Développement d’un système hybride de génération d’énergie en site isolé pour la télécommunication. Réalisation d’un régulateur de charge solaire


Thèse de Master, 2018

90 Pages, Note: 18,00


Extrait

TABLE DES MATIÈRES

DÉDICACES

REMERCIEMENTS

TABLE DES MATIÈRES

LISTE DES NOMENCLATURES

LISTE DES ABRÉVIATIONS

LISTE DES ANNEXES

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Introduction
I.1. CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE DANS LE MONDE ET EN AFRIQUE
I.1.1. Contextes et problématiques
I.1.1.1. Consommation énergétique dans le monde
I.1.1.2. Situation énergétique en Afrique
I.1.1.3. Capacité en termes d’énergie renouvelable en Afrique
I.2. DÉFINITIONS ET GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉNERGIES RENOUVELABLES
І.2.1. Croissance de l’exploitation des énergies renouvelables
I.2.2. Production de l’électricité par les énergies renouvelables
І.2.2.1. Production de l’énergie électrique d’origine solaire
І.2.2.3. Production de l’énergie électrique d’origine biomasse
І .2.2.4. Production de l’énergie électrique d’origine hydraulique
І.2.2.5. Production de l’énergie électrique d’origine géothermique
І.2.2.6. Production de l’énergie électrique d’origine marine
I.3. SYSTÈME HYBRIDE
I.3.1. Définition des systèmes hybrides
I.3.2. État de l’art d’un SEH
I.3.3. Principaux composants d’un système d’énergie hybride (SEH)
I.3.3.1. Composants auxiliaires
I.3.3.1.1. Système de supervision
I.3.3.1.2. Convertisseurs
I.3.3.1.3. Charges
I.3.4.Architectures des systèmes d’énergies hybrides (SEH)
I.3.4.1.Architecture à bus continu (CC)
I.3.4.2. Architecture à bus alternatif (CA)
I.3.4.3. Architecture mixte à bus continu/Alternatif (CC/CA)
I.3.5. Dimensionnement des systèmes d’énergies hybrides (SEH)
I.4. SITUATION ÉNERGÉTIQUE AUX COMORES
І.4.1. Caractéristiques géographiques et humaines des Comores
І.4.2. Problèmes d’électricité en Union des Comores
І.4.3. Contexte énergétique des Comores
І.4.4. Production énergétique des Comores
І.4.5. État des lieux sur l’énergie aux Comores
I.4.5.1. Répartition des ressources
I.4.5.2. Produits pétroliers
I.4.5.3. Consommation des produits pétroliers

Conclusion

Introduction
II.1. MODÉLISATION DES GENERATEURS A ENERGIE RENOUVELABLES
II.1.1. Modélisation du générateur PV
II.1.1.1. Système de production et de conversion du générateur PV
II.1.1.2. Modélisation d’une cellule et d’un module (panneau) PV
II.1.1.3. Modélisation d’une cellule PV
II.1.1.4. Modélisation du Module (panneau) PV
II.1.1.4.1. Influence de la température sur le rendement des cellules
II.1.1.4.2. Influence du rayonnement sur les cellules
II.1.1.6.1. Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
II.1.1.6.1.1. Définition
II.1.2. Modélisation du générateur éolien
II.1.2.1. Historique de l’éolien
II.1.2.2. Généralités sur les systèmes éoliens
II.1.2.3. Caractéristiques des éoliennes
II.1.2.3.1. Éolienne à axe horizontal
II.1.2.3.2. Éolienne à axe vertical
II.1.2.4. Système de production d'électricité éolienne
II.1.2.4.1. Principaux composants d’un système éolien
II.1.2.4.1.1. La turbine
II.1.2.4.1.2. Le système électromécanique
II.1.2.4.1.3. Le système d’interconnexion
II.1.2.4.1.4. Le système de contrôle
II.1.2.5. Puissance énergétique d’une éolienne
II.1.2.6. Puissance énergétique disponible
II.1.2.7. Potentiel énergétique éolien (théorème de Betz)
II.1.2.8. Puissance éolienne moyenne utilisable

Conclusion

Introduction
III.1. CHOIX DU SITE À ÉTUDIER
III.1.1. Présentation du modèle
III.1.2. Choix du paramètre du modèle
III.1.3. Choix des équipements électriques à alimenter
III.2. LA CHARGE À ALIMENTER
Type de besoins
III.2.1. Le système de générateur éolien
III.2.1.1. Source d’énergie éolienne
III.2.1.2. Étude technico-économique du système éolien
III.2.2. Système du générateur PV
III.2.2.1. Source d’énergie PV
III.2.2.2. Étude technico-économique du système PV
III.2.3. Système du générateur diesel
III.2.4. Système de convertisseur de puissance
III.2.5. Système de stockage électrique
III.2.5.1. Étude technico-économique Système de stockage électrique

Conclusion

Introduction
IV.1. RÉSULTATS PAR OPTIMISATION
IV.1.1. Configuration du système
IV.1.2. Configuration choisie (PV/Éolien/GE/Stockage)
IV.1.3. Architecture possible
IV.1.3.1. Résultats détaillés sur les coûts des composants du SEH
IV.1.3.1.1. Répartition des coûts de l’installation
IV.1.3.1.2. Bilan des coûts
IV.1.3.2. Production et la consommation électrique du système
IV.1.3.2.1. Production du système PV/Éolien/GE/Stockage
IV.1.3.2.1.1. Production du Générateur PV
IV.1.3.2.1.2. Production du Générateur Éolien
IV.1.3.2.1.3. La production du générateur Diesel
IV.1.3.2.1.4. La production des batteries de stockage
IV.1.3.2.1.5. Convertisseur
IV.1.3.3. Émissions des Gaz
IV.2. RÉSULTATS PAR SENSIBILITÉ
IV.2.1. Configurations du SEH en fonction du prix du carburant
IV.2.2. Évaluation des différents coûts du système
IV.2.2.1. Évaluation des coûts de l’énergie produit
IV.2.2.2. Évaluation du coût net total actuel du système
VI.2.2.3. Évaluation du Coûts total annuel du système

