Ressources distribuées ou sources d’énergie distribuées

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Production décentralisée

La Production décentralisée (Distributed Generation en anglais : DG) est souvent perçue comme une production d’électricité à petite échelle [Mitr et al-2008]. Cependant, il n’existe pas de consensus sur une définition précise du concept qui implique un large éventail de technologies et d’applications dans différents environnements. Certains définissent la DG sur la base du niveau de tension, tandis que d’autres se basent sur le principe que la DG est reliée à des circuits qui alimentent les récepteurs directement [Pepe et al-2005]. Le conseil international des systèmes d’électricité à grande échelle (Council on Large Electricity Systems en anglais : CIGRE) [Mitr et al-2008] a défini la DG comme toute unité de production d’une capacité maximale de 100 MW habituellement connectée au réseaude distribution, qui n’est doté ni d’un système de planification centralisé ni d’un centre de dispatching [Pepe et al-2005]. L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) définit la DG comme une unité de production de l’énergie sur le site du client ou dans les services publics de distribution locaux, et qui alimente directement le réseau de distribution local [IEA-2002].

Ressources distribuées ou sources d’énergie distribuées

La Société Savante des Ingénieurs en Electricité et Electronique (IEEE) définit les ressources distribuées (Distributed Ressources: DR) comme des sources d’énergie qui ne sont pas reliées directement à un important (par la taille) réseau de distribution. Elles disposent d’un ensemble de générateurs et de systèmes de stockage [Mitr etal-2008][Pepe et al-2005][Ackl et al-2001].

Système d’alimentation électrique (EPS)

De l’anglais Electrical Power System (EPS), le système d’alimentation électrique se définit comme une installation fournissant de l’énergie électrique à une charge.

Point de couplage commun (PCC)

Traduit de l’anglais Point of Common Coupling (PCC), il se définit comme le point de connexion électrique du micro-réseau au poste de transformation du réseau de distribution publique.

Centre de contrôle du micro-réseau (MGCC)

Le centre de contrôle du micro-réseau (en anglais Microgrid Central Controller : MGCC) assure les fonctions de contrôle de la puissance active et réactive des ressources distribuées afin d’optimiser le fonctionnement du micro-réseau en envoyant les paramètres des signaux de commande aux ressources distribuées et les charges contrôlables [Hatz-2010].

Les configurations dans les systèmes hybrides

La configuration de bus dans les systèmes hybrides décrit la modalité de connexion entre les sources et la charge. Le choix de la configuration du bus des systèmes hybrides dépend de l’utilisateur. Il n’existe pas en effet de méthode parfaite. Chaque couplage présente des avantages et des inconvénients liés à son utilisation. Le choix de l’architecture du couplage dépendra entre autres:
– de l’éloignement du site
– de la taille de l’installation
– du nombre de points de génération (sources)
– etc.
On distingue principalement 3 types de configurations :

Le couplage DC

Pour le couplage DC représenté à la figure 1.17, tous les composants sont reliés à un bus continu. Des redresseurs sont requis pour connecter des générateurs de courant alternatif. Les charges AC sont connectées au bus de courant continu à travers les onduleurs [Star et al-2008]. Le dispositif de stockage est généralement une batterie, contrôlée et protégée contre les surcharges et décharges profondes par un régulateur de charge.

Le couplage AC

Dans le couplage AC sur la figure 1.18, l’énergie électrique circule à travers un bus AC. Les convertisseurs AC / AC doivent être insérés pour permettre la synchronisation des composants. Si une batterie est utilisée en tant que dispositif de stockage, un convertisseur statique AC / DC bidirectionnel est nécessaire. Il peut également alimenter des charges DC par un bus DC [Hartz-2010].

Le couplage DC-AC

Pour le couplage DC/AC représenté à la figure 1.19, l’énergie circule à travers les bus DC et AC. Si une batterie est utilisée en tant que dispositif de stockage, un convertisseur AC / DC statique bidirectionnel est nécessaire. Des charges DC peuvent être alimentées à travers le convertisseur statique maître AC / DC ou directement à partir du bus DC. Sur le bus AC, des générateurs AC peuvent être connectés directement ou par l’intermédiaire de convertisseurs AC / AC, pour permettre une bonne synchronisation des composants [Jime et al-2010].

