Soutenance mémoire
La génération d’électricité par l’éolien connaît une croissance spectaculaire depuis 1990, portée essentiellement par une politique volontariste des états, il n’en demeure pas moins qu’à l’heure actuelle, c’est l’énergie renouvelable la plus proche de la rentabilité économique.
Ce succès ne va pas sans amener des difficultés à court et moyen termes et des interrogations profondes à long terme. Ainsi, se posent déjà les problèmes de couplage des perturbations entre le générateur éolien et le réseau, ce qui se traduit souvent par des découplages intempestifs. A moyen terme ce sont les problèmes liés aux services systèmes en général : influence sur le plan de tension et sur le réglage en fréquence. A long terme, de nombreuse interrogations se posent sur la capacité du réseau à absorber la puissance éolienne planifiée; les réserves primaires actuelles ne suffiront pas, il s’agit alors de construire de nouvelles infrastructures de production mais d’inventer surtout de nouveaux schéma de gestion qui allieraient ces nouveaux moyens de production, à du stockage et enfin à du pilotage de charges.
Le gestionnaire de réseau se trouvera donc confronté à une série de difficultés qu’il ne peut dépasser sans moyen d’action sur les flux énergétiques liés à l’éolien soit de manière directe ou par des incitations de types économiques (prime/pénalité) à l’égard des producteurs.
ÉTAT DE L’ART ET PROBLEMATIQUE
Depuis quelques décennies, les Homme se focalisent sur la recherche et le développement des sources d’énergies renouvelables afin de remplacer en partie les sources d’énergies conventionnelles dans la production de l’électricité. Les causes principales de cette tendance sont :
✘ l’engagement à réduire les émissions de gaz à effet de serre selon le protocole de Kyoto de 1997 dont l’objectif ultime est de stabiliser les concentrations des gaz CO2 (dioxyde de carbone) ; CH4 (méthane) et N2O (protoxyde d’azote) dans l’atmosphère à un niveau qui empêche toute perturbation anthropique dangereuse du système climatique ;
✘ le risque d’épuisement des ressources énergétiques fossiles (pétrole, charbon, gaz…) ;
✘ la sensibilité croissante des gens vis-à-vis de la protection de l’environnement et du développement durable ;
✘ l’expansion et le développement du marché de l’électricité ; en outre, dans les pays développés, il devient très difficile de mener à bien les projets pouvant répondre à la demande de charge toujours croissante (centrales électriques de forte puissance, des lignes de transmission à haute tension …).
La problématique des énergies intermittentes
Les énergies intermittentes se définissent comme étant peu ou pas prévisibles dans le temps. Elles ne sont pas constantes et ne peuvent donc pas être maîtrisées de la même façon que des énergies fossiles, dont on peut contrôler la combustion. Ainsi, on classe dans cette catégorie d’énergie :
– l’énergie solaire ;
– l’énergie éolienne ;
– l’énergie des mers (houlomotrice, marémotrice).
Dans ce présent travail ces énergies sont utilisées pour produire de l’électricité connectée aux réseaux.
Parmi eux l’énergie éolienne est devenue en 2009 la seconde source de production d’électricité renouvelable (268,2 TWh). Elle passe pour la première fois devant la biomasse (représente avec une production de 241,2 TWh, 1,2 % de la production d’électricité mondiale et 6,3 % de l’électricité renouvelable), mais reste encore loin de l’hydraulique (représente 84,3 % de l’électricité renouvelable mondiale.) En 2009, elle représente 1,3 % de la production d’électricité totale et 7% de l’électricité renouvelable. Un peu moins de la moitié de la production mondiale est produite sur le territoire de l’Europe de l’Ouest (48,9 %). Dans cette région, elle représente 4,1 % de la production d’électricité régionale, soit près de trois fois plus qu’au niveau mondial. Les autres grandes régions de production sont l’Amérique du Nord (27,9 %), l’Asie de l’Est et du Sud-Est (12,2 %) et l’Asie du Sud (6,7 %). La filière prend également de l’importance en Océanie (2 %). L’implantation de parcs éoliens est plus récente dans les autres régions du monde. L’essentiel de la production reste concentré dans une minorité de pays. Les cinq premiers (États-Unis, Allemagne, Espagne, Chine et Inde) représentent 71,4 % de la production éolienne mondiale.
