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Les technologies de stockage énergétique
Alfred Rufer, EFPL et coordinateur du bureau scientifique du CREM
Wednesday, Oct. 4, 2017 · noon · 26m 24s
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voilà merci daniel c'est un honneur pour moi d'être présents aujourd'hui ces
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merci aux organisateurs de m'avoir donné la possibilité de faire cette présentation
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donc on va parler de techniques encore un petit peu ce matin
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vous auriez vous aurez lu le titre les technologies de stockage d'énergie je crois qu'on peut faire
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assez facilement le lien entre une transition énergétique qui est basé
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sur les renouvelables avec le stockage d'énergie directement
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donc encore faudrait il savoir quelles solutions adaptées à quels problèmes mais c'est un petit peu
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ce que j'entendais avec eux le regard attentif sur les performances de ces systèmes
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donc dans ma présentation je ferai avant une introduction
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introduction plus générale un peu plus faciles à saisir
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je parlerai ensuite de différentes technologies de stockage
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et ensuite je reviendrai sur des paramètres comparer les propriétés donc ce sont des
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outils d'ingénieurs pour essayer de caractériser les performances de ces différents systèmes
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et le coeur de la présentation c'est ce qu'on appelle
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la théorie de la représentation dragonne c'est un outil très
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intéressant qui permet de se rendre compte qu'elles sont effectivement les performances en termes d'énergie et en termes de puissance
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de différents systèmes d'accumulation d'énergie et puis j'illustre récemment aussi avec des exemples
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pour ceux qui voudraient en savoir plus je peux vous annoncer à partir du
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mois prochain un livre que je édité chez cer cypress équi
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contient passablement de connaissances donc on trouve la référence
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si vous faites google sert cette presse le
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type d'ouvrage mon nom vous devriez arriver à trouver facilement cet ouvrage et ça vous intéresse
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voilà donc je vais commencer une introduction un petit peu plus cédule corée
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pour illustrer l la thématique du stockage d'énergie que souvent adaptés
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à la nature de l'utilisateur ici un exemple des horlogers
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vous voyez un mouvement automatique ici d'ailleurs beaucoup l'autre
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moment automatique donc avec du stockage mécanique avec lui jour d'autonomie
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et il ya eu tendance à faire du tout électrique du tout électronique
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à droite de l'image que vous avez un modèle
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électronique avec une autonomie de vingtquatre mois avec bien sûr beaucoup plus de
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fonction mais c'est notre cette autonomie eh bien il faut passer
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a. aux changements d'accumulateur cessons de sa couverture de manquements rechauffement charge
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plus récemment on a vu arriver ce genre de produit ceux sur le marché vous voyez que
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l'autonomie si elle passe à 18 heures ça veut dire que l'utilisateur
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de l'objet doit réviser assez fondamentalement son comportement ses habitudes de matin au soir quand
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il se couche etc bien sûr que le nombre de fonctions il a pratiquement exploser
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encore pour illustrer de façon plus pragmatique donc
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les applications du stockage journal électronique
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portable on parle ici de très très grande série la téléphonie les
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ordinateur les outils les outils avec des accumulateur on voit par exemple avec
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cette personne que l'déjà le volume de l'outil luimême le
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le volume de la mécanique de perçage et les
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plus petites que le volume nécessaire pour l'accumulation
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les gens de partir d'aberration mais ce genre de contraindre leurs troupeaux sinon la mobilité au niveau du poids des
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véhicules on voit ici les véhicules pour monsieur tout le monde le véhicule d'un petit peu plus luxueux
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je pouvais pas parler d'énergie et sans eux mettre cette
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image de notre ami bertrand piccard j'
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ai mis le titre du rêve ce que ça reste quand même une envergure assez importante pour un seul
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passagers mais en fait cet exploit technologique aurait pas été possible il ya 10 ans si on
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avait pas eu les technologies de stockage de lithium ion con dont on dispose aujourd'hui
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plus proche du canton du valais le stockage ici de beaucoup plus grande
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dimensions 900 mégawatts à annan de dranse eux ont
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tout le monde connaît pratiquement le la puissance de cette installation
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mais personne n'est vraiment conscients de l'autonomie
