Introduction aux énergies renouvelables dans les applications agricoles

Qu’est-ce qu’un système hybride d’énergie?

De façon générale, un système hybride d’énergie est un système qui combine différents systèmes de production. Par exemple, la combinaison éolien-diesel est un système hybride d’énergie. D’après [23], de nos jours, les systèmes hybrides d’énergie associent au moins deux technologies complémentaires : une ou plusieurs sources d’énergie classiques, généralement des générateurs au diesel, et au moins une source d’énergie renouvelable. Les systèmes hybrides d’énergie sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont souvent utilisés dans les régions isolées. Les systèmes hybrides à énergies renouvelables sont fiables, sans pollution et permettent de répondre à la demande d’énergie sur de longues périodes.

Importance de l’hybridation

Aujourd’ hui, il est devenu impératif pour les chercheurs de trouver en dehors des énergies fossiles et fissiles d’ autres sources d ‘ énergie propre et renouvelable. Il s’agit entre autre des énergies provenant des sources comme le soleil, le vent, la géothermie, la biomasse et l’océan. Ces sources d’ énergie propre et durable sont favorables à l’environnement contrairement aux sources d’énergie conventionnelles. Toutefois, ces sources d’ énergies renouvelables varient en fonction du temps de la journée, de la saison et de l’ année. La nature aléatoire de ces sources a conduit les chercheurs à se tourner vers l’hybridation, c’ est-à-dire la combinaison de deux ou plusieurs sources d’ énergies renouvelables. L’hybridation apporte donc au système une disponibilité accrue et un approvisionnement constant des charges en énergie.

D’ après le Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne de l’ Université du Québec à Rimouski [23], la combinaison de plusieurs sources d’ énergie, surtout les renouvelables, permet d’ optimiser au maximum les systèmes de production d’électricité, aussi bien du point de vue technique qu’économique. L’hybridation des sources d’ énergies renouvelables a un intérêt considérable par leur flexibilité incomparable, leur souplesse de fonctionnement et leur prix de revient attractif.

De plus, l’hybridation permet de :
• Lisser la puissance délivrée par la source d’ énergie;
• Palier pendant une durée limitée une indisponibilité partielle ou totale de la source d’ énergie.

Cependant, ces solutions exigent un dimensionnement laborieux préalable basé sur une connaissance approfondie du gisement en énergies renouvelables du site d’implantation en amont, une gestion rigoureuse de l’ énergie électrique produite à l’aval. Cette gestion rigoureuse de l’énergie s’ appuie sur l’intell igence des dispositifs de régulation et de contrôle.

État de l’art sur les systèmes hybrides à énergies renouvelables

Au cours des dernières années, beaucoup de recherches ont été effectuées sur la conception, l’optimisation, le contrôle et l’opération des systèmes hybrides à énergies renouvelables. Les efforts de recherche et de développement dans les technologies d’ énergie renouvelable comme le solaire, l’ éolienne et d’ autres sources d’ énergie renouvelable doivent continuer afin d’ améliorer leurs performances et fiabilité. Compte tenu des récents développements, il est clair que ce domaine prend de l’ ampleur. A cause de la nature stochastique des sources d’énergies renouvelables, il est évident que les systèmes hybrides à énergies renouvelables doivent comprendre au moins un système de stockage d’énergie pour satisfaire la demande des charges à tout instant. Le système de stockage d’énergie peut être un banc de batteries, un ensemble électrolyseur et pile à combustible, un supercondensateur ou la combinaison de ces systèmes de stockage.

D’ après José L. et collaborateurs [24], les systèmes autonomes hybrides à énergies renouvelables sont généralement plus adaptés que les systèmes qui ont une seule source d’ énergie pour l’ approvisionnement en électricité des applications hors réseau, en particulier dans les zones reculées et difficiles d’accès. Ces types de systèmes démontrent une plus grande fiabilité que les systèmes simples photovoltaïque (PY) ou éolien. Les systèmes hybrides les plus utilisés sont les combinaisons PY -Éolien-Batterie et PV-Diesel- Batterie. Les batteries (nonnalement de type plomb-acide) sont habituellement utilisées comme système de stockage. Le stockage d’ énergie sous forme d’ hydrogène, bien que techniquement viable, a un inconvénient en terme de sa faible efficacité dans le processus de conversion électricité-hydrogène-électricité, outre le fait que, sur le plan économique, il ne peut pas rivaliser avec le stockage de la batterie à l’heure actuelle [24].

