Systèmes hybrides multi-sources d’énergie (HyRES)

Contexte énergétique au Maroc

  Le Maroc est le pays du soleil couchant : Maghreb Al-Aqsa. C’est l’état le plus occidental de l’Afrique du Nord. Situé au nord-ouest du continent africain, il est séparé de l’Espagne par le détroit de Gibraltar, large de 15 km. La superficie est de 710 850km2 . L’océan Atlantique constitue sa façade occidentale et la mer Méditerranée le borde au nord. Les façades maritimes du Maroc constituent l’un de ses principaux atouts. Les côtes atteignent une longueur de 3500km. Il est limitrophe de l’Algérie à l’est et de la Mauritanie au sud, (www.emploi-international.org ). Le Maroc bénéficie d’un climat tempéré et chaud de type méditerranéen avec des nuances océaniques à l’ouest, continentales au centre et à l’est, et arides ou désertiques au sud. Le climat marocain comporte deux saisons : l’une sèche et chaude (mai à septembre), l’autre plus froide et humide (octobre à avril). Les montagnes de l’Atlas qui s’étendent du nord-est au sud-ouest permettent au pays de disposer d’importantes ressources en eau qui sont exploitées notamment pour l’irrigation agricole ; Donc grâce à sa position géographique et sa richesse naturelle le Maroc développe la production d’Énergies Renouvelables pour réduire ses importations. Le Maroc dispose d’un important potentiel en énergies renouvelables. L’exploitation de ces ressources (hors énergie hydraulique) était inférieure de 1%. Les énergies renouvelables couvraient 0,25% de la consommation énergétique nationale. Le Maroc a donc orienté sa politique énergétique vers la diversification des sources d’approvisionnement et la valorisation des ressources d’énergies renouvelables : hydraulique, éolienne et solaire. Par l’installation de kits individuels ou par la mise en place d’unités de quelques dizaines de kW, les énergies renouvelables apportent des solutions à l’électrification décentralisée des zones isolées dans le pays où la généralisation de l’électrification rurale dans le cadre du PERG (Programme d’Électrification Rural Global) et où le coût du raccordement au réseau normal est rédhibitoire.

Le bâtiment et les HyRES

   Le bâtiment est le plus gros consommateur d’énergie, devant le transport et l’industrie. Il représente également 25% des émissions de dioxyde de carbone sur le plan national, il consomme beaucoup d’énergie pour :
– La production d’eau chaude sanitaire (ECS),
– La production de chaleur et la production de froid.
Ces besoins diffèrent en importance relative suivant le climat, la saison et le mode de vie des occupants. Le besoin en ECS est quotidien et correspond à un certain volume d’eau dont la température doit être élevée d’environ 35°C pour être utilisée par les occupants. Les besoins de chaleur et de froid, c’est-à-dire le besoin de réchauffer ou de refroidir (climatiser) l’habitation, sont antagonistes et jamais simultanés. Suivant le climat, la conception du bâtiment et les activités à l’intérieur de ce bâtiment, l’un de ces besoins peut constituer un coût énergétique important. Pour cela nous avons pensé à intégrer les Systèmes à Énergies Renouvelables (SER) dans le bâtiment pour réduire la consommation d’énergie et maximiser le confort selon le besoin des utilisateurs. Tous les pays méditerranéens ont conscience de l’importance des Systèmes à Énergies Renouvelables (SER) pour notre avenir. Parmi ces pays on trouve le Maroc, puisqu’il dispose d’un grand potentiel en SER, surtout en énergie solaire et en énergie éolienne ainsi que la France. D’autre part la demande d’énergie change d’un jour à l’autre selon les besoins de l’utilisateur et selon les périodes annuelles ou saisonnières ou encore journalières. Les demandes ne sont pas toujours en phase avec la disponibilité des sources. Par exemple, en hiver il y a un grand besoin énergétique pour le chauffage et l’éclairage mais les journées d’ensoleillement sont plus courtes. Pour résoudre ce problème, nous sommes amenés à proposer des solutions qui nécessitent des systèmes hybrides qui consistent à combiner différentes sources (énergie solaire thermique, PV, énergie éolienne, hydraulique, biomasse etc.). Dans certains endroits, le vent est quasi permanent, donc on constate la possibilité d’une grande production d’énergie éolienne. En été, quand le soleil est très abondant, la production PV assez élevée (le jour), il faut ajouter un système de stockage pour mettre en réserve l’énergie produite et l’utiliser en cas de besoin (la nuit). Ceci prouve donc la nécessité d’utiliser un ou des moyens de stockage et des Systèmes à Énergies Renouvelables multiples, donc Hybrides. D’où la nécessité des HyRES.

