Impact du profil de consommation sur le dimensionnement d’un système photovoltaïque autonome

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Ressources renouvelables

Par opposition aux ressources non renouvelables, les ressources renouvelables concernent les énergies inépuisables à l’échelle des temps humains. La FIGURE 2.1 (d’après [MGRA03]) repré-sente les différentes ressources renouvelables disponibles à la surface de la Terre. Selon l’origine de l’énergie, il est possible de distinguer :

– L’énergie solaire : La Terre est en permanence soumise à un rayonnement solaire fluctuant avec une période majeure annuelle. En moyenne annuelle, la Terre intercepte environ 1600:1015 kWh.

Sur ce total :

! environ 30% sont directement réfléchis par les couches hautes de l’atmosphère terrestre et renvoyés dans l’espace.

! 45% sont transformés en chaleur puis rayonnés sous forme d’infrarouge dans l’espace.

! 25% sont convertis en surface et dans l’atmosphère, donnant naissance aux phénomènes de houle et de vent.

! 0;06% sont exploités par la photosynthèse.

– L’énergie géothermique : Le noyau terrestre fournit aussi une part non négligeable de l’éner-gie renouvelable disponible à la surface de la Terre. Celle-ci est estimée à un total annuel de 300:1012 kWh.

– L’énergie marée-motrice : L’interaction gravitationnelle entre le Soleil, la Terre et la Lune, conduisant notamment au phénomène des marées, rend disponible une quantité d’énergie im-portante estimée à environ 25:1012 kWh.

La somme de ces ressources renouvelables constitue donc un gisement potentiel d’énergie d’une ampleur sans commune mesure. La récupération d’une part infime de cette énergie disponible en abondance à la surface terrestre peut répondre de façon durable aux besoins énergétiques mondiaux (actuellement environ 140:1012 kWh d’énergie primaire).

Besoins énergétiques

Besoins en énergie primaire

Une énergie est dite primaire si elle est disponible dans la nature sans aucune transformation. Par opposition, une énergie est dite finale lorsque c’est sous cette forme qu’elle est commerciali-sée (l’électricité, le gaz naturel ou l’essence distribuée à la pompe sont des formes d’énergie finale). D’après l’Agence Internationale de l’Énergie [IEA09] la production mondiale d’énergie primaire a environ doublé en l’espace d’une trentaine d’années, passant de 5700 Mtep en 1971 à 12000 Mtep fin 2007, ce qui correspond à une progression moyenne annuelle de 2;3%. La FIGURE 2.2(a) représente l’évolution de la production mondiale d’énergie primaire par source entre 1971 et 2007. Il est possible de remarquer la part largement majoritaire des sources fossiles dans la production mondiale d’énergie primaire. La FIGURE 2.2(b) représente le mix énergétique mondial de 2007. Les énergies fossiles répondaient encore en 2007 à environ 80% de la production d’énergie primaire au niveau mondial. L’énergie nucléaire représentait quant à elle 5% de ce mix. La production d’énergie d’origine re-nouvelable représentait en 2007 environ 16% de l’énergie primaire totale produite dans le monde et provenait quasiment exclusivement de la biomasse et de l’énergie hydraulique. La part provenant des « nouvelles » sources renouvelables comme l’énergie photovoltaïque ou l’éolien représente encore une part relativement faible du paysage énergétique mondial bien qu’elles connaissent actuellement une croissance rapide (plus de 30% par an) qui devrait leur permettre d’atteindre d’ici peu une proportion respectable.

