Le temps est révolu où les rangs ordonnés des ouvriers se rendaient aux machines à sept heures du matin, et à huit heures du soir, ils quittaient les usines dans le même ordre et s'endormaient presque simultanément devant la télévision. Désormais, les mégapoles ne s'endorment jamais, et avec elles 24/7 et toute l'humanité progressiste, les «hiboux», l'industrie du divertissement et les sociétés de réseau mondiales. Tous ont besoin d'électricité, et à tout moment, sans cyclicité prononcée. Pendant ce temps, le monde passe aux sources d'énergie renouvelables, dont la production dépend de conditions naturelles qui ne sont pas contrôlées par les humains. Comment dans ce monde faire le plein puis partager l'électricité, en évitant les pannes d'électricité? Parlons de l'exemple des technologies Toshiba.
Plus l'électrification de la planète entière
La consommation d'électricité augmentera. Les principales directions de ce processus sont l'électrification des véhicules, le transfert de certains procédés industriels de l'énergie thermique à l'alimentation électrique, ainsi que la croissance de la consommation de courant électrique des ménages. En particulier, selon les prévisions de l'Agence internationale de l'énergie, 130 millions de véhicules électriques rouleront sur notre planète d'ici 2040, alors qu'en 2018 il y en avait 5,1 millions. Au total, le nombre de voitures est désormais estimé à 1 milliard, et d'ici 2035 il pourrait atteindre 2 milliards d'unités. Dans les industries alimentaire, pharmaceutique, textile, papetière et autres, l'électricité remplacera le charbon et le gaz dans la production de chaleur à moyenne et basse température. L'électrification des pays pauvres se poursuivra également, où l'électricité sera plus largement utilisée dans la vie quotidienne.Et la part de l'électricité dans la consommation totale d'énergie passera de 19% en 2018 à 24% en 2040.
En conséquence, les risques de pannes d'électricité augmenteront - des pannes d'électricité à grande échelle affectant une grande variété de consommateurs. Selon la Banque mondiale, en 2019, en moyenne dans tous les pays du monde, diverses organisations ont connu 6,8 coupures de courant par mois. Certes, dans les pays de l'OCDE, ce chiffre était de 0,4 coupures de courant et en Russie de 0,2 coupures par mois.
2003 Catastrophe du réseau électrique américain et canadien - Vue depuis l'espace. Le 14 août 2003, 10 millions de personnes au Canada et 40 millions de personnes aux États-Unis se sont retrouvées sans électricité. Source: Administration nationale des océans et de l'atmosphère, Programme de satellites météorologiques de défense / Wikimedia Commons
Dans le même temps, l'introduction dans la production et la vie quotidienne de technologies telles que l'intelligence artificielle et l'Internet des objets (y compris l'Internet industriel des objets) nécessite de minimiser les pannes de courant susceptibles de perturber gravement le fonctionnement de systèmes intelligents complexes.
En outre, l'approche de la consommation d'énergie changera après l'introduction des sources d'énergie renouvelables, qui donnent des rendements différents en fonction de l'heure de la journée et de la météo. En journée ou par temps venteux, les panneaux solaires et les parcs éoliens génèrent plus de courant que la nuit et par temps calme. En conséquence, il est préférable d'économiser l'excès d'énergie au cas où. Mais comment?
Métamorphose énergétique
Économiser l'énergie, surtout à l'échelle industrielle, n'est pas facile. Bien que la nature de l'électricité soit bien comprise, sa conservation nécessite des solutions techniques soit lourdes, soit coûteuses (ou les deux à la fois). Alors, qu'est-ce qui protégera le monde hautement électrifié du futur des pannes d'électricité?
En bref, chimie et mécanique. Presque toutes les méthodes d'accumulation d'électricité sont réduites à sa transformation par des réactions chimiques ou des mouvements mécaniques.
La première idée que se fait tout utilisateur de smartphone ou propriétaire de voiture électrique est la suivante: pourquoi ne pas utiliser d'énormes batteries lithium-ion à l'échelle industrielle? Il y a déjà eu des tentatives de création de grands disques de ce type. Par exemple, Tesla travaille actuellement à augmenter la capacité (de 100 à 150 MW) du plus grand stockage d'électricité lithium-ion au monde, collecté en 2017 dans l'État d'Australie-Méridionale sur le continent vert. Il se compose de batteries lithium-ion Tesla Powerpack conçues pour les utilisateurs utilitaires et industriels. À l'intérieur se trouvent 16 blocs-batteries séparés, chacun avec un convertisseur CC / CC isolé.