Conclusion

Introduction
V.1.Présentation d’Arduino
V.1.1. Histoire d’Arduino
V.1.2. Logiciel Arduino ou Arduino IDE
V.1.3.Description de la carte Arduino utilisé et du module GSM
V.1.3.1.L’Arduino:
V.1.3.2. Le module GSM:
V.2.Logiciel de simulation et de CAO
V.2.1.Proteus (ISIS et ARES)
V.3.Caractéristiques électriques d’un régulateur de charge solaire:
V.3.1.Description de la réalisation
V.3.2.Principe de fonctionnement
V.3.3. synoptique et électrique du régulateur
V.4.La Réalisation pratique et les résultats obtenus
V.4.1. Liste des composants utilisés
V.4.2.Résultats obtenus
V.4.2.1.Difficultés rencontrées lors de la réalisation
V.4.2.2.Remarque

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES

RÉFÉRENCES

DÉDICACES

Ma mère Madame ICHATA Assoumani ;

Vous avez été toujours du côté de votre époux pour m'inculquer, dès le premier chant du coq, la notion du combat notamment celui de la honte sous toutes ses formes. Mon absence prolongée auprès de vous s'inscrit dans la logique de vos préceptes et de la sagesse africaine qui stipule que « Le bonheur de l'Homme ne se trouve pas à l'ombre d'un baobab ». Vous êtes pour moi une source de vie. Je me réjouis de cet amour filial. Qu’Allah le tout puissant vous protège pour moi, et vous accorde une bonne santé et une longue vie.

Mon père Monsieur MAOULIDA Ahamada ;

Symbole de tendresse profonde et permanente, de sacrifice et d’amour éternel. Qu’Allah le tout puissant le protège pour moi et lui accorde une bonne santé

Mes frères et sœurs ;

Tous ceux qui m’ont aidé à réaliser de près ou de loin ce mémoire ;

Tous ceux qui me sont chers et ceux que j’ai aimé du fond de mon cœur.

« Si j'ai pu voir aussi loin, c'est que j'étais debout sur des épaules de géants »

Sir Isaac Newton, Mathématicien, physicien et philosophe anglais (1643-1727)

Nous sommes loin d'avoir vu aussi loin que Newton. N'empêche que nous avons nos géants à qui nous tenons à exprimer nos plus profondes reconnaissances. Merci beaucoup !!!

REMERCIEMENTS

Si un mémoire de Master devait se résumer à cette sorte de long manuscrit que constitue ce document, cela serait bien triste pour son auteur, et tout autant ennuyeux pour ses lecteurs. Rassurez-vous, cela n'a pas été le cas grâce à la richesse et la variété des rencontres que j'ai eu l'occasion de faire au cours de ces cinq (courtes?) mois de travail au sein du LEMA (L aboratoire d’ E nergie et M écanique A ppliquée) de la faculté des sciences et techniques de l’université des Comores.

Tout d’abord et avant tout, je remercie le professeur RAHERIMANDIMBY Marson, Responsable du domaine des sciences et technologies de l’Université d’Antananarivo, à Monsieur RAKOTONDRAMIARANA Hery Tiana, Maître de Conférences, Responsable de la Mention Physique et Applications et à Madame RAKOTO Joseph Onimihamina, responsable du parcours MIER, de m’avoir accueilli dans leurs domaines et institutions respectifs.

Je souhaite tout d’abord témoigner toute ma gratitude envers les membres du jury qui ont bien voulu consacrer à mon mémoire, une partie de leur temps très précieux. Mes remerciements vont tout d’abord à Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Professeur Titulaire à l’université d’Antananarivo pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury. Je remercie en particulier Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences d’avoir accepté la lourde charge d’être examinateur de ce travail et pour le vif intérêt qu’il y a porté Mes sincères remerciements vont à Monsieur KASSIM Mohamed Aboudou et Madame RAKOTO Joseph Onimihamina, mes encadreurs qui m’ont permis de travailler sur ce sujet passionnant. Vous avez été des modèles pour moi dans la recherche et avez fait grandir en moi la rigueur dans le travail. Au-delà de vos qualités scientifiques, vos qualités humaines m’ont aidé à garder le cap pendant ces deux années de mastère de dur labeur. Merci KASSIM, Merci RAKOTO Joseph.

La proposition de ce merveilleux thème de recherche par le Dr KASSIM ainsi que son accueil chaleureux dans son laboratoire m’a permis de ressentir la filière énergie en générale et les énergies renouvelables en particulière comme ma pension de cœur.

Une mention spéciale à mes parents et ma famille, plus particulièrement à mon infatigable maman Mme ICHATA Assoumani et à mon père Monsieur MAOULIDA Ahamada de m’avoir permis de poursuivre ces études.

Enfin, je ne saurais terminer sans remercier l’ensemble de mes sœurs et frères comoriennes et malgaches pour leur encouragement moral et leur soutien matériel me donnant de l’espoir. Je n’oublierais pas tous ceux qui me sont chers et qui m’ont tellement encouragé durant toute cette période d’étude.

Mes remerciements vont également à toutes les personnes qui n’ont pas été citées et qui ont participé de près ou de loin à la réussite de ce travail.