Systèmes photovoltaïques connectés au réseau

Les systèmes photovoltaïques connectés au réseau représentent la quasi-totalité des systèmes PV installés. La FIGURE 2.7(a) donne une idée de la répartition au niveau mondial entre systèmes connec-tés au réseau et systèmes autonomes. A titre d’exemple, en Europe, le marché du connecté réseau représentait en terme de puissance crête 99;5% de la capacité photovoltaïque installée au cours de l’année 2007 [EUR09].
Dans ce type d’application, la totalité de l’énergie produite est destinée à être revendue au dis-tributeur d’électricité à un tarif de rachat préférentiel (jusqu’à 60 cC/kWh en France en 2009 si les panneaux sont intégrés au bâtiment). La FIGURE 2.8 représente l’architecture d’un tel système. Les panneaux photovoltaïques débitent sur un bus de tension continue à travers un convertisseur dont le rôle est d’effectuer la conversion DC-AC et de faire en sorte que le générateur PV fonctionne toujours à son point de fonctionnement optimal (MPPT : Maximum Power Point Tracking). Les ca-ractéristiques électriques des panneaux photovoltaïques étant liées aux conditions météorologiques, ce convertisseur améliore la rentabilité du système global. Actuellement, non seulement les tarifs de rachat de l’électricité sont incitatifs mais en plus, sauf coupure exceptionnelle et dans la mesure d’un taux de pénétration relativement faible, le réseau de distribution peut accepter en permanence l’éner-gie produite par les panneaux photovoltaïques permettant un retour sur investissement relativement rapide. Il n’y a donc pas de délestage de production dans ce type de système.
Le développement massif de tels systèmes posera à terme des problèmes de stabilité du réseau. En effet, si aucune mesure complémentaire n’est prise, le gestionnaire de réseau, dont la mission est d’assurer en permanence l’adéquation entre production et consommation électrique, rencontrera des difficultés à accepter en temps réel l’énergie électrique d’origine photovoltaïque en raison de sa nature intermittente ; notons que le problème se pose de la même façon pour l’éolien connecté au réseau de distribution. Par exemple, dans les zones non interconnectées, un arrêté impose à EDF de déconnecter temporairement un producteur photovoltaïque lorsque 30% de la puissance instantanée sur le réseau de distribution provient de producteurs d’énergie de nature intermittente [EDF08].
Le développement à grande échelle de ces systèmes ne pourra se faire qu’en ayant recours au stockage d’énergie offrant un degré de liberté supplémentaire de façon à mieux utiliser l’énergie produite. Par exemple, en mode connecté réseau, le stockage d’énergie permet d’augmenter l’auto-consommation. Le projet Solion [DSCL09] associant des accumulateurs Li-ion et des générateurs photovoltaïques est un exemple de projet actuel. Les nouveaux tarifs allemands de rachat de l’énergie photovoltaïque vont d’ailleurs dans ce sens, une augmentation de 5cC/kWh de l’énergie d’origine photovoltaïque consommée sur place a été mise en place en Janvier 2010.

Systèmes photovoltaïques non connectés au réseau

On distingue deux types de systèmes photovoltaïques non connectés au réseau. Si l’énergie photo-voltaïque est l’unique source d’énergie du système, on parlera de système stand-alone (SAPV system : Stand-Alone PhotoVoltaic system). Si un autre dispositif de production est utilisé en appui de la pro-duction photovoltaïque, on parlera de système photovoltaïque hybride. Dans la majeure partie des cas, le mode de production d’appui est constitué d’un ou plusieurs groupes électrogènes diesels.
Les systèmes photovoltaïques non connectés au réseau sont principalement utilisés dans les zones où le réseau électrique est très peu dense en raison du coût de raccordement prohibitif. L’énergie produite est destinée à être consommée sur place. L’électrification des sites isolés par systèmes photo-voltaïques concerne l’habitat (Solar Home System : SHS) mais aussi les relais de télécommunication se trouvant éloignés des réseaux de distribution électrique.
Bien que la part du marché photovoltaïque Off-grid soit actuellement faible, le scénario Solar Ge-neration V estime qu’à l’horizon 2030, plus de 3 milliards d’êtres humains pourraient être électrifiés par ce type de système [Eur08].

