Optimisation de l’utilisation des énergies renouvelables

L’efficacité énergétique est une préoccupation avec une influence importante sur l’économie et l’écologie. Les enjeux climatiques actuels poussent à l’utilisation de sources d’énergie renouvelables, mais leur prix et leur production irrégulière fait qu’elles sont encore trop peu utilisées. Leur utilisation est d’autant plus faible dans les pays où le prix de l’électricité est faible, comme en France. Cela fait de l’amélioration de l’utilisation de ces énergies renouvelables un enjeu majeur.

En France, les principales sources de production d’énergie sont les 19 centrales nucléaires. Elles produisent 402TWh en 2016, soit 72.3% de part de la production d’électricité, répartie sur le territoire. L’un des points forts des centrales nucléaires est qu’elles rejettent très peu de gaz à effet de serre : de l’ordre de 20gCO2/kWh. Ceci est équivalent à la production éolienne, légèrement inférieur à la production photovoltaïque, mais 20 fois moins qu’une centrale à gaz et au moins 40 fois moins qu’une centrale à charbon. L’utilisation massive de centrale nucléaire fait en revanche que la production française est très centralisée : chaque consommateur dépend d’une production faite à grande distance : l’électricité doit donc parcourir de nombreux câbles et transformateurs. Ces différentes étapes induisent des pertes, par exemple l’effet Joule qui représente les pertes dues à la distance de câble est estimé entre 2 et 3.5% de la production totale française. Une trop forte centralisation a deux effets négatifs majeurs :

1. les pertes en lignes, pour atteindre toutes les régions consommatrices d’énergie,
2. la dépendance au prix des consommateurs, et de ses variations, fixées par les opérateurs du réseau.

Pour remédier aux pertes en ligne, une solution est donc de décentraliser cette production, pour une entreprise souhaitant être en maîtrise de son énergie la solution est d’installer des générateurs d’énergies renouvelables. Ces sources d’énergie rejettent moins de gaz à effet de serre que la majorité des centrales [112]. Cette production locale lui permet de se rendre moins dépendante du réseau électrique national : de ses fluctuations de prix ainsi que de ses rares, mais possibles, pannes. Cette indépendance du réseau apporte un bénéfice économique direct à l’entreprise, mais lui permet également de possiblement alléger son impact en CO2 rejeté dans l’air de par son utilisation d’énergies renouvelables. La production locale d’énergie permet à une entreprise de réduire l’impact des fluctuations de prix de l’électricité sur son activité lui offrant donc plus de liberté sur son organisation ainsi qu’une meilleure visibilité au long terme sur ses investissements.

Les sites isolés : trop reculés ou dans des zones difficiles d’accès telles que des îles ou des zones de hautes montagnes sont très dépendantes de leurs sources d’énergie. Ils reposent généralement sur l’utilisation de générateurs au diésel ou au fioul. Ces générateurs ont l’avantage de produire de manière constante et facilement prévisible, en revanche ils consomment des énergies fossiles et rejettent d’importantes quantités de gaz à effet de serre c’est pourquoi ils ne représentent pas une solution viable sur le long terme.

En dépit de leur popularité, les énergies renouvelables ne sont pas pour autant une Silver Bullet [15], leur intégration est plus complexe que l’installation de générateurs diésel : leurs productions irrégulières dépendant de facteurs externes, principalement de conditions météorologiques. Le peu de solutions commerciales permettant d’optimiser leur usage s’explique par l’importance des données de terrain. Pour une implantation géographique, l’historique de production est nécessaire pour raffiner ou estimer un productible : la production moyenne d’un moyen de production d’énergie sur une longue période. Plus cette période est longue, de l’ordre de l’année ou de plusieurs années, plus l’estimation sera proche de la production réelle obtenue sur le terrain. À l’inverse, plus cette période est courte plus l’impact de la météo et de la saisonnalité sera important ce qui produira des estimations erronées.