LISTE DES NOMENCLATURES

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

LISTE DES ABRÉVIATIONS

AIE : Agence Internationale de l’Energie

CA : Courant Alternatif

CC : Courant Continu

DGEME : Direction Générale de l’Energie, des Mines et de l’Eau

ENR : Energies Renouvelables

EDA : Électricité D’Anjouan

GD : Générateur Diésel

GE : Groupe électrogène

GES: Gaz à Effet de Serre

GSM: Global System for Mobile communication

GPL : Gaz de Pétrole Liquéfié

GPV : Générateur Photovoltaïque

HOMER: Hybrid Optimization Model for Electric Renewables

LEMA : Laboratoire d’Energie et Mécanique Appliqué

MIER : Master d’Ingénierie en Énergies Renouvelables

MAMWE: Madji na Mwendje Wa Komor (Eau et électricité des Comores)

MPPT: Maximum Power Point Tracker

NREL National Renewable Energy Laboratory

PPM : Power Point Maximum (Point de Puissance Maximal)

PV: Photovoltaïque

SH : Système Hybride

SEH : Système d’Energie Hybride

TEP : Tonne Equivalent Pétrole

LISTE DES ANNEXES

Annexe 1: Article CIFEM 2018 à Cotonou (Benin) du 23 au 25 Avril 2018 avec le programme- Fehler! Textmarke nicht definiert

Annexe 2: Article ICOME'2018 à San Sébastian (Espagne) du 30 Avril au 04 Mai 2018 avec le programme- Fehler! Textmarke nicht definiert

Annexe 3: Publication en cours dans un journal Fehler! Textmarke nicht definiert

LISTE DES FIGURES

Figure I. 1. Répartition de la production électrique dans le monde 5

Figure I. 2. Taux de croissance annuelle moyenne 2015-2016 5

Figure I. 3. Structure de la production électrique d'origine renouvelable 9

Figure I. 4. Architecture des systèmes hybrides d’énergie 14

Figure I. 5. Système hybride de type EPVDS (éolien-PV-diesel-stockage) 14

Figure I. 6. Configuration du SEH à bus CC 14

Figure I. 7. Configuration du SEH à CA 14

Figure I. 8. Configuration du SHE à deux bus CC et CA 14

Figure I. 9. Carte géographique des Comores 15

Figure I. 10. Répartition des ressources énergétiques des Comores 16

Figure I. 11. : Les différents produits pétroliers 16

Figure I. 12. Consommation des produits pétroliers 16

Figure II. 1. Description d’une photopile ou cellule photovoltaïque 18

Figure II. 2. Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire

Figure II. 3. Effet de la température sur la caractéristique I-V

Figure II. 4. Effet de la température sur la caractéristique P-V

Figure II. 5. Effet de l’éclairement sur la caractéristique I-V

Figure II. 6. Effet de l’éclairement sur la caractéristique P-V

Figure II. 7La caractéristique I-V et la trajectoire de PPM

Figure II. 8. La caractéristique P-V et la trajectoire de PPM

Figure II. 9. Configuration à axe horizontal 28

Figure II. 10. Éolienne de type Darrieus et Savonius 28

Figure II. 11. Principe de la conversion d'énergie d'une éolienne

Figure II. 12. Bilan sur une section de l’hélice

Figure II. 13. Diagramme de la puissance utile sur l’arbre

Figure III. 1. Modèle schématique du système autonome pour la télécommunication

Figure III. 2. Modèle schématique du système sur HOMER

Figure III. 3. Évolution journalière du profil charge du site

Figure III. 4. Evolution annuelle de la vitesse du vent du site

Figure III. 5. Variation de la fréquence des vitesses du vent (courbe de Weibull)

Figure III. 6. Courbe de puissance de l’aérogénérateur BWC Excel-R

Figure III. 7. Coûts du système éolien en fonction des quantités d’aérogénérateurs

Figure III. 8. Évolution annuelle des irradiations solaire du site

Figure III. 9. Coûts des systèmes PV en fonction des tailles

Figure III. 10. Coûts ($) du générateur diesel en fonction de sa taille (kW)

Figure III. 11. Coût ($) du convertisseur en fonction de sa taille (kW)

Figure III. 12. Capacité nominale de la batterie en fonction du courant de charge

Figure III. 13. Coûts du stockage en fonction de la quantité d’éléments de la batterie

Figure IV. 1.Configuration optimale du SEH pour un site de télécommunication

Figure IV. 2.Résultats des coûts détaillés des composants du système

Figure IV. 3. Puissance moyenne mensuelle produite par chaque source

Figure IV. 4. Densités de puissances produites par PV

Figure IV. 5. Densités journalière et annuelle d’énergie produite par l’éolienne

Figure IV. 6. Densités de puissances journalière et mensuelle du générateur diesel

Figure IV. 7. Densité de l’état de charge de la batterie

Figure IV. 8. Densité de puissance du redresseur

Figure IV. 9. Composition optimale du SEH en fonction du prix du carburant

Figure IV. 10. Scénario possible pour les différentes sensibilités introduites

Figure IV. 11. Coûts de l’énergie produite par le SEH pour différents prix du carburant

Figure IV. 12.Coût net total actuel du système pour différents prix du carburant

Figure IV. 13. Coût total annuel du système pour différents prix du carburant

Figure V. 1. Arduino Software (IDE)

