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THÈSE de DOCTORAT de l’ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE de CACHAN Spécialité : Électrot

THÈSE de DOCTORAT de l’ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE de CACHAN Spécialité : Électrotechnique Présentée par Olivier GERGAUD pour obtenir le grade de Docteur de l’École Normale Supérieure de Cachan Sujet de la thèse : Modélisation énergétique et optimisation économique d'un système de production éolien et photovoltaïque couplé au réseau et associé à un accumulateur Soutenue le 9 décembre 2002 devant le jury composé de : M. C. GLAIZE Président - Rapporteur M. X. ROBOAM Rapporteur Mme. R. BELHOMME Examinatrice M. H. BEN AHMED Examinateur M. B. MULTON Examinateur M. C. NICHITA Examinateur M. E. PEIRANO Examinateur Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Énergie (SATIE UMR CNRS 8029) Antenne de Bretagne de l’École Normale Supérieure de Cachan Campus de Ker Lann – 35170 BRUZ Remerciements Mes premiers remerciements vont à Messieurs Bernard Multon et Hamid Ben Ahmed, Professeur des universités et Maître de conférences à l’antenne de Bretagne de l’ENS de Cachan et chercheurs au SATIE. Je les remercie vivement pour leur présence tout au long des ces travaux. Leurs compétences scientifiques, leur disponibilité, leur sympathie et leur bonne humeur en font des encadrants et collègues exceptionnels. Travailler à leur côté est un plaisir. Je remercie vivement Monsieur Christian Glaize, Professeur des universités et directeur du Laboratoire d’Electrotechnique de Montpellier et Monsieur Xavier Roboam, chargé de recherche du CNRS et responsable de l’équipe système électromécanique du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse, d’avoir accepté de rapporter cette thèse. Je tiens à remercier tout particulièrement Madame Régine Belhomme, ingénieur de recherche d’EDF à Clamart, Monsieur Cristian Nichita, Maître de conférences du Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre et Monsieur Éric Peirano, ingénieur de recherche de l’ADEME de Sophia Antipolis qui nous ont fait l’honneur de participer à ce jury. Que Monsieur Quénéa de la SARL QUENEA soit remercié pour son grand dévouement et sa disponibilité. Je remercie également les sociétés ENERTEC et Météo France de nous avoir fourni les données indispensables à la réalisation de ces travaux. Merci à Isabelle Marie Joseph, Sébastien Delabrosse, Mohamed Elleuch, Olivier L’haridon, Dominique Miller et Amrane Oukaour pour leur aide précieuse. Je suis très reconnaissant envers Franck LORIOT, pour sa sympathie et sa présence à mes cotés durant ces trois années de monitorat. Je tiens également à présenter ma plus vive sympathie aux collègues : Pierre-Emmanuel CAVAREC, Nicolas BERNARD, Sylvie TURRI, Gaël et Marie ROBIN, Alain POULHALEC et tous les membres de l’antenne de Bretagne de l’ENS CACHAN. Sommaire SOMMAIRE INTRODUCTION……………………………….………………………………….. 1 CHAPITRE 1 : Ressources énergétiques renouvelables et systèmes de production décentralisés d’électricité d’origine renouvelable…………… 5 INTRODUCTION………………………………….…………………………………. 6 1.1 Énergies renouvelables, définitions, ressources et exploitation…………………… 6 1.1.1 La production de chaleur par les sources renouvelables………………….… 7 1.1.1.a Le bois-énergie…………………………………………………………. 8 1.1.1.b La méthanisation – le biogaz……………………………….………… 8 1.1.1.c Le solaire thermique…………………………………………………… 9 1.1.1.d La géothermie………………………………………………………… 9 1.1.2 La production d’électricité par les énergies renouvelables…………………. 9 1.1.2.a Les petites centrales hydrauliques……………………………….…… 10 1.1.2.b Le solaire photovoltaïque………………………………………………. 10 1.1.2.c L’éolien………………………………………………………………… 11 1.1.3 Bilan…………………………………………………………………………. 12 1.2 Transformation de l’énergie du vent et du soleil en électricité……………………… 13 1.2.1 Conversion de l’énergie éolienne………………………………….…….….. 13 1.2.1.a Caractéristiques et types de turbines……………………………………. 13 1.2.1.b Chaînes de conversion électrique…………………………………….. 