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Remontées mécaniques et stockage d'électricité renouvelable La faisabilité de remontées mécaniques pour stocker de l'électrici

#1 L'utilisateur est hors-ligne   Vincent_C 

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Posté 14 mai 2019 - 17:59

Bonjour tout le monde,

Je suis fondateur d'une petite entreprise et je m'intéresse aux technologies qui peuvent contribuer à la transition vers une société plus durable.

Je m'intéresse à l'utilisation des techniques de transport par câble pour le stockage d'énergie électrique. Le concept est simple : au lieu de stocker de l'eau dans un barrage en hauteur, on utilise une ou plusieurs masses de poids allant de quelques dizaines de kilos à plusieurs centaines de tonnes. On se sert des techniques que vous connaissez bien pour faire descendre et remonter ces masses. Et voilà une batterie géante, potentiellement mois chère que des batteries au lithium, voire même moins chère que le stockage dans des barrages.

En effet, il suffit de monter les charges pour stocker de l'énergie potentielle et de les faire redescendre pour qu'elles la restituent. Le moteur-alternateur étant utilisé pour produire en étant tracté par les charges comme pour stocker, en tractant les charges en marche arrière.

Je ne suis pas le seul à m'intéresser à cette solution, plusieurs startups ont déjà tenté ou sont en train de développer des systèmes semblables.

Energy Cache, startup américaine, a obtenu 500 000 livres sterling en 2013 pour l'implantation d'un prototype de 50kW (et stockage total inconnu) en Angleterre.
Voici une vidéo :

Grâce aux description précises que j'ai pu lire sur remontées-mécaniques.net, je rapprocherais ce système d'un téleski, à quelques nuances près.

L'entreprise a depuis laissé tomber le projet qui a été remplacé par Energy Vault, porté par les mêmes personnes :

Ici, il s'agit plus simplement d'une grue à 6 bras. Un prototype à l'échelle 1/10ème a été testé avec succès en Suisse, et un démonstrateur industriel est annoncé pour cette année en Inde.

Une autre entreprise, ARES North America, vient d'obtenir les fonds nécessaires à la construction d'un prototype de train à flanc de montagne transportant des blocs de béton de plusieurs milliers de tonnes. La puissance revendiquée du système est de 50MW/12,5MWh : le train descend une pente d'environ 8° sur une distance de 10km en 1/4 d'heure (de mémoire). Pour le coup, la pente est faible et il s'agit "simplement" d'un train de 8600 T équipé d'un moteur alternateur, grâce auquel réguler la vitesse. L'entreprise affirme vouloir développer des systèmes déployant une capacité de stockage beaucoup plus importante.

Les avantages liés à ces techniques sont à prendre avec des pincettes :

Le rendement électrique revendiqué stockage/déstockage :
Energy Cache : non communiqué (mais vraisemblablement faible étant données les dimensions du prototype)
Energy Vault : 90%
ARES : 85%

La communauté des électriciens fronce les sourcils. Un rendement de 90% représente déjà les pertes électriques liées au moteur/alternateur, au transport du courant de l'alternateur jusqu'au transformateur, et les pertes engendrées par la transformation du courant vers la tension électrique du réseau. Il faudra encore rajouter les frottements de toutes sortes et les pertes d'altitude, même minimes, liées à la manutention des charges.

L'impact écologique et économique :
En plus du rendement, c'est le dénivelé parcouru par les charges qui est absolument décisif pour savoir combien de matières il faudrait utiliser pour stocker une quantité respectable d'énergie.
Dénivelé :
Energy Cache : engiron 100m
Energy Vault : 120m revendiqués, mais presque 2fois moins en pratique (les blocs de béton sont empilés)
ARES : 300m sur le prototype.

En réalité, l'impact écologique lié à la fabrication du béton utilisé pour le stockage, ainsi que celui du matériel (fondations béton, rails, câbles, structures acier...) est a priori aussi mauvais que d'avoir recours à des centrales à gaz pour produire de l'électricité : on se situe aux alentours de 500g de CO2/kWh restitué si on tient compte des chiffres avantageux présentés par les startups.