Les indices de performance

   Le système de distribution d’énergie multi-utilisateurs est composé d’un ensemble de sources d’énergie, dans notre cas une éolienne, des panneaux solaires, une batterie et un ensemble d’utilisateurs, charges ou consommateurs de différents types. Une unité de contrôle et de gestion est mise en place dans le but de maximiser la production à chaque moment, pour chaque source et pour que les utilisateurs ne manquent pas d’énergie, [Mehdary,2011, Ounnar2,2012, Ahmed2014]. Les grandeurs de sorties du système seront la puissance consommée et celle produite par chacune des sources d’énergies. Les grandeurs d’entrées sont spécifiques pour chaque source : la vitesse du vent pour l’éolienne, l’ensoleillement et la température pour le panneau photovoltaïque etc [Amer,2014,Ahmed,2013, Ahmed2014][Zhang,2011]. Le but de ce travail est d’étudier le comportement du système an d’aboutir à une simulation et une analyse permettant une bonne distribution et gestion d’énergie. Il consiste à agir sur les sources et les charges à alimenter pour gérer la demande d’énergie. Les charges sont alors connectées et déconnectées par ordre de priorité. La stratégie de contrôle consiste à gérer la distribution d’énergie aux charges selon les besoins d’utilisateurs et leur spécificité.[Abarkan1,2014, Abarkan1,2013, Salazar2,2013] Pour ce faire on se base sur trois critères qui sont :
– Le critère de confort : Ce critère répond à la demande des utilisateurs afin de sécuriser l’approvisionnement de celui-ci en électricité ou le cas échéant au maximum de ses besoins.
– Le critère de coût : On doit minimiser le coût de l’exploitation celui de la maintenance. Le retour sur investissement, du système mis en place, dépend essentiellement du coût de l’énergie achetée pour palier aux manques de production et l’investissement fait sur les différents appareils du système multi-énergies.
– Le critère environnemental : Ce critère veille au respect des contraintes écologiques et la réduction de la pollution.

La méthode AHP (Analytic Hierarchy Process)

   La méthode AHP est un processus de pilotage de structures ou de réseaux hiérarchiques, permettant d’exprimer des préférences de choix parmi plusieurs critères et alternatives possibles. Elle est souvent utilisée pour les systèmes de gestion de biens et services. Elle permet d’obtenir un classement de l’ensemble des alternatives en utilisant les pondérations des critères. Le principe de la méthode AHP se base sur deux grandes phases :
– Phase de configuration d’AHP Cette phase permet de régler le paramétrage d’importance relative des critères et de leurs indicateurs. Elle comprend deux étapes. La première consiste à la définition et la vérification mathématique de la structure, la deuxième étape concerne la classification des différents critères par rapport à l’objectif global, [Ounnar2,2012].
– Phase d’exploitation d’AHP Elle permet d’effectuer un classement de différentes solutions possibles. Ce classement se fait par comparaison entre les différentes alternatives deux par deux. Ensuite il faut remonter dans la hiérarchie de choix relatifs jusqu’à atteindre la loi relative qui obéit à l’objectif global. La méthode AHP est étudiée pour permettre de gérer les commutations possibles entre plusieurs sources d’énergies renouvelables pour satisfaire à la demande de plusieurs utilisateurs clients [Ounnar1,2012].