Pour faciliter l’intégration des moyens de production, il convient de réduire les pertes de transformation et d’éviter au maximum les surplus de production. Pour ce faire, il faut donc rapprocher les moyens de production des consommateurs et produire le même ordre de grandeur de quantité d’énergie que la consommation. Ce rapprochement des moyens de production crée des microgrilles [109]. Pour être adoptée, la décentralisation doit être rentable économiquement. Elle s’accompagne de nombreux challenges pour rester compétitive économiquement par rapport à l’utilisation de la grille seule, autrement dit, sans moyens de production locaux :

— les moyens de production d’énergie et de stockage doivent être correctement choisis et dimensionnés,
— la production locale doit être en adéquation avec la consommation pour réduire au maximum les surplus d’énergie,
— des changements dans les habitudes de consommation doivent être pertinents d’un point de vue économique, écologique et humain,
— la mise en œuvre de ces changements demande une certaine intégration et un certain contrôle du matériel existant.

Favoriser l’usage des énergies renouvelable pose de nombreux défis à la communauté scientifique. Deux façons existent pour aider à leur développement : les actions politiques et l’attractivité économique, la première pouvant impacter la seconde par la forme de subventions. Pour être compétitive sur le plan économique, l’énergie produite localement doit donc être inférieure ou égale au coût de l’électricité venant de la grille. Nous nous intéressons dans le cadre de cette thèse au point de vue technique qui favorise l’attractivité économique hors subvention. Nous choisissons ici les microgrilles car elles représentent un secteur propice à l’exploration, avec des activités à taille humaine.

L’augmentation de la rentabilité s’obtient en jouant sur plusieurs facteurs :

1. le dimensionnement des moyens de production afin qu’ils correspondent aux besoins. Surdimensionner implique plus de frais d’investissement qui ne pourront pas nécessairement être amortis, car la surproduction repartirait sur la grille à un prix de rachat beaucoup trop faible. Sous-dimensionner est un moyen d’être sûr de consommer l’intégralité de sa production, mais implique que peu de consommation est effacée et donc que le site dépend encore grandement de la grille. Trouver le bon équilibre est une tâche complexe afin de trouver le bon équilibre entre les bonnes journées de production et les mauvaises.

2. l’adéquation de la consommation et de la production si les journées sont trop différentes les unes des autres ou si la production varie trop, aligner la production sur la consommation est un moyen efficace d’améliorer la performance des moyens de production.

3. la capacité de prédiction des aléas météorologiques et humains ont un impact sur la performance d’un site. La prédiction de ces aléas est un point clé de l’efficacité énergétique. Ces méthodes peuvent également être utilisées en dimensionnement ou alignement de la consommation.

Ces trois points constituent des challenges importants qui ont été abordés depuis quelques années par la littérature scientifique. L’augmentation de la part d’énergie renouvelable est généralement le résultat d’une optimisation économique, mais il est possible de vouloir optimiser d’autres aspects. Ces autres aspects peuvent inclure : l’optimisation de l’autonomie énergétique [33] d’un site ou l’optimisation du bilan carbone. Tous ces aspects peuvent se regrouper sous le terme de coût à optimiser même si nous utilisons le terme de coût économique dans cette thèse, il est peut être remplacé par n’importe quel autre facteur sans changement dans les notions et approches discutées.

Table des matières

1 Introduction
1 Vers une décentralisation de la production
2 Défi : optimiser l’usage des énergies renouvelables dans les microgrilles
3 Contexte industriel
4 Objectif : modélisation et déplacement d’activité
5 Proposition : représentation et méthodologie de gestion d’une exploitation par un jumeau numérique
6 Points durs
7 Méthodologie et évaluation
8 Contributions
9 Valorisation de cette thèse
10 Plan de ce manuscrit
2 Contexte
1 Une consommation grandissante
1.1 La consommation chez les particuliers
1.2 La consommation des secteurs industriels et agricoles
1.3 Transports : l’essor des véhicules électriques
2 Structure des réseaux électriques
2.1 La grille : concentration de la production
2.2 Production décentralisée : la microgrille
3 Politiques incitatives à l’utilisation des énergies renouvelables
3.1 Aspects législatifs
3.2 Aspects économiques
3.3 Aspects pratiques
4 Synthèse
3 Exemples et cas d’application
1 Description de cas applicatifs
1.1 Site d’élevage type
1.2 Site industriel type
2 Exemple d’analyse industrielle
2.1 Analyse des outils et méthodes actuelles
2.2 Dimensionnement pour un site type
2.3 Optimisation des activités
2.4 Intégration des moyens de stockage
2.5 Suivi d’installation temps réel
3 Conclusion
4 Conclusion

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