En revanche, la donne peut changer si on augmente le dénivelé, et si on augmente l'angle de la pente. Par exemple, si on se servait des multiples pentes de moyenne montagne à plus de 40% et offrant des dénivelés supérieurs à 1000m, la longueur du parcours d'un train de type ARES n'excèderait pas 5 ou 6km. Il existe des dizaines voire des centaines de milliers de sites qui correspondent à ces critères dans le monde.
De même, l'impact n'est pas le même si on se sert de la même infrastructure pour une seule charge ou pour 20 charges. Chaque train ARES sera équipé de moteurs-alternateurs capables de dégager une puissance importante. Mais si on s'inspire plutôt du funiculaire ou du funitel, ne peut-on pas imaginer des charges débrayables qui pourraient utiliser un unique générateur situé en gare amont ?

Typiquement, le funiculaire du glacier de Tignes est ce qui se rapproche le plus, par ses dimensions de ce qui serait pertinent dans ce domaine :
Dénivelé : 932m
Longueur : 3490m
Poids en service : 58T
temps de descente : 420s (7min)

Si j'arrondis à 1000m et 60T et que j'applique la formule E=mgh, l'énergie restituée par le convoi est d'environ 163kWh, en 420s, soit une puissance instantanée de 1,4MW, c'est à dire environ 1900 chevaux.
Dans l'idée, ce concept devient réellement intéressant si on multiplie le poids de la charge par 7 au moins afin de se rapprocher de 10MW de puissance, ce qui correspond aux gros générateurs d'éoliennes produits en petite série industrielle. Notez que cela suppose sans doute de renforcer l'infrastructure de manière importante, mais que les dimensions d'une telle charge seraient probablement identiques à celles des cabines actuelles. Ainsi, si on imagine une gare amont et une gare aval capables d'entreposer plusieurs charges de 400-450 Tonnes, on dispose d'une batterie dont la capacité peut ressembler à celle d'un barrage hydroélectrique. Pour atteindre les puissances électriques de tels barrages, il suffit de multiplier le nombre de sites.

Evidemment, cela suppose que la solution soit industrialisable à une échelle permettant de diminuer drastiquement les coûts de construction... Par exemple, le coût pour l'équivalent barrage est de 1500€/kW et 250€/kWh (6h de stockage). Les batteries sont encore 3 à 5 fois plus chères, mais elles ne sont utilisées que de façon très marginale pour stocker de l'énergie sur le réseau - on s'en sert plutôt pour les voitures et autres applications mobiles.
Par comparaison, dans le cas de figure que je viens d'exposer, cela signifie qu'un funiculaire disposant de 42 trains de 450T et un générateur de 10MW devrait coûter 15 M€, main d'oeuvre, financement et ingénierie comprise. De mon côté, j'estime que les 42 charges avec leur cuve, leur remplissage, leurs bogies, leurs crochets pourraient coûter aussi peu que 1,2 M€, soit environ 60€ la tonne (main d'oeuvre et transport compris) et de l'ordre de 7% du budget maximal. Autre exemple, le prix d'un générateur de 10MW est d'environ 500.000 €, soit 3% du budget maximal. Cependant, je ne crois pas trop m'avancer si je présume que les sources de coûts principales sont les travaux de terrassement et de fondation pour les rails, ainsi que les rails eux mêmes et/ou les poteaux et les câbles (dans le cas d'un funitel).


Discussion

A ce stade, j'ai fait comme si il n'y avait pas de pertes et je ne connais pas les grandes variables dimensionnantes pour le coût d'un funiculaire ou d'une remontée mécanique. J'ai pris l'exemple du funiculaire de Tignes, mais je ne sais pas ce qui serait le plus performant en termes de rendement, de faisabilité et de coûts entre un funiculaire, un funitel, un téleski...

Maintenant que j'ai posé le contexte, je voudrais vous demander vos conseils et avis pour réaliser des estimations de coûts et de rendement électro-mécaniques les plus proches possibles de la réalité avec mes petits moyens.

Par exemple, si je vous donne la liste suivante, sauriez-vous me dire les ordres de grandeur des pertes de puissance ?
Pertes liées aux frottements sur les câbles de roulement et/ou les rails
Pertes électrotechniques (transformation, résistance du câble électrique)
Pertes par frottement du câble à la remontée
pertes alternateur et boite de vitesses
Résistance du câble fonction du voltage et de la distance
Energie consommée par l'exploitation
Pertes poulies et roulements
Pertes régulation de fréquence et de puissance
Perte d'altitude liée au stockage des masses amont et aval
Pertes par frottement du câble à la descente
Pertes liées aux frottements aérodynamiques

