Système hybride éolien diésel avec stockage d’air comprimé

Maturité du SHED

Imaginé dès 1955 dans des travaux fondateurs de E. W. Golding (réédités en 1976), des simulations initiales de ce système laissent d’abord entrevoir des réductions appréciables de la consommation de carburant (Jeffries, 1994; Golding, 1976). La décennie de 1985 à 1995 est particulièrement riche en développements pour le SHED, mais la difficulté d’éteindre les diesels limite toutefois initialement le TPE, parfois jusqu’à seulement 17% dans des appli- cations pratiques (Huppmann, 1988). La poursuite des expérimentations permet, en quelques années, de valider des modèles plus détaillés qui peuvent intégrer plusieurs éoliennes ainsi que plusieurs générateurs diesels en parallèle (Malatestas et al., 1993; Jeffries, 1994). L’objectif poursuivi initialement est d’exploiter un système à haute pénétration où les fluctuations de la puissance éolienne sont compensées par une stratégie de commande appropriée faisant appel à de l’écrêtage, exploitant ce qui est alors nommé le «virtual spinning reserve» (Kamwa et al.,1991). L’idée qu’un tel système puisse fonctionner sans nécessiter de stockage d’énergie est considérée, à première vue, comme très attrayante en raison d’une anticipation d’un meilleur retour sur l’investissement (Tomilson, 1998).

Le raffinement de la stratégie de commande et l’étude de la dynamique du système font éventuellement augmenter le TPE à plus de 56% (Malatestas et al., 1993), ce qui est aujourd’hui catégorisé comme un SHED de moyenne pénétration (Ibrahim et al., 2011a). Ces avancées permettent surtout de caractériser le comportement dynamique de la tension et de la fréquence du réseau, qui demeurent remarquablement stables dans ces conditions de pénétration (Malatestas et al., 1993). Le cœur du problème du SHED reste toutefois centré autour du conflit naissant entre la nécessité d’éteindre le générateur diesel pour limiter la consommation de carburant alors qu’on souhaite éviter les démarrages fréquents ainsi que les plages d’opération à faibles charges (Ibrahim et al., 2011b).

Modèles du moteur diesel

La grande variation des échelles de temps est évoquée comme une limite importante des modèles de systèmes SHED : les simulations moteur concernent des phénomènes cycliques de combustion à l’échelle de la microseconde alors que le SHED opère à l’échelle d’une année (Ibrahim et al., 2011b; Tomilson, 1998). Ces modèles sont donc généralement rigides, au sens de la disparité des constantes de temps en jeu (Jeffries, 1994).

Dans tous les cas, la vaste majorité des études traitant du SHED font appel à un modèle minimaliste de la dynamique de la combustion, souvent un simple modèle inertiel de rotation (Rajasekaran, 2013; Malatestas et al., 1993), parfois avec un délai lié à une équation linéaire (Ibrahim et al., 2011b) ou non (Tamaghe, 2012; Tomilson, 1998; Jeffries, 1994) liant le couple moteur au débit du carburant. Cette approche est généralement justifiée par la nécessité de simuler sur une plage étendue d’échelles de temps (Tamaghe, 2012; Jeffries, 1994) et par la grande complexité de la simulation des processus chimiques de combustion (Ibrahim et al., 2011b) ou, finalement, par le manque d’information concernant les paramètres du moteur (Malatestas et al., 1993; Jeffries, 1994).

La simulation des moteurs à combustion interne est pourtant un domaine riche en modèles de toute sorte et offre des solutions allant du plus simple, comme l’approximation dite de Willans (Guzzella et Onder, 2009), équivalente au modèle inertiel cité plus haut avec équation linéaire du couple selon le débit de carburant, jusqu’à des modèles beaucoup plus complexes faisant intervenir des dérivées partielles de la pression et de la température dans une chambre de combustion modélisée en 3 dimensions (Guzzella et Onder, 2009; Ferguson et Kirkpatrick, 2000).