Figure V. 2. Les différentes parties d’un programme Arduino

Figure V. 3. Carte Arduino UNO.. Fehler! Textmarke nicht definiert

Figure V. 4. Caractéristiques de la carte Arduino Uno

Figure V. 5. Module GSM 900. Fehler! Textmarke nicht definiert

Figure V. 6. Schéma synoptique

Figure V. 7. Schéma électrique du régulateur

Figure V. 8. Montage dans une plaque d’essai

Figure V. 9. Montage du prototype déjà conçu

Figure V. 10. Batterie déchargé et en pleine charge

Figure V. 11. Batterie pleine et charge terminé

LISTE DES TABLEAUX

Tableau III. 1. Caractéristiques des équipements à alimenter

Tableau III. 2. Valeurs mensuelles de la vitesse du vent du site

Tableau III. 3. Résultats de l’étude statique de la vitesse du vent

Tableau III. 4. Valeurs mensuelles de l’irradiation solaire du site

Tableau IV. 1. Architecture possible pour la configuration

Tableau IV. 2. Coûts de l’installation

Tableau IV. 3. Coût net actuel

Tableau IV. 4. Énergie annuelle produit du système

Tableau IV. 5. Paramètres de fonctionnement de l’éolienne

Tableau IV. 6. Propriétés du combustible

Tableau IV. 7. Les émissions de gaz

Tableau V. 1. Liste des composants

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Le travail de ce mémoire de Master a été effectué au Laboratoire d’Énergie et Mécanique Appliqué (LEMA) de la faculté des sciences et technique de l’Université des Comores. Il essaie d’apporter une part des solutions à la crise énergétique actuelle que traversent la plupart des pays Africains, surtout ceux de l’Océan Indien dont fait partie l’Union des Comores. Ce travail s’intéresse plus particulièrement à la question de l’accès à l’énergie électrique dans les zones rurales de l’archipel mais aussi et surtout dans les sites isolés pour la télécommunication. L’électricité représente en effet de nos jours une ressource essentielle et vitale pour l’homme : l’approvisionnement en nourriture et en eau, la climatisation, l’éclairage, la santé, les communications, l’informatique, etc. en dépendent étroitement 1. Par ailleurs, l’électrification rurale des sites isolés pour la télécommunication des pays Africains, de l’Océan Indien en général et de l’Union des Comores en particulier se fait par l’intermédiaire des générateurs diésel.

Alors que depuis les chocs pétroliers successifs observés depuis les années 70 on a assisté à un manque de production d’énergie reposant sur l’exploitation des ressources fossiles, dont les réserves sont mal réparties et épuisables. La pollution atmosphérique, le réchauffement climatique, les risques du nucléaire et les limites des ressources ont fait prendre conscience qu’un développement économique respectueux de l’environnement, dans lequel nous vivons, est nécessaire. De plus, une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordée aux réseaux électriques dont l’extension s’avère trop coûteuse pour les territoires isolés, peu peuplés ou difficiles d’accès. De plus, le surcoût de l’approvisionnement en combustible augmente radicalement avec l’isolement. Actuellement, deux milliards et demi d’habitants, principalement dans les zones rurales des pays en développement, ne consomment que 1 % de l’électricité produite dans le monde 2.

Les énergies renouvelables (ENR) constituent donc une alternative aux énergies fossiles à plusieurs titres : elles perturbent généralement moins l’environnement, n’émettent pas de gaz à effet de serre et ne produisent pas de déchets; elles sont inépuisables; elles autorisent une production décentralisée adaptée à la fois aux ressources et aux besoins locaux; elles offrent une importante indépendance énergétique 3.

L'utilisation de l’énergie hybride (Solaire-Éolien-Diesel-Stockage) est de plus en plus utilisée dans diverses applications en sites isolés telles que l’éclairage, la réfrigération, le pompage ou les télécommunications. Ce dernier fait l’objet de notre travail. Pour un développement durable, le recours à l’utilisation des systèmes énergétiques à sources d’ENR dans les sites isolés pour la télécommunication dans des pays en voie de développement comme les Comores est devenu indispensable.

Connaissant les problèmes rencontrés pour le transport de l’énergie électrique dans ces zones éloignées, ainsi que le coût élevé, il serait plus judicieux d’envisager l’utilisation de systèmes hybrides dans ces régions puisque les gisements solaire et éolien dans l’archipel y sont importants. L’étude préalable de ce type de système est une étape importante, du fait qu’un système surdimensionné engendrera des surcoûts, tandis qu’un système sous dimensionné serait moins fiable.

C’est dans ce sens-là que nous avons décidé de dimensionner un système hybride constitué de systèmes de conversion d’ENR, (PV et éolien), un système d’énergie conventionnelle (générateur diesel) et le système de stockage (batteries de stockage) en utilisant le logiciel Homer, comme outil de simulation. Dans ce cas, plusieurs simulations seront effectuées pour vérifier la performance du système hybride sous différents scénarii en utilisant des données réelles météorologiques des Comores.

L’objectif de ce travail est de développer un système hybride de génération d’énergie en milieu rural ou isolé afin de satisfaire la demande de charge pour l’alimentation des systèmes de télécommunications tels que les pylônes de réseau de télécommunication aux Comores plus particulièrement à la Grande Comores1.

Le document de synthèse du travail de ce mémoire est structuré en Cinque grands chapitres :

- Le premier chapitre sera consacré à un état de l’Art sur les énergies renouvelables, surtout un cas général du système énergétique et de la consommation de l’énergie dans le monde, en Afrique et aux Comores, en vue d'aboutir aux résultats attendus ;
- Le deuxième chapitre portera, éventuellement sur les modèles mathématiques ;
- Un troisième chapitre parlera du Dimensionnement d’un système énergétique pour l’alimentation électrique des pylônes pour les télécommunications ;
- Le quatrième chapitre abordera les résultats et les discussions de notre travail ;
- Le cinquième chapitre parlera de la réalisation de notre dispositif, qui est un régulateur de charge.

Enfin, nous allons conclure ce modeste travail par un rappel concernant les principaux résultats obtenus durant les simulations et nous allons donner les éventuelles perspectives envisagées.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ÉTAT DE L’ART :

CAS GÉNÉRAL DU SYSTÈME ÉNERGÉTIQUE ET DE LA CONSOMMATION DE L’ÉNERGIE DANS LE MONDE, EN AFRIQUE ET AUX COMORES

Introduction

Nous sommes tous conscients que notre planète est en danger à cause des activités industrielles provocant une pollution atmosphérique. Chaque jour, notre consommation en énergie fossile favorise le réchauffement climatique. De plus, les réserves pétrolières continuent à s’épuiser. Face à ce constat, nous devons trouver des nouvelles sources d’énergies qui vont respecter notre environnement, d’où l’utilisation impérative des ENR. Une alternative intéressante et puissante est à considérer comme celle de l’énergie solaire et l’éolienne qui ont attiré l’attention au niveau de la production de l'électricité à grande échelle. Cependant elles présentent un inconvénient commun par leur caractère imprévisible et la dépendance des conditions météorologiques et climatiques qui changent avec le temps 4.

Pour cela, les systèmes hybrides qui combinent entre plusieurs formes d’énergie font l’axe principal de l’actualité dans le monde énergétique en général et aux Comores en particulier pour les sites éloignés du réseau électrique de la MAMWE2 et de l’EDA3.

