par Fabrizio Marzolini, Head of system development chez Leclanché (Suisse)

1. Leclanché S.A.
Utilisation des batteries li-ion dans les réseaux
électriques
Le 5 septembre 2014 Fabrizio Marzolini

2. 1
Sommaire
1 | Energie, électricité: un peu de physique, de chimie et de technologie
2 | Les accumulateurs d’énergie pour le réseau: mais pourquoi faire?
3 | Eléments à considérer pour le stockage d’énergie dans les réseaux
4 | Use cases
− Batterie couplée à une centrale photovoltaïque
− Batterie couplée au réseau pour la régulation de fréquence
5 | Conclusions

3. 2
1. Densité d’énergie: quelques ordres de grandeur
Wh/kg
Accumulateur hydro-électrique, 400 m de différence d’altitude 1.1
Super condensateur 3
Accumulateur au plomb (10-20h) 30-40
Eau chaude T = 50°C 60
Accumulateur au nickel-hydrure métallique (1-5h) 50-70
Accumulateur au lithium-ion (1-5h) 70-300
Pile alcaline 1.5V (20h) 120-130
Huile de chauffage 12'000
Hydrogène 33'000
Uranium-235, 3 % 600'000'000

4. 3
1. La performance: le secret c’est le lithium

5. 4
Procédé d’assemblage par lamination
Les épaisseurs des couches sont de quelques dizaines de microns
Le procédé de lamination confère une résistance aux vibrations et au vieillissement supérieure et
une durée de vie augmentée
Le li-ion est une famille qui comporte plusieurs variantes de matériaux d’anode et de cathode
1. Composition d’une cellule li-ion
Alu-Foil
Cu-Foil
Cathode
Anode
Separator

6. 5
1. Lithium-ion: densité d’énergie

7. 6
1. Anode en graphite versus anode en titanate

8. 7
1. Dégradation d’une batterie li-ion en graphite vs titanate
Reference: Noshin Omar, Mohamed Abdel Monem, Yousef Firouz, Justin Salminen, Omar Hegazy, Hamid
Gaulous, Grietus Mulder, Peter Van den Bossche, Jelle Smekens, Thierry Coosemans, Joeri Van Mierlo:
Lithium iron phosphate based battery – Assessment of the aging parameters and development of cycle life
model, Applied Energy 113 (2014) 1575–1585

9. 8
1. Evaluation des performances
0
1
2
3
4
5
Cycle life
Cost
Safety
Discharge rate
Charge rate
Energy density
Li-ion titanate anode
0
1
2
3
4
5
Cycle life
Cost
Safety
Discharge rate
Charge rate
Energy density
Li-ion graphite anode
Signification de l’échelle
0: très mauvais
5: excellent

10. 9
2. Mix de production énergétique en Allemagne

11. 10
2. Evolution de la consommation énergétique mondiale
Source: BofA – Merrill Lynch _Alternative Energy: Grid
Storage Primer – 4 August 2010
Entre 1978 et 2010, la
consommation d’électricité
mondiale a augmenté de 75%

12. 11
2. Installations pilotes de stockage couplées au réseau

13. 12
3 Diagramme Ragone
Source: NYSERDA and GTM Research 2009

14. 13
3. Batterie li-ion titanate fonctionnant à 1,8C
 High efficiency of close to 90% even at
charge/discharge rates of 1,8C.
 High level of usable capacity, close to 95
% of usable capacity.
 Measurements from installed installation
in the field.

15. 14
4 Coût du stockage de différentes technologies
Over the lifetime of the system,
Lithium Titanate achieves less than
half the costs of alternative battery
solutions

16. 15
4. Illustration du déplacement d’énergie (energy/load shifting)
Cet exemple illustre le déplacement d’une partie de la production vers le pic de consommation du
soir. Ce cas sollicite la batterie avec 1 cycle par jour. Cette application est similaire à ce que l’on
pourrait avoir dans le cas du négoce d’énergie.
0:00
4:48
9:36
14:24
19:12
0:00
4:48
Energy consumption from sun
Energy consumption from battery
Charging battery
Energy injected in the grid

