Système multi-sources de production d’énergie électrique

Cette section présente un système de production d’énergie multi-sources pour un habitat isolé qui nous a servi de support dans nos travaux de dimensionnement optimisé. Cette application a été en partie retenue car elle a la particularité d’être complémentaire de celle du navire présenté précédemment. Si les objectifs sont en eux-même plutôt similaires, les problématiques et degrés de libertés sont quant à eux différents. En effet, dans un système de production d’énergie tel que celui étudié, la ressource naturelle exploitée n’est généralement pas suffisante pour assurer le besoin énergique de la charge. Il est donc nécessaire de recourir à une hybridation du système de production d’énergie renouvelable, en y adjoignant des organes de stockage ou des auxiliaires de puissance. Nos études se sont alors portées sur un système relativement classique, composé de panneaux photovoltaïques pour la source principale, de batteries électrochimiques comme éléments de stockage et une pile à combustible utilisée en source auxiliaire, d’utilisation rationnée et permettant d’assurerau mieux la continuité de service de l’installation en cas de déficit énergétique (voir Figure 1.3). Ainsi, une différence majeure avec une application de transport telle que celle du navire à supercondensateurs est que, pour cette dernière, la garantie d’effectuer la mission dans sa totalité est une contrainte ferme. Inversement, une application de production d’énergie, notamment en site isolé, peut intégrer en amont une certaine latitude quant à la garantie de répondre à l’ensemble des solicitations de la charge. Une autre différence réside dans les degrés de liberté offerts par l’hybridation des sources et le système de stockage. En effet, pour éclaircir ces propos, il est possible de considérer un tel problème sous l’angle des flux de puissance, dont l’objectif est d’assurer au mieux l’équilibre entre la production, le stockage et la demande. Dans le cas d’une installation composée uniquement d’une source d’énergie renouvelable et d’un système de stockage, il n’existe pas de degré de liberté sur la stratégie de gestion, puisque l’unique solution pouvant être qualifiée d’optimale consiste à maximiser l’énergie fournie par la source et à stocker tout l’excédant d’énergie3, qui sera par la suite utilisé dans les phases de sous-production de la source. En revanche, l’ajout d’un organe de stockage complémentaire ou d’un système de production auxiliaire permet d’avoir une infinité de solutions pour aboutir à un équilibre des puissances. C’est alors par le choix judicieux d’une

3. Une contrainte peut être appliquée sur la puissance maximale, fournie ou absorbée sur l’organe de stockage, permettant ainsi de tenir compte des caractéristiques énergétiques de la technologie utilisée.

stratégie de gestion de l’énergie qu’il est possible d’améliorer les performances du système, sur des critères d’optimisation qui peuvent être très variés.

Les problématiques abordées dans ce travail concernent principalement le dimensionnement de l’installation et sa robustesse vis-à-vis des variations stochastiques de l’environnement. Dans le cadre d’une production photovoltaïque, l’environnement se rapporte à la fois à l’ensoleille- ment et à la température, mais également au consommateur dont le comportement n’est pas déterministe. Concernant la ressource solaire, c’est en grande partie la couverture nuageuse

DC DC DC DC DC AC Batteries PV Charge AC DC DC Pile `a Combustible Ppv Pbat Ppac Pch

Figure. 1.3 – Architecture du système multi-sources étudié et appliqué à la production d’énergie électrique pour un habitat isolé.

qui est responsable des fluctuations aléatoires du rayonnement reçu. Or, dans une démarche classique d’optimisation du dimensionnement d’une installation, cette dernière est simulée pour une séquence d’ensoleillement et un profil de charge donnés, sur un horizon compris entre une et plusieurs années. Un algorithme d’optimisation va alors, par un jeu de sélections et d’évolutions successives, converger vers la ou les solutions de dimensionnement optimales. Or, il est évident qu’en se basant uniquement sur quelques années simulées, les résultats obtenus sont biaisés et qu’ils ne peuvent être garantis en dehors des profils utilisés comme référence. Il est bien sûr évident que l’idéal serait de pouvoir simuler chaque dimensionnement sur un très grand nombre d’années, dans l’absolu supérieur à la durée de vie de l’installation, afin de s’assurer de la justesse et de la fiabilité des solutions obtenues. Or ces données ne sont pas forcément disponibles pour le site étudié, et une telle approche nécessiterait des moyens de calculs particulièrement conséquents. Comme l’a très bien résumé P. Dessante (Dessante,2012), “Optimiser c’est se placer en limite de fiabilité". Cette dernière observation, associée aux très grandes fluctuations environnementales de ce type d’application, montre clairement la limite de telles approches de dimensionnement. Il est alors tentant de recourir à des méthodes conduisant à un surdimensionnement volontaire de l’installation, afin de s’assurer au moins en partie de sa robustesse.

Notre contribution sur ces problématiques a été de proposer une méthodologie générique de dimensionnement de telles installations, permettant de répondre à la fois au problème de la disponibilité des données et de l’analyse de robustesse d’un dimensionnement. Quelques

pistes ont également été dégagées en vue d’intégrer dans cette méthodologie une phase de définition d’un profil d’ensoleillement de référence, permettant d’aboutir naturellement à des dimensionnements fiables et robustes. Nous nous sommes également intéressés, mais dans une moindre mesure, à la gestion de l’énergie permettant d’assurer l’équilibre instantané des puissances. Plus précisément, cette gestion visait à définir la stratégie d’utilisation de la pile à combustible au sein du système multi-sources. En effet, bien que les mécanismes de vieillissement d’une pile à combustible soient très nombreux et encore peu maîtrisés, des préconisations d’usage existent. Le principe est alors de proposer une stratégie de gestion qui respecte ces préconisations, permettant ainsi d’assurer un fonctionnement nominal pour ce système.