Configurations dans les installations en milieu rural sénégalais

L’alimentation en électricité du monde rural au Sénégal par le biais des énergies renouvelables est essentiellement à base photovoltaïque (voir tableau 1.7). Dans son architecture, nous distinguons deux variantes suivant l’option choisie :
– Une production localisée au niveau des ménages grâce aux « Systèmes Photovoltaïques Familiaux » (SPF)
– Une production centralisée avec une mutualisation de l’énergie produite au niveau du village. Dans ce cas, une hybridation solaire-diesel est souvent réalisée. La configuration du couplage est le DC/AC. En effet le bus DC relie la source PV aux batteries, tandis le bus AC servira de connexion entre le groupe électrogène et l’onduleur.
 Les Systèmes Photovoltaïques Familiaux (SPF)
Ce sont des kits composés d’un ou de deux panneaux de 50Wc, d’un régulateur, d’une batterie d’accumulateurs et d’un onduleur. Ils permettent de satisfaire les besoins de base des ménages (éclairage, TV, radio). Les charges DC sont directement connectées à la sortie du régulateur, tandis que les charges AC le sont à la sortie de l’onduleur. Le dimensionnement de la batterie se fait sur la base d’une autonomie de 2 à 3 jours sans soleil. Ils sont faciles à mettre en œuvre, mais limitent l’usage de l’électricité à des besoins domestiques car les puissances mises en jeu sont en général très faibles (100Wc au maximum pour un kit). Ce système convient cependant pour des villages avec un type d’habitat « dispersé », qui s’étendent sur plusieurs dizaines de mètres : en effet, la couverture par un réseau électrique entrainerait des coûts supplémentaires en matière de câblage. Cependant, la non mutualisation de la production peut être à l’origine de non disponibilité de l’énergie par endroit en cas de panne prolongée. La figure 1.20 suivante montre une case de santé dans un village dont le toit est muni de panneaux photovoltaïques.
Figure 1.20: Case de santé équipée de panneaux photovoltaïques montés sur le toit à Oussouye au sud du Sénégal
 La production centralisée
Il s’agit de centrale pour l’essentiel solaire avec un stockage par batteries d’accumulateurs.
Un groupe électrogène est aussi utilisé dans certains cas pour faire face aux pointes de charges. Il existe aussi, mais pour de rares cas, des hybridations avec de l’éolien. C’est un choix qui favorise la disponibilité de l’énergie électrique pour tous les habitants d’un village non connecté au réseau grâce à la mutualisation des ressources énergétiques et des équipements. Il permet un dimensionnement plus juste de l’installation, en prenant en compte les besoins de l’ensemble de la population. Il présente aussi l’avantage de permettre une utilisation à des fins de génération de revenus (alimentation de petites unités de transformation de produits locaux, pompage, etc.), grâce à une distribution en réseau triphasé. Il entraine cependant des coûts supplémentaires liés à la distribution en réseau (câblage entre les maisons). D’autre part, il y a nécessité d’aménager un local pour abriter l’infrastructure de stockage et de conditionnement de l’énergie (batteries d’accumulateurs, onduleurs). La gestion de l’ensemble demandera aussi l’intervention d’un technicien formé. La figure 1.21 montre une production centralisée par panneaux photovoltaïques. On y voit :
– le champ PV de puissance 21kWc (a),
– le stockage par batteries d’accumulateurs d’une capacité de 690 Ah/300V (b),
– le régulateur de charge de puissance 30kW (c),
– l’onduleur de 20kW (c),
– l’armoire de distribution intégrant la protection et le comptage pour une ligne BT de 7km de long (c).
Figure1.21: Production centralisée, (a): champ PV, (b): batteries, (c) régulateur, onduleur, armoire de distribution à Diaoulé dans le département de Fatick

Conclusion

Le sous-secteur de l’électricité au Sénégal connait une évolution favorable depuis plus d’une dizaine d’années. Après un constat de défaillance des politiques menées jusqu’aux années 2000, des réformes sur le plan institutionnel ont contribué à une meilleure prise en charge de la satisfaction de la demande énergétique. Ces réformes ont consacré l’entrée du secteur privé dans la mise en œuvre de concessions gérées par ce dernier. Cette nouvelle approche a permis :
– de diversifier et d’augmenter les sources de financement de l’électrification rurale qui relève aussi bien du secteur marchand que de l’équipement rural;
– d’accroitre sensiblement le taux d’accès à l’électricité.
Les objectifs en termes de taux de couverture du monde rural ont été largement atteints. Le taux d’électrification rurale était de 23,8% en 2009 (pour un objectif initial de 15% pour 2015). La progression moyenne annuelle sur 2000-2009, de l’ordre de 12 %, pourrait permettre d’atteindre des taux respectifs de 49 % et 100 % pour 2015 et 2022, si bien sûr cette tendance se maintient. Sur le plan des ressources énergétiques renouvelables, il a été montré que le Sénégal bénéficie d’un important rayonnement solaire (5,4 kWh/m2), pour 3000 heures d’ensoleillement l’année. Cet important gisement est encore peu exploité. Suit l’énergie éolienne, notamment sur la Grande Côte. On dispose de vitesse de v ent exploitable à partir d’une certaine hauteur (40m au moins). Des projets ambitieux ont été initiés, et des études ont fini de confirmer leur pertinence et leur rendement. Pour certains d’entre eux, se posent encore des problèmes à la fois juridiques et techniques quant à une connexion au réseau national. Sous le même registre, nous avons les ressources hydroélectriques et les énergies marines. Pour les premières, nous avons un réseau hydrographique avec trois importants fleuves et des cours d’eau. En termes de réalisations, seule une centrale hydroélectrique a été réalisée grâce à la coopération entre le Sénégal, le Mali et la Mauritanie. D’autres sont à l’étude notamment dans le cadre de l’OMVG9. L’exploitation des ressources marines, quant à elle, n’est pas pour le moment envisageable en raison des nombreuses contraintes technico-économiques qui sont liées à leur développement.
Enfin, les micro-réseaux ont été présentés. Il ressort de cette étude qu’il n’y pas dans l’absolu de bonne ou de mauvaise configuration. Leurs choix dépendent de l’utilisateur et des caractéristiques de l’installation.
Dans le chapitre qui suit, nous développerons des outils et logiciels qui permettront de mettre en œuvre des micro-réseaux sur un site donné.

