ENERTRAG : Centrale hybride

Vent, hydrogène et biogaz associés pour la production et la régulation d’énergie.

ENERTRAG est une filiale française d’un groupe familial allemand qui a déjà érigé plus de 520 éoliennes outre-Rhin totalisant une puissance de 900 MW.
L’entreprise en France profite de l’expérience de sa maison mère pour développer des parcs éoliens totalisant à ce jour 400 MW de permis accordés dont 172 MW en exploitation.

Cette installation hybride qui associe l’éolien, le biogaz et l’hydrogène, s’inscrit dans la politique globale de développement des énergies renouvelables, de fourniture d’énergie décarbonée, et de meilleure intégration des énergies renouvelables intermittentes dans le système électrique.
Elle présente un système d’équilibrage entre la fluctuation de la production des différentes énergies renouvelables connectées et les besoins réels en électricité.

Trois éoliennes produisent du courant, utilisé en partie pour la production d’hydrogène. Ce vecteur sans CO2 est stocké et, en complément du biogaz, peut ensuite être transformé en électricité et en chaleur en cas de pic de consommation.
L’hydrogène offre par ailleurs une solution de mobilité sans CO2 dans les stations service TOTAL à Berlin et Hambourg.

La centrale est équipée d’un électrolyseur sous pression de 500 kW.
En cas de forte demande d’électricité, l’hydrogène est mélangé à du biogaz et transformé en électricité dans deux centrales de cogénération carboneutres à haut rendement de 350 kW, qui vient ensuite alimenter le réseau. A partir de ce mélange hydrogène-biogaz, les centrales de cogénération produisent de la chaleur qui peut être elle aussi utilisée.

Afin d’optimiser le pilotage de l’installation un logiciel analyse en permanence l’ensemble du système en prenant en considération tous les paramètres pertinents.
Ainsi, le rendement disponible est calculé sur la base des données locales de la vitesse du vent (valeurs toutes les heures) comparées à la courbe standard d’une éolienne installée dans un parc éolien (valeur horaire).

Schéma de la centrale

Au cours de la dernière décennie, dans le cadre de la production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables, l’électrolyse s’est présentée comme possible source d’approvisionnement énergétique durable et indépendante des importations.
L’avantage décisif de l’électrolyse de l’eau réside dans la possibilité d’une combinaison directe avec les sources d’énergie renouvelable (éolien, photovoltaïque, énergie hydraulique) et dans la possibilité en tant qu’énergie de régulation de compenser les variations de production énergétique des installations fonctionnant avec des énergies renouvelables (intégration au réseau).

Les électrolyseurs sont capables de réagir immédiatement à une modification de l’offre et peuvent ainsi non seulement produire de l’hydrogène, mais aussi servir à la régulation du réseau.

La configuration du système complet (centrale électrique hybride) assure les fonctions suivantes :
– Production d’hydrogène grâce à l’électrolyse.
– Production d’énergie électrique et thermique.
– Approvisionnement énergétique régulier du réseau d’alimentation électrique.
– Augmentation de la sécurité des prévisions de fourniture d’énergie au réseau d’alimentation électrique.

Les éléments principaux

Éoliennes couplées au réseau
Jusqu’à 500 kW de puissance peuvent être régulés à l’aide de l’installation d’électrolyse et des unités secondaires.
Trois éoliennes, de 2,3 MW de puissance nominale chacune, sont directement reliées électriquement à l’installation d’électrolyse par un câble haute tension (HTA).
Puis la HTA par l’intermédiaire d’un transformateur élévateur alimente directement le réseau haute tension (HTB) 220 kV de Vattenfall Europe Transmission GmbH par le poste de transformation de Bertikow.

Électrolyseur
– Production de gaz 120 Nm3/h d’hydrogène, 60 Nm3/h d’oxygène.
– Pureté de l’hydrogène 99,997 %.
– Pression de sortie atmosphérique (env.15-20 mbar).

Le courant continu est fournit à l’électrolyseur par un système de redresseurs à thyristors fabriqué par AEG PS (Thyrobox H2).
Le système électrolyseur plus redresseur doit produire une variation dynamique pour que les charges de puissance soient égales à la charge de sortie de l’électrolyseur.
Thyrobox H2 est équipé d’un système de modulation de largeur d’impulsion sur des convertisseurs à 2 étages, concrètement la tension vaut alors alternativement +V et -V, la modulation de largueur d’impulsion permettant d’obtenir une fondamentale sinusoïdale.
Il est nécessaire que des filtres soient intégrés pour éliminer les harmoniques.

Sortie DC :
– Tension nominale : 1 V DC à 400 V DC.
– Courant de charge : jusqu’à 15000 A DC.
Entrée AC :
– Fréquence du secteur, 3~, 47 – 63 Hz.
Tension d’entrée :
– Variable selon l’application.

Compresseur
– Fluide : hydrogène.
– Capacité : 2 x 60 Nm3/h d’hydrogène.
– Pression de sortie : 42 bars.
– Stockage stationnaire du gaz constitué de 5 cuves sous pression ayant une capacité totale de 1350 kg d’hydrogène à 42 bars.

Deux centrales de cogénération
– Gaz mixte composé de 70 % de biogaz au minimum et de 20-30 % d’hydrogène au maximum.
Le rapport du mélange varie en fonction des besoins; une augmentation de la part du biogaz peut aller jusqu’à 100 %.
– Type de production électrique adaptée aux réseaux en îlotage.
– Rendement maximum électrique 366 kW chacun en fonction du mélange gazeux.
– Rendement maximum thermique 409 kW chacun.
– Tension électrique 230 V / 400 V, 50 Hz.
– Chaque centrale de cogénération produit environ 2964 MWh d’énergie électrique et environ 3312 MWh d’énergie thermique par an.
Cette quantité de chaleur est suffisante pour chauffer environ 80 maisons individuelles.