La puissance de chacun d'eux atteint 130 kW et la consommation d'énergie est de 232 kWh. Une installation de stockage Tesla Powerpack d'Australie du Sud permet d'économiser l'énergie d'un parc éolien à proximité. Lorsqu'elle est complètement chargée, cette "batterie" d'une capacité de 129 MWh peut fournir de l'électricité à 30 000 foyers.
Signature: chaque Powerpack est comme une brique à partir de laquelle un stockage d'énergie est construit. Un onduleur peut être connecté de un à 20 Powerpacks. De tels blocs-batteries et onduleurs peuvent être utilisés pour créer une installation de stockage d'une intensité énergétique énorme. Source: Tesla
Cependant, en plus des inconvénients connus de ces batteries, il y a aussi ceci: en augmentant les batteries lithium-ion à l'échelle industrielle, nous augmentons également le problème de leur élimination. Par conséquent, en restant respectueuses de l'environnement pendant la période de fonctionnement, d'énormes batteries à l'avenir constitueront une menace pour l'environnement et des tracas lorsqu'elles seront amorties.
Une autre façon de convertir l'énergie est l'électrolyse.
Expliquons à l'aide de l'exemple de notre installation H2One, dont nous avons déjà parlé.: les panneaux solaires assurent le processus d'électrolyse de l'eau, à la suite de quoi de l'hydrogène est libéré; l'hydrogène est stocké ou fourni au consommateur, et l'hydrogène peut immédiatement fournir de la chaleur, de l'énergie mécanique ou de l'électricité lorsqu'il est oxydé dans une pile à combustible. Le seul problème à ce jour est que si l'énergie d'une station H2One est suffisante uniquement pour de petits objets, par exemple, la gare de la ville de Kawasaki (Japon). Échelle industrielle dans le futur.
Les options les plus simples en principe, mais complexes dans leur mise en œuvre, sont mécaniques. Le schéma général est le suivant: pendant la période de pointe de production, l'électricité est stockée en pompant du gaz ou de l'eau dans des réservoirs spéciaux, en soulevant des charges à une hauteur ou en comprimant un ressort. Pendant une période de panne de courant, l'énergie est libérée mécaniquement en renvoyant la substance, le poids ou en desserrant le ressort. Le principe est simple, écologique, évolutif industriellement et très durable. C'est pourquoi, selon Vygon Consulting, 95% des systèmes de stockage d'énergie dans le monde sont des installations de stockage par pompage (PSPP) qui n'utilisent que ce que la nature nous a donné - l'eau et les paysages montagneux pour le stockage de l'énergie.
Je tord, virevolte, je veux magnétiser
Pour la première fois, l'utilisation de l'eau et des paysages montagneux pour le stockage de l'énergie a été inventée en Suisse. En 1909, près de la ville de Schaffhouse, dans le canton du même nom, la première station de pompage au monde d'Engeweiher d'une capacité de 1,5 MW a été construite. Le principe de fonctionnement du PSPP, incarné dans cette installation, a été préservé dans son ensemble à ce jour.
La station se compose d'une pompe, de deux réservoirs situés à des hauteurs différentes et d'une turbine. Lorsqu'il y a un surplus d'électricité, la pompe pompe de l'eau dans le réservoir supérieur. Lorsqu'il n'y a pas assez d'électricité dans le réseau, l'eau est détournée vers le réservoir inférieur par une turbine, qui fournit de l'électricité. La simplicité et la fiabilité de ce principe ont été prouvées par le temps, ainsi que par l'histoire de la station d'Engeweiher elle-même, qui est toujours en activité - ses capacités se sont avérées très utiles dans le contexte du développement des énergies renouvelables en Suisse.
La centrale hydroélectrique de stockage est l'une des plus anciennes sources d'énergie renouvelable au monde. Source: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
La prochaine étape du développement de la technologie a été franchie dans les années 1930. Il était entendu que les turbines à eau couplées à des générateurs pouvaient fonctionner avec un rendement plus élevé si leur vitesse de rotation était contrôlée. Par conséquent, en 1930, Toshiba a développé un hydrogénérateur-moteur asynchrone de 750 kVA, qui a été installé à la station Yoshino de la ville de Kanazawa (préfecture d'Ishikawa, Japon). La vitesse de rotation de la turbine pourrait être modifiée pour atteindre une efficacité maximale.
Cependant, cette technologie n'a pas trouvé une large application à ce moment-là et, par la suite, des hydrogénérateurs-moteurs principalement synchrones ont été utilisés, qui fonctionnent avec une vitesse de rotation constante (synchrone), c'est pourquoi la puissance d'entrée ne peut pas être modifiée. Cela signifie qu'il n'a pas été facile d'ajuster le fonctionnement de la station à l'évolution de la demande (par exemple, la nuit, lorsque plus d'énergie doit être dépensée pour pomper de l'eau et donner moins au réseau) - l'efficacité de l'injection ou de la production a diminué.