Outils logiciels pour la conception et la commande du système

Introduction

L’alimentation en énergie électrique des sites isolés ou des milieux ruraux dans les pays en voie de développement se heurte aux difficultés suivantes :
• La faiblesse de la puissance du réseau public,
• Le coût prohibitif des investissements nécessaires à l’extension et au raccordement,
• Le coût élevéde l’énergie au regard des revenus des populations.
Une des solutions est d’utiliser les ressources primaires d’énergie renouvelable disponibles sur le site (associées à des dispositifs de stockage et/ou des dispositifs de secours tels que des groupes électrogènes) et de concevoir un réseau local à la puissance limitée (quelques dizaines de kW). Ce sont ces micro-réseaux ou microgrids qui se développent rapidement à travers le monde.
Selon les ressources énergétiquesdisponibles et les conditions d’exploitation envisagées, plusieurs combinaisons peuvent être utiliséesOn. parle alors d’hybridation des sources ou de mix énergétique, ce qui consiste à combiner des sources de type hydraulique, solaire thermique ou photovoltaïque, éolien, etc. Le caractère intermittent des ressources énergétiques oblige à prévoir des dispositifs de stockage et dans certains cas extrêmes, des sources de secours constituées par des groupes électrogènes pour garantir une totale disponibilité de l’énergie électrique.
Il en résulte que la structure du micro-réseau est complexe. Elle dépend fortement du site, des conditions d’usage et des populations desservies. La conception et le contrôle d’une telle structure doivent viser non seulement l’efficacité énergétique mais aussi l’efficacité
économique. La conception consiste à faire le prédimensionnement- de l’ensemble des constituants, et à choisir l ’architecture du réseau, alors que le contrôle consiste à piloter les échanges d’énergie en fixant la contribution de chaque source et le dispositif de stockage. La solution retenue doit être optimale au sens du rendement, des objectifs (coût minimal de l’énergie produite, minimisation du taux de CO, disponibilité, temps de réponse, rejet des perturbations, …). On peut donc constater que c’est un système complexe avec des constituants de nature et des constantes de temps très différentes (de la milliseconde pour les convertisseurs statiques à l’heure pour les charges). L’étude doit nécessairement s’appuyer sur des outils logiciels.