Et sinon, plus largement, quelles sont les freins et les contraintes qui viendraient selon vous limiter ce genre de solution ? En quoi cela vous semble-t-il être une fausse bonne idée ? Autrement, quelles sont les technologies de transport par câble les plus prometteuses à votre avis ? Est-ce qu'il serait faisable en théorie de faire supporter des charges de près de 500T à des architectures comme celles du funitel ou même d'un simple TSD ? Est-ce que de telles charges engendreraient un niveau de sophistication technique d'un autre ordre et à quel niveau, ou alors peut-on partir du principe qu'il faudra surtout redimensionner les installations par rapport à l'existant ? Et enfin, pensez-vous que l'industrie actuelle dispose des outils nécessaires pour ce type de besoin ?

Voilà pour mes questions en vrac. Je suis ravi de poursuivre cette discussion avec vous.

Aussi, si vous connaissez des ingénieurs ou autres membres des bureaux d'études chez POMA ou GMM, je souhaiterais m'entretenir avec eux pour mieux comprendre les tenants et et aboutissants de leur métier, et envisager un partenariat dans les mois à venir. Avec mes contacts, je pense pouvoir réunir suffisamment de fonds pour réaliser des permiers tests et calculs préliminaires sur ce type de technologie.
Je sais que POMA a déjà investi dans l'éolien, mais comment GMM ou POMA se préparen-ils à la disparition progressive des domaines skiables ? Cette voie pourrait être une porte de sortie utile dans la lutte contre le réchauffement climatique...

Merci pour vos commentaires et conseils !
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#2 L'utilisateur est hors-ligne   eugene 

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Posté 15 mai 2019 - 22:43

bien que j'ai aucun niveau technique dans ce domaine de "niche " ( je n'y crois pas trop les pertes sont trop elevées ) je me demande si il ne vaut pas mieux se tourné du coté des anciens puits des mines du nord .
car une RM c'est complexe il faut porté la charge etc etc . alors que les vieux puit de charbons c'est verticale , deja creusé et l'infrastucture en place sans parlé d'un bassin tres competent dans le domaine de la métallerie et de la construction .
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#3 L'utilisateur est hors-ligne   Vincent_C 

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Posté 16 mai 2019 - 15:07

Voir le messageeugene, le 15 mai 2019 - 22:43 , dit :

bien que j'ai aucun niveau technique dans ce domaine de "niche " ( je n'y crois pas trop les pertes sont trop elevées ) je me demande si il ne vaut pas mieux se tourné du coté des anciens puits des mines du nord .
car une RM c'est complexe il faut porté la charge etc etc . alors que les vieux puit de charbons c'est verticale , deja creusé et l'infrastucture en place sans parlé d'un bassin tres competent dans le domaine de la métallerie et de la construction .


Bonjour Eugène !

Merci pour votre réponse. En effet, dans l'absolu vous avez raison de dire que la solution verticale est plus intéressante du point de vue du rendement. Néanmoins en pratique, à part des sites extrêmement rares comme les puits miniers que vous citez, l'utilisation de dénivelés verticaux pose des contraintes techniques qui sont supérieures ou égales au fait de se servir d'une pente, en particulier au niveau du coût d'investissement, surtout s'il faut creuser le puits en question.
C'est la raison pour laquelle je voudrais évaluer les pertes que vous dites trop élevées. Il faut savoir que les solutions de stockage alternatives aux batteries qui se développent actuellement accèdent au marché avec des rendements n'étant parfois pas supérieurs à 60%.

Ensuite vous auriez tort de penser qu'il s'agirait d'un domaine de niche. Pour devenir 100% renouvelables, les réseaux électriques auront besoin de 5 à 15 % de leur puissance totale installée en capacité de stockage (100GW de puissance en France). Les barrages de pompage-turbinage ne réalisant que 1 à 2% de la puissance totale en France, combler le vide avec des remontées mécaniques représente entre 300 et 1500 installations du type de celle que j'ai donné en exemple, à construire dans les 30 prochaines années.

Si vous avez des informations sur les pertes, je suis preneur.
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#4 L'utilisateur est hors-ligne   shuntage 

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Posté 19 mai 2019 - 13:12

le petit velro est demandé ici , le petit velro ! :lol: :lol: :lol:

sur un systeme un cable , l’élasticité est a prendre en compte . une RM standard à deja tendance à" pomper " beaucoup . il vaut mieux se tourné vers un systeme à rail je pense.
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