Modélisation saisonnière des systèmes intégrés de stockage d'énergies renouvelables : Analyse 4E des batteries CAES, hydrogène et lithium-ion pour les bâtiments résidentiels de Lyon et Rio de Janeiro

Seasonal modeling of integrated renewable energy storage systems : 4E analysis of CAES, hydrogen, and lithium-ion battery for residential buildings in Lyon and Rio de Janeiro

• Auteur / Autrice : José Eduardo Sanson Portella De Carvalho
• Direction : Rémi Revellin, Florian Pradelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique-Énergétique
• Date : Soutenance le 20/05/2025
• Etablissement(s) : Lyon, INSA en cotutelle avec Pontifícia universidade católica (Rio de Janeiro, Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Sérgio Leal Braga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Revellin, Florian Pradelle, Sérgio Leal Braga, Lavinia Grosu, Nolwenn Le Pierrès, Silvio De Oliveira Junior, Marc Clausse, Waldyr Luiz Ribeiro Gallo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lavinia Grosu, Nolwenn Le Pierrès, Silvio De Oliveira Junior
• DOI : 10.70675/2eb34474z5fe5z4e1az8b79ze5aaf385e4e0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Hydrogène

Air comprimé

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Énergie

Exergie

Exergoéconomie

Impact environnemental

Énergie solaire

Trigénération

Stockage d'énergie

Thermique

Energy

Exergy

Exergoeconomy

Environmental

Solar energy

Trigeneration

Energy storage

Thermics

Résumé

L'intégration des sources renouvelables intermittentes avec des systèmes de stockage d'énergie constitue une stratégie efficace pour renforcer la fiabilité du réseau énergétique et garantir la disponibilité de l'électricité. Cette étude examine trois technologies de stockage d'énergie: le stockage d'air comprimé (CAES), l'hydrogène et les batteries lithium-ion. Ces systèmes sont couplés à des panneaux photovoltaïques et appliqués à un bâtiment résidentiel à Lyon (France) et à Rio de Janeiro (Brésil). L'analyse couvre une année complète de fonctionnement et est évaluée selon une approche 4E, prenant en compte l'énergie, l'exergie, l'exergoéconomie et l'impact environnemental. En termes d'efficacité, les systèmes CAES et hydrogène présentent des performances similaires, sauf dans la configuration trigénération, où l'hydrogène se révèle plus performant. D'un point de vue économique, à Rio de Janeiro comme à Lyon, comparé au scénario de référence, le système hydrogène engendre les coûts les plus élevés (+157,9 % et +199,9 %), suivi du CAES (+118,9 % et +159,6 %) et des batteries lithium-ion (+22,2 % et +41,7 %). Concernant l'impact environnemental, le CAES et les batteries lithium-ion réduisent efficacement les émissions de CO₂ équivalent dans les deux villes, avec des bénéfices plus marqués à Rio de Janeiro. En revanche, le système hydrogène ne devient viable que lorsque le biogaz remplace le gaz naturel, ce qui améliore considérablement ses performances et réduit substantiellement le coût des émissions de CO₂ évitées. Avec cette configuration, tous les systèmes permettent d'éviter des émissions, notamment à Rio de Janeiro, de 24,3 tonnes, 50,0 tonnes et 26,1 tonnes respectivement pour le CAES, l'hydrogène et les batteries lithium-ion. À Lyon, ces valeurs sont plus faibles, avec 2,45 tonnes, 15,3 tonnes et 1,49 tonne. Dans l'ensemble, ces trois systèmes présentent un potentiel prometteur, mais leur faisabilité repose sur des réductions de coûts et des améliorations d'efficacité de leurs composants.

Integrating intermittent renewable sources with energy storage systems is an effective strategy to enhance energy network reliability and ensure power availability. This study examines three different energy storage technologies: Compressed Air Energy Storage (CAES), hydrogen, and lithium-ion batteries. These systems are coupled with photovoltaic panels and applied to a residential building in Lyon (France) and Rio de Janeiro (Brazil). The analysis spans a full year of operation and is evaluated using a 4E approach, assessing energy, exergy, exergoeconomics, and environmental impact. In terms of efficiency, CAES and hydrogen systems exhibit similar performance, except in the trigeneration configuration, where hydrogen demonstrates superior results. From an economic standpoint in both Rio de Janeiro and Lyon, when compared to business as usual, the hydrogen system incurs the highest costs (+157.9% and +199.9%), followed by CAES (+118.9% and +159.6%) and the lithium-ion batteries (+22.2% and +41.7%). Regarding environmental impact, CAES and lithium-ion batteries effectively reduce CO2 equivalent emissions in both cities, with greater benefits observed in Rio de Janeiro. In contrast, the hydrogen system only becomes viable when biogas replaces natural gas, as the system's performance improves significantly, substantially reducing the cost of avoided CO₂ emissions. With this configuration, all systems are able to avoid emission, notably in Rio de Janeiro, with 24.3 tons, 50.0 tons, and 26.1 tons for CAES, hydrogen and lithium-ion batteries. In Lyon, the values are lower with 2.45 tons, 15.3 tons and 1.49 tons. Overall, all three systems show promising potential, but their feasibility depends on cost reductions and efficiency improvements of its components.