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énergétique c'est à dire le temps avec lequel on peut couvrir les besoins de production d'énergie
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finalement ce que j'appelle à la centrale hybride ceci est une
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vision peut être un petit peu plus futuriste qui pourrait être un des éléments de
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de la troisième solution que d'autres dont parlait en matière civile
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et on voit qu'autant eux l'intégration des renouvelables
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photovoltaique l'éolien mais aussi l'intégration de producteurs
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cher en puissance à typiquement les piles à combustible peu dimensionner nîmes pile
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à combustible pour un niveau moyens puissants économiquement ça tient encore
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la route surdimensionné une pile à combustible pour les points qu'on l'utilise pas économiquement ça commence à devenir très problématique
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et on voit l'interface de toutes ces solutions avec notamment des systèmes d'
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eux conversion d'énergie par des moyens de l'électronique de puissance
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à regarder un peu les technologies plus en détail je crois que tout le monde
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connaît la technologie du pompage turbine âge avec réservoir supérieurs avoir inférieure des
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équipements rotatif pompe turbine et générateurs qui aujourd'hui fonctionne de plus en plus
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à vitesse variable c'est donc de nouveau de l'électronique de puissance
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il a ici blois qui vous donne le
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principe élémentaire du stockage pompage turbine âge gravitation
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toujours dans le domaine de la physique en donc je fais la distinction entre les phénomènes physiques et mécaniques
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où l'on a une certaine ou une bonne réversibilité par opposition au système electre
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chimiques qui sont toujours sujet à des phénomènes de vieillissement comme extrêmement problématique ici
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la compression de l'air avec compresseur stockage
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physique avec une augmentation de pression et l'augmentation de quantité d'air dans un volume fini et puis
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là la restitution bien sûr la font que le fonctionnement avec détendeurs ou une turbine entraînant un générateur
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toujours dans le domaine de la physique réversible un système basé sur un volant d'inertie
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ici avec eux on voit autour du volant d'inertie une enceinte ça
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veut dire que c'est ce volant d'inertie pour éviter
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les les pertes aérodynamique on doit le mettre dans une enceinte
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évacuée et on a donc ici besoin d'un système d'auxiliaires
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qui maintiennent la pression partielle et qui sont aussi consommateurs d'énergie comme on le verra plus
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on voit que ce genre de système fait aussi appel à des
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nouvelles industries a toujours des nouvelles industries qui fleurissent autour
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de nouvelle invention entoure autour de nouveaux développements technologiques à l'
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exemple ici de ce système de volant d'inertie
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6 ans kilowatt de puissance avec 100 kwh de capacité
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toujours la physique cette fois ci plutôt électrique mais quand même à ce principe physique réversible le
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6 mai super comme d'active magnétique énergie storage unes bobine supra conductrice de nouveau ici
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les auxiliaires il faut maintenir le système en température de fonctionnement supra conductrice est à dire
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à quelque degré calvin et donc la consommation de ces auxiliaires en cryogénie sont des
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quantité d'énergie qu'il faut aussi donc il faut tenir connaissant
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font donc il faut tenir compte dans les bilans énergétiques blount
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pour illustrer un petit peu le côté pas dire i réelle de la réalisation d'un grand
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cesse je prend ici un exemple de nos collègues
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japonais un sommet Z100 mégawatts heures
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qui serait placé dans un système de liaison
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entre deux réseaux d'un côté à
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west réseau à 50 hertz
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à l'ouest un réseau
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60 hertz au milieu des conversions statique dans lesquels
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on a au niveau du circuit intermédiaire ce système de stockage à
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base de bobines supra conductrice voyez un petit peu les conséquences
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de ces deux soldats dimensionnement ils font un terrain de
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404 vingts mètre par 300 mètres
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avec eux une auteure d'installation d'environ 7 pas de 3 mètres et
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toute cette surface tout ce volume à maintenir en condition cryogéniques c'
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est un tout petit peu loin en tout cas des aspects économiques
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déjà produire l fluide cryogéniques pour réaliser cette installation
