Architectures des systèmes d’énergies hybrides (SEH)

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Situation énergétique en Afrique

L’Afrique dispose de réserves fossiles. Ne pas les utiliser pour développer sa croissance pourrait apparaitre comme injuste. Le manque des infrastructures devrait pousser à se tourner vers les ENR hors réseau ou dites « off grid ». ¼ de l’humanité vivra en Afrique en 2050 et aujourd’hui l’Afrique compte 1,2 milliard d’habitants avec la population la plus jeune du monde. 1/3 de la réserve minière est en Afrique. La croissance africaine des 5 dernières années montre un taux de 4,4%. Aucun autre continent ne fait mieux. L’électricité moyenne coute trois fois plus chère qu’en Europe ou aux USA. 8% des réserves pétrolières est en Afrique ,8% en gaz et 4% en charbon [6].
La consommation énergétique moyenne de l’Afrique est de 0,5 tep/hab contre 1,2 tep/hab en moyenne mondiale. Selon la Banque mondiale, l’Afrique aurait besoin d’un apport annuel de 7 Gw de production électrique pour faire face à la demande croissante d’électricité alors que seulement 1 Gw était effectivement ajouté chaque année [6].

Capacité en termes d’énergie renouvelable en Afrique

Les capacités géothermiques sont concentrées en Afrique de l’Est. En effet, le potentiel en énergie thermique de la Vallée de Rift est estimé de 9000 MW, pourtant seuls 54Mw sont extraits soit 1%du dit potentiel. Les réserves d’énergie hydraulique d’une capacité de 1100TWh ne sont exploitées qu’en 8%. L’Afrique de l’Ouest fait partie des régions les plus ensoleillées de la planète car le soleil est présent toute l’année. Le flux solaire moyen est d’environ 5 à 6 KWh/m2/jour en zone tempérée Européenne [6].Dans plusieurs pays, la volonté politique d’utiliser les ENR semble présente. On peut citer par exemple [6] :
 La ferme éolienne de Ngong au KANYA qui a une puissance de 13,6 MW ;
 La centrale hydraulique Buyagali en OUGANDA qui a une puissance de 250 MW ;
 La ferme solaire Noor au MAROC qui a une puissance de 160 MW.
Ce dernier (le MAROC), vise 42% de sa production d’électricité grâce au renouvelables d’ici 2020. Toutefois, le véritable défi du continent sera de ramener l’électricité dans les zones rurale.

DÉFINITIONS ET GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉNERGIES RENOUVELABLES

Croissance de l’exploitation des énergies renouvelables

On appelle énergies renouvelables ou énergie vertes toute énergie qui se renouvelle et qui est inépuisable tout au moins à l’échelle humaine.
Il existe différentes sources d’ENR disponibles sur la planète dont les principales sont: l’énergie solaire, l’énergie éolienne, la biomasse et la géothermie. Elles peuvent être converties, selon les besoins, en électricité ou en chaleur. La cogénération d’électricité et de chaleur est possible dans le cas de la géothermie, de la biomasse et de l’énergie solaire [7-8]. Le développement et l’exploitation des ENR ont connu une forte croissance ces dernières années. D’ici 20-30 ans, tout système énergétique durable sera basé sur l’utilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux ENR [9]. Les études ont étés élaborées pour faire de cet outil non polluant l’axe de recherche pour plusieurs chercheurs dans le but de minimiser les effets négatifs des ressources classiques de production de l’énergie.

Production de l’électricité par les énergies renouvelables

La production de l’électricité par les ENR peut se produire par plusieurs origines à savoir : le soleil, le vent, la chute d’eau, la géothermie, la biomasse, etc. Au niveau mondial, l’ENR provient de six sources distinctes. L’hydroélectricité est la principale avec une contribution de 82,9%. La biomasse est la seconde source avec 6,3%. Viennent ensuite la filière éolienne (8,3%), la géothermie (1,6%), le solaire qui regroupe les centrales photovoltaïques et thermiques (0,2%), et enfin les énergies marines (0,01%) [9].
Dans cette section, nous ne prenons pas en compte les sources énergétiques sous forme de chaleur, L’électricité étant produite par un système thermodynamique avec l’aide d’un fluide coulant (source biomasse, source géothermie et source solaire thermique). Ensuite, nous présentons une autre famille par laquelle l’énergie produite l’est directement sous la forme électrique.