Systèmes photovoltaïques autonomes (SAPV)

La seule production électrique de ce type de systèmes est d’origine photovoltaïque. Un schéma d’un système photovoltaïque autonome est représenté FIGURE 2.9. Du fait de la dé-corrélation entre production photovoltaïque et alimentation des charges du consommateur, un système de stockage est utilisé en tampon, celui-ci étant rechargé en cas de surplus de production et déchargé en cas de surconsommation.
En raison de sa maturité technologique et de son faible coût d’investissement, le moyen de sto-ckage universellement répandu pour de telles applications est du type électrochimique Plomb-Acide [Kai07]. Cependant, de nouvelles technologies sont actuellement envisagées comme celles au Li-thium. Les performances de ce type de système sont directement liées à son dimensionnement. Un sous-dimensionnement a notamment pour conséquences un vieillissement prématuré du système de stockage ainsi qu’un accroissement des délestages de consommation et de production alors qu’un sur-dimensionnement peut conduire à un surcoût économique.

Systèmes photovoltaïques autonomes hybrides

Dans ce type de système, un second producteur d’énergie (le plus souvent un Groupe Électrogène) est utilisé pour palier les insuffisances de la production photovoltaïque. L’idée étant de faire appel à l’énergie de ce producteur lorsque le système n’est plus en mesure de subvenir aux besoins du consommateur et/ou que l’état de charge de l’accumulateur est trop faible. La FIGURE 2.10 représente une architecture possible d’un système photovoltaïque autonome hybride.
L’avantage de ce type de système est que, théoriquement, le consommateur ne se trouve jamais en situation d’être délesté, le groupe électrogène assurant la fourniture d’énergie lorsque la production PV est insuffisante (sauf dans le cas où le réservoir du groupe électrogène est vide). Les coûts d’in-vestissement des panneaux photovoltaïques et du système de stockage peuvent être minimisés ; par contre, les coûts de fonctionnement principalement liés au prix du combustible du groupe électrogène sont plus importants que pour un système autonome non hybride.
Notons que d’autres types d’hybridations ont déjà été envisagés, parmi lesquels :
– Hybridation Photovoltaïque / Éolien [YZLF08, Ger02] : Systèmes dans lesquels la com-plémentarité de production d’énergie d’origine photovoltaïque ou éolienne est recherchée et permet notamment de réduire le coût global, en particulier les besoins en stockage.
– Hybridation Photovoltaïque / Pile à Combustible [Gom09] : Systèmes dans lesquels une pile à combustible associée à un réservoir d’hydrogène et à un électrolyseur permet de stocker le surplus d’énergie photovoltaïque produite en évitant le surdimensionnement de l’accumulateur électrochimique. Ce type d’hybridation se heurte au coût d’investissement prohibitif de la pile à combustible ainsi qu’à sa faible durée de vie (actuellement quelques milliers d’heures).

Mini-réseaux

On regroupe sous l’appellation mini-réseau (micro-grid en anglais) [Li09] tout réseau électrique de distribution basse tension, composé d’une ou plusieurs sources de production (PV par exemple), de moyens de stockage éventuels et de consommateurs, pouvant fonctionner de façon autonome ou bien connecté à un réseau principal de distribution à plus grande échelle. L’ensemble des différentes entités communiquent entre elles et sont pour la plupart pilotables. La configuration de ce type de réseau offre plusieurs avantages :
– Le contrôle en mini-réseau de sources de production d’énergie renouvelable permet de diminuer leur impact sur le réseau de distribution et d’en augmenter le taux de pénétration, sachant que le caractère fluctuant de ce type de production limitait son taux de pénétration à une valeur d’environ 30% en raison des déséquilibres provoqués par son caractère aléatoire.
– Le système peut fonctionner en autonome en s’ilotant, permettant ainsi d’éviter les consé-quences d’un éventuel « black-out » du réseau principal.
– La proximité des sources de production et des consommateurs facilite l’exploitation de la co-génération chaleur électricité (CHP : Combined Heat and Power), ce qui permet d’améliorer le rendement énergétique global.