Ce pourcentage monte à 85,5 % en ajoutant les cinq pays suivants que sont le Royaume-Uni, la France, le Portugal, le Danemark et l’Italie. La croissance de la filière éolienne est la plus dynamique, après celle du solaire, sur l’ensemble des filières électriques. La croissance enregistrée en 2009 (+22,1 % par rapport à 2008) est légèrement inférieure à celle observée sur l’ensemble de la période 1999-2009 (+28,9 % par an en moyenne), ce qui traduit l’amorce d’un second cycle de croissance correspondant à une filière plus mature. Toutes les régions du monde disposent d’une filière éolienne et sur la période 1999-2009, toutes présentent un taux de croissance annuel moyen à deux chiffres. Si certains taux dénotent d’un démarrage de la filière, d’autres sont représentatifs d’une réelle montée en puissance. C’est notamment le cas en Europe de l’Ouest (+ 24,8 % par an en moyenne), en Amérique du Nord (+ 32 % par an en moyenne), en Asie de l’Est et du Sud-Est (+ 55,6 % par an en moyenne) ou en Asie du Sud (+ 26,7 % par an en moyenne). La filière éolienne a contribué au quart de l’augmentation de la production d’électricité renouvelable (+ 247 TWh sur une augmentation de 1000,7 TWh). Elle est actuellement l’énergie renouvelable la plus à même de seconder la filière hydraulique pour mettre un terme à l’augmentation continue de l’utilisation des combustibles fossiles pour la production d’électricité. La puissance éolienne installée dans le monde fin 2009 est de 150 000 MW, soit le double de la puissance installée en 2006.
Généralité
L’éolienne [GUI]
Une éolienne transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Soit cette énergie est utilisée directement comme dans les éoliennes de pompage ou les anciens moulins à vent (essentiellement pour moudre les grains). Soit elle est transformée en électricité via une génératrice. Dans ce cas, on parle d’aérogénérateurs. La principale utilisation est le couplage de l’aérogénérateur sur le réseau. C’est la filière où, jusqu’à présent, le plus de recherches et d’expériences ont été réalisées car c’est la plus performante. La seconde est l’utilisation de l’installation en tant que groupe électrogène éolien. Dans ce cas, on vise surtout les régions isolées.
Le Vent [GUI]
Entre les pôles et l’équateur, le Soleil réchauffe le globe terrestre de manière fort inégale. Les écarts de température qui en résultent provoquent des différences de densité des masses d’air qui se traduisent par des variations de pression atmosphérique. Dès lors se crée un vaste mouvement des masses d’air des zones à haute pression vers les zones à basse pression. C’est ce mouvement qui constitue le phénomène général des vents à la surface de la planète.
Mais la façon dont les vents s’orientent localement aux quatre coins de la planète obéit encore à d’autres lois très complexes de la dynamique des fluides, aux forces physiques résultant de la rotation de la Terre (force de « Coriolis »), à la présence des océans et des continents et de leurs reliefs respectifs. Ceci qui explique la très grande variété des vents dominants qui caractérisent les diverses régions et climats du globe, selon les latitudes et longitudes.