Des modèles intermédiaires, prenant en compte la libération de chaleur de la combustion, les transferts de chaleur dans la culasse et dans le bloc moteur ainsi que les transports gazeux et les différentes pertes par friction sont aussi largement disponibles (Guzzella et Onder, 2009; Ra-kopoulos et al., 2009; Ferguson et Kirkpatrick, 2000; Heywood, 1988; Woschni, 1967). Cette asymétrie du niveau de détail entre la modélisation de la combustion et celle du reste des sous systèmes présentés constitue une caractéristique étonnante du champ de recherche en hybridation éolien diesel. La prochaine section permettra de voir comment cette asymétrie prend une importance encore plus grande dans le cas du SHEDAC.

SHEDAC

Suite aux travaux concernant le SHED, le stockage de l’énergie apparaît éventuellement comme moyen d’augmenter le TPE et de remédier aux inconvénients du SHED (Ibrahim, 2010). On souhaite alors optimiser l’utilisation des diesels en évitant les faibles régimes d’opération (Tamaghe, 2012; Tomilson, 1998). D’autres arguments, comme l’évitement de l’usure prématurée des paliers du vilebrequin ou des démarreurs (Ibrahim, 2010) lors des démarrages à froid et répétés (Basbous, 2013; Tamaghe, 2012; Tomilson, 1998), sont aussi annoncés en faveur du stockage d’énergie par le système. Les sections qui suivent présentent ce système et sa spécificité en abordant, en premier lieu, le stockage de l’air comprimé, mais, ensuite, la restitution d’énergie par l’hybridation pneumatique du moteur diesel.

Scénario d’opération: Le fonctionnement du SHEDAC s’adapte à la puissance d’appel de la charge et à la puissance éolienne produite. Le compresseur est utilisé pour stocker de l’air comprimé lorsque la puissance éolienne dépasse la puissance consommée par la charge, jouant le rôle de charge de délestage. Ces excédents peuvent ensuite être partiellement restitués lorsque la puissance d’appel de la charge est supérieure à la puissance fournie par l’éolienne (Ibrahim, 2010).

Les avantages anticipés en lien avec l’augmentation de l’efficacité sont clairement envisageables à  ce niveau d’abstraction. En effet, stocker de l’énergie qui aurait autrement été perdue est certainement bénéfique du point de vue d’un rendement thermodynamique si on peut ensuite la restituer, même partiellement. Le tout sans égard, pour l’instant, à la faisabilité technique ni économique d’un tel système.

Hybridation pneumatique

Basbous (2013) raffine les travaux d’Ibrahim (2010) qui sont, eux-mêmes, en partie appuyés sur son propre mémoire (Basbous, 2009) qui détaille le modèle d’un hybride pneumatique diesel. Ces efforts de recherche portent sur l’identification d’une configuration optimale pour la restitution de l’énergie stockée en injectant directement l’air comprimé dans le moteur. L’idée est reprise, tout récemment, par Li et al. (2016) qui y incorporent un système de récupération de chaleur. L’hypothèse avancée est qu’il existe deux voies de production du couple dans le moteur diesel, soit: la voie du carburant et la voie pneumatique. Les modèles présentés sont appuyés sur une vérification expérimentale avec une génératrice hybridée de 5kW (Ibrahim,2010) ainsi que des simulations récentes à l’échelle de 50kW (Li et al., 2016).

