Photovoltaïque et stockage au service du mix énergétique

La réussite de la transition énergétique repose en partie sur le développement massif de la production photovoltaïque et de son raccordement aux réseaux électriques. Les enjeux associés sont économiques et techniques.

Le CEA à l’INES développe des composants et des solutions pour tendre vers des systèmes photovoltaïques optimisés aussi bien du point de vue de leur conception que de leur opération. Nos solutions visent à produire une électricité toujours moins chère, à la stocker, à la raccorder au réseau, et à la piloter avec des composants toujours plus fiables et robustes.

Une électricité photovoltaïque toujours moins chère

La production photovoltaïque nécessite d’intégrer les panneaux en systèmes ou centrales. Le coût d’une installation est composé à 40% des panneaux PV et à 60% des composants électriques, mécaniques et des travaux. A cela s’ajoutent les dépenses, tout au long de la vie de la centrale, pour son opération et sa maintenance. Le CEA à l’INES cherche donc à optimiser également ces différents centres de coûts, tout en recherchant les meilleures performances.

Le CEA à l’INES développe des outils numériques pour le PV, en particulier des solutions logicielles de modélisation, de diagnostic et de prévision de la production. L’institut évalue et sélectionne les panneaux et onduleurs. Il dispose et enrichit une base de données de monitoring de centrales qui permet un retour d’expérience sur leurs performances et défauts.

Adapter les architectures de centrales à de nouveaux terrains

Le développement du solaire nécessite des surfaces disponibles pour accueillir les centrales. Pour faciliter son déploiement, il faut éviter les conflits d’usage des surfaces, avec les besoins agricoles et d’urbanisation ainsi que ceux de préservation des espaces naturels.

Le CEA à l’INES développe des approches innovantes d’intégration des centrales solaires dans des environnements nouveaux : le photovoltaïque flottant, l’agri-voltaïque, le photovoltaïque le long des voies ferrées et des fleuves. Ces développements concernent aussi bien l’intégration mécanique que les architectures électriques notamment en moyenne tension.

Dimensionner et piloter les centrales hybrides PV+stockage

Le couplage au stockage permet de faciliter l’intégration du photovoltaïque au réseau. Pour rendre compétitifs ces systèmes hybrides, il faut pouvoir maîtriser les surcoûts.

Le CEA à l’INES développe des solutions numériques pour dimensionner au plus juste le stockage, et piloter de manière optimale le système complet. Les solutions mettent en œuvre la modélisation d’une part et les contrôles temps réel et prédictif d’autre part, au sein d’un système d’information pour la gestion d’énergie.

Les onduleurs de nouvelles générations

Les panneaux photovoltaïques et les batteries sont en courant continu. Il faut un onduleur pour les connecter au réseau en courant alternatif. L’onduleur est un des postes de coût du système et engendre des pertes de production.

Le CEA à l’INES développe des onduleurs de nouvelles générations pour en baisser le coût, pour améliorer ses performances et leur durée de vie. La compacité de ces objets est aussi un enjeu afin de maitriser les impacts sur les coûts d’installation et de maintenance des centrales. L’innovation porte sur l’architecture électronique (topologie) et le recours à des semi-conducteurs de dernières générations tels que le carbure de silicium et le nitrure de gallium.

Sélectionner / optimiser les solutions de stockage

Le solaire est une énergie intermittente dont la production peut être en partie décalée et lissée grâce aux systèmes de stockage. Ces derniers peuvent aider aussi à la stabilité et à l’équilibre des réseaux.

Ces solutions commencent à être déployées et nécessite de renforcer nos connaissances de leur comportement en terme de performance, durée vie et sécurité.

Le CEA à l’INES est reconnu pour ses travaux en matière de caractérisation et benchmark des batteries, leur modélisation et leur diagnostic. Ses développements concernent des protocoles expérimentaux et des outils logiciels d’analyse ainsi que des méthodes d’instrumentation des batteries. Il dispose et enrichit une base de données de caractérisation de batteries en laboratoire et de monitoring de systèmes en conditions réelles.

Plateformes et équipements d’excellence

La plateforme Batteries dispose de bancs de caractérisation des technologies de stockage électrochimique, de la cellule au pack batterie : 40 enceintes climatiques, plus de 300 voies, jusqu’à 250 kW. Elle comporte aussi une chambre tests abusifs pour les batteries permettant de réaliser des essais en surcharge, court-circuit, et emballement thermique.

Les installations en électronique de puissance se distinguent avec 4 zones de R&D en conversion statique innovante, jusqu’à 10000 V et 250 kW ; des mesures calorimétriques, 1 banc de caractérisation des onduleurs, 2 bancs de caractérisation dynamique double impulsion : interrupteurs SiC & GaN jusqu’à 10 kV, un banc de caractérisation statique, un banc de caractérisation des composants magnétiques bobinés, un banc de caractérisation MPPT ; un générateur CEM de transitoires rapides et de tensions de choc, une installation photovoltaïque en haute tension DC (3000 VDC).

Micro-réseau basse tension, équipé d’un SCADA, disposant de 6 sous-réseaux indépendants, 150 kW de champs solaires configurables, 120 kVA/160 kWh de capacité de stockage, de groupes électrogènes pour une puissance de 130 kVA

Plateforme Power Hardware-In-the-Loop : 4 cibles temps réels, simulateurs photovoltaïque (200 kW), stockage (250 KVA), réseau (45 kVA), et charge (130 kVA).

Expérimentation en conditions réelles et extérieures : 10 000 m² de terrain équipés de champs photovoltaïques, 15 systèmes photovoltaïques pour le suivi performance des modules innovants, Base de données et outil numérique pour le suivi et diagnostic de 60 centrales PV en temps réel (200 MW à travers le territoire français).