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mais donc nos collègues japonais ont réalisé des bobines à 150 kwh
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à castellane donc ces technologies vérifier mais évidemment donc
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dont le point d'interrogation sur la réalité de l'application reste quand même assez important
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stockage capacitifs toujours de la physique réversible
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avec donc un système de conversion statique pour charger décharger ses condensateur
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si je profite de l'occasion pour vous montrer un développement qu'on a fait en collaboration avec le serment
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une installation de 60 mégawatts avec une quinzaine de
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je de mega geôles de stocks de stockage d'énergie pour alimenter les bobines
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de du du sacre au 3 pro tondu du serment je point qui peut vous illustrer
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l'installation dont en voici quelques vues 700 mètre cube de condensateur pour couvrir cette installation
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finalement les lettres chimie bien sûr ici les accumulateur electre chimique avec une
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installation ici donc de relativement grande patrie interfacez au réseau
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batterie electre chimique qu'on peut réaliser aussi sous une forme un petit peu plu
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évoluer avec un electre lisa grant en phase liquide c'est une
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patrie un accumulateur à eux canadian bray docs tel qu'on peut le voir ici à
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martigny dans les installations de notre collègue hubert giraud avec bien sur la propriété ici
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deux pouvoir avoir de nous de pouvoir atteindre des durées de vie qui se situe l'ordre de grandeur de
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15'000 20'000 cycles simplement parce qu'on n'ait pas confronté au problème de stress mécanique dans
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la variation chimique du matériau solide qu'on a dans les accumulateurs
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on peut illustrer ceci donc un produit d'oeufs sel centraux mais si
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ça s'appelle solar stelle s est typiquement un accumulateur
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qui vous permet de stocker pendant la journée du photovoltaique de charger
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en fin de journée des scouts r ou des petites voitures
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le stockage sur des durées plus longues donc ici avec eux un exemple
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que j'ai pris le stockage basé sur sur l'hydrogène
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qui permet de faire notamment du stockage saisonnier avec eux sa partie des lettres des auteurs sa partie de piles
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à combustible et tout les équipements de conditionnement essentiellement conditionnement de
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l'hydrogène compression détente pour pouvoir couvrir ses besoins
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alors on arrive maintenant à vos outils ou aux éléments qui nous permettent de
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de faire de la comparaison de solution de la comparaison de propriété
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ou de performance alors ici d'abord représentés
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les normes palette de solutions dont on peut discuter ont eu l'échelle
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de puissance horizontale qui va qui va du kilo watt ou gigawatts
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6 si j'intègre les horlogers pas il faudrait encore avoir 3
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ou 4 décades plus à gauche de ceux de ce diagramme
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en axe vertical l'autonomie de ses solutions et vous voyez déjà ici à paraître
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une limitation même des grandes installations le stockage pompage
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turbine âge ne permet pas de monter à
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des milliers d'heures d'autonomie ici j'ai pris en exemple de stockage saisonnier
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100 jours à 10 heures par jour pour stocker du photovoltaique ça
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vous donne à peu près la le 10 puissance 3 heures
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et puis le lot mégawatts de limites que j'ai mis c'est sur ce qu'
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on peut raisonnablement réalisé aujourd'hui mais en fait on peut bien sur eux
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continuer dans la direction donc de
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d'augmentation de capacité des autres solutions belle
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sont si évidentes avec beaucoup de solutions de batterie tel qu'on les connaît aujourd'hui
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alors les paramètres intéressant là les 4 paramètres fondamentaux du stockage énergie c'est
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d'abord la densité massique dénergie euxmêmes con exprimant ou acteurs par kilo
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la densité volume i d'énergie en watt heure par litre ou par décimètres cumes
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ensuite il faut tenir compte du niveau de puissance auquel on veut échanger énergie avec ce système de stockage et
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c'est pour ça qu'on utilise la puissance spécifique p. M7 ans ou à eux en watts
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par kilo et puis la densité volume hic de puissance en watts par lettre ça c'est
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les couples et les paramètres les plumes les plus importants pour
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pouvoir caractériser pouvoir comparer les solutions de stockage énergie
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on peut faire des tas de diagramme différent ici on a représenté un certain nombre de solutions