Production de l’énergie électrique d’origine solaire

L’énergie solaire PV fait l’objet d’un grand intérêt ces dernières années. Mais il existe deux technologies pour la production d’électricité via le solaire PV. L’une des technologies s’appuie sur les modules PV basé sur l’effet photoélectrique. Cette ressource a donc l’avantage d’être inépuisable et utilisable en tout point d’un territoire.

Production de l’énergie électrique d’origine éolienne

Les énergies éoliennes sont notamment caractérisées par des déplacements de masse d’air à l’intérieur de l’atmosphère. C’est l’énergie mécanique de ces déplacements de masse d’air qui est à la base de l’énergie éolienne. Cette source est non polluante. Néanmoins l’énergie éolienne est intermittente, et l’installation de parcs éoliens engendre des impacts paysagés et sonores [11].

Production de l’énergie électrique d’origine biomasse

La biomasse désigne toute la matière vivante d’origine végétale ou animale de la surface terrestre. Généralement, les dérivés ou déchets sont également classés dans la biomasse. Différents types sont à considérer : le bois énergie, les biocarburants et le biogaz. Le bois énergie est une ressource très abondante, c’est la ressource la plus utilisée au monde.

Production de l’énergie électrique d’origine hydraulique

L’énergie électrique est produite par la transformation de l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique par l’intermédiaire d’un rotor alternateur relié à un ensemble mécanique situé autour de la roue motrice. La quantité d’énergie extraite de l’eau retenue derrière un barrage dépend du volume d’eau et de la hauteur de chute. Cette source a l’avantage de ne pas être polluante. On peut maitriser le stockage de l’énergie d’une manière assez simple afin de débarrasser les cours d’eau des déchets grâce aux différents filtres des barrages. La technologie nécessaire pour son utilisation est maîtrisée. Le bruit, l’impact sur la vie aquatique, des installations complexées, et des sites limités pour l’exploitation sont ses principaux inconvénients [11].

Production de l’énergie électrique d’origine géothermique

Le terme géothermie provient du grec <Gé> et <thermos>, signifiant respectivement : la terre et la chaleur. La géothermie peut se définir comme étant la technique qui consiste à puiser dans le sous-sol ou dans les roches, les calories qui y sont contenues, afin de les rendre disponibles en surface pour des applications de chauffage ou de production d’électricité. Dans des cas particuliers, la géothermie peut consister à injecter de la chaleur dans le sous-sol afin de refroidir les installations de surface.

Production de l’énergie électrique d’origine marine

L’énergie marine ou des mers est extraite du milieu marin. Il y a notamment l’énergie marémotrice (issue du mouvement de l’eau créé par les marées), l’énergie des vagues (utilise la puissance du mouvement des vagues), l’énergie thermique des mers (produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans), les éoliennes offshore, et l’énergie osmotique (diffusion ionique provoquée par l’arrivée d’eau douce dans l’eau salée de la mer).

SYSTÈME HYBRIDE

Définition des systèmes hybrides

Le problème avec la puissance variable et non garantie produite par les sources d’ENR, peut être résolu par un couplage des sources d’approvisionnement et la formation d’un système dit hybride (SH). Un système d’énergie hybride (SEH) est défini comme une installation qui utilise deux ou plus des technologies de la génération d’énergies : une ou plusieurs sources de production d’énergie et classique (groupe diesel en général) et au moins une source de production d’ENR [12].
Les sources d’ENR, comme l’éolienne et le photovoltaïque, ne délivrent pas une puissance constante. Leur association avec des sources classiques permet d’obtenir une production électrique continue. Les systèmes d’énergie hybrides sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont souvent utilisés dans les régions isolées [13].

État de l’art d’un SEH

En plus d’un ou plusieurs générateurs diesel (GD) et d’au moins une source d’ENR, un SEH peut aussi incorporer un système de distribution à courant alternatif (CA), un système de distribution à courant continu (CC), un système de stockage, des convertisseurs, des charges, des charges de délestage et une option de gestion des charges ou un système de supervision. Toutes ces composantes peuvent être connectées en différentes architectures. Celles-ci sont résumées dans la figure suivant. Dans la plupart des cas, les systèmes hybrides classiques contiennent deux bus [14] : un bus à CC pour les sources, les charges à CC et les batteries et un bus à CA pour les générateurs à CA et le système de distribution.

Principaux composants d’un système d’énergie hybride (SEH)

Composants auxiliaires

Système de supervision

La plupart des systèmes hybrides comportent une certaine forme de commande. Les chargeurs des batteries, par exemple, incluent souvent un système de commande pour empêcher la surcharge des batteries ou que leur état de charge ne baisse trop. Les réseaux multi-diesel peuvent utiliser des méthodes relativement sophistiquées pour gérer les générateurs diesel et régler le flux de puissance.

