Probl´ ematique et objectifs de la th` ese

1.4.1 Cadre du projet Enerstock

1.4.1.1 Objectifs

Les objectifs g´en´eraux du projet Enerstock de production avec stockage sont d’une part d’augmenter l’int´egration des EnR en garantissant leur approvisionnement, d’autre part d’am´eliorer la qualit´e des services rendus au r´eseau par rapport `a la production d’origine renouvelable sans stockage i.e. au fil de l’eau.

Les objectifs technologiques du programme Enerstock sont [Lefebvre, 2011] :

1. `a court terme, de d´eterminer les conditions de r´ealisation concr`ete d’installations de stockage d’´energie de plusieurs MW `a travers une installation pilote en laboratoire, puis (hors projet) une installation de d´emonstration. L’enjeu est de d´evelopper un moyen de stockage (typiquement STEP et/ou batterie de moyenne puissance) adapt´e `

a la particularit´e des r´eseaux isol´es. La r´ealisation de ces installations sur les r´eseaux des DOM doit permettre de lever les barri`eres techniques qui freinent ou empˆechent le d´eveloppement de nouveaux projets ´eoliens ou solaires ;

2. `a moyen terme, de contribuer `a la cr´eation d’une fili`ere fran¸caise du stockage de l’´energie `a l’´echelle de quelques MW, et dans un second temps permettre d’expor-ter cette solution de stockage et les comp´etences acquises au sein des partenaires industriels et exploitants fran¸cais sur d’autres r´eseaux ´electriques isol´es `a l’´etranger. Le territoire vis´e pour le d´emonstrateur est l’ˆıle de La R´eunion. Il cadre id´ealement avec le projet par une production `a base d’´energie renouvelable existante et en fort d´ e-veloppement associ´ee `a un besoin de stockage. Il existe aussi une volont´e d’aboutir `a l’autonomie ´energ´etique tant au niveau des autorit´es locales que nationales. La mise en oeuvre du projet Enerstock tend, dans ce cadre, `a associer les diff´erents acteurs de la fili`ere : industriels (´equipements hydrauliques et batteries), producteur d’´electricit´e re-nouvelable, gestionnaire de r´eseau insulaire, laboratoires de recherche et bureaux d’´etude dans le secteur, pˆoles de comp´etitivit´e comp´etents pr´esents sur le territoire d’accueil du projet.

Les innovations du projet Enerstock dans le domaine du stockage d’´energie portent sur les composants de base (optimisation de l’architecture, du coˆut, du fonctionnement) et sur le syst`eme hybride EnRI-SSE grˆace `a un pilotage anticipatif et r´eactif. Ce pilotage doit permettre d’adapter les flux d’´energie aux besoins du gestionnaire du r´eseau et du producteur mais aussi, coupl´e `a des productions EnR fluctuantes, de r´eduire le recours aux ´

energies fossiles. Les dispositifs de stockage cibl´es ont une capacit´e de 1 `a 20 h et visent `a accroitre la capacit´e d’accueil des EnRI en palliant les limites de ces sources d’´energies sur les volets suivants : compensation des fluctuations, garanti de production, respect de la pr´evision, r´eserve primaire, r´egulation de la tension. Il est propos´e dans le cadre du projet Enerstock d’´etudier diff´erents cas d’´etude correspondant `a des sp´ecifications techniques d’unit´es de production EnRI coupl´ees `a un stockage.

1.4.1.2 Cahier des charges

Dans le projet Enerstock, plusieurs cahiers des charges associ´es `a diff´erents niveaux de qualit´e, diff´erents niveaux de services, ont ´et´e d´efinis au regard des besoins du syst`eme ´

electrique. L’objectif est d’aboutir pour chaque configuration `a un design optimal des installations (ratio de puissance EnR intermittente et stockage, capacit´e en ´energie, mix hybride de production) permettant de minimiser le coˆut de ce type d’installations, tout en assurant le service attendu. On d´efinit ainsi les cahiers des charges suivants, dont les exi-gences s’accroissent pour permettre d’accepter de plus en plus d’´energies intermittentes :

1. Production « pr´evue et liss´ee ».

La production pr´evue et liss´ee consiste en la fourniture d’une puissance bas´ee sur les pr´evisions horaires avec interpolation lin´eaire entre chaque heure ronde.

2. Production « par gabarit garanti ».

La production par gabarit garanti consiste en la fourniture au gestionnaire de r´eseau d’une puissance garantie constante sur l’ann´ee.

1.4.2 Approche retenue

1.4.2.1 Objectifs

L’objectif g´en´eral de la th`ese est d’am´eliorer la performance technico-´economique d’un syst`eme de stockage d’´energie coupl´e `a une production d’´electricit´e d’origine renouvelable intermittente. Le syst`eme hybride que nous avons ´etudi´e est donc raccord´e au r´eseau. Une cons´equence importante vis´ee est l’augmentation du taux de p´en´etration des EnR sur ces r´eseaux, notamment en contexte insulaire, d’o`u, in fine, une baisse de la d´ependance aux ´

energies fossiles ainsi que des ´emissions de gaz `a effet de serre. Les objectifs techniques sont le dimensionnement optimal et la gestion anticip´ee optimis´ee du stockage conduisant `

a un minimum de d´efauts de service pour des coˆuts de revente acceptables. Les apports conceptuels de la th`ese sont :

1. Un MODELE d’analyse technico-´economique du couplage Production intermittente

- Stockage, relatif `a diff´erents sc´enarios d’injection R´eseau ;

2. Un ALGORITHME de charge/d´echarge fond´e sur une optimisation heuristique

adapt´ee au contexte du stockage d’EnRI (charge adaptative) ;

3. Une METHODE de dimensionnement du stockage avec ´etude de l’impact des erreurs de pr´evisions et du foisonnement des sources.