I.1. CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE DANS LE MONDE ET EN AFRIQUE

I.1.1. Contextes et problématiques

I.1.1.1. Consommation énergétique dans le monde

De nos jours, une grande partie de la production mondiale d'énergie est assurée à partir des sources fossiles. La consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre. L'exploitation des ENR est une solution indispensable. On peut prévoir que tout système énergétique durable dans le futur, sera basé sur l'utilisation de ces sources. En 2016, la production d'électricité mondiale provenant des sources d’ENR a atteint 20,2% de la production totale. Cette partie est nettement inférieure à la production issue des combustibles fossiles (67,2%) toutefois reste néanmoins supérieure à la part de la production d’origine nucléaire (13,0%) 5.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 1. Répartition de la production électrique dans le monde 5

L'apport des nouveaux systèmes de production d'ENR a été décisif pour freiner l'augmentation de la part des sources conventionnelles au niveau mondial, et ainsi réduire la production des GES (gaz à effet de serre). Sur la période 2006-2016, la croissance de la production des filières renouvelables hors hydraulique a été cinq fois plus rapide que celle de l'hydraulique (12,5% contre 2,5%) 5.

Une analyse détaillée filière par filière montre que c'est la production d'électricité solaire qui affiche le plus fort taux de croissance annuelle sur la période (+ 38,1%). Sur la même période, la croissance de la filière éolienne est également très importante (+ 27,1% par an en moyenne). La croissance de la filière biomasse est plus modérée (+ 7%), mais reste plus de deux fois supérieure à celle de la production d'électricité totale 5.

Cette croissance est restée très active entre 2015 et 2016 (+ 6,5%), dans un contexte de forte croissance de la production d'électricité. Compte tenu de la dynamique actuelle des filières éolienne, solaire et biomasse, la croissance de la production d'électricité renouvelable devrait rester soutenue dans les prochaines années et sa part dans la production mondiale devrait continuer à augmenter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 2. Taux de croissance annuelle moyenne 2015-2016 5

Après un bref bilan des ressources énergétiques exploitables, on se concentrera ensuite sur les systèmes de production éolienne et photovoltaïque, qui sont les premières sources d'énergie renouvelable dans un proche avenir. Dans le cadre de ce mémoire, nous ne nous intéressons qu’à l'utilisation de ces sources combinées avec un GD pour l'électrification des sites isolés plus particulièrement pour les sites des télécommunications. La production d'électricité décentralisée par sources d'énergie renouvelable nous offre une solution prometteuse pour des consommateurs autonomes en respectant l'environnement.

I.1.1.2. Situation énergétique en Afrique

L’Afrique dispose de réserves fossiles. Ne pas les utiliser pour développer sa croissance pourrait apparaitre comme injuste. Le manque des infrastructures devrait pousser à se tourner vers les ENR hors réseau ou dites « off grid ». ¼ de l’humanité vivra en Afrique en 2050 et aujourd’hui l’Afrique compte 1,2 milliard d’habitants avec la population la plus jeune du monde. 1/3 de la réserve minière est en Afrique. La croissance africaine des 5 dernières années montre un taux de 4,4%. Aucun autre continent ne fait mieux. L’électricité moyenne coute trois fois plus chère qu’en Europe ou aux USA. 8% des réserves pétrolières est en Afrique ,8% en gaz et 4% en charbon 6.

La consommation énergétique moyenne de l’Afrique est de 0,5 tep/hab contre 1,2 tep/hab en moyenne mondiale. Selon la Banque mondiale, l’Afrique aurait besoin d’un apport annuel de 7 Gw de production électrique pour faire face à la demande croissante d’électricité alors que seulement 1 Gw était effectivement ajouté chaque année 6.

I.1.1.3. Capacité en termes d’énergie renouvelable en Afrique

Les capacités géothermiques sont concentrées en Afrique de l’Est. En effet, le potentiel en énergie thermique de la Vallée de Rift est estimé de 9000 MW, pourtant seuls 54Mw sont extraits soit 1%du dit potentiel. Les réserves d’énergie hydraulique d’une capacité de 1100TWh ne sont exploitées qu’en 8%. L’Afrique de l’Ouest fait partie des régions les plus ensoleillées de la planète car le soleil est présent toute l’année. Le flux solaire moyen est d’environ 5 à 6 KWh/m2/jour en zone tempérée Européenne 6.Dans plusieurs pays, la volonté politique d’utiliser les ENR semble présente. On peut citer par exemple 6 :

- La ferme éolienne de Ngong au KANYA qui a une puissance de 13,6 MW ;
- La centrale hydraulique Buyagali en OUGANDA qui a une puissance de 250 MW ;
- La ferme solaire Noor au MAROC qui a une puissance de 160 MW.

Ce dernier (le MAROC), vise 42% de sa production d’électricité grâce au renouvelables d’ici 2020. Toutefois, le véritable défi du continent sera de ramener l’électricité dans les zones rurale.

I.2. DÉFINITIONS ET GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉNERGIES RENOUVELABLES

І.2.1. Croissance de l’exploitation des énergies renouvelables

On appelle énergies renouvelables ou énergie vertes toute énergie qui se renouvelle et qui est inépuisable tout au moins à l’échelle humaine.

Il existe différentes sources d’ENR disponibles sur la planète dont les principales sont: l’énergie solaire, l’énergie éolienne, la biomasse et la géothermie. Elles peuvent être converties, selon les besoins, en électricité ou en chaleur. La cogénération d’électricité et de chaleur est possible dans le cas de la géothermie, de la biomasse et de l’énergie solaire [7-8]. Le développement et l’exploitation des ENR ont connu une forte croissance ces dernières années. D’ici 20-30 ans, tout système énergétique durable sera basé sur l’utilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux ENR 9. Les études ont étés élaborées pour faire de cet outil non polluant l’axe de recherche pour plusieurs chercheurs dans le but de minimiser les effets négatifs des ressources classiques de production de l’énergie.

