Dimensionnement et étude de faisabilité d'un dispositif de stockage d'énergie gravitaire

Abstract

Les objectifs ambitieux de l’Union Européenne, d’ici 2030, en termes d’usage des énergies éolienne et solaire, nécessitent de développer le secteur du stockage énergétique, afin de répondre au problème de l’intermittence de ces énergies. L’objectif de ce travail est de dimensionner et d’évaluer la faisabilité technique et économique d’une solution de stockage d’énergie gravitaire offshore sous-marine, basée sur le déplacement vertical de lests (Inventeur : Christophe Stevens, CEO de SinkFloatSolutions). La conception modulaire repose sur des matériaux standards et de récupération (containers maritimes et déchets de construction), et sur une association avec le parc éolien flottant Hywind. Une étude concernant l’allongement des câbles et la déformation des plateformes, ainsi qu’une conception assistée par ordinateur ont également été réalisées. Le dimensionnement se base sur l’évaluation de la puissance mécanique réelle maximale à assurer lors d’événements extrêmes. La puissance théorique ainsi que les pertes liées à la traînée sur les câbles et les lests sont évaluées pour différentes combinaisons de paramètres. Les combinaisons répondant au besoin font l’objet d’une analyse financière visant à affiner ce panel de possibilités. Une combinaison avantageuse en termes de coût, de rendement hydrodynamique et de mise en œuvre est choisie pour réaliser la conception assistée par ordinateur (logiciel Solidworks) et l’étude de cas. Les résultats montrent que la hauteur et surtout la vitesse de déplacement des lests (valeur idéale ≤ 3,2 m/s) sont des paramètres limitant du rendement hydrodynamique, contrairement à la masse des lests qui pourrait être plus élevée que 300 t. Pour une valeur supérieure à 98 % et une vitesse de 0,2 m/s, les coûts deviennent énormes et augmentent avec la hauteur. Implanter cette technologie en zones de faibles profondeurs (ex : Hywind) est techniquement possible mais coûteux. En revanche, certaines combinaisons de paramètres permettent d’avoir un coût compétitif et un bon rendement en association avec un parc éolien flottant (bénéfice des lignes électriques déjà présentes). L’ancrage constitue le montant le plus élevé de la structure de coût, suivi par les lests et leur système d’attache, puis par le système de levage. La hauteur et le nombre total de lests sont les paramètres influençant le plus le coût des systèmes compétitifs, la masse des lests pouvant devenir limitante. Ni l’allongement des différents câbles, ni la déformation n’est apparue problématique pour la solution la plus avantageuse. En conclusion, ce dispositif peut être financièrement compétitif par rapport aux autres systèmes de stockage, mais ne devrait pas révolutionner ce secteur, selon les hypothèses financières actuelles. Des analyses complémentaires doivent encore être réalisées afin d’évaluer son potentiel de manière plus précise.

The ambitious objectives of the European Union, by 2030, in terms of use of wind and solar energies, require the development of the energy storage sector, in order to answer to the problem of the intermittence of these energies. The objective of this work is to dimension and assess the technical and economic feasibility of an offshore underwater gravity energy storage solution, based on the vertical movement of ballasts (Inventor : Christophe Stevens, CEO of SinkFloatsolutions). The modular design is based on standard and recovery materials (maritime containers and construction waste), and on an association with the Hywind floating wind farm. A study on cable elongation and platform deformation, as well as a computer-assisted design were also carried out. The sizing is based on the evaluation of the maximum real mechanical power to be provided during extreme events. The theoretical power as well as the losses linked to the drag on the cables and ballasts are evaluated for different combinations of parameters. The combinations that meet the need are the subject of a financial analysis aimed at refining this range of possibilities. An advantageous combination in terms of cost, hydrodynamic efficiency and implementation is chosen to carry out the computer-assisted design (Solidworks software) and the case study. The results show that the height and especially the speed of ballasts movement (ideal value ≤ 3.2 m/s) are parameters limiting the hydrodynamic efficiency, unlike the weight of the ballasts which could be higher than 300 t. For a value greater than 98 % and a speed of 0.2 m/s, the costs become huge and increase with the height. Implementing this technology in low depths (e.g., Hywind) is technically possible but expensive. On the other hand, certain combinations of parameters make it possible to have a competitive cost and a good yield in association with a floating wind farm (benefit of the electric lines already present). The anchor is the highest amount of the cost structure, followed by the ballasts and their attachment system, then by the lifting system. The height and the total number of ballasts are the parameters that most influence the cost of competitive systems, the weight of the ballasts can rapidly become limiting. Neither the elongation of the various cables, nor the deformation appeared problematic for the most advantageous solution. In conclusion, this system can be financially competitive compared to other storage systems, but should not revolutionize this sector, according to current financial assumptions. Additional analyzes still need to be carried out in order to assess its potential more precisely.