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Table des matières

1 Introduction Générale
2 Contexte et problématique
2.1 Contexte énergétique mondial
2.1.1 Ressources énergétiques
2.1.1.1 Ressources non renouvelables
2.1.1.2 Ressources renouvelables
2.1.2 Besoins énergétiques
2.1.2.1 Besoins en énergie primaire
2.1.2.2 Besoins en électricité
2.1.3 Conclusion
2.2 Le photovoltaïque aujourd’hui
2.2.1 Systèmes photovoltaïques connectés au réseau
2.2.2 Systèmes photovoltaïques non connectés au réseau
2.2.2.1 Systèmes photovoltaïques autonomes (SAPV)
2.2.2.2 Systèmes photovoltaïques autonomes hybrides
2.2.3 Mini-réseaux
2.3 Dimensionnement des systèmes photovoltaïques non connectés au réseau
2.3.1 Systèmes photovoltaïques autonomes
2.3.2 Intérêt de la gestion du profil de consommation
2.3.2.1 Potentiel d’action
2.3.3 Évaluation du potentiel de la technologie Li-ion
2.4 Problématique de la thèse
2.5 Caractéristiques de la plateforme de production photovoltaïque et éolienne implantée sur le site de Bretagne de l’ENS de Cachan
3 Modèles et Méthodologie
3.1 Modélisation énergétique du système
3.1.1 Modélisation des sources de production
3.1.1.1 Modélisation de la production photovoltaïque
3.1.1.1.1 Éléments de technologie
3.1.1.1.2 Principe de la conversion photovoltaïque
3.1.1.1.3 Modèle utilisé
3.1.1.1.4 Dégradation des performances
3.1.1.2 Modélisation du groupe électrogène
3.1.1.2.1 Éléments de technologie
3.1.1.2.2 Modèle utilisé
3.1.2 Modélisation du système de stockage électrochimique
3.1.2.1 Éléments de technologie
3.1.2.2 Modèle utilisé
3.1.2.3 Vieillissement des accumulateurs au plomb
3.1.2.3.1 Détermination du nombre de remplacements
3.1.2.3.1.1 Hypothèse d’énergie échangée constante sur la vie de l’accumulateur
3.1.2.3.1.2 Prise en compte de l’évolution de l’état de charge 45
3.1.2.3.2 Dégradation des performances
3.1.3 Modélisation des convertisseurs
3.1.3.1 Convertisseur AC/DC
3.1.3.2 Convertisseur DC/DC
3.1.3.3 Vieillissement des convertisseurs
3.1.4 Profils de consommation considérés
3.2 Critères d’évaluation des performances des systèmes photovoltaïques non connectés au réseau
3.2.1 Critères de coût
3.2.1.1 Coûts économiques spécifiques
3.2.1.2 Coût énergétique sur cycle de vie
3.2.1.2.1 Panneaux photovoltaïques
3.2.1.2.2 Groupe électrogène
3.2.1.2.3 Stockage électrochimique
3.2.1.2.4 Convertisseurs
3.2.2 Évaluation du coût d’un système photovoltaïque complet
3.2.3 Critères de service énergétique rendu au consommateur : le taux de délestage 59
3.2.3.1 Délestage énergétique
3.2.3.2 Délestage temporel
3.2.4 Facteur d’utilisation de la ressource énergétique solaire
3.3 Simulation du fonctionnement des systèmes photovoltaïques non connectés au réseau
3.3.1 Simulation du fonctionnement des systèmes photovoltaïques autonomes
3.3.2 Simulation du fonctionnement des systèmes photovoltaïques hybrides
3.4 L’outil d’optimisation
3.4.1 L’algorithme évolutionnaire NSGA-II
3.4.2 Implémentation de l’algorithme
3.5 Conclusion
4 Impact du profil de consommation sur le dimensionnement d’un système photovoltaïque autonome
4.1 Approche simplifiée-Profils journaliers idéalisés
4.1.1 Modèles de rendements énergétiques unitaires
4.1.1.1 Mise en équations
4.1.1.2 Dimensionnement minimal
4.1.1.3 Résultats
4.1.2 Modèles de rendements énergétiques constants