Gestion de l’énergie pour un système multi sources

   L’objectif de la gestion d’énergie est de mettre en place une stratégie de contrôle et commande de l’énergie fournie par le système hybride. Elle doit satisfaire les contraintes de la demande ainsi que les contraintes de production et de stockage. Pour pouvoir réaliser cette stratégie, nous avons utilisé l’outil State-flow (comme expliqué au chapitre 1) qui permet de gérer ce genre de contraintes. En effet, State-flow joue le rôle d’unité de supervision et de génération de consignes. Cet outil présente une interface graphique conviviale et permet une bonne interaction avec les modèles utilisés dans les simulations globales du banc d’essai, [Matlab,2007]. Nous avons considéré un système hybride, qui comporte trois sources : l’énergie solaire, l’énergie éolienne et la batterie. Pour choisir ces énergies nous avons utilisé un commutateur qui sert à activer les différentes sources d’énergies. Les différentes demandes des consommateurs sont également simulées comme présenté dans le chapitre précédent. Dans un système hybride il est primordial de gérer de façon optimale le flux d’énergie entre les différents composants. Un module de supervision est nécessaire pour contrôler les échanges d’énergie entre les différents composants du système d’une part mais aussi de réguler le processus de charge et de décharge du stockage d’autre part. Son choix est guidé par un cahier de charges qui tient compte du prix, de la consommation d’énergie et de la fiabilité (méthode State-flow pour SASV). Le but de la stratégie de commutation est de contrôler la production du PV et de l’éolienne ainsi que la gestion de charge et décharge de la batterie. Cette stratégie est divisée en deux parties :
– Dans la première partie, nous allons concevoir une commande considérant le stockage comme une source et nous ignorons son aspect de charge. Cette étape préliminaire permet de gérer le fonctionnement de nos sources.
– Dans la seconde partie de notre stratégie, nous allons concevoir un système qui tiendra compte de l’état de charge et décharge de la batterie en plus de la commande des sources. Cette partie doit gérer d’une part la production quand la puissance demandée est très élevée et d’autre part d’emmagasiner l’énergie dans le cas contraire. Donc le module de supervision sera chargé de réguler l’énergie provenant des sources et du stockage suivant la demande du consommateur. Il intégrera aussi le système de gestion des batteries. L’algorithme de supervision est basé sur trois scénarios :
– Alimentation du consommateur et du stockage par les panneaux PV si les énergies solaire et éolienne sont suffisantes pour répondre au besoin,
– Alimentation du consommateur par les panneaux PV, l’éolienne et le stockage, si les énergies solaire et éolienne sont insuffisantes pour couvrir la demande,
– Alimentation du consommateur uniquement par le stockage si les énergies solaire et éolienne sont absentes. D’autres stratégies sont en cours de dénition pour prendre en compte les besoins et réduire la consommation tout en améliorant le confort.