I.2.2. Production de l’électricité par les énergies renouvelables

La production de l’électricité par les ENR peut se produire par plusieurs origines à savoir : le soleil, le vent, la chute d’eau, la géothermie, la biomasse, etc. Au niveau mondial, l'ENR provient de six sources distinctes. L'hydroélectricité est la principale avec une contribution de 82,9%. La biomasse est la seconde source avec 6,3%. Viennent ensuite la filière éolienne (8,3%), la géothermie (1,6%), le solaire qui regroupe les centrales photovoltaïques et thermiques (0,2%), et enfin les énergies marines (0,01%) 9.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 3. Structure de la production électrique d'origine renouvelable 9

Dans cette section, nous ne prenons pas en compte les sources énergétiques sous forme de chaleur, L'électricité étant produite par un système thermodynamique avec l'aide d'un fluide coulant (source biomasse, source géothermie et source solaire thermique). Ensuite, nous présentons une autre famille par laquelle l'énergie produite l'est directement sous la forme électrique.

І.2.2.1. Production de l’énergie électrique d’origine solaire

L’énergie solaire PV fait l’objet d’un grand intérêt ces dernières années. Mais il existe deux technologies pour la production d’électricité via le solaire PV. L’une des technologies s’appuie sur les modules PV basé sur l’effet photoélectrique. Cette ressource a donc l’avantage d’être inépuisable et utilisable en tout point d’un territoire.

І.2.2.2. Production de l’énergie électrique d’origine éolienne

Les énergies éoliennes sont notamment caractérisées par des déplacements de masse d’air à l’intérieur de l’atmosphère. C’est l’énergie mécanique de ces déplacements de masse d’air qui est à la base de l’énergie éolienne. Cette source est non polluante. Néanmoins l’énergie éolienne est intermittente, et l’installation de parcs éoliens engendre des impacts paysagés et sonores 11.

І.2.2.3. Production de l’énergie électrique d’origine biomasse

La biomasse désigne toute la matière vivante d'origine végétale ou animale de la surface terrestre. Généralement, les dérivés ou déchets sont également classés dans la biomasse. Différents types sont à considérer : le bois énergie, les biocarburants et le biogaz. Le bois énergie est une ressource très abondante, c’est la ressource la plus utilisée au monde.

І.2.2.4. Production de l’énergie électrique d’origine hydraulique

L’énergie électrique est produite par la transformation de l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique par l’intermédiaire d’un rotor alternateur relié à un ensemble mécanique situé autour de la roue motrice. La quantité d'énergie extraite de l'eau retenue derrière un barrage dépend du volume d'eau et de la hauteur de chute. Cette source a l’avantage de ne pas être polluante. On peut maitriser le stockage de l’énergie d’une manière assez simple afin de débarrasser les cours d’eau des déchets grâce aux différents filtres des barrages. La technologie nécessaire pour son utilisation est maîtrisée. Le bruit, l’impact sur la vie aquatique, des installations complexées, et des sites limités pour l’exploitation sont ses principaux inconvénients 11.

І.2.2.5. Production de l’énergie électrique d’origine géothermique

Le terme géothermie provient du grec <Gé> et <thermos>, signifiant respectivement : la terre et la chaleur. La géothermie peut se définir comme étant la technique qui consiste à puiser dans le sous-sol ou dans les roches, les calories qui y sont contenues, afin de les rendre disponibles en surface pour des applications de chauffage ou de production d’électricité. Dans des cas particuliers, la géothermie peut consister à injecter de la chaleur dans le sous-sol afin de refroidir les installations de surface.

І.2.2.6. Production de l’énergie électrique d’origine marine

L’énergie marine ou des mers est extraite du milieu marin. Il y a notamment l’énergie marémotrice (issue du mouvement de l’eau créé par les marées), l’énergie des vagues (utilise la puissance du mouvement des vagues), l’énergie thermique des mers (produite en exploitant la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans), les éoliennes offshore, et l’énergie osmotique (diffusion ionique provoquée par l’arrivée d’eau douce dans l’eau salée de la mer).

I.3. SYSTÈME HYBRIDE

I.3.1. Définition des systèmes hybrides

Le problème avec la puissance variable et non garantie produite par les sources d’ENR, peut être résolu par un couplage des sources d'approvisionnement et la formation d’un système dit hybride (SH). Un système d'énergie hybride (SEH) est défini comme une installation qui utilise deux ou plus des technologies de la génération d’énergies : une ou plusieurs sources de production d’énergie et classique (groupe diesel en général) et au moins une source de production d’ENR 12.

Les sources d’ENR, comme l’éolienne et le photovoltaïque, ne délivrent pas une puissance constante. Leur association avec des sources classiques permet d’obtenir une production électrique continue. Les systèmes d’énergie hybrides sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont souvent utilisés dans les régions isolées 13.

I.3.2. État de l’art d’un SEH

En plus d’un ou plusieurs générateurs diesel (GD) et d’au moins une source d’ENR, un SEH peut aussi incorporer un système de distribution à courant alternatif (CA), un système de distribution à courant continu (CC), un système de stockage, des convertisseurs, des charges, des charges de délestage et une option de gestion des charges ou un système de supervision. Toutes ces composantes peuvent être connectées en différentes architectures. Celles-ci sont résumées dans la figure suivant. Dans la plupart des cas, les systèmes hybrides classiques contiennent deux bus 14 : un bus à CC pour les sources, les charges à CC et les batteries et un bus à CA pour les générateurs à CA et le système de distribution.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 4. Architecture des systèmes hybrides d’énergie 14

Les sources d’énergies renouvelables peuvent être connectées au bus à CA ou à CC en fonction de la dimension et la configuration du système. L’interconnexion entre les deux bus peut être réalisée par l’intermédiaire de l’électronique de puissance : onduleur/redresseur ou convertisseur bidirectionnels.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 5. Système hybride de type EPVDS (éolien-PV-diesel-stockage) 14.