Des travaux dans le domaine de l’automobile décrivent aussi l’hybridation pneumatique des machines à combustion interne. Notamment, Dönitz et al. (2009a) étudient le fonctionnement d’un moteur possédant six modes d’opération, dont un mode de compresseur à air ainsi qu’un mode entièrement pneumatique. Des travaux antérieurs avaient aussi démontré l’augmentation d’efficacité liée à la suralimentation pneumatique (Dönitz et al., 2009a). Des réductions de consommation de 32% (Dönitz et al., 2009a) et 34% (Higelin et al., 2002) sont rapportées dans des simulations avec des cycles variés. L’hybridation pneumatique des moteurs à combustion interne est donc envisagée par d’autres équipes et constitue un domaine d’étude actif en soi.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE 
1.1 Introduction 
1.2 Performance des systèmes hybrides 
1.3 SHED 
1.3.1 Maturité du SHED
1.3.2 Modèles du moteur diesel
1.4 SHEDAC 
1.4.1 Stockage d’énergie
1.4.2 Architecture
1.4.3 Scénario d’opération
1.4.4 Hybridation pneumatique
1.4.4.1 Modifications à la culasse
1.4.4.2 Modèles du moteur hybride pneumatique diesel
1.5 Conclusion 
1.5.1 Objectifs poursuivis
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Introduction 
2.2 Bilan de puissance 
2.2.1 Simplification du réseau de distribution
2.2.2 Formulation mathématique du bilan
2.3 Entrées et sorties du modèle 
2.4 Principaux sous-systèmes
2.4.1 Puissance éolienne et charge
2.4.2 Compresseur à air et stockage
2.4.3 GHPD
2.5 Fonctionnement optimal du système
2.5.1 Calcul du TPE
2.5.2 Régulation de la fréquence
2.6 Objectifs poursuivis dans chaque phase du projet 
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 MODÈLE DE LA CHARGE ET DU VENT 
3.1 Introduction 
3.2 Site de référence 
3.3 Charge électrique 
3.3.1 Courbe reconstruite de la charge
3.3.1.1 Profil de charge quotidien
3.3.1.2 Profil de charge annuel
3.3.2 Mise à l’échelle pour la ville de Kuujjuarapik
3.3.3 Forme générale
3.3.4 Formulation finale du signal de la charge
3.4 Potentiel éolien 
3.4.1 Données du site
3.4.2 Ajustement des distributions de Weibull
3.4.3 Caractéristiques du modèle du vent
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 MODÉLISATION DÉTAILLÉE DU MOTEUR HYBRIDE
4.1 Type de modèle
4.2 Cinématique 
4.3 Culasse 
4.4 Combustion 
4.5 Pertes thermiques 
4.6 Bilan thermodynamique 
4.7 Commande
4.8 Injection de carburant 
4.9 Paramètres 
4.9.1 Dimensionnement du bloc moteur
4.9.2 Dimensionnement de la culasse
4.10 Friction 
4.11 Résultats et discussion 
4.11.1 Performances du système de commande
4.11.2 Performances générales du MHPD
4.11.3 Cycle thermodynamique
4.11.4 Débits et étranglements
4.11.5 Frictions
4.12 Conclusion 
CHAPITRE 5 MODÉLISATION LINÉAIRE DE LA GÉNÉRATRICE HYBRIDE
5.1 Introduction 
5.2 Modification de l’approche 
5.3 Schéma du modèle
5.3.1 Hypothèses
5.3.2 Dynamique de rotation
5.3.3 Voie du carburant
5.3.4 Voie de l’air comprimé
5.4 Machine synchrone
5.4.1 Hypothèses
5.4.2 Modèle mathématique
5.5 Modèle d’état de la GHPDTA 
5.5.1 Linéarisation de l’équation différentielle
5.5.2 Modèle d’état et diagramme bloc de la GHPDTA linéarisée
5.6 Identification des paramètres de la GHPDTA 
5.7 Conclusion 
CHAPITRE 6 MODÉLISATION NON LINÉAIRE DU SHEDAC 
6.1 Introduction 
6.2 Description du modèle
6.2.1 Répartiteur
6.2.1.1 Stratégie de répartition de la puissance
6.2.2 Compresseur à air
6.2.3 Réservoir d’air comprimé
6.3 Commande LQG bimodale 
6.3.1 Architecture générale
6.3.2 Modes d’opération
6.3.3 Matrices des gains
6.4 Conclusion
CHAPITRE 7 DISCUSSION
7.1 Introduction 
7.2 Performance de la GHPDTA 
7.2.1 Réponse à l’échelon en boucle ouverte de la GHPDTA
7.2.2 Efficacité de la GHPDTA en boucle ouverte
7.3 Performance de la stratégie de commande du SHEDAC 
7.3.1 Forme de la puissance excédentaire
7.3.2 Comparaison de la consommation
7.3.3 Alternance des modes de commande
7.3.4 Volume de stockage
7.3.5 Régulation de la charge
7.3.6 Bilan de puissance
7.3.7 Régulation selon les normes
7.4 Réalisme de la configuration pour le site de Kuujjuarapik
7.4.1 Signature du site et nature aléatoire des signaux
7.4.2 Caractéristiques de Kuujjuarapik
7.5 Réduction de la consommation de carburant 
7.5.1 Convergence du TPE
7.6 Efficacité du stockage
7.7 Conclusion 
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS

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