Une revue de littérature a été faite par Prabodh Bajpai et Vaishalee Dash en 2012 sur les systèmes hybrides à énergies renouvelables pour la production d’ électricité dans les applications autonomes [25]. Dans cette étude, les auteurs se sont fixé comme objectifs l’ examen minutieux de l’ état de la recherche sur le dimensionnement, l’ optimisation, la gestion énergétique et la modélisation des composants des systèmes hybrides à énergies renouvelables. Ils affinnent que les systèmes hybrides à énergies renouvelables peuvent fournir une alimentation ininterrompue en énergie et une émission zéro de gaz à effet de serre qui est le principal avantage de ces systèmes. L’ utilisation généralisée de ces systèmes pennettra non seulement de résoudre les questions énergétiques, mais aussi de garantir une planète plus verte et durable.

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Table des matières

Chapitre 1 – Introduction aux énergies renouvelables dans les applications agricoles
1.1. Problématique reliée à la gestion d’ un système autonome hybride à énergies renouvelables
1.2. Objectifs du mémoire
1.3. Méthodologie
1.4. Organisation du mémoire
Chapitre II – Gestion optimale des flux d’ énergie dans les systèmes hybrides d’énergie
2.1. Qu’est-ce qu’un système hybride d’ énergie?
2.2. Importance de l’ hybridation
2.3. État de l’art sur les systèmes hybrides à énergies renouvelables
2.4. Combinaisons de Systèmes hybrides à énergies renouvelables
2.4.1. Architecture à bus CC
2.4.2. Architecture à bus CA
2.4.3. Architecture mixte à bus CC/CA
2.5. État de l’art sur la gestion optimale des flux d’énergie dans les systèmes hybrides à énergies renouvelables
Chapitre III – Modélisation dynamique du système hybride photovoltaïque-éolien pour applications agricoles
3.1. Modélisation du panneau photovoltaïque
3.1.1. Équations régissant le comportement de la cellule photovoltaïque
3.1.2. Modèle Simulink du panneau photovoltaïque
3.2. Modélisation de la chaine de conversion éolienne
3.2.1. Modélisation de la turbine éolienne
3.2.1.1. Puissance de la turbine éolienne
3.2.1.2. Contrôle et 1 im itation de la puissance de la turbine éolienne
3.2.2. Modèle Simulink de l’éolienne
3.3. Modélisation du système de pompage
3.3.1. Dimensionnement du système de pompage
3.3.1.1. Analyse des besoins et des conditions d’exploitation
3.3.1.2. Estimation des besoins en eau et dimensionnement de la pompe
3.3.2. Dimensionnement et modélisation du réservoir de stockage d’eau
3.3.2.1. Dimensionnement du réservoir
3.3.2.2. Modélisation du réservoir
3.4. Modélisation du système de stockage
3.4.1. Modèle Simulink du système de stockage électrique
3.4.2. Dimensionnement du banc de batterie
3.5. Profil de consommation électrique
Chapitre IV – Étude comparative de trois stratégies de gestion d’un système autonome hybride photovoltaïque-éolien pour applications agricoles
4.1. Stratégies de gestion d’un système hybride d’énergie
4.1.1. Gestion du stockage
4.1.2. Gestion des charges
4.2. Stratégies de gestion du système autonome hybride photovoltaïque-éolien pour applications agricoles
4.2.1. Stratégie de gestion # 1
4.2.1.1. Description de la stratégie de gestion
4.2.1.2. Résultats de simulation
4.2.2. Stratégie de gestion # 2
4.2.2.1. Description de la stratégie de gestion
4.2.2.2. Résultats de simulation
4.2.3. Stratégie de gestion # 3
4.2.3.1. Description de la stratégie de gestion
4.2.3.2. Résultats de simulation
4.3. Étude comparative des trois stratégies de gestion
4.3.1. État de charge des batteries
4.3.2. Niveau d’eau dans le reservoir.
4.3 .3. Charges électriques
Chapitre V – Implémentation de l’algorithme de gestion en technologie d’intégration à très grande échelle (VLSI)
5.1.Vérification du code VHDL à l’ aide du simulateur TSim
5.2. Co-Simulation et implémentation de la stratégie de gestion sur une carte FPGA
Chapitre VI – Conclusion