Généralité sur l’énergie solaire photovoltaïque

CONTEXTE ET ÉTAT DE L’ART SUR
LE SYSTÈME HYBRIDE A STOCKAGE ÉTUDIÉ

Introduction

Au 21e siècle, le manque d’énergie électrique se ressent encore dans beaucoup de villages et villes des pays sous-développés, en voie de développement et même des pays développés. Pourtant, l’électricité est aujourd’hui la forme d’énergie la plus aisée à exploiter. Mais avant de la consommer, il aura fallu la produire, la transformer, puis la transporter vers les consommateurs. Dans les pays industrialisés, ce système est maintenant très centralisé, même si 1 ‘évolution des réglementations tend à amorcer une décentralisation de la production. Les défis énergétiques auxquels le monde est confronté exigent qu’une plus grande attention soit accordée aux énergies
renouvelables (EnR), vu les difficultés pour assurer une extension du réseau électrique aux sites isolés, et les inconvénients environnementaux et économiques de l’utilisation des sources d’énergie fossiles. Les solutions technologiques proposées sont basées sur l’énergie photovoltaïque et éolienne, des générateurs capables de produire de l’électricité pour répondre à la demande énergétique. Mais une des contraintes qui limitent l’utilisation de ces technologies dans des sites isolés est la variabilité et la disponibilité des ressources énergétiques. En effet, un système photovoltaïque et un système éolien ne produisent pas d’électricité s’il n’y a pas de soleil ou de vent. Pour assurer l’autonomie et la sécurité de l’approvisionnement énergétique, il est primordial de penser à inclure un système de récupération d’énergie afin d’optimiser la combinaison de ces deux sources et ainsi, fournir une alimentation continue et stable.
Au cours des dernières décennies, les préoccupations et interrogations énergétiques sont devenues des véritables enjeux à l’échelle mondiale. On estime que près de 80% de la production totale d’énergie primaire dans le monde provient principalement des sources d’énergie fossiles tels le pétrole, le gaz, le charbon, le nucléaire, etc. [11] .
Ces sources fossiles sont sujettes à l’épuisement, sans compter les risques élevés de développement de problèmes environnementaux sévères comme le réchauffement climatique, les catastrophes nucléaires, etc. Un recours systématique aux carburants fossiles permet des coûts de production faibles, mais conduit à un dégagement massif de gaz polluant. Ainsi, la production électrique à partir de combustibles fossiles est à l’origine de presque 40% des émissions mondiales de CO, [12].
Étant beaucoup plus accessibles et très adaptées à la production décentralisée, et ce, malgré leurs fluctuations naturelles et aléatoires, les EnR produisent de l’électricité plus propre et respectueuse de l’environnement que les énergies fossiles. Aujourd’hui, après l’hydraulique, l’éolien et le solaire deviennent de plus en plus compétitifs en termes de coûts de production [13]. Le solaire et l’éolien sont parmi les ressources naturelles renouvelables les plus abondantes. En utilisant environ 2,5 % du potentiel des ressources renouvelables disponibles, il serait possible de compter sur les énergies renouvelables pour la plupart des besoins énergétiques de l’humanité d’ici 2050 [14].
L’efficacité énergétique et l’économie d’énergie doivent aussi faire partie intégrante des solutions à prévoir.
On remarque de plus en plus le jumelage de centrales photovoltaïques à des centrales éoliennes pour former un microréseau d’énergie autonome pouvant alimenter les zones isolées ou éloignées. Par ailleurs, les centrales de production d’énergie à sources renouvelables font souvent face à des difficultés d’acceptation en raison de coûts d’investissement élevés. Leur disponibilité instable et imprévisible due aux variations saisonnières et climatiques ne facilite pas leur intégration à grande échelle [15-18]. Il est essentiel de contourner ces obstacles, un système de récupération d’énergie serait donc nécessaire pour garantir la disponibilité en énergie électrique.