17 1.2.2 Conversion de l’énergie solaire……………………………………………… 21 1.2.2.a Générateur photovoltaïque…………………………………………….. 21 1.2.2.b Chaîne de conversion électrique………………………………….…… 24 1.3 Système de production expérimental……………………….……………………… 25 1.3.1 L’ensemble expérimental…………………………..……………..………… 25 1.3.2 Dispositifs de stockage de l’énergie………………….……………………… 27 1.3.3 Acquisition des données……………………………………………………… 28 1.3.4 Problématique et conclusion………………………….………………..…… 29 Sommaire CHAPITRE 2 : Élaboration des modèles des systèmes de production… 32 INTRODUCTION………………………………….……………………………………..33 2.1 Modélisation de la chaîne de production éolienne…………………………………. 33 2.1.1 Étude simplifiée……………………………………………………………… 36 2.1.2 Modélisation détaillée – Étude avec transformateur parfait…………………. 39 2.1.3 Impact du transformateur – Étude avec transformateur réel………..………. 41 2.1.4 Système complet………………………………………………..…………… 44 2.1.5 Aspect énergétique…………………………………………………………… 48 2.2 Modélisation de la chaîne de production photovoltaïque………………………….. 50 2.2.1 Modèles électriques des panneaux…………………………………………… 50 2.2.1.a "Modèle une diode"…………………………………………………… 51 2.2.1.b "Modèle deux diodes"………………………………………………… 53 2.2.1.c "Modèle polynomial"…………………………………………………. 54 2.2.2 Détermination des paramètres – Analyse en puissance……………………… 54 2.2.3 Analyse énergétique……………………………………………..………….. 58 2.2.4 Caractéristiques des convertisseurs MPPT……………………..…………… 61 2.2.5 Système complet………………………………………………..…………… 63 2.3 Conclusion………………………………………………….……………………… 66 CHAPITRE 3 : Modélisation des éléments de gestion de l’énergie et du système complet………………………………………………..…………… 67 INTRODUCTION………………………………….…………………………………… 68 3.1 Modélisation des accumulateurs électrochimiques……….………………………… 68 3.1.1 Modèle de la capacité……………………………………………..………… 69 3.1.2 Équation de la tension en décharge…………………………………………. 70 3.1.3 Équation de la tension en charge…………………………………….…………71 3.1.4 Rendements de charge et de décharge…………………….…………………. 72 3.1.5 Description détaillée du modèle de CIEMAT………………….…………… 74 3.1.6 Simulation sur un cycle donné……………………………………………… 74 3.2 Modélisation énergétique de l’onduleur réversible………………………………… 78 3.2.1 Rendement en redresseur (AC/DC)…………………….…………………… 79 3.2.2 Rendement en onduleur (DC/AC)…………………………………………… 80 3.2.3 Pertes en mode floating……………………………………………………… 82 3.2.4 Modes de gestion de l’énergie de l’onduleur réversible TRACE………… 82 3.3 Modélisation et simulation du système complet…………………………………… 84 3.4 Conclusion……………………………………………………………………………90 Sommaire CHAPITRE 4 : Problématique économique…………………..…………… 91 INTRODUCTION………………………………….……………………………..…… 92 4.1 Problématique……………………………………………………………………….. 92 4.2 Relations économiques…………………………………………….……………….. 94 4.3 Détermination des paramètres……………………………………………………… 98 4.3.1 Paramètres liés au réseau principal…………………………………....…….. 98 4.3.1.a Coût du raccordement au réseau………………………………….…… 98 4.3.1.b Abonnement et coût de l’énergie du réseau principal en France métropolitaine……………………….……………………... 99 4.3.2 Paramètres économiques liés au générateur photovoltaïque……..……..….. 101 4.3.3 Paramètres économiques liés au générateur éolien……………….…………. 102 4.3.4 Paramètres économiques du stockage…………………………..…………… 103 4.3.5 Paramètres économiques liés à l’onduleur …………………………….…… 105 4.3.6 Caractérisation des fonctions temporelles GW(t), GPV(t), Ta(t), Pconso(t)…….. 106 4.3.6.a Les données météorologiques………………………………………… 106 4.3.6.b Le profil de consommation……………………………………..…….. 108 4.4 Conclusion……………………………………………………..…………………… 109 CHAPITRE 5 : Dimensionnement et optimisation énergétique : Analyse de cas…………………………………………………..…………………… 111 INTRODUCTION………………………………….…………………………………… 112 5.1 Analyse d’un cas sans production locale…………………………………………… 112 5.1.1 Écrêtage de la consommation…………………………………………………. 114 5.1.2 Lissage de la consommation…………………………………………………. 