Le stockage d`énergie pour un métro automatique

Transcription

Le stockage d’énergie pour un métro automatique
Eric CHATTOT – 12 mars 2009
Journée Club EEA
Systèmes électriques pour véhicules du futur
mars-09
© Siemens Transportation Systems
Copyright notice
1
Les trois Secteurs de Siemens
Industrie
Activités
transversales
IT Solutions
Fossil Power Energie
Santé
Imaging & IT
and Services
Generation
Siemens Financial
Divisions
Divisions
Renewable
Energy
Workflow & Solutions
Services
Energie
Mobility
Industrie
Divisions
Industry
Automation
Sectors Santé
Drive Technologies
Fossil Power Generation
Imaging & IT
Diagnostics
Drive Technologies
Oil & Gas
Industry Automation
Renewable Energy
Workflow & Solutions
Rotating
Building
TechnologiesService

Oil & Gas
Diagnostics
Building
Technologies
Equipment
Mobility
Energy Service
Power Transmission
Osram
Lighting (OSRAM)
Power Transmission
Solutions
Industry
Industry
Solutions Power Distribution
Power Distribution
Pourcentage du chiffre d’affaire global par Secteur *
51,3%
27,8%
mars-09
Copyright notice
14,2%
6,7%
2
La Division Mobility (secteur Industie)
Traffic Solutions
Rolling Stock
Locomotives &
Components
Public Transit
Rail Automation
Rail Automation
mars-09
Integrated
Services
Turnkey Systems
Turnkey
Systems
Electrification
Traffic Solutions
Infrastructure Logistics
Postal
Automation
* Au 30 septembre 2007
Copyright notice
Airport
Logistics
3
Les activités de STS
Centre mondial de compétence pour les automatismes de métros
Métros entièrement automatiques
Automatismes pour transport urbain
Activités “clés en main” : systèmes de métros automatiques sur pneus ou
sur fer
Fournisseur en France des produits et solutions de TS
Trains, tramways, tram-trains, locomotives, électrification,…
Prestataire de services : maintenance, aide à l’exploitation
mars-09
Copyright notice
4
L'innovation chez STS
Le Val : premier métro entièrement automatique (Lille, 1983)
Optiguide : le premier Système de guidage optique pour autobus (Rouen, 2001)
Le SACEM : premier système informatisé de contrôle des trains (Paris,1988)
La première application d’un automatisme CBTC sur un métro à forte capacité
(Paris, Ligne 14, 1998)
La première re-signalisation d'une ligne en exploitation 24h/24 (New York, Ligne L,
2006)
mars-09
Copyright notice
5
Système Val du 206 au 208 NG
Développé dans les années 70,
le Val est modernisé et amélioré au
fil des années en fonction des
besoins et des marchés
Val 206
mars-09
Val 208
Copyright notice
Val 208 NG
Val 208 NG climatisé
6
Le Val dans le monde
6 villes et 3 aéroports équipés ou en
cours d’équipement
119,5 km de lignes en service ou en
construction
Plus d’un milliard de passagers
transportés en toute sécurité depuis
1983
Disponibilité > 99.97 %
mars-09
Copyright notice
7
Neoval
Nouvelle génération de métro
automatique qui vient enrichir la
gamme VAL
2 déclinaisons Airval et Cityval
Innovations par rapport au VAL
Véhicule guidé par un rail central
Concept châssis - véhicule
modulaire
Modularité du nombre de véhicules
Automatismes de nouvelle
génération de type CBTC
Plus de confort et services
passager
Stockage d’énergie embarqué
mars-09
Copyright notice
8
Principe du système de guidage central actif
Concept commun au véhicule TransLohr : un unique rail central
entre deux galets localisés en extrémité de chaque roulement
Utilisation d’un type de guidage nouveau permettant des
réductions de coût importantes sur le véhicule et sur les
infrastructures
mars-09
Copyright notice
9
Contexte et enjeux
Même si le transport ferroviaire et le métro sont des moyens de
transport dont l’efficacité énergétique n’est plus à démontrer, le
coût de l’énergie de traction devient un poste de dépense majeur.
Cette tendance oblige les exploitants à regarder de plus près leur
consommation énergique pour identifier les sources potentielles de
réduction.
Axes d’amélioration:
Véhicule et sa chaine de traction
Maitrise de la conduite
Distribution d’énergie
mars-09
Copyright notice
10
Spécificité des métros automatiques
Longueur des inter-stations: 300m à 700m
Heures de pointe: Intervalle jusqu’à 60 s minimum
Heures creuses: Intervalle > 4 mn
Exploitation 21 h/ 24h et 24h/24h
mars-09
Copyright notice
11
Distribution de l’énergie de traction : situation
Les contraintes d’exploitation conduisent à:
Surdimensionner les artères de livraison
Surdimensionner le système de distribution d’énergie
Les véhicules produisent un appel de puissance au démarrage
Ces pics de puissance sont très coûteux:
Surdimensionnement du contrat de livraison
Paiement de pénalités