Grâce aux centrales de cogénération à gaz mixte prévues, à 366 kW chacune, on obtient une course de puissance négative (compensation de chutes de puissance), grâce à l’électrolyseur on obtient une course de puissance positive (écrêtage des pics de puissance) de 500 kW.

Fonctionnement en mode production d’hydrogène

Dans le mode de fonctionnement production d’hydrogène, la centrale électrique hybride est pilotée comme une installation de production d’hydrogène. L’objectif consiste alors, à l’aide des composants existants et de l’énergie potentielle disponible (profil de vent), à produire la plus grande quantité possible d’hydrogène ou au moins une quantité garantie.

Utilité :
– Production carboneutre d’hydrogène.
– Mise à disposition décentralisée d’hydrogène avec tous les avantages que cela comporte, par exemple l’économie du transport coûteux de l’énergie sur l’eau, sur la route et sur les rails

Caractéristiques de ce mode de fonctionnement :
– Mise à disposition constante et quotidienne d’hydrogène.
– Le principal critère de décision est l’état de remplissage de la cuve d’hydrogène.
– Charge maximale de l’électrolyseur.
– En cas de vent insuffisant, la centrale de cogénération au biogaz alimente en partie l’électrolyseur.
– En cas de remplissage critique du réservoir, l’électrolyseur sera exploité sur la plus petite puissance.
– En cas de réservoir plein, l’électrolyseur sera mis en veille.
– La centrale de cogénération à gaz mixte n’est pas utilisée dans ce mode.
– L’énergie éolienne non utilisée par l’électrolyseur alimente directement le réseau.

Fonctionnement en mode charge de base

Le mode de fonctionnement charge de base a pour objectif de garantir une puissance électrique constante, indépendamment des conditions de vent. Les variations du profil du vent sont compensées par la centrale électrique hybride.
Pour cela l’énergie produite supérieure à la demande est transformée en hydrogène et provisoirement stockée. Dans les phases de vent faible, l’hydrogène est utilisé avec le biogaz pour la production d’électricité dans les moteurs de cogénération. Du point de vue du réseau d’alimentation en énergie électrique, la centrale hybride se présente comme une centrale de base.

Utilité :
– Découplage du réseau d’alimentation en énergie électrique de l’offre instable de vent.
– Puissance d’alimentation planifiable.
– Utilisation efficace de la capacité électrique de la ligne.
– Avantages d’une production d’hydrogène décentralisée.

Caractéristiques de ce mode de fonctionnement :
– Un rendement constant est mis à disposition sur une durée déterminée.
– Le principal critère de décision est la puissance de sortie électrique garantie.
– Si le rendement de l’éolienne se situe au-dessus de la puissance de sortie garantie, alors la puissance excédentaire est récupérée par l’électrolyseur.
– Un autre rendement excédentaire peut être limité par l’angle d’inclinaison (baisse du rendement de l’éolienne par la modification de l’inclinaison des pales du rotor).
– Si le rendement de l’éolienne se situe sous la puissance de sortie garantie, alors l’hydrogène est retransformé en électricité en passant par la centrale de cogénération à gaz mixte et compense ainsi le déficit de puissance.

Fonctionnement en mode prévision

À travers le mode de fonctionnement prévision, on cherche à suivre si possible de façon précise la prévision de rendement de la centrale hybride. Cela signifie pour l’exploitant du réseau que le rendement de l’installation est très précisément planifiable.
Sur la base des valeurs des prévisions du vent et en prenant en considération le potentiel maximal de réglage de la centrale hybride, une prévision horaire de la puissance d’alimentation de la centrale hybride est donnée huit heures à l’avance.
Ensuite, la centrale suit ces valeurs prévisionnelles. La fonction se rapproche ainsi du mode de fonctionnement charge de base, cependant la valeur de puissance d’alimentation garantie varie toutes les heures.

Utilité :
– Garantie pratiquement à cent pour cent de la puissance pronostiquée.
– Exploitation planifiable du réseau.
– Avantage du modèle de charge de base et de la mise à disposition d’hydrogène.

Caractéristiques de ce mode de fonctionnement :
– La puissance constante prévisionnelle est maintenue dans des créneaux horaires constants.
– Le principal critère de décision est le rendement prévisionnel de l’éolienne.
– Une prévision horaire est donnée huit heures à l’avance.
– La prévision de rendement de la centrale électrique hybride tient compte des pertes internes et du niveau actualisé de la cuve.

Fonctionnement en mode alimentation EEX ou charge maximale

Dans ce mode de fonctionnement, la puissance d’alimentation est définie par l’objectif de rachat de l’électricité restituée au réseau (par exemple par l’EEX : Bourse allemande d’échange d’électricité).
Si des rachats minimums fixés à l’avance sont dépassés, alors la centrale hybride soutient le réseau.
Le reste du temps, l’énergie éolienne est provisoirement stockée ou alimente directement le réseau.

Utilité :
– Intégration des énergies renouvelables dans le marché.
– Adaptation de la production en fonction du besoin de puissance électrique sur le réseau.
– Renforcement actif du réseau.

Caractéristiques de ce mode de fonctionnement :
– La puissance constante prévisionnelle est maintenue dans des créneaux horaires constants.
– Le principal critère de décision est constitué par le marché.
– Une prévision horaire est donnée 24 heures à l’avance.

Vidéo sur les centrales d’ENERTRAG