LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES ET LA PRODUCTION D’ÉNERGIE

LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES ET LA PRODUCTION D’ÉNERGIE

LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES ET LA PRODUCTION D’ÉNERGIE

La production d’énergie représente l’ensemble des générateurs d’électricité de faible puissance connectés aux réseaux de distribution. Ce terme est construit par opposition au terme «production centralisée » désignant les grandes centrales de production connectées au réseau de transport. La production d’énergie est, comme toute source d’énergie, raccordée au réseau de transport, de répartition ou de distribution. Aussi, elle fait partie des énergies non conventionnelles (éolienne, solaire, piles à combustible) ou conventionnelles de petite puissance < 200 MW (micro-turbines à gaz, co génération, moyen de stockage de l’énergie). Les générateurs d’énergie se distinguent des unités de production centralisée par le fait qu’ils sont le plus souvent raccordés au réseau électrique et par leur « petite taille ». Aujourd’hui, le nombre de producteurs d’énergie connectés aux réseaux est en forte augmentation. Plusieurs facteurs expliquent ce fort accroissement. Le premier est l’ouverture progressive du marché de l’énergie au monde.

D’ailleurs, les producteurs d’énergie indépendants, après une étude de raccordement préalable au réseau électrique, peuvent produire et vendre leur production d’électricité sur le marché [12]. Le deuxième facteur, certainement le plus important, responsable de l’augmentation de la production d’énergie, est causé par les incitations gouvernementales au développement des énergies renouvelables. Depuis ces dernières années, le monde entier assiste en effet à une volonté politique de la part des etats, d’une part, d’augmenter l’indépendance énergétique et, d’autre part, de diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Des systèmes d’incitation économique à la production d’électricité ont été mis en place depuis des sources d’énergies renouvelables. Ces subventions sont en partie à l’origine de la forte croissance de l’industrie éolienne de ces dernières années et encore plus significativement du développement des installations photovoltaïques. D’ailleurs, l’intérêt croissant accordé à l’environnement pousse les producteurs à développer la production d’énergie d’électricité basée sur l’utilisation de sources d’énergies primaires renouvelables et de la cogénération dans le but d’augmenter le rendement énergétique des installations de production, ce qui permet de produire une énergie plus «propre ».

Avantages, intérêts et perspectives de développement de la production d’énergie

Les générateurs d’énergie peuvent être installés près des sites de consommation, réduisant ainsi le coût de transport, les pertes en lignes et l’appel de puissance réactive au niveau du poste source. D’autre part, le temps d’installation est plus court que pour la production centralisée et les sites d’installation sont plus faciles à trouver. Enfin, les nouvelles technologies mises en oeuvre sont plus propres et l’utilisation des producteurs d’énergie en cogénération améliore nettement le rendement énergétique global de l’installation et donc son attrait économique. Le potentiel énergétique de la grande centrale hydraulique est exploité près de son maximum au niveau mondial avec 740 GW installés [44]. Le monde comptera 3,2 TW de solaire photovoltaïque et d’éolien en 2030. La capacité électrique installée dans le monde va presque doubler d’ici 2030 selon le rapport« 2030 Market Outlook » de «Bloomberg New Energy Finance (BNEF) », passant de 5,5 TW en 2012 à 10.5 TW en 2030.

Cependant, 60 % des nouvelles capacités ajoutées sur la période seront renouvelables [ 44]. Les deux principaux moteurs de ce changement global seront le panneau solaire et l’éolien terrestre. La puissance photovoltaïque cumulée en 2030 sera de 1,9 TW (0,14 TW en 2013), soit davantage que celle de l’éolien, qui atteindra 1,3 TW. La puissance installée des autres énergies renouvelables (dont l’hydroélectricité) sera de 2 TW [ 44]. La part combinée du solaire photovoltaïque et de l’éolien terrestre dans le mix électrique mondial passera de 3 % en 20 13 à 17 % en 2030 (entre 16 et 18 % selon les hypothèses retenues). Le troisième élément majeur sera l’hydroélectricité. En revanche, les contributions de la bioélectricité et de l’éolien «offshore» seront relativement modestes, tandis que celles du solaire thermodynamique (CSP) et de la géothermie seront faibles [ 44].