I.3.3. Principaux composants d’un système d’énergie hybride (SEH)

I.3.3.1. Composants auxiliaires

I.3.3.1.1. Système de supervision

La plupart des systèmes hybrides comportent une certaine forme de commande. Les chargeurs des batteries, par exemple, incluent souvent un système de commande pour empêcher la surcharge des batteries ou que leur état de charge ne baisse trop. Les réseaux multi-diesel peuvent utiliser des méthodes relativement sophistiquées pour gérer les générateurs diesel et régler le flux de puissance.

I.3.3.1.2. Convertisseurs

Dans un SEH, des convertisseurs sont utilisés pour charger des batteries de stockage et pour transformer le CC en CA et vice-versa. Trois types de convertisseurs sont souvent rencontrés dans les SEH : Les redresseurs (CA/CC), Les onduleurs (CC/CA) et Les hacheurs (CC/CC).

I.3.3.1.3. Charges

Les charges électriques rendent utile la puissance électrique. Il existe des charges à caractère résistif et inductif. Les charges résistives incluent les ampoules à incandescence, les chauffe-eau, etc. Les appareils utilisant des machines électriques sont des charges résistives et inductives. Elles sont les principaux consommateurs de puissance réactive. Les charges à CC peuvent avoir aussi des composants inductifs, mais les seuls effets introduits par ceux-ci sont les variations transitoires de tension et courant pendant les changements dans le fonctionnement du système 14.

I.3.4. Architectures des systèmes d’énergies hybrides (SEH)

Les générateurs électriques d’un SEH peuvent être connectés en différentes configurations. Deux configurations s’imposent parmi les systèmes d’énergie hybrides constitués par des sources d’énergie renouvelable, des systèmes de stockage et des générateurs diesels : architectures à bus CC et architecture mixte à bus CC-CA 14

I.3.4.1.Architecture à bus continu (CC)

Dans cette architecture la puissance fournie par chaque source est centralisée sur un bus continu. Ainsi, les systèmes de conversion d’énergie à courant alternatif (CA) fournissent d’abord leur puissance à un redresseur pour être convertie ensuite en courant continu (CC). Les générateurs sont connectés en série avec l’onduleur pour alimenter les charges alternatives. L’onduleur doit alimenter les charges alternatives à partir du bus continu 12.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 6. Configuration du SEH à bus CC 14.

I.3.4.2. Architecture à bus alternatif (CA)

Dans cette topologie, tous les composants du système hybrides sont reliés à la charge alternative. Cette configuration présente des performances supérieures par rapport à la configuration antérieure, puisque chaque convertisseur peut mettre en phase indépendamment les courants débités. 12.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 7. Configuration du SEH à CA 14.

I.3.4.3. Architecture mixte à bus continu/Alternatif (CC/CA)

En plus d’un ou plusieurs générateurs diesels (GD) et d’au moins une source d’énergie renouvelable, un SEH peut aussi incorporer un système de distribution à courant alternatif (CA), un système de distribution à courant continu (CC), un système de stockage, des convertisseurs, des charges, des charges de délestage et une option de gestion des charges ou un système de supervision. Toutes ces composantes peuvent être connectées en différentes architectures.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 8. Configuration du SHE à deux bus CC et CA 14.

I.3.5. Dimensionnement des systèmes d’énergies hybrides (SEH)

La conception des SEH exige la sélection et le dimensionnement de la combinaison la plus appropriée des sources d’énergie, des convertisseurs et du système de stockage, ainsi que l’implémentation d’une stratégie de fonctionnement efficace 14. De plus, pour obtenir un taux de pénétration important des sources d’énergie renouvelable, sans la dégradation de la qualité de l’énergie fournie, une étude de dimensionnement du système hybride s’impose 14.

Les logiciels de dimensionnement sont des outils impensables pour l’analyse et la comparaison des différentes combinaisons possibles des sources utilisées dans les SEH. Il existe plusieurs logiciels de dimensionnement et de simulation des SEH. Dans notre cas et pour bien mener nos travaux de recherche dans le cadre de ce mémoire, on a décidé d’utiliser l’outil HOMER.

I.4. SITUATION ÉNERGÉTIQUE AUX COMORES

І.4.1. Caractéristiques géographiques et humaines des Comores

L'archipel des Comores se situe dans l’Océan Indien au nord du canal de Mozambique entre l’Afrique et la côte ouest de Madagascar. Il est constitué de 4 îles d'origine volcanique à savoir : Grande Comore, Anjouan, Mohéli et Mayotte d’où cette dernière reste sous occupation française par la force. Il a une superficie de 2234 km² et d'une population d'environ 875 000 habitants (Mayotte non comptabilisé) selon les recensements faits en 2016 15.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 9. Carte géographique des Comores 15

І.4.2. Problèmes d’électricité en Union des Comores

Depuis plus d’une vingtaine d’année, les Comores souffrent d’un problème énergétique durable dans tout le territoire national marqué par des coupures fréquentes du courant électrique causées des fois par : des problèmes mécaniques et maintenance au sein de la société, un manque de soutien financier auprès de l’EDA à Anjouan, la MAMWE à la Grande Comore et Mohéli et enfin des problèmes d’ordre social, politique, géographique, économique…etc. 16.

І.4.3. Contexte énergétique des Comores

Jusqu’à ce jour le secteur de l’énergie est placé sous la tutelle de la vice-présidence en charge du Ministère de l’Economie, du Plan, de l’Énergie, de l’Industrie, de l’Artisanat, du Tourisme, des Investissements du Secteur Privé et des Affaires Foncières. Au sein de ce ministère, une Direction Générale est responsable de l’énergie, des Mines et de l’eau. La DGEME est responsable de la tutelle des deux sociétés nationales de production de l’électricité, MA-MWE et EDA 16.

І.4.4. Production énergétique des Comores

La production d’électricité aux Comores est assurée essentiellement à partir des centrales thermiques à Diesel. Depuis le 05 février 2017, des nouvelles centrales électriques sont mises en service par le Gouvernement Comorien. Aux Comores on peut comptabiliser cinq centrales électriques qui sont 16 : La Centrale thermique de Voidjou en Grande Comore (Ngazidja) ; La Centrale d’Itsambouni en Grande Comore (Ngazidja), La Centrale de Fomboni à Mohéli (Mwali), Centrales de Trenani et Lingoni à Anjouan (Ndzouani).