Revue des outils logiciels

Pour mettre en œuvre un projet, chercheurs, ingénieurs et décideurs s’appuient sur des outils logiciels. Ces outils logiciels permettent de dimensionner, d’optimiser, d’analyser et de simuler des systèmes. Ainsi, on peut les classer suivant trois catégories :
– les logiciels d’étude de faisabilité
– les logiciels de dimensionnement
– les logiciels de simulation et d’analyse.
Dans le cas qui nous occupe, nous souhaitons concevoir (dimensionner les constituants et choisir l’architecture) et contrôler les flux d’énergie entre la charge, les sources et les dispositifs de stockage. Le système hybride conçu doit être efficace énergétiquement, fournir une énergie électrique au coût minimal et avec une disponibilité maximale.
Le ou les outils logiciels qui seront utilisés dans cette étude doivent permettre de modéliser, simuler, analyser et optimiser le micro-réseau.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE 1 Situation de l’énergie au Sénégal
1.1. Introduction
1.2. Sous-secteur de l’électricité
1.3. Le réseau électrique national
1.3.1. La production
1.3.2. Le transport
1.3.3. La distribution
1.4. L’électrification rurale
1.4.1. Organisation institutionnelle
1.4.2. Evolution
1.4.3. Réalisations
1.4.4. Ressources énergétiques naturelles
1.4.4.1. Ressource solaire photovoltaïque
1.4.4.2. Ressource éolienne
1.4.4.3. Autres ressources
1.4.5. Les micro-réseaux
1.4.5.1. Concepts et définitions
1.4.5.2. Les configurations dans les systèmes hybrides
1.4.5.3. Configurations dans les installations en milieu rural sénégalais
1.5. Conclusion
CHAPITRE 2 Outils logiciels pour la conception et la commande du système
Introduction
2.1. Revue des outils logiciels
2.1.1 Les logiciels d’étude de faisabilité
2.1.1.1 RETScreen
2.1.1.2 LEAP
2.1.2 Les logiciels de conception, d’analyse, et de simulation
2.1.2.1 HOMER
2.1.2.2 iHOGA
2.1.2.3 HYBRID2
2.1.2.4 SOMES
2.1.2.5 Matlab
2.1.3 Les logiciels d’analyse et de simulation
2.1.3.1 INSEL
2.1.3.2 ARES
2.1.3.3 SOLSIM
2.1.3.4 RAPSIM
2.1.4 Conclusion sur les outils logiciels
2.2. Formalismes de représentation et de commande du système
2.2.1 Bond Graph (BG)
2.2.2 Graphe Informationnel Causal (GIC)
2.2.3 La Représentation Energétique Macroscopique (REM)
2.2.3.1 Les éléments de la REM
2.2.3.2 Réalisation de la commande
2.2.4 Bibliothèque développée au LGEP
2.2.5 Conclusion sur les outils de représentation
2.3. Modélisation des composants du système
2.3.1 Générateur photovoltaïque
2.3.1.1 Modèle mathématique
2.3.1.2 Modélisation multiniveau
2.3.1.2.1 Modèle statique et numérique
2.3.1.2.2 Modèle semi analytique de type circuit électrique
2.3.1.2.3 Modèle semi analytique
2.3.1.2.4 Modèle numérique (tabulé)
2.3.1.3 Comparaison entre les modèles
2.3.2 Générateur éolien
2.3.2.1 Différents types d’aérogénérateurs
2.3.2.2 Analyse et expressions des grandeurs caractéristiques de l’éolienne
2.3.2.3 Modélisation multi niveau
2.3.2.3.1 Modèle statique
2.3.2.3.2 Modèles dynamiques
2.3.3 Batteries d’accumulateurs
2.3.3.1 Modèles électriques
2.3.3.2. Modèle sous Matlab Simulink
2.3.4. Onduleur
2.3.4.1. Modèle mathématique
2.3.4.2. Modèle sous Matlab/Simulink
2.3.5. Contrôleur de charge
2.3.5.1. Modèle mathématique
2.3.5.2. Modèle sous Matlab/Simulink
2.3.6. Le convertisseur continu-continu (hacheur)
2.3.6.1. Modèle dynamique sous Matlab/Simulink
2.3.6.2. Modèle statique sous Matlab/Simulink
2.3.7. La charge
2.3.7.1. Estimation de la demande
2.3.7.2. Modèle numérique
2.3.8. Représentation du micro-réseau
2.4. Optimisation
2.4.1 Introduction
2.4.2 Les méthodes d’optimisation
2.4.2.1 Les méthodes déterministes ou exactes
2.4.2.2 Les méthodes stochastiques
2.4.3 Conclusion sur l’optimisation
Conclusion
3 Conception et pilotage d’un site isolé de production d’électricité – Application au village de M’Boro/Mer au Sénégal
3.1 Introduction
3.2 Démarche de conception
3.3 Principaux critères de performance
3.3.1 La probabilité de perte de l’alimentation (LPSP)
3.3.2 Le coût net actualisé (NPC)
3.3.3 La charge non satisfaite (UL)
3.3.4 L’excès d’énergie (EE)
3.3.5 Le coût annualisé du système (ACS)
3.3.6 Le taux de panne (FOR)
3.3.7 Etat de charge des batteries
3.3.8 Critères retenus
3.4 Application au site de MBoro/Mer
3.4.1. Présentation du site
3.4.2. Evaluation des ressources et de la demande
3.4.2.1. Ressource éolienne
3.4.2.2. Ressource solaire
3.4.2.3. Courbe de charge
3.4.3. Architecture du système
3.4.3.1. Système hybride centralisé
3.4.3.2. Système familial individuel
3.4.4. Optimisation
3.4.4.1. Modèle utilisé pour l’optimisation
3.4.4.2. Stratégie de fonctionnement et de gestion du flux d’énergie
3.4.4.3. Optimisation des constituants de puissance
3.4.5. Optimisation du contrôle du système
3.4.5.1. Modèle du contrôle du système
3.4.5.2. Principe de l’optimisation du contrôle sans gestion de l’énergie
3.4.5.3. Principe de l’optimisation du contrôle avec gestion de l’énergie
Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
ANNEXES

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