Avantages économiques Une étude menée par Hugo A. Gil et Geza Joos en 2008 a montré que la production d’énergie peut amener des avantages économiques pour tous les acteurs du système électrique [32]. Les consommateurs, en installant leurs propres générateurs d’énergie, peuvent augmenter la fiabilité de leur approvisionnement. Ceci est particulièrement important pour les consommateurs sensibles (banques, hôpitaux, etc.). Ils peuvent auss1 diminuer leur facture électrique en consommant l’électricité produite, voire en la revendant au distributeur à des tarifs de rachat supérieurs aux tarifs de vente. Les gestionnaires des réseaux peuvent, grâce aux générateurs d’énergie, différer leurs investissements sur le réseau. La production d’énergie, à condition qu’elle ne dépasse pas en puissance la consommation locale, permet de produire localement l’électricité consommée par les charges proches, les pertes en lignes sur les réseaux et les appels de puissance dans les postes sources sont donc diminués. Cela permet aussi, entre autre, d’effacer les pointes de consommation importantes. Ce constat reste cependant théorique puisqu’en pratique, partout dans le monde, on assiste à une hausse des investissements liée à la production d’énergie dans les réseaux électriques (construction de départs dédiés et renforcement des lignes). L’installation de producteurs d’énergie au niveau mondial permettrait aussi de diminuer globalement les prix de l’électricité, quelques soient les marchés (marchés à long terme, spot, ajustement, bilatéraux, etc.). De manière générale, sur les marchés, la production est généralement répartie de la moins chère à la plus chère jusqu’à ce que l’offre égale la demande prévue, c’est-à-dire la consommation attendue. Par conséquent, une diminution de la demande devrait, théoriquement, faire baisser le prix de clôture du marché. L’excédent de demande est couvert par la production d ‘énergie.

Enfin, pour le responsable d’équilibre, l’agrégation de la production centralisée en centrales virtuelles lui permettrait de disposer de réserves de production. Cette réserve pourrait être moins chère à mobiliser dans certains cas que d’utiliser le marché d’ajustement. Ces avantages économiques de la production d’énergie sont attendus dans un marché économique idéal, où les différents acteurs pourraient être en position de concurrence équivalente. Il apparaît évident que ce n’est pas le cas aujourd’hui dans le système électrique. Le marché de l’énergie électrique est dominé par les anciennes entreprises publiques qui se retrouvent en situation de monopole, car le marché de l’énergie électrique étant un marché fortement capitalistique nécessitant de forts investissements, l’établissement d’un marché concurrentiel prend du temps. Leur capacité de production est très importante et permet des économies d’échelle que ne peuvent se permettre les petits producteurs. Par ailleurs, ces entreprises publiques étaient chargées, du temps des monopoles, de vendre l’électricité à prix coûtant. La privatisation de ces entreprises et l’arrivée d’acteurs privés entraînera probablement la recherche de bénéfices financiers. Le passage dans une économie libéralisée amènera donc certainement des prix de revente de l’électricité supérieurs aux anciens tarif s régulés.

Avantages climatiques et perspectives de développement

Les principales sources d’énergie utilisées par la production d’énergie sont renouvelables. L’énergie éolienne est un bon exemple: les émissions de dioxyde de carbone sont très faibles et concernent uniquement la fabrication et l’entretien des installations. Bien que les puissances individuelles soient faibles, le déploiement à grande échelle de générateurs d’énergie permettrait donc d’augmenter la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie électrique. En 2004, dans le monde, 17.8 % (soit 3 179 TWh) de l’énergie électrique totale produite (soit 17 408 TWh) l’a été à partir d’énergies renouvelables. L’énergie hydraulique représente cependant près de 90 % de cette part. Dans les tendances données par l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE), les énergies renouvelables devraient atteindre 20.3 % en 2030 pour un doublement de la production totale d’électricité (33 750 TWh) [29]. L’énergie hydraulique passera alors à 70 %, la biomasse à 10 % contre 75.6 % en 2015 et les autres énergies renouvelables de 8 à 20 % contre 4. 5 %en 2015. La figure 11 illustre ce scénario de référence.