Convertisseurs

Dans un SEH, des convertisseurs sont utilisés pour charger des batteries de stockage et pour transformer le CC en CA et vice-versa. Trois types de convertisseurs sont souvent rencontrés dans les SEH : Les redresseurs (CA/CC), Les onduleurs (CC/CA) et Les hacheurs (CC/CC).

Charges

Les charges électriques rendent utile la puissance électrique. Il existe des charges à caractère résistif et inductif. Les charges résistives incluent les ampoules à incandescence, les chauffe-eau, etc. Les appareils utilisant des machines électriques sont des charges résistives et inductives. Elles sont les principaux consommateurs de puissance réactive. Les charges à CC peuvent avoir aussi des composants inductifs, mais les seuls effets introduits par ceux-ci sont les variations transitoires de tension et courant pendant les changements dans le fonctionnement du système [14].

Architectures des systèmes d’énergies hybrides (SEH)

Les générateurs électriques d’un SEH peuvent être connectés en différentes configurations. Deux configurations s’imposent parmi les systèmes d’énergie hybrides constitués par des sources d’énergie renouvelable, des systèmes de stockage et des générateurs diesels : architectures à bus CC et architecture mixte à bus CC-CA [14]

Architecture à bus continu (CC)

Dans cette architecture la puissance fournie par chaque source est centralisée sur un bus continu. Ainsi, les systèmes de conversion d’énergie à courant alternatif (CA) fournissent d’abord leur puissance à un redresseur pour être convertie ensuite en courant continu (CC). Les générateurs sont connectés en série avec l’onduleur pour alimenter les charges alternatives. L’onduleur doit alimenter les charges alternatives à partir du bus continu [12]

Modélisation d’une cellule et d’un module (panneau) PV

Modélisation d’une cellule PV

HOMER utilise l’équation suivante pour calculer la puissance de sortie de la matrice PV:
??? = ?????? ( ??̅ ?̅?,???) [1 + ??(?? – ??,???)(II.1)
Où :
YPV : capacité nominale du générateur PV [kW],
??? : Facteur de déclassement PV [%],
?̅? : Rayonnement solaire incident sur le générateur PV [kW/m2],
?̅?,??? : Rayonnement incident aux conditions d’essai standard [1kW/m2], ??:Coefficient de température de la puissance [%/°C],
??: Température de la cellule PV [°C],
??,??? : Température de la cellule PV dans des conditions d’essai standard [25°C],