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tenant compte système simultanément de la densité de puissance par unité de masse et la densité de
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pas dans l'intensité énergétique par unité de masse et la densité énergétique par unité de volume
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ça donne déjà une certaine idée de
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d'une part des performances mais
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pour pouvoir caractériser correctement on doit avoir recours à un site un diagramme
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qui tient simultanément en compte des propriétés en termes de capacité énergétique
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et puis simultanément en termes de puissance le
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diagramme dragonne représente la densité d'énergie
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en même temps que la densité de puissance c'est quelque chose d'
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absolument fondamental tel qu'on le verra tout à l'heure
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dans les exemples et dans la théorie dragonne d de la représentation dragonne que je vous présenterai
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ce qui à eux d'autre part mettre encore
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l'efficacité énergétique le rendement énergétique et puis
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la note liste ici la durée de vie on voit clairement ici qu'il ya
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entre 5 et diminue le cycle une limite très claire a
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a droite de cette limite vous avez les solutions basées
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sur de la physique réversible à gauche de cette limite vous avez plutôt des solutions qui sont qui souffrent
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deux phénomènes d'altération de vieillissement et qui sont du domaine de l'être ching
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alors je parlais de rendement il faut avant de faire des calculs qui peut raisonner sur le système
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écoulé représentait un tout petit peu ce qui se passe dans un système de stockage ici
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on part à gauche d'une certaine quantité d'
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énergie que fournissent par exemple des panneaux photovoltaiques
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au centre on a une quantité au 0 d'énergie qui est à l'
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intérieur de ce système de stockage à droite il ya la quantité dont
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que l'on peut extraire de systèmes de stockage c. effectivement l'
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énergie utile à la sortie du système de stockage
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vous voyez en dessous la il ya des pertes interne qu'il faut
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couvrir et lors de la charge et lors de la décharge il ya
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de l'auto décharge et puis il ya comme on l'a vu en valeur les
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puissances des auxiliaires qu'il faut intégrer dans le bilan énergétique totale du système
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je n'arrive donc au centre de
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de ma contribution avec eux ce qu'on appelle la théorie de la représentation dragonne
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alors je vais pas aller trop en détail dans cette histoire de théories
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il ya donc des auteurs très connu christen carlson de
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de même centre de recherche oui monsieur syrienne
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on cherche simplement ici à formuler quelle et la quantité d'énergie que
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l'on est capable d'extraire d'un système de stockage
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et ceci en sachant à quel niveau de puissance on veut
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échanger à quel niveau de puissance en ou décharge
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on peut illustrer ça par exemple par une patrie en une patrie être chimique ici on a représenté en p. u.
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et l'énergie à extraire ou stocker et la puissance
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à laquelle on veut travailler on voit que
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là l'énergie la plus élevée que l'on peut extraire de cette batterie
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eh bien c'est lorsque l'on extrait ou qu'on décharge à
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la puissance la plus faible si on monte en puissance des biens
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automatiquement via une augmentation de la dissipation
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interne et il ya une diminution
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de l'énergie dont on peut disposer finalement comme l'utilisateur
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c'est totalement différent pour un système par exemple se laisse c'est
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aussi comme ceci pour un système un volant d'inertie
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la quantité maximale d'énergie que l'on est capable d'extraire d'un tel système
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et d'autant plus grande que l'on décharge la puissance élevée avec un semestre
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avec un volant d'inertie si vous laissez l'énergie de dents vous souffrez
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du brassage d'air et des pertes aérodynamique d'un
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système vous dissiper sans s'extraire ou sans utiliser
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et il faut sortir de l'énergie le plus rapidement possible pour pouvoir en sortir une quantité maximale
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au salon laboratoire avec eux un césar monsieur simon de la
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leon a fait une théorie un petit peu plu
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global on appelle ça la représentation de ramon modifié