Synchronisation des tables horaires à ses limites
mars-09
Copyright notice
12
Caractéristiques énergétiques d’une inter-station
Phase de traction
Phase de vitesse palier
Phase de freinage
mars-09
Copyright notice
13
Réceptivité du réseau
Avec un déphasage approprie la
réceptivité du réseau peut être
amélioré
Energie redresseur / Energie necessaire
en fonction du decalage et intervalle
90
80
Max 40s
%
Max 30s
Réceptivité varie en fonction de
l’intervalle et du nombre de
véhicules en ligne
Max 20s
70
Max 10s
Max 0s
60
50
0
2 cas illustrés: sans pertes en ligne
et avec pertes en ligne
50
100
150
200
250
300
350
400
Energie redresseur / Energie necessaire
en fonction du decalage et intervalle
100
90
3 stations 30s
%
Pour les intervalles long la seul
solution est le stockage
3 stations 40s
80
3 stations 20s
3 stations 10s
70
3 stations 0s
60
50
0
mars-09
Copyright notice
50
100
150
200
250
300
350
400
14
Transformation de l’énergie
Besoin énergétique
Freinage
L’énergie cinétique dissipée
lors du freinage représente
40% de la consommation
énergétique
90% pour la traction
10% pour les équipements
auxiliaires
mars-09
Copyright notice
15
Récupération de l’énergie par le stockage
Utilisation d’éléments de stockage d’énergie au sol
Utilisation de dispositifs de stockage en embarqué
Ces deux solutions peuvent être couplées selon les besoins de
l’application
mars-09
Copyright notice
16
Applications
Tram:
Passages de carrefour, quartier
historique à vitesse réduite
Capacités:1-3 kWh
Temps de recharge: plusieurs minutes
Métro:
Fonctionnement nominal
Récupération énergie de freinage: 3-6
kWh
Autonomie nécessite une grande
capacité de stockage: >10kWh
Cycles de recharge: <20s
mars-09
Copyright notice
17
Bénéfices du stockage d’énergie embarquée
Infrastructure
Postes d’alimentation à la baisse (en nombre, puissance)
Simplification de la voie (appareils de voie, …)
Pas d’électrification des zones de garage/atelier
Exploitation
Optimisation de la récupération de l’énergie
Réduction des pics de puissance (jusqu’à 50%)
Autonome en cas de panne du réseau
Amélioration de la gestion des modes dégradés
mars-09
Copyright notice
18
Technologies
Stockage hybride:
Batteries + Supercondensateurs
Technologies complémentaires
Les supercondensateurs répondent
aux besoins de fortes puissance et
de cyclage
Les batterie offrent une grande
capacité et une réserve pour les
modes dégradés
Les performances du système et la
durée de vie de composant sont
améliorés
mars-09
Copyright notice
19
Architecture véhicule avec stockage embarqué
Auxiliaires
Convertisseur
DC/DC
Moteur-roue
Batteries
Hacheur 4Q dual
Convertisseur
DC/DC
Moteur-roue
Convertisseur
DC/DC
SuperCondensateurs
Moteur-roue
R
ail
Hacheur 4Q dual
Rail de traction
Moteur-roue
Boitier H.T.
Atelier
mars-09
Copyright notice
20
Architecture de la plateforme roulante Neoval
Réseau pneumatique
Coffre automatismes
Attelage
Compresseur d’air
Unité hydraulique
Batterie
LV box (basse tension)
Coffre onduleur de traction
Châssis
Disjoncteur
Coffre HT
Roulements
mars-09
Attelage
Copyright notice
21
Challenges
Techniques:
Répondre aux besoins (Capacité, masse, volume)
Compatibilité avec les cycles de charge/décharge
Contraintes d’environnement (Gestion thermique)
Durée de vie
Sécurité:
Répondre aux normes ferroviaires
Fiabilité et disponibilité avec les objectifs d’exploitation
Exploitation:
Coûts équivalents par rapport à un système traditionnel
(investissement + exploitation)
Maintenance peu contraignante
mars-09
Copyright notice
22
Perspectives
Technologiques:
Retombés du domaine automobile (coûts
et disponibilité composants)
Augmentation de la capacité de stockage
Augmentation de la durée de vie
Application:
Stockage sol déjà exploité (produit
SISTRAS SES)
Neoval avec énergie embarquée
envisagées à l’horizon 2013-2014
avec un déploiement progressif allant de la
récupération de freinage vers une fonction
d’autonomie selon les évolutions
technologiques et les besoins
d’exploitation
mars-09
Copyright notice
23
Axes de recherche
Système
Intégration du système de stockage à la chaine de traction
Impact du stockage sur le réseau de distribution
Impact du stockage sur la gestion de l’exploitation
Sécurité du système de stockage embarqué
Technologie
Composants de puissance
Architecture convertisseurs
Outils
Modélisation et caractérisation des éléments de stockage
(comportement, performance, durée de vie, systèmes de stockage
hybrides)
Méthodes et outils (modélisation temps réel, hardware in the loop,
transposition et mise à l’échelle)
mars-09
Copyright notice
24