Table des matières

TABLE DES MATIÈRES
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
LISTE DES SYMBOLES ET DES UNITÉS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
INTRODUCTION
REVUE DE LA LITTÉRATURE
PROBLÉMATIQUE
MÉTHODOLOGIE
CHAPITRE 1 LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES ET LA PRODUCTION D’ÉNERGIE
1.1 Définition de la production d’énergie
1.2 Différents types de production d’énergie
1.2.1 Les sources d’énergie traditionnelles (non renouvelables)
1.2. 2 Les sources d’énergie renouvelable
1.2.3 La cogénération
1.3 Avantages, intérêts et perspectives de développement de la production d’énergie
1.3.1 Avantages économiques
1.3.2 Avantages climatiques et perspectives de développement.
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 ÉTUDE DES IMPACTS DE LA PRODUCTION D’ÉNERGIE RENOUVELABLE SUR LES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION
2.1 Introduction
2.2 Étude des impacts de la production d’énergie sur les réseaux électriques
2.2.1 Impacts sur le système de distribution
2.2.1.1 Modification du transit de puissance
2.2.1.2 Impact sur le profil de la tension
2.2.1.3 Les surtensions induites par la connexion d’un générateur d’énergie
2.2.1.4 Indice de qualification
2.2.1.5 Illustration en simulation du problème de surtension
2.2.2 Impacts sur le système de transport
2.2.2.1 Risque de congestion
2.2.2.2 Incertitude du système électrique
2.2.2.3 Changement des marges d’exploitation
2.2.2.4 Apparition des flux d’énergie réactive
2.2.2.5 Fermeture des grandes centrales
2.2.2.6 Perte de la production d’ énergie
2.3 Conclusions
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DE GÉNÉRATION D’ÉNERGIE RENOUVELABLE
3.1 Introduction
3.2 Générateur d’énergie de type panneau solaire (PV)
3.2.1 Modèle mathématique
3.2.2 Association des générateurs photovoltaïques
3.2.3 Configuration et raccordement dans le réseau électrique
3.2.4 Contrôle de la tension, du courant et de la puissance des ? générateurs PV
3.2.5 Modélisation d’un générateur photovoltaïque dans Matlab®/Simulink®
3.2.5.1 Modèle semi-analytique de type circuit électrique
3.2.6 Caractéristiques statiques du panneau
3.3 Générateur d’énergie de type éolien
3.3.1 Différents types d ‘aérogénérateurs
3.3.1.1 Éoliennes à axe horizontal
3.3.1.2 Éoliennes à axe vertical..
3.3.2 Modèle mathématique
3.3.2.1 Puissance récupérable par une éolienne
3.3.2.2 Régulation de la puissance d’une éolienne
3.3.3 Configuration et raccordement dans le r éseau électrique
3.3.4 Contrôle de la tension, du courant et de la puissance des générateurs éoliens
3.3. 5 Modélisation du générateur éolien dans Matlab®/Simulink®
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 RÉGLAGE DE TENSION EN PRÉSENCE DE PRODUCTEURS D’ÉNERGIE SUR LE RÉSEAU DE DISTRIBUTION
4.1 Introduction
4.2 Importance de réglage de la tension et de la fréquence dans les réseaux électriques
4.2.1 Le maintien de la tension
4.2.2 Le maintien de la fréquence
4.3 Différents types de réglage de tension et de puissance
4.3.1 Types de réglage de tension pour les générateurs de type machine synchrone
4.3 .1.1 Régulateur automatique de tension « Automatic Voltage Regulator (AVR) »
4.3.1.2 Régulateur de facteur de puissance «Power Factor (PF) »
4.3.1.3 Régulateur de la puissance réactive (V AR)
4.3.2 Types de réglage de tension pour les générateurs de type onduleur
4.3.2.1 La régulation en tension ou mode (Pl V) 
4.3.2. 2 La régulation en puissance ou mode (PIQ)
4.4 Modélisation de réglage de production pour un générateur de type panneau solaire
4.4.1 Réglage de production en puissance active et réactive (PIQ)
4.4.1.1 Présentation du modèle
4.4.1. 2 Étude du modèle (PIQ) …
4.4.1.3 Simulations du modèle (PIQ) ..
4.4.2 Réglage de production en puissance active et tension (PlV) 
4.4.2.1 Présentation du modèle
4.4.2. 2 Étude du modèle (PlV)
4.4.2. 3 Simulations du modèle (PlV)
4.5 Modélisation de réglage de production pour un générateur de type éolien
4.5.1 Réglage de production en puissances (PIQ)
4.5.1.1 Présentation du modèle
4.5.1.2 Simulations du modèle (P/Q)
4.5.2 Réglage de production en puissances (P/ V)
4.5.2.1 Présentation du modèle
4.5.2.2 Simulations du modèle (PlV)
4.6 Modélisation de générateur de type combiné panneau solaire – éolienne
4.6.1 Présentation du système
4.6.2 Simulations du modèle (PIQ)
4.6.3 Simulations du modèle (PlV)
4.7 Conclusions
CONCLUSION GÉNÉRALE
RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE
Annexe A
Annexe B
Annexe C
Annexe D
Annexe F

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