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pour laquelle on prend un même schéma équivalent ici une source d'énergie
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cours présente avec une source de tension une quantité d'énergie double 0 à l'intérieur
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ya un phénomène d'autres décharge il ya une dissipation série avec cette résistance série
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et puis on peut remplacer la source de puissance par une résistance variable
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mais le principe fondamental ici k aussi similaire mais qui comprend
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à la fois les essais et les effets de dissipation internes et les effets
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d'autre décharge sur intel diagrammes et si vous voyez de nouveau une échelle logarithmique en puissance
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une échelle linéaire en énergie que l'on est capable de récupérer
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et pour un petit peu que résumer le la signification
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le message de ces diagrammes dragonne modifié
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si vous êtes impuissance très très faible c'est à dire tout à gauche de ces diagrammes
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vous êtes pris au piège de l'auto décharge ainsi vous décharger votre accumulateur avec une puissance
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du même ordre de grandeur que loto décharge finalement bah vous allez rien sortir de votre accumulateurs
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donc il faut monter en puissance il faut monter en puissance dans un domaine de puissance ou
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vous sortez et beaucoup d'énergie mais si vous allez trop en
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puissance eh bien vous allez dans le segment tout à
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droite de ces diagrammes et vous allez de nouveau plus rien de
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ne pouvoir sortir de votre système d'accumulation de neige
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voilà avant d'aller traiter des exemplaires présenter encore ici l'influence des auxiliaires donc on a
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par exemple ici sur la gauche 3 système connu pour avoir des auxiliaires qui sont très
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consommateurs d'énergie un j'ai mentionné avant làdessus estce un équipement de cryogénie ça consomme beaucoup d'énergie
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les auxiliaires du du du volant d'inertie pour
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éviter les pertes aérodynamique on a des pompes à vide
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qui maintiennent le vide ou dans un accumulateur médium
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rédaction va dépendre de circulation deux c électronique vous voyez dans la présentation à droite ici
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le niveau de puissance auquel on veut travailler il faut tenir compte donc sur ce
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sur l'échelle qui graduée de 0 à 7 la puissance d'utilisation
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et l'échelle qui et graduée de 0 à 0 de ses la puissance des auxiliaires
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en dessous de cette intersection avec le plan eh bien
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on peut parler d'eux le rendement énergétique inégalés
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si vous avez bien sûr des auxiliaires qui consomme plus que votre système de stockage ne peut vous fournir l'énergie
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voilà je veux encore illustrait assez rapidement quelques exemples d'abord
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ici un dimensionnement qu'on avait fait avec eux une
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société italienne eux qui promouvoir et ce qu'on appelle la
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forme ou l'a. S2000 à l'époque
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c'était donc un système de compétitions automobiles avec une norme
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unique un véhicule identique pour tout les participants avec le caire
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6 un le ski nautique énergie recovery system récupérer de l'
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énergie cinétique au freinage et la réutiliser lors d accélération
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la spécification l'époque elle donnait unes fonction push to
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pass le pilote un beau avec un bouton
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eux ou avec lequel il pouvait accélérer su avoir une bénéficier d'une accélération supplémentaires
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en fonction donc de freinage récupéra tif qu'il avait géré avec un peu plus de
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de dextérité donc la spécification et si elle demandait
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un stockage capable de fournir 30 kilowatt pendant 6 secondes ça c'est là
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la spécification nominale de cette application alors ya bien sûr
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différentes solutions la solution qu'on a étudié non cette solution basée sur l'utilisation
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de super condensateur et on a fait le calcul je pense qu'on peut
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je n'ai pas rentrer dans le détail du calcul mais peut être que le résultat
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qu'on a obtenu c'est de montrer ici que le rendement énergétique de systèmes de stockage
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ici avec une puissance qui varie de 30 à 3 donc dans une
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des cas de puissance en à présenter les points 30 kg atteint la
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moitié au cinquième et au dixième de cette puissance on voit que
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le rendement en fonction de cette puissance de fonctionnement il est dans un
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domaine qui est tout à fait bien situé par rapport aux
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diagramme de r'agone modifier telle qu'on l'a 7 la zone