І.4.5. État des lieux sur l’énergie aux Comores

I.4.5.1. Répartition des ressources

D’après les recherches faites récemment au pays, on constate que les énergies fossiles occupent une place très importante par rapport aux autres énergies dites renouvelables.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 10. Répartition des ressources énergétiques des Comores 16

I.4.5.2. Produits pétroliers

Tenant compte des données émanant des services de douanes de l’Union des Comores, les différents formes de produits pétroliers utilisés par ces principaux usagers sont le gasoil, l’essence, le jet kérosène et le gaz butane, appelé aussi GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié). Les statistiques indiquent une consommation totale de 58900,4tep, durant l’année 2016 16.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 11. : Les différents produits pétroliers 16

I.4.5.3. Consommation des produits pétroliers

Les produits pétroliers entièrement importés et consommés en Union des Comores correspondent principalement dans 16 : Le secteur des transports (terrestres, aériens et maritimes) soit 57% consommés, à la demande des deux entreprises d’électricité (MAMWE et EDA) soit 28%consommés, l’utilisation domestique soit 15% consommés.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure I. 12. Consommation des produits pétroliers 16

Conclusion

Dans la première partie de ce chapitre, nous avons brièvement présenté le Contexte et la problématique de la consommation énergétique mondiale.

Dans la seconde partie nous avons fait une brève définition et une généralité sur les ENR qui existent. Parmi ces sources renouvelables, l'énergie solaire et l'énergie éolienne ont connu des progrès immenses et deviendront des sources renouvelables prometteuses dans l'avenir. De plus, les technologies actuelles sont connues, fiables et de maintenance relativement facile. C'est donc ces deux technologies avec un générateur diesel que nous avons décidé d'étudier dans ce mémoire de fin d’étude. Notre but est de contribuer au développement et à l'optimisation d'une installation utilisant ces deux sources pour l'électrification d'un site isolé pour la télécommunication.

Dans la troisième partie, nous avons parlé de la structure des systèmes hybrides de génération d’énergie électrique et leur état d’art actuel. Nous avons étalé la définition et les différentes structures des systèmes hybrides de génération d’énergie électrique, où nous avons constaté que l’avantage principal de l’utilisation des sources renouvelables dans la construction d’un SH peut aider à résoudre plusieurs problèmes qui apparaissent au niveau de l’impact de l’utilisation des ressources classiques sur l’environnement et plus précisément comme les émissions des gaz à effet de serre.

Enfin la dernière partie de ce chapitre nous avons parlé de la situation énergétique aux Comores.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

MODÈLE MATHÉMATIQUE DES GÉNÉRATEURS À ÉNERGIES RENOUVELABLES

Introduction

Le modèle mathématique consiste à définir une modélisation qui permet de décrire le comportement théorique d’un système quelconque et ses performances dépendent de son aptitude à le faire d’une manière la plus réaliste et la plus précise possible. Ainsi, dans cette étude, l’objectif essentiel du modèle mathématique est de présenter le comportement des sous-systèmes décentralisés sous les différentes conditions météorologiques et de déterminer la puissance produite par chacun de ces systèmes ainsi que le système global. Ainsi tous les sous-systèmes sont traités de manière modulaire pour une plus grande flexibilité 17.

Dans ce qui suit nous présentons les modèles mathématiques des générateurs à énergie renouvelables retenus (solaire et éolienne) en décrivant chacun des éléments du système. À noter que le système qui nous intéresse regroupe quatre sous-systèmes principaux à savoir le générateur photovoltaïque, le générateur éolien, un générateur électrique diesel et le système de stockage (batteries) pour emmagasiner l’excès énergétique lorsqu’il existe et de le restituer lors des périodes de manque d’apport, plus le système de conditionnement de puissance composé des convertisseurs et des régulateurs.

II.1. MODÉLISATION DES GENERATEURS A ENERGIE RENOUVELABLES

II.1.1. Modélisation du générateur PV

II.1.1.1. Système de production et de conversion du générateur PV

Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule et du vieillissement de la cellule 17. La figure suivant illustre une cellule PV typique où sa constitution est détaillée.

[...]


1 Grande Comore : C’est l’île la plus grande parmi les quatre îles de l’archipel des Comores.

2 MAMWE (Madji na Mwendje wa Komor) : Société d’eau et d’électricité pour la Grande Comore et Mohéli.

3 EDA (Electricité D’Anjouan): Société d’électricité pour l’île d’Anjouan.

Fin de l'extrait de 90 pages

Résumé des informations

Titre
Développement d’un système hybride de génération d’énergie en site isolé pour la télécommunication. Réalisation d’un régulateur de charge solaire
Cours
MASTER D’INGÉNIERIE EN ÉNERGIES RENOUVELABLES
Note
18,00
Auteur
Année
2018
Pages
90
N° de catalogue
V901614
ISBN (ebook)
9783346210043
ISBN (Livre)
9783346210050
Langue
Français
mots-clé
Mix énergétique, système hybride, énergies renouvelables photovoltaïque, HOMER, données météorologiques, télécommunication, pylônes, modélisation, simulation, optimisation, Eolien, solaire, hydraulique
Citation du texte
Maoulida Fahad (Auteur), 2018, Développement d’un système hybride de génération d’énergie en site isolé pour la télécommunication. Réalisation d’un régulateur de charge solaire, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/901614

Commentaires

  • Pas encore de commentaires.
Lire l'ebook
Titre: Développement d’un système hybride de génération d’énergie en site isolé pour la télécommunication. Réalisation d’un régulateur de charge solaire



Télécharger textes

Votre devoir / mémoire:

- Publication en tant qu'eBook et livre
- Honoraires élevés sur les ventes
- Pour vous complètement gratuit - avec ISBN
- Cela dure que 5 minutes
- Chaque œuvre trouve des lecteurs

Devenir un auteur