Le vent est donc une masse d’air en mouvement qui transforme l’énergie thermique que cette masse a retiré du rayonnement solaire en énergie cinétique. Deux paramètres essentiels caractérisent donc le vent. Le premier, déterminant quant à la quantité d’énergie qu’il est susceptible de fournir, c’est sa vitesse, et le second, c’est la direction de son déplacement.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ÉTAT DE L’ART ET PROBLEMATIQUE
I.1. Introduction
I.2. La problématique des énergies intermittentes
I.3. Généralité
I.3.1. L’éolienne [GUI]
I.3.2.Le Vent [GUI]
I.4. l’intégration d’un parc éolienne
I.5. Caractérisation du problème
I.5.1. Caractéristiques de l’énergie éolienne
I.5.2. Les mesures correctives face aux intermittences de l’énergie éolienne
A) Le choix de l’emplacement pour la construction d’une centrale éolienne
B) L’amélioration de la précision de la prévision du vent (vitesse et direction)
C) Le stockage d’énergie
a- Le stockage sous forme d’énergie gravitaire (PHS Pumped-hydro Storage en anglais – ou STEP = Station de Transfert d’Energie par Pompage en français) [MAR-1]
b- Le stockage sous forme d’air comprimé (CAES – Compressed Air Energy Storage) [FRI]
c- Le stockage sous forme d’énergie cinétique (FW) [MAR-01], [CIM-06], [TEN-09], [CIM2010]
I.6. Comparaison des types de stockage
a) La capacité de stockage
b) Le rendement et la durée de vie
c) Le coût d’investissement
d) Les coûts par cycle de fonctionnement
I.7. Fonctionnement d’une centrale éolienne avec stockage hydraulique dans le réseau électrique17
a- Gestion par anticipation
b- La gestion en temps réel ou réactive
I.8. Conclusion
CHAPITRE II : GESTION OPTIMISEE DU SYSTEME EOLIENNE ASSOCIE AU STOCKAGE HYDRAULIQUE
II.1. Introduction
II.2. Association d’éolien avec un stockage hydraulique (système éolien/stockage hydraulique)
II.3. Caractérisation du problème
II.3.1. Caractéristique du système W+S
a- Caractéristique du parc éolienne
b- Caractéristique du réseau
c- Caractéristique du stockage
II.3.2. Dynamique
II.4. Méthode de gestion optimisée du système W+S
II.4.1. Architecture du système de gestion
II.4.1.1. Anticipation du fonctionnement du système
II.4.1.2. Gestion dynamique et réactive en temps réel
II.5. Gestion optimisée du système W+S par Programmation Linéaire Mixte (PLM)
II.5.1. Fonctions objectifs
II.5.1.1. Anticipation de l’exploitation du système W+S
II.5.1.2. Gestion réactive optimisée
II.5.2. Système de contraintes
II.5.2.1. Contraintes statiques
II.5.2.2. Contraintes dynamiques
II.6. Proposition d’un cas de gestion dynamique et réactive en temps réel: gestion des intermittences du vent par la simulation dynamique
II.6.1. Introduction
II.6.2. Description et résolution du schéma de simulation dynamique
II.7. Conclusions
CHAPITRE III MODELISATION DES COMPOSANTS
III.1. Introduction
III.2. Architecture du système W+S
III.2.1.Présentation globale d’un système W+S
III.2.2. Rôle et fonctionnement de chaque élément
III.3. Modélisation des composants
III.3.1. Modèle de l’éolienne
III.3.1.1. Construction du modèle de l’éolienne
a- Turbine éolienne : un système aérodynamique
a-1- Mise en équation
a-2-Domaines de fonctionnement
b- Système de transmission
b-1- Les différents modèles de système de transmission
b-2- Modèle transmission « rigide » avec un rapport multiplicateur N
III.3.1.2. Application
a- Construction du modèle d’une éolienne
b- Résultats
c- Conclusions
III.3.2. Modèle de la turbine hydroélectrique [CYR-04], [ROY-09]
III.3.2.1. Introduction
III.3.2.2. Régulation du mode turbinage
a) Modélisation du système
a-1- Configuration du générateur connecté au réseau
a-2- Description d’une centrale hydroélectrique
a-3- Hypothèses de la modélisation de la centrale
a-4- Modélisation du système hydraulique
a-5- Modélisation du générateur
a-5-1-Fonctionnement sur réseau
a-5-2- Régulateur de vitesse
b- Résultat
c- Conclusion
III.3.3. Modèle de la station de pompage
III.3.3.1. Construction de modèle
Caractéristiques générales des pompes
III.3.3.2. Application
III.3.3.3. Résultat-Conclusion
III.3.4. Modèle du Réservoir
III.3.4.1. Objectif
III.3.4.2. Construction de modèle
III.3.4.3. Résultats et conclusion
III.4. Implantation du modèle complet W+ S sous Matlab/Simulink
III.4.1. Introduction et modèle du système global
III.4.2. Résultats et Conclusion
Chapitre IV IMPLICATION PEDAGOGIQUE
A- LEÇONS
B- EXERCICES [NF]
C- CORRECTIONS
CONCLUSIONS GENERALES