17. 16
4. Déplacement d’énergie – structure de coûts
Example 10 years 20 years 10 years 20 years
Plant Requirements
Power Requirement kW 10 000 10 000 10 000 10 000
Time required minutes 60 60 60 60
Times per day unit 1 1 1 1
Energy Requirement / cycle kWh 10 000 10 000 10 000 10 000
Project Life Years 10 20 10 20
Lifetme cycles cycles 3 650 7 300 3 650 7 300
Total Energy Produced kWh 36 500 000 73 000 000 36 500 000 73 000 000
System Efficiency % 90% 90% 90% 90%
End of Life Capacity % 90% 90% 70% 50%
C Rate C Rate 1 1 1 1
System Size kWh 12 346 12 346 15 873 22 222
System cycles cycles 15 000 25 000 3 700 7 500
System Life Years 41,1 68,5 10,1 20,5
Number of systems required Units 1,0 1,0 1,0 1,0
System Cost / kWh $ 2 000 2 000 1 000 1 000
Investment cost for 1 MW Freq Contro$l 24 691 358 24 691 358 15 873 016 22 222 222
Graphite/LTO Investment Cost $ 0,64x 0,90x
Cost / kWh $/kWh 0,676 0,338 0,435 0,304
Saving: LTO/Graphite Cost % 56% 11%
LTO LFP
Le stockage li-ion à des fins de déplacement ou pour le négoce d’énergie est trop coûteux et n’est
économique que dans des cas particuliers (réseaux insulaires, production électrique par groupe diesel) ou
avec l’aide de subventions. Dans ce cas, la technologie Li-ion avec anode en graphite est moins coûteuse
que le titanate.

18. 17
4. Utilisation hybride
• Le déplacement d’énergie seul n’est pas compétitif
• La combinaison des applications afin d’augmenter le taux d’occupation de la
batterie améliore significativement la compétitivité
• Exemple de combinaison pour augmenter le taux d’utilisation de la batterie:
• l’écrêtage de pointe
• le déplacement d’énergie
• le lissage de la puissance

19. 18
4. Peak shaving / écrêtage de pointe
• Peak shaving: la capacité de transport des réseaux électriques est liée à son
infrastructure et demande des investissements lourds ainsi que des mises à l’enquête.
Le principe de l’écrêtage de pointes permet d’utiliser la batterie comme un limiteur
d’injection ou d’absorbtion de puissance dans le réseau.

20. 19
4. Energy shifting / déplacement d’énergie
• Energy shifting: la production et la demande ne sont généralement pas en
phase. En général, il y a sur-production à midi et déficit le soir et le matin. Le
stockage permet de synchroniser l’offre avec la demande.

21. 20
4. Exemple de lissage d’une installation de 20 MW
Earthshine
presentation:

22. 21
4. Utilisation hybride – (équivalence à 3 cycles/jour)
Dans ce cas de figure, le coût du li-ion titanate est nettement inférieur.
Example 10 years 20 years 10 years 20 years
Plant Requirements
Power Requirement kW 8 000 8 000 8 000 8 000
Time required minutes 20 20 20 20
Times per day unit 3 3 3 3
Energy Requirement / cycle kWh 3 000 3 000 3 000 3 000
Project Life Years 10 20 10 20
Lifetme cycles cycles 10 950 21 900 10 950 21 900
Total Energy Produced kWh 32 850 000 65 700 000 32 850 000 65 700 000
System Efficiency % 80% 80% 90% 90%
End of Life Capacity % 85% 75% 50% 50%
C Rate C Rate 3 3 1 1
System Size kWh 3 922 4 444 17 778 17 778
System cycles cycles 15 000 25 000 11 000 11 000
System Life Years 13,7 22,8 10,0 10,0
Number of systems required Units 1,0 1,0 1,0 2,0
System Cost / kWh $ 2 000 2 000 1 000 1 000
Investment cost for 1 MW Freq Contro$l 7 843 137 8 888 889 17 777 778 35 555 556
Graphite/LTO Investment Cost $ 2,27x 4,00x
Cost / kWh $/kWh 0,239 0,135 0,541 0,541
Saving: LTO/Graphite Cost % -56% -75%
LTO LFP

23. 22
4. Energie de réglage primaire fournie
par la batterie

24. 23
4. Solution intégrée: 500kWh / 500kW

25. 24
4. Case study: stockage appliqué à la régulation
de fréquence en Californie

26. 25
4. Case study 2: stockage appliqué à la régulation
de fréquence en Californie

27. 26
5. Conclusions
La durée de vie et la robustesse des batteries sont capitales
Les cellules li-ion pour le consumer ne sont pas adaptées.
Le profil d’utilisation est déterminant pour choisir la meilleure chimie.
L’investissement le plus bas n’est pas forcément le moins cher
Le coût d’utilisation, respectivement le coût du kWh qui passe à
travers de la batterie est déterminant.
La batterie vieillit même au repos.
Le marché des batteries pour le réseau est probablement très
important
Cependant, chaque pays a ses réglementations, un mix de production
et un tarif différent.
Le modèle économique qui peut se construire autour de la batterie
doit être étudié au cas par cas.
Le prix de l’énergie électrique est souvent encore trop bas pour avoir
un modèle économique clair.
Lorsque la puissance intervient dans le calcul, la batterie est une
solution économique.

28. 27
Merci pour votre attention