Table des matières

Résumés de la thèse
Quelques Symboles et Abréviations
Introduction
Contexte de la thèse
Objectif de la thèse
Organisation du mémoire
Contribitions de la thèse
Communications et Publications
1 Les HyRES 
Systèmes multi-sources d’Energies Renouvelables Hybrides
1.1 Contexte énergétique au Maroc
1.2 Le bâtiment et les HyRES 
1.3 Systèmes hybrides de production multi-énergies pour la ville 
1.3.1 Systèmes photovoltaïques
1.3.2 Système éolien
1.3.3 Le système de stockage
1.3.3.1 Piles à combustibles
1.3.3.2 Les Super-condensateurs
1.4 Distribution d’énergie multi-utilisateurs
1.4.1 Les indices de performance
1.4.2 Structure et objectif du système multi-sources : HyRES
1.5 Revue des Méthodes de gestion et partage d’énergie
1.5.1 La méthode AHP (Analytic Hierarchy Process)
1.5.2 Utilisation de la logique floue
1.5.3 La méthode DSM (Demand-Side Management)
1.5.4 La méthode ADSM (Active Demand-Side Management)
1.5.5 La méthode multicritère pour SASV sous State-Flow .
1.6 Conclusion
2 Modèle d’un Batiment 
Comportement énergétique d’un bâtiment et ses charges
2.1 Introduction
2.2 Modélisation du comportement thermique d’un bâtiment 
2.2.1 Modèle de simulation des composants d’un bâtiment
2.2.1.1 Modèle d’un mur sans isolation
2.2.1.2 Modèle d’une fenêtre sans isolation
2.2.1.3 Modèle d’une porte sans isolation
2.2.1.4 Modèle d’un plafond sans isolation
2.2.1.5 Modèle d’un plancher chaufant
2.2.1.6 Modèle de température ambiante d’une pièce
2.2.1.7 Simulation numérique d’une pièce sans isolation
2.2.2 Modèle des composants d’un bâtiment avec isolation
2.3 Modèle d’un système de chaufage et de stockage thermique
2.3.1 Modèle d’un plancher chaufant
2.3.2 Modèle d’une pompe à chaleur
2.3.3 Modèle de stockage d’énergie thermique
2.3.4 Modèle d’un capteur solaire thermique
2.3.5 La radiation solaire
2.3.6 Modèle d’un chaufage d’appoint par radiateurs électriques
2.3.7 Système de chaufage avec thermostat
2.3.8 Simulation numérique du comportement d’un bâtiment sans isolation
2.3.9 Simulation du comportement physique énergétique d’un bâtiment avec isolation sous Simscape
2.4 Modèle des charges électriques du bâtiment
2.4.1 Modèle d’un réfrigérateur
2.4.2 Modèle d’un congélateur
2.4.3 Modèle d’une machine à laver
2.4.4 Modèle d’un lave vaisselle
2.4.5 Modèle d’éclairage d’une maison
2.4.6 Modèle d’une cuisinière
2.4.7 Simulations des diférentes charges électriques d’une maison
2.5 Conclusion 
3 Simulation d’un HyRES pour le bâtiment 
3.1 Introduction et objectif
3.2 Système photovoltaïque 
3.2.1 Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque
3.2.2 Caractéristiques du PV
3.2.3 Générateur photovoltaïque
3.3 Modélisation d’un système éolien 
3.3.1 Les éléments constituant une éolienne
3.3.2 Modélisation d’une éolienne
3.3.2.1 Loi de Betz
3.3.2.2 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
3.3.2.3 L’arbre de l’éolienne
3.4 Systèmes hybrides multi-sources d’énergie (HyRES)
3.4.1 Les systèmes hybrides
3.4.2 Le stockage d’énergie
3.4.3 Gestion de l’énergie pour un système multi sources
3.5 Simulations et interprétations
3.5.1 Simulation du modèle d’un panneau photovoltaïque sous l’environnement Matlab/Simulink
3.5.2 Simulation du modèle d’un panneau photovoltaïque sous Matlab/Simscape
3.5.3 Simulation d’une éolienne
3.5.4 Gestion d’énergie via State-fow
3.6 Conclusion
4 Poursuite du Point de Puissance Maximale 
4.1 Introduction 
4.2 Les convertisseurs DC-DC
4.3 La commande MPPT 
4.3.1 Méthode de la Tension constante
4.3.2 La méthode du courant constant
4.3.3 La méthode d’incrémentation de l’inductance
4.3.4 La méthode du Hill Climbing (HC)
4.3.5 La méthode de Perturbation et Observation (P&O)
4.3.6 Algorithmes MPPT proposées au LSIS
4.3.6.1 Algorithme MEPO : Modied Enhanced PO
4.3.6.2 RUCA : Robust Unied Control Algorithm
4.3.6.3 RSMCA : Robust Sliding Mode Control Algorithm
4.4 Simulations 
4.5 Conclusion
5 Stockage d’Énergie : Estimation des réserves 
5.1 Introduction
5.2 Modèles Comportementaux des Batteries 
5.2.1 Caractéristiques d’une batterie
5.2.2 Modèles de comportement d’une Batterie
5.2.3 Modèle idéal d’une batterie
5.2.4 Modèle de Thevenin
5.2.5 Le modèle ADVISOR
5.2.6 Le modèle de Vasebi
5.2.7 Le modèle de Song Kim
5.3 Estimation de l’état de charge de la batterie
5.3.1 Le Coulomb-mètre
5.3.2 L’observateur de Luenberger
5.3.3 Estimation par Filtre de Kalman étendu (FKE)
5.3.4 Estimation du SOC par mode de glissement
5.4 Résultats de simulation
5.4.1 Résultats de simulation sous Matlab
5.4.2 Implémentation en LabView/Arduino
5.5 Conclusion
Conclusion et perspectives
Bibliographie

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