Problématique

La m1se en place des systèmes électriques hybrides de production d’énergie renouvelable associés aux systèmes de stockage peut faire face à certaines problématiques. Par exemple, si l’on veut satisfaire une certaine demande énergétique en tout temps, le système de stockage doit garantir une certaine autonomie afin de répondre aux besoins de la charge pendant les périodes moins ensoleillées ou moins ventilées. Pour continuer à assurer l’équilibre de l’offre et de la demande en électricité à tout moment, il est donc indispensable de considérer plusieurs aspects liés à la production et au comportement du système de stockage.
Le stockage de l’électricité vise tout d’abord à répondre à quatre problématiques principales :

• La récupération de la production d’énergie excédentaire par rapport à une demande à un instant donné ;
• La fourniture d’énergie pour compenser 1′ insuffisance due au caractère intermittent de 1′ offre ;
• La fourniture d’énergie pour alimenter un pic de demande occasionnelle;
• La fourniture d’énergie en cas de défaillance du système électrique ou de mauvaise qualité du réseau local.
  Néanmoins, le choix d’une technologie de stockage (électrochimique, par exemple) dépend d’un certain nombre de critères à considérer [19] :
•  La puissance disponible;
•  Le nombre de cycles et profondeur de décharge;
•  La sécurité du système;
•  La densité de stockage;
•  La maturité de la technologie
•  Le coût (investissement, fonctionnement et maintenance), etc.

Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1: CONTEXTE ET ÉTAT DE L’ART SUR LE SYSTÈME HYBRIDE A STOCKAGE ÉTUDIÉ
1.1.1 NTRODUCTION
1.2. PROBLÉMATIQUE
1.3. OBJECTIFS GÉNÉRAUX ET SPÉCIFIQUES
1.4. MOTIVATIONS SOCIO-ÉCONOMIQUES ET SCIENTIFIQUES
1.4.1. Motivations socio-économiques
1.4.2. Motivations scientifiques
1.5. ÉTAT DE L’ART ET HYPOTHÈSE DE RECHERCHE
1.5.1. Faisabilité du système hybride solaire-éolien-stockage
1.5.2. 1 ntégration du système de stockage dans un système hybride de prad uction
d’énergie renouvelable
1.6. MÉTHODOLOGIE.
1.6.1. Cadre scientifique
1.6.2. Démarche suivie
1.6.3. Résultats attendus
1.6.4. Retombées
1.7. CONCLUSION
CHAPITRE 2: ÉTUDE, MODÉLISATION, SIMULATION ET DIMENSIONNEMENT DES
COMPOSANTS, CARACTÉRISTIQUES DE BASE DU SYSTÈME HYBRIDE SANS
STOCKAGE
2.l.INTRODUCTION
2.2. LE SYSTÈME SOLAIRE
2.2.1. Généralité sur l’énergie solaire photovoltaïque
2.2.2. Utilisation d’un générateur photovoltaïque (PV)
2.2.3. Modélisation des caractéristiques du module/champ PV
2.2.4. Simulations et résultats
2,2.5. Dimensionnement d’un système PV
2,3. ÉTUDE, MODÉLISATION ET SIMULATION DU HACHEUR ÉLÉVATEUR DE TENSION (BOOST)
2.3.1. Généralité
2.3.2. Principe de fonctionnement
2.3.3. Modèle mathématique du hacheur boast (ou survolteur)
2.4. ÉTUDE, MODÉLISATION, SIMULATION ET DIMENSIONNEMENT DU SYSTÈME ÉOLIEN
2.4.1. Généralités
2.4.2. Modélisation et simulation des caractéristiques d’une éolienne
2.4.3. Résultats de simulation de quelques caractéristiques de l’éolienne
2.4.4. Dimensionnement et choix d’un système éolien
2.5. ÉTUDE, MODÉLISATION ET SIMULATION D’UN CONVERTISSEUR AC-OC
2.5.1. Généralités
2.5.2. Mode d’opération redressement/régénération
2.5.3. Modélisation
2.6. MODÉLISATION DU BUS CONTINUE
2. 7. HYBRIDATION SOLAIRE-ÉOLIEN
2.8. CONCLUSION
CHAPITRE 3: INVESTIGATION, DIMENSIONNE MENT ET CHOIX DU SYSTÈME DE STOCKAGE … 54
3.1.1NTRODUCTION
3.2. AVANTAGES TECHNIQUES ET ÉCONOMIQUES DU STOCKAGE D’ÉNERGIE
3.3. STOCKAGE ET ÉNERGIES RENOUVELABLES
3.4. 1 NVESTIGATION SUR LES DIFFÉRENTS SYSTÈMES DE STOCKAGE
3.4.1. Historique
3.4.2. Système de stockage d’électricité
3.5. CHOIX DU SYSTÈME DE STOCKAGE
3.6. CAPACITÉ DE STOCKAGE INSTALLÉ DANS LE MONDE
3. 7, CoNCLUSION
CHAPITRE 4: ÉTUDE, MODÉLISATION ET SIMULATION DU SYSTÈME DE STOCKAGE PAR
BATTERIE ION-LITH lU M
4.1. 1 NTRODUCTION
4.2. ÉTUDE DU SYSTÈME DE STOCKAGE PAR BATTERIE ION-LITHIUM
4.2.1. Généralité
4.2.2. Mécanisme de vieillissement des batteries ion-lithium
4.2.3. Principe de fonctionnement de la batterie ion-lithium
4.2.4. Avantages et inconvénients des batteries au lithium-ion
4.2.5. Principales technologies Lithium-ion et leur domaine d’applications
4.2.6. Gestion de l’énergie
4.3. MODÉLISATION DE LA BATTERIE ION-LITHIUM
4.4. DIMENSIONNEMENT D’UNE BATTERIE
4.5. ÉTUDE MODÉLISATION ET SIMULATION DU CONVERTISSEUR BIDIRECTIONNEL 0C-0C
4.5.1. Principes
4.5.2. Mise en équation du convertisseur Buck-Boost
4.6. ÉTUDE MODÉLISATION ET SIMULATION DU CONVERTISSEUR OC-AC
4.6.1. Généralités
4.6.2. Modélisation]
4.7. SCÉNARIO: SIMULATION D’UN SYSTÈME HYBRIDE PV-BATTERIE ION-LITHIUM-CHARGE CONTINUE
4.7.1. Structure du microréseau
4.7.2. Résultat de simulation et analyse des performances
4.8. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
CHAPITRE 5: SIMULATION DU SYSTÈME HYBRIDE INTÉGRANT LE STOCKAGE PAR BATTERIE
ION-LITHIUM
5.1. 1 NTRO DU CTIO N
5.2. SIMULATION DES CONVERTISSEURS STATIQUES DE PUISSANCE
5.2.1. Simulation du Hacheur Boast (DC/DC)
5.2.2. Simulation du convertisseur AC-DC
5.2.3. Simulation du convertisseur DC-AC
5.2.4. Simulation du convertisseur DC-DC buck_boost..
5.3. DIMENSIONNEMENT DU SYSTÈME HYBRIDE
5.4. SIMULATION DU SYSTÈME HYBRIDE À STOCKAGE JUMELÉ
5.4.1. Contrôleur de charge
5.4.2. Interprétation des résultats et analyse des performances
5.5. CONCLUSION
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE 1: DATASHEET DE LA BATTERIE LITHIUM-ION POUR SYSTÈME PV-ÉOLIEN-BATTERIE
ANNEXE 2: IMPLÉMENTATION DU CONTRÔLEUR DE CHARGE ET DE LA BATTERIE DANS
MATLAB/SIMULINK
ANNEXE 3: IMPLÉMENTATION DU SYSTÈME HYBRIDE DANS LE SCÉNARIO PV-BATTERIECHARGE CONTINUE DANS MATLAB/SIMULINK

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