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avec eux le cercle rouge qui est illustrée sur la droite de la figure
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des constructeurs italien de voitures rouges ont préféré
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dans ce développement a utilisé des accumulateur lithium ion
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ils ont d'abord chercher des cellules pour eux 104 vingts kg joue lancer l'la quantité d'
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énergie dont on a besoin et 30 kwh sur les
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6 secondes ils sont arrivés à montrer que
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seulement cette cellule serait suffisante
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pour couvrir les besoins énergétiques en mais cette cellule cette fois 3
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virgule 3 vol ça fait une tension très très
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très basse et ça fait en courant de pratiquement 1'300 à remplir un possible de
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réaliser cette application avec des cellules dont la
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capacité énergétique et le critère de dimensionnement
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donc qui sont allés dans un dimensionnement qui fait 10 fois la capacité
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d'énergie rentrant au lieu de cette cellule on apprend 70
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et ces 70 cellule ça nous donne un courant deux etc et on calcule le rendement énergétique de nouveau
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pour différents points de puissance de l'extraction de ce système et on obtient cette courbe la
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donc vous voyez qu'à puissance nominale on est à 6
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de rendement ce qui pose une question sur le rendement énergétique
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pour les puissances plus faibles et bien le rendement bien sûr s'améliore et on voit
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que cette courbe de gauche si on la rapporte au diagramme de ramon modifié
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ça montre bien que le choix ses fesses urine technologique et pas adapté
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à la spécification notamment la spécification en puissance de cette application
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un autre exemple encore c'est un volant d'inertie un volant d'inertie de
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vin kilowatt 8,5 mega joli ça tourne à 3'000 tours
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là de nouveau on a fait un calcul avec
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le calcul notamment du aéroport dynamique drag
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le la traînée aérodynamique et si on dit mentionne un tel système
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on peut représenter de nouveau le rendement énergétique et ici vous voyez que si le rendement
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énergétique à la puissance nominale est intéressant en audessus de 9 point
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eh bien si on diminue la puissance bien le rendement énergétique s'écroule on ait clairement ici
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sur le mauvais segments le segment à gauche de la cour de révolte modifié à la
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j'arrive à mon dernier slide de conclusions ont fait des grands signe
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le stockage d'énergie cette importance élevée pour les énergies du futur
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le choix corrects et le dimensionnement d'un système spécifiques doivent
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être basées sur des paramètres et des modèles adequat
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la théorie de la représentation dragonne peut être utilisé c'est une solution
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et puis le la fin de la chose ici donc la quantité d'énergie réelle
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qui peut être extraite d'un système de stockage elle dépend d'abord
Conference Program
Mot de bienvenue
Jakob Rager, Directeur du CREM
Oct. 4, 2017 · 10:07 a.m.
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Introduction
Daniel Favrat, Prof. honoraire EPFL, Vice-Président CREM
Oct. 4, 2017 · 10:12 a.m.
La vision de la Confédération. Comment faire « bouger » la Suisse et ses 26 cantons dans la même direction ?
Benoit Revaz, Directeur de l’OFEN
Oct. 4, 2017 · 10:14 a.m.
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Q&A - La vision de la Confédération. Comment faire « bouger » la Suisse et ses 26 cantons dans la même direction ?
Benoit Revaz, Directeur de l’OFEN
Oct. 4, 2017 · 10:34 a.m.
Les marges de manœuvre, les opportunités et les défis pour le canton du Valais
Joël Fournier, Chef de service SEFH Canton du Valais
Oct. 4, 2017 · 10:38 a.m.
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Q&A - Les marges de manœuvre, les opportunités et les défis pour le canton du Valais
Joël Fournier, Chef de service SEFH Canton du Valais
Oct. 4, 2017 · 11:03 a.m.
Situation suisse: pistes d’évolution du cadre réglementaire
Matthias Finger, Membre de l’ElCom et Professeur en management des industries
Oct. 4, 2017 · 11:06 a.m.
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Q&A - Situation suisse: pistes d’évolution du cadre réglementaire
Matthias Finger, Membre de l’ElCom et Professeur en management des industries
Oct. 4, 2017 · 11:29 a.m.
Evolution du business model actuel vers des business models permettant de répondre aux exigences imposées par la transition énergétique
Andreas Z'Graggen, Principal Scientist ABB
Oct. 4, 2017 · 11:34 a.m.
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Les technologies de stockage énergétique
Alfred Rufer, EFPL et coordinateur du bureau scientifique du CREM
Oct. 4, 2017 · noon
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Q&A - Les technologies de stockage énergétique
Alfred Rufer, EFPL et coordinateur du bureau scientifique du CREM
Oct. 4, 2017 · 12:26 p.m.
Conclusion
Daniel Favrat, Prof. honoraire EPFL, Vice-Président CREM
Oct. 4, 2017 · 12:30 p.m.
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Mot de la fin
Olivier Dumas, Président du CREM
Oct. 4, 2017 · 12:33 p.m.
Recommended talks
Introduction
Prof. Favrat, EPFL
May 31, 2013 · 5:16 p.m.
Solar energy - part 2
Prof. François Maréchal, EPFL
May 21, 2012 · 5:19 p.m.
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