Les apports op´erationnels de cette th`ese sont fonction de l’acteur consid´er´e. Il s’agit pour le producteur de :

1. b´en´eficier d’une aide `a la d´ecision avant un projet d’investissement EnRI+SSE afin de :

— choisir, pour chaque site, le type de source(s) adapt´ee(s) au sc´enario d’injection souhait´e et r´eciproquement,

— d´eterminer des caract´eristiques techniques optimales pour le stockage en prio-risant les param`etres les plus importants,

— r´eduire la capacit´e de stockage donc le coˆut d’investissement n´ecessaires, — trouver un ´equilibre, technico-´economique, viable `a la fois pour le producteur

et le gestionnaire de r´eseau ;

2. disposer d’un outil simple et rapide permettant d’optimiser la gestion du syst`eme de stockage en conditions op´erationnelles ;

3. pouvoir fixer des objectifs de qualit´e aux sous-traitants charg´es de la pr´evision, afin de respecter des imp´eratifs ´economiques.

Pour l’autorit´e de r´egulation, l’outil impl´ement´e permettra d’adapter ses appels d’offres, e.g. le niveau d’exigence requis ou la tol´erance accept´ee, en mati`ere de production d’´ elec-tricit´e d’origine renouvelable avec stockage. Cet outil donne ´egalement la possibilit´e de d´eterminer, en fonction des besoins et du sc´enario d’injection sp´ecifiques `a une zone, les contraintes techniques et ´economiques (politique tarifaire) raisonnables, l’int´erˆet du ges-tionnaire et du producteur ´etant que le service contractualis´e soit respect´e au maximum.

1.4.2.2 D´emarche

La ligne directrice adopt´ee dans cette th`ese consiste en l’optimisation du fonctionne-ment du stockage, en fonction de crit`eres techniques et ´economiques adapt´es au contexte du respect par le producteur d’un sc´enario d’injection dans le r´eseau. Pour ce faire, un outil a ´et´e d´evelopp´e permettant de dimensionner et de g´erer de mani`ere optimis´ee le stockage. Le moyen utilis´e est une mod´elisation syst´emique Production-SSE-R´eseau conduisant `a un programme non lin´eaire `a r´esoudre. L’outil de simulation d´evelopp´e sous Matlab im-pl´emente et compare des strat´egies heuristiques d’optimisation.

A partir des strat´egies retenues, une m´ethode op´erationnelle de gestion du stockage, rapide `a ex´ecuter, est alors ´elabor´ee ; le dimensionnement optimal est obtenu par it´ era-tions de l’outil de simulation, relativement `a des sc´enarios d’injection types. Une analyse ´

economique est men´ee afin de d´eterminer la profitabilit´e du stockage c’est-`a-dire l’int´erˆet financier, pour un producteur EnRI, d’investir dans un SSE, hors subventions ´eventuelles. A partir de ce mod`ele ´economique nous d´efinissons pour chaque sc´enario et chaque source le tarif annuel minimal de revente d’´energie permettant un retour sur investissement dans le stockage favorable, i.e. positif `a 20 ans.

La m´ethode impl´ement´ee permet, par cons´equent, non seulement de d´eterminer un stockage optimis´e mais aussi le choix des sources les plus adapt´ees, d’un point de vue technico-´economique affirmant ou infirmant ainsi leur faisabilit´e dans des projets `a grande ´

echelle, en fonction de chaque sc´enario. La rapidit´e de calcul de la m´ethode rend possible une analyse de sensibilit´e sur un ´echantillon de grande taille qui vient valider a posteriori le choix des param`etres retenus. La figure 1.22 donne une synth`ese du plan adopt´e pour la th`ese.

Dans le chapitre 2, le mod`ele syst´emique de fonctionnement du stockage et de ses inter-actions avec le syst`eme de production et le r´eseau est d´efini ainsi que les crit`eres techniques et ´economiques associ´es. Des choix et des hypoth`eses sont faits pour construire un mod`ele de type syst´emique. Une approximation physico-math´ematique du couple (EnRI,SSE) est ´

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Figure 1.22 – Plan de th`ese.

flux d’´echange entre ces blocs. Cette mod´elisation conduit `a un programme math´ematique non lin´eaire (Non Linear Programming ou NLP) de grande taille.

Puis, la r´esolution du programme NLP est abord´ee dans le chapitre 3. Les diff´erentes strat´egies de gestion du stockage y sont expos´ees et compar´ees afin de s´electionner un en-semble d’heuristiques de r´ef´erence - regroup´ees sous l’appellation “charge adaptative” - qui tienne compte de l’´etat du stockage `a chaque instant. Les strat´egies retenues permettent de g´erer de mani`ere optimis´ee le stockage en conditions op´erationnelles, la veille pour le lendemain. La charge adaptative est alors compar´ee avec d’autres m´ethodes/outils clas-siques - programmes non lin´eaires, lin´eaires, mixtes en nombres entiers - validant ainsi, dans une certaine mesure, le mod`ele ´elabor´e.

Enfin, le chapitre 4 applique la charge adaptative au dimensionnement du stockage dans trois cas d’´etude : ´eolien en Guadeloupe et solaire/houle `a La R´eunion. Des sc´enarios non pr´evus par Enerstock ont ´et´e rajout´es afin d’augmenter les performances rendues par le SSE, notamment les puissances totales fournies. L’impact de la qualit´e de pr´evision ainsi que du foisonnement des sources y est ´egalement d´etermin´e.