120 5.2 Analyse d’un cas en site autonome (non couplé au réseau) ……………………… 123 5.3 Analyse d’un site de production photovoltaïque-éolien non couplé au réseau…… 127 5.4 Analyse du site de production de l’ENS…………………………………………… 130 5.5 Intérêts de la gestion d’énergie - Perpectives……………………………………… 134 5.6 Conclusion………………………………………………………………………….. 136 CONCLUSION ET PERSPECTIVES…………………………………………..137 BIBLIOGRAPHIE…………………………………………………………..…….. 142 NOMENCLATURE…………………………….………………………………… 148 ANNEXES……………………………….………………………………………….. 153 INTRODUCTION INTRODUCTION INTRODUCTION - 1 - INTRODUCTION L’électricité est aujourd’hui la forme d’énergie la plus aisée à exploiter. Mais avant de la consommer il aura fallu la produire, en général dans des unités de production de grande puissance, la transporter, puis la distribuer vers chaque consommateur. Dans les pays industrialisés, ce système est aujourd’hui très centralisé même si les évolutions de réglementation conduisent à une amorce de décentralisation de la production. Un recours systématique aux carburants fossiles, tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel pour les plus répandus, permet d’avoir des coûts de production faibles mais conduit à un dégagement massif de gaz polluant. Ainsi, la production électrique à partir de combustibles fossiles est à l'origine de 40 % des émissions mondiales de CO2 [Web_EDF]. En outre, la part du prix du combustible dans le coût de production est prépondérante ce qui engendre, compte tenu du caractère sensible de ces matières premières, des oscillations continuelles et une instabilité à long terme. L’énergie de fission nucléaire, qui ne rejette directement pas de gaz carbonique, souffre généralement d’une mauvaise image médiatique. Certes les risques d’accident lié à leur exploitation sont très faibles (en France cette grande sûreté est notamment obtenue grâce à une standardisation élevée et à un très haut niveau de technicité) mais les conséquences d’un accident, même très peu probable, seraient désastreuses. Le traitement des déchets, issus de ce mode de production, est très coûteux et, pour une part, leur radioactivité reste élevée durant de nombreuses années. De plus, l’accès à cette ressource aux pays en voie de développement nécessite des investissements lourds et un niveau de technicité qu’ils sont souvent loin d’avoir. Enfin, contrairement à une idée couramment répandue, les réserves d’uranium sont, comme celles de pétrole, limitées (moins de 100 ans au rythme actuel de la consommation). Beaucoup plus accessibles et très adaptées à la production décentralisée, les énergies renouvelables offrent la possibilité de produire de l’électricité proprement et surtout dans une moindre dépendance des ressources, à condition d’accepter leurs fluctuations naturelles et parfois aléatoires. Aujourd’hui, après l’hydraulique, le grand éolien devient compétitif en termes de coûts de production. Il est en train de permettre de contribuer à la réduction des rejets de gaz à effet de serre, mais on peut se demander, comme c’est le cas avec les grands barrages, si des concentrations importantes d’éoliennes ne vont pas également être des sources perturbatrices. Quoi qu’il en soit, la part importante de l’aérogénération est attendue INTRODUCTION - 2 - des grandes fermes offshore qui resteront des systèmes centralisés avec leurs avantages et inconvénients. La production d’électricité est donc forcément, malgré une apparence anodine, synonyme de perturbations. L’utilisation excessive d’un mode de production accentue fortement l’effet nuisible qui lui est associé et il apparaît évident que la diversification des sources est une solution à promouvoir. Cependant, ceci doit s’inscrire dans une politique de développement durable, dans laquelle de nombreuses nations s’engagent aujourd’hui plus ou moins timidement. C’est pourquoi le système de production centralisé, associé à une part croissante de dispositifs de production décentralisés, semble représenter une réponse raisonnable à cette exigence. Cette solution permet à la fois uploads/Geographie/ these-de-doctorat-o-gergaud.pdf