laboratory, juil. 2008 - http://prod.sandia.gov/techlib/access-control.cgi/2008/084247.pdf
- [5] Residential Energy Storage and Propane Fuel Cell Demonstration, NYSERDA -http://www.storagemonitoring.com/nyserda-doe/fuelcell.shtml
- [6] Panasonic plans home-use storage cell, 23 déc. 2009, physorg.com -http://www.physorg.com/news180778009.html
- [7] Residential Energy Storage, Pike Energy Research, 23 juil. 2010 -http://www.pikeresearch.com/research/residential-energy-storage
- [8] It's Time to Give Dynamic Pricing a New Name, GreenTech Media, 18 jan. 2011 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/vCkLk
- [9] Can Batteries Reduce the Cost of Solar?, GreenTech Media, 16 fév. 2011 -http://redirectix.bulletins-electroniques.com/kgc1Q
- [10] Saft Lithium-Ion Battery Technology Selected for Solar Energy Storage Project in California, PR Newswire, 16 fév. 2011 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/zZLAB
- [11] U.S. Electrical Grid Gets Less Reliable, IEEE spectrum, jan. 2011 -http://redirectix.bulletins-electroniques.com/L6xzB
- [12] Durée moyenne d'interruption d'alimentation (hors événements exceptionnels et hors coupures dues au réseau de transport) pour les clients basse tension, Site internet ERDF, jan. 2011 -http://www.erdfdistribution.fr/Continuite_et_qualite_de_la_desserte
- [13] Self-Generation Incentive Program Handbook, CPUC, 5 mai 2010 -http://redirectix.bulletins-electroniques.com/iaizL
- [14] The Other CES: Why Community Energy Storage is Such a Good Idea?, blod de NDN, 3 mars 2011 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/rEutP
- [15] Functional Specification For Community Energy Storage (CES) Unit - Rev 2.2, AEP, 12 sept. 2009 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/BHp68
- [16] Smart Grid Demonstration Project, site http://www.smartgrid.gov, consulté le 9 mars 2011
- [17] Backyard Batteries Test Price Points, Biz Models, Gigaom, 8 mars 2011-http://redirectix.bulletins-electroniques.com/XTiP8
- [18] Detroit Edison's Advanced Implementation of A123's Community Energy Storage Systems for Gir Support (DE-OE0000229), DTE Energy, 3 nov. 2010 -http://www.sandia.gov/ess/docs/pr_conferences/2010/hawk_dte.pdf
- [19] How Can Energy Storage Enhance Value of PV and Wind in a Smart Grid Environment - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/yK3go
- [20] Could solar energy storage be key for residential solar ?, blog du DoE, 26 oct. 2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/UKHHw
- [21] LG Chem Awarded Home Battery Pilot Program by Southern California Edison, Communiqué de presse, 6 oct. 2010 -http://compactpower.com/Documents/10610-LGCPI_SCErelease-FINAL.pdf
- [22] Energy storage: enabling grid-ready solutions, Journal de l'EPRI, Eté 2010 -http://redirectix.bulletins-electroniques.com/CpP9T
- [23] Energy Storage projects, programme de recherche 2011, site de l'EPRI -http://mydocs.epri.com/docs/Portfolio/PDF/2011_P094.pdf
- [24] Pad-Mounted Energy Storage (PES) Field and Control Demonstration, nov. 2009 - http://my.epri.com/portal/server.pt?Product_id=000000000001020471
- [25] http://www.solarstoragecompany.com/
- [26] Fiche de spécification technique, site internet d'Exergonix, consulté le 8 mars 2011 - http://www.exergonix.com/documents/CES_brochure.pdf
- [27] Exergonix Inc. is charged up about its new battery, Kansas City Business Journal, 4 fév. 2011 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/eSbcx