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Introduction
I.1. CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE DANS LE MONDE ET EN AFRIQUE
I.1.1. Contextes et problématiques
I.1.1.1. Consommation énergétique dans le monde
I.1.1.2. Situation énergétique en Afrique
I.1.1.3. Capacité en termes d’énergie renouvelable en Afrique
I.2. DÉFINITIONS ET GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉNERGIES RENOUVELABLES
І.2.1. Croissance de l’exploitation des énergies renouvelables
I.2.2. Production de l’électricité par les énergies renouvelables
І.2.2.1. Production de l’énergie électrique d’origine solaire
І.2.2.3. Production de l’énergie électrique d’origine biomasse
І .2.2.4. Production de l’énergie électrique d’origine hydraulique
І.2.2.5. Production de l’énergie électrique d’origine géothermique
І.2.2.6. Production de l’énergie électrique d’origine marine
I.3. SYSTÈME HYBRIDE
I.3.1. Définition des systèmes hybrides
I.3.2. État de l’art d’un SEH
I.3.3. Principaux composants d’un système d’énergie hybride (SEH)
I.3.3.1. Composants auxiliaires
I.3.3.1.1. Système de supervision
I.3.3.1.2. Convertisseurs
I.3.3.1.3. Charges
I.3.4.Architectures des systèmes d’énergies hybrides (SEH)
I.3.4.1.Architecture à bus continu (CC)
I.3.4.2. Architecture à bus alternatif (CA)
I.3.4.3. Architecture mixte à bus continu/Alternatif (CC/CA)
I.3.5. Dimensionnement des systèmes d’énergies hybrides (SEH)
I.4. SITUATION ÉNERGÉTIQUE AUX COMORES
І.4.1. Caractéristiques géographiques et humaines des Comores
І.4.2. Problèmes d’électricité en Union des Comores
І.4.3. Contexte énergétique des Comores
І.4.4. Production énergétique des Comores
І.4.5. État des lieux sur l’énergie aux Comores
I.4.5.1. Répartition des ressources
I.4.5.2. Produits pétroliers
I.4.5.3. Consommation des produits pétroliers
Conclusion
Introduction
II.1. MODÉLISATION DES GENERATEURS A ENERGIE RENOUVELABLES
II.1.1. Modélisation du générateur PV
II.1.1.1. Système de production et de conversion du générateur PV
II.1.1.2. Modélisation d’une cellule et d’un module (panneau) PV
II.1.1.3. Modélisation d’une cellule PV
II.1.1.4. Modélisation du Module (panneau) PV
II.1.1.4.1. Influence de la température sur le rendement des cellules
II.1.1.4.2. Influence du rayonnement sur les cellules
II.1.1.6.1. Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
II.1.1.6.1.1. Définition
II.1.2. Modélisation du générateur éolien
II.1.2.1. Historique de l’éolien
II.1.2.2. Généralités sur les systèmes éoliens
II.1.2.3. Caractéristiques des éoliennes
II.1.2.3.1. Éolienne à axe horizontal
II.1.2.3.2. Éolienne à axe vertical
II.1.2.4. Système de production d’électricité éolienne
II.1.2.4.1. Principaux composants d’un système éolien
II.1.2.4.1.1. La turbine
II.1.2.4.1.2. Le système électromécanique
II.1.2.4.1.3. Le système d’interconnexion
II.1.2.4.1.4. Le système de contrôle
II.1.2.5. Puissance énergétique d’une éolienne
II.1.2.6. Puissance énergétique disponible
II.1.2.7. Potentiel énergétique éolien (théorème de Betz)
II.1.2.8. Puissance éolienne moyenne utilisable
Conclusion
Introduction
III.1. CHOIX DU SITE À ÉTUDIER
III.1.1. Présentation du modèle
III.1.2. Choix du paramètre du modèle
III.1.3. Choix des équipements électriques à alimenter
III.2. LA CHARGE À ALIMENTER
III.2.1. Le système de générateur éolien
III.2.1.1. Source d’énergie éolienne
III.2.1.2. Étude technico-économique du système éolien
III.2.2. Système du générateur PV
III.2.2.1. Source d’énergie PV
III.2.2.2. Étude technico-économique du système PV
III.2.3. Système du générateur diesel
III.2.4. Système de convertisseur de puissance
III.2.5. Système de stockage électrique
III.2.5.1. Étude technico-économique Système de stockage électrique
Conclusion
Introduction
IV.1. RÉSULTATS PAR OPTIMISATION
IV.1.1. Configuration du système
IV.1.2. Configuration choisie (PV/Éolien/GE/Stockage)
IV.1.3. Architecture possible
IV.1.3.1. Résultats détaillés sur les coûts des composants du SEH
IV.1.3.1.1. Répartition des coûts de l’installation
IV.1.3.1.2. Bilan des coûts
IV.1.3.2. Production et la consommation électrique du système
IV.1.3.2.1. Production du système PV/Éolien/GE/Stockage
IV.1.3.2.1.1. Production du Générateur PV
IV.1.3.2.1.2. Production du Générateur Éolien
IV.1.3.2.1.3. La production du générateur Diesel
IV.1.3.2.1.4. La production des batteries de stockage
IV.1.3.2.1.5. Convertisseur
IV.1.3.3. Émissions des Gaz
IV.2. RÉSULTATS PAR SENSIBILITÉ
IV.2.1. Configurations du SEH en fonction du prix du carburant
IV.2.2. Évaluation des différents coûts du système
IV.2.2.1. Évaluation des coûts de l’énergie produit
IV.2.2.2. Évaluation du coût net total actuel du système
VI.2.2.3. Évaluation du Coûts total annuel du système
Conclusion
Introduction
V.1.Présentation d’Arduino
V.1.1. Histoire d’Arduino
V.1.2. Logiciel Arduino ou Arduino IDE
V.1.3.Description de la carte Arduino utilisé et du module GSM
V.1.3.1.L’Arduino :
V.1.3.2. Le module GSM :
V.2.Logiciel de simulation et de CAO
V.2.1.Proteus (ISIS et ARES)
V.3.Caractéristiques électriques d’un régulateur de charge solaire :
V.3.1.Description de la réalisation :
V.3.2.Principe de fonctionnement
V.3.3.Schéma électrique du régulateur
V.4.La Réalisation pratique et les résultats obtenus :
V.4.1. Liste des composants utilisés :
V.4.2.Résultats obtenus :
V.4.2.1.Difficultés rencontrées lors de la réalisation :
V.4.2.2.Remarque :
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES

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