En 1990, Toshiba s'est de nouveau tourné vers la technologie hydrogénérateur-moteur asynchrone: en coopération avec la Tokyo Electric Power Company (TEPCO), la première unité de pompage à vitesse variable au monde a été développée et installée à la station de pompage de Yagasawa à l'aide d'un générateur de moteur à courant alternatif à excitation secondaire. basse fréquence. Il est contrôlé par un contrôleur numérique haute vitesse et haute performance qui peut modifier la puissance d'entrée et de sortie beaucoup plus rapidement que dans les unités hydrauliques conventionnelles, ce qui permet une stabilisation plus rapide des fluctuations de puissance dans le réseau, par exemple, en cas d'urgence. Depuis lors, les générateurs-moteurs asynchrones des centrales à accumulation par pompage ont commencé à être utilisés plus souvent, et ils constituent maintenant le modèle le plus prometteur pour le stockage par pompage.
En juin 2014, la plus grande unité de pompage à vitesse variable au monde d'une capacité de 475 MVA a commencé à fonctionner pour le quatrième bloc de la PSP de Kazunogawa (préfecture de Yamanashi, Japon), qui possède également la plus grande tête de pompe du monde (785 m) pour une turbine à pompe à un étage. Cette station est également exploitée par TEPCO. Source: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
L'unité hydraulique à vitesse variable augmente l'efficacité des modes de pompage et de turbine, augmentant ainsi l'efficacité du cycle complet de la centrale à accumulation par pompage, ainsi que la réduction des vibrations et de l'usure mécanique du système. De plus, une telle machine peut réagir instantanément à des changements brusques de la demande d'électricité liés, par exemple, à l'utilisation de sources d'énergie renouvelables instables ou à des pannes d'électricité.
Et nous avons dit: "Centrales à accumulation par pompage avec un groupe électrogène asynchrone, soyez fructueuses et multipliez-vous!" Source: Abubakirov Sh. I. Expérience et perspectives de l'utilisation d'hydrogénérateurs asynchronisés dans les projets de JSC "Institute Hydroproject" // Hydroenergetics. - 2010.— N ° 2 (19).
Trouver l'équilibre
Les solutions décrites, comme vous pouvez le voir, ont une grande échelle industrielle. Mais dans quelle mesure une telle centralisation est-elle raisonnable? Et n'est-il pas préférable de mettre en œuvre des solutions distribuées capables de résoudre les problèmes d'égalisation des déséquilibres dans le système d'alimentation électrique? Rien n'empêche de combiner ces deux approches, combinant de grands systèmes de stockage d'énergie et des systèmes locaux, tels que construits sur la base de batteries individuelles installées sur des objets spécifiques et même dans des bâtiments résidentiels, au sein d'un même système d'alimentation.
Les batteries rechargeables, en particulier le SCiBTM de Toshiba, sont mieux adaptées pour résoudre de tels problèmes. Son anode est à base d'oxyde de lithium et de titane (LTO), ce qui permet une plus grande capacité effective, et offre également une longue durée de vie, un fonctionnement à basses températures, une charge rapide, une puissance d'entrée et de sortie élevée. Toshiba SCiBTM peut être appliqué dans une grande variété d'applications, du petit stockage stationnaire (kW) pour les applications résidentielles aux automobiles, bus, voitures de train, ascenseurs, centrales électriques et stockage d'énergie à grande échelle (MW) pour les réseaux électriques, les réseaux intelligents et les centrales solaires. Source: Toshiba
En outre, les installations de stockage locales individuelles d'électricité peuvent, à leur tour, être combinées en grandes structures - des centrales électriques virtuelles, dont nous avons déjà parlé dans ce blog. Et de telles solutions sont déjà mises en œuvre.
Par exemple, en Allemagne, TenneT, la plus grande société de distribution, avec le fabricant de systèmes de stockage domestique, Sonnen, a annoncé la création d'une sorte de blockchain énergétique: ils prévoient de connecter des dispositifs de stockage d'énergie domestique à un réseau pour compenser les déséquilibres du système énergétique au niveau national. Cependant, jusqu'à présent, le nombre de propriétaires de dispositifs de stockage adaptés à cela est bien inférieur à celui des propriétaires de stations d'appartement utilisant des sources d'énergie renouvelables.
La combinaison d'énormes installations de stockage d'énergie et de petites installations locales, connectées entre elles, contribuera à aplanir les déséquilibres de consommation et de production, dont nous avons parlé au début, et à minimiser les risques de pannes.