4.1.2.1 Mise en équations
4.1.2.2 Résultats
4.1.3 Conclusion et limites de l’approche simplifiée
4.2 Approche numérique sur la base de profils réalistes
4.2.1 Étude paramétrique-Choix de critères d’optimisation pertinents
4.2.1.1 Profil de consommation caractéristique d’un foyer
4.2.1.2 Méthode
4.2.1.3 Résultats
4.2.2 Optimisation du dimensionnement par approche stochastique
4.2.2.1 Cas du profil de consommation caractéristique d’un foyer
4.2.2.1.1 Résultats de dimensionnement
4.2.2.1.2 Contributions au coût énergétique global
4.2.2.1.3 Prise en compte de la dégradation des performances énergétiques (vieillissement)
4.2.2.2 Profils idéalisés de consommation constante et solaire
4.2.2.2.1 Comparaison sur la base du critère de coût énergétique global
4.2.2.2.2 Comparaison sur la base du critère de coût économique global
4.2.2.3 Étude de sensibilité
4.2.2.4 Validation de l’outil d’optimisation
4.3 Optimisation d’un profil de consommation journalier
4.3.1 Consommation journalière de référence
4.3.2 Paramètres d’action sur le profil de consommation
4.3.3 Résultats d’optimisation
4.3.4 Vers une gestion dynamique de la charge
4.4 Conclusion
5 Évaluation du potentiel de la technologie Li-ion pour les systèmes photovoltaïques autonomes
5.1 Les technologies Li-ion
5.1.1 Éléments d’électrochimie
5.1.2 Performances de la technologie Li-ion
5.1.3 Coût énergétique sur cycle de vie des accumulateurs Li-ion
5.2 Modélisation
5.2.1 Modélisation électrique et énergétique envisagée
5.2.2 Système expérimental
5.2.3 Caractérisation des accumulateurs Intensium3
5.2.3.1 Temps de relaxation
5.2.3.2 Rendement coulombien ou faradique
5.2.3.3 Tension à vide
5.2.3.4 Chute de tension ∆V
5.2.4 Normalisation du modèle
5.2.5 Vieillissement des accumulateurs Li-ion
5.3 Comparaison des technologies Plomb-Acide et Li-ion pour les applications photovoltaïques autonomes
5.3.1 Comparaison des tenues en cyclage
5.3.2 Résultats d’optimisation
5.3.2.1 Méthode
5.3.2.2 Résultats
5.4 Conclusion
6 Gestion dynamique de l’énergie dans le cadre d’un système photovoltaïque hybride ilôtable
6.1 Le projet SOLEDO
6.1.1 Visées du projet
6.1.2 Les partenaires du projet
6.1.3 Architecture du système
6.1.4 CMA : Organes de gestion des charges
6.2 Système en mode connecté réseau
6.2.1 Profils de consommation
6.2.2 Modes de fonctionnement
6.2.3 Méthode de dimensionnement
6.2.3.1 Expression des critères d’optimisation
6.2.4 Résultats
6.3 Modélisation probabiliste et aléatoire du profil de consommation
6.3.1 Estimation de la probabilité de démarrage d’une charge
6.3.1.1 Probabilité de présence du consommateur p(Co)
6.3.1.2 Probabilité conditionnelle p(D|Co,Ch)
6.3.1.3 Probabilité liée à la charge p(D|Ch,Co).p(Ch)
6.3.1.4 Probabilité liée au système p(M|S,D).p(S)
6.3.1.5 Probabilité de démarrage d’une charge P(M,Co,Ch,S)
6.3.2 Mise en route aléatoire de la charge
6.3.3 Exemple de mise en oeuvre de la modélisation probabiliste et aléatoire du profil de consommation
6.4 Système en mode autonome
6.4.1 Profils utilisés
6.4.2 Fonctionnement en mode autonome sans optimiseur
6.4.3 Optimisation de la gestion d’énergie en mode autonome
6.4.3.1 L’optimiseur de gestion
6.4.3.2 Gestion des abonnés
6.4.3.3 Résultats
6.5 Conclusion
7 Conclusion générale et perspectives
Bibliographi