Optimisation temps réel des flux énergétiques au sein d'un système multi-sources multi-charges basé sur les énergies d'origine renouvelable

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d’un système multi-sources multi-charges basé sur les

énergies d’origine renouvelable

N’Guessan Stephane Attemene

To cite this version:

N’Guessan Stephane Attemene. Optimisation temps réel des flux énergétiques au sein d’un système multi-sources multi-charges basé sur les énergies d’origine renouvelable. Energie électrique. Université Bourgogne Franche-Comté, 2019. Français. �NNT : 2019UBFCD044�. �tel-02962221�

THESE DE DOCTORAT DE L’ETABLISSEMENT UNIVERSITE BOURGOGNE FRANCHE-COMTE PREPAREE A l’Institut FEMTO-ST (Département Energie)

dans le cadre de la Fédération de Recherche FCLAB

Ecole doctorale n°37

Ecole Doctorale Sciences pour l’Ingénieur et Microtechniques

Doctorat de Génie Electrique

Par

ATTEMENE N’Guessan Stéphane

Optimisation temps réel des flux énergétiques au sein d’un système multi-sources, multi charges basé sur les énergies d’origine renouvelable

Thèse présentée et soutenue à Belfort le 10 décembre 2019.

Composition du Jury :

Pr., RIU, Delphine Université de Grenoble Présidente Pr., GUALOUS, Hamid Université de Caen Rapporteur Pr., CAUX, Stéphane Université de Toulouse Rapporteur Dr., ROCHE, Robin Université de Technologie Belfort-Montbéliard Examinateur Dr., AGBLI, Kréhi Serge Ingénieur à Clean Horizon Consulting Examinateur Dr., SOLANO-MARTINEZ, Javier Universidad Industrial de Santander (Colombie) Examinateur Pr., HISSEL, Daniel Université de Franche-Comté Directeur de thèse Dr., FOFANA, Siaka Université Félix Houphouët Boigny (Côte d’Ivoire) Codirecteur de thèse

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) I

Avant-propos

Ce travail de thèse est l’aboutissement de moments de dur labeur qui constituent pour moi une experience particulièrement enrichissante tant au niveau personnel que professionnel. L’aboutissement de ces travaux est due aux concours et aux soutiens multiformes de plusieurs personnes à qui je voudrais sincerement exprimer toute ma reconnaissance.

Je voudrais remercier très particulièrement le Pr. Daniel Hissel, mon Directeur de thèse sans qui ces travaux n’auraient peut être pas aboutis. Je le remercie pour sa patience, son indulgence et sa promptitude à repondre à mes besoins. Et ses critiques perspicaces qui ont permis de donner une bonne orientation à ces travaux.

Le Pr. Doumbia maintenant à la retraite, grace à qui nous avons été introduit dans le monde de la recherche scientifique. Je le remercie pour la hargne dans le travail qu’il nous a inculqué.

Le Dr. Agbli Krehi notre devancier qui a ouvert les portes de cette collaboration qui a abouti aujourd’hui à ce travail. Je voudrais le remercier pour ses apport constructifs qui ont permis l’aboutissement de ces travaux.

Le Dr. Siaka Fofana pour sa sollicitude et pour le parcours ô combien enrichissant que nous avons eu à ses cotés.

Je voudrais aussi remercier les membres du jury qui de par leur présence et les échanges enrichissants qui ont eu lieu ont honoré la soutenance de thèse. Je voudrais donc remercier :

 Le Pr. Delphine RIU, pour avoir accepté de présider ce jury ;

 Le Pr. Hamid GUALOUS, pour avoir rapporté sur ce travail et pour les échanges constructifs qui en ont découlé ;

 Le Pr. Stéphane CAUX, pour avoir rapporté sur ce travail, pour son examen munitieux du manuscrit et les remarques pertinentes qui en ont résulté ;

 Le Dr. Robin ROCHE qui a accepté d’être examinateur et pour les remarques constructives résultantes ;

 Le Dr. Javier SOLANO-MARTINEZ d’avoir accepté de prendre part à ce jury de thèse et pour les interrogations et les remarques pertinentes résultantes.

Je tiens aussi à remercier mes collègues qui ont su maintenir une entente cordiale et fraternelle qui a permis une bonne évolution dans ce travail.

Une profonde reconnaissance à mon frère qui a été un véritable soutien pendant tout ce temps qu’à duré ces travaux. Je voudrais remercier ma famille qui m’a soutenu et m’a porté jusqu’à cet instant qui est le couronnement de tant d’années de sacrifice consentis. Merci d’avoir été et d’être là. Pour finir je voudrais avoir une pensée pieuse pour mon père et ma mère qui se sont définitivement endormis.

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) II

Table des matières

Nomenclature ... VI

Table des illustrations ... IX

Introduction générale ... 1

Chapitre 1 Contexte et notions fondamentales ... 7

1.1. Introduction ... 8

1.2. Contexte ... 8

1.2.1. Contexte énergétique dans le monde ... 8

1.2.2. Réchauffement climatique et besoin de sources énergétiques vertes ... 10

1.2.3. Différents types de systèmes multi-source à énergie renouvelables ... 11

1.2.3.1. Systèmes multi-sources raccordés au réseau ... 11

1.2.3.2. Systèmes multi-sources autonomes où micro-réseaux autonomes... 11

1.3. Enjeux énergétiques, économiques et environnementaux ... 11

1.4. Moyens de stockage de l’énergie électrique ... 12

1.4.1. Batteries ... 12 1.4.1.1. Batteries plomb-acide ... 12 1.4.1.2. Batteries Nickel-Cadmium ... 13 1.4.1.3. Batteries lithium-ion ... 13 1.4.2. Supercondensateurs... 13 1.4.3. L’hydrogène ... 14 1.4.3.1. Mode de production ... 15 1.4.3.2. Mode de stockage ... 16

1.4.3.3. Enjeux économiques et énergétiques ... 16

1.5. Les sources énergétiques d’origine renouvelable ... 17

1.5.1. Les éoliennes ... 17

1.5.2. Le solaire thermique et le solaire photovoltaïque ... 17

1.5.2.1. Le solaire thermique ... 17

1.5.2.2. Le solaire photovoltaïque ... 17

1.5.3. La biomasse ... 18

1.6. Etat de l’art des stratégies de gestion de l’énergie ... 19

1.6.1. Stratégies de gestion à base de règles ... 19

1.6.2. Stratégies de gestion à base d’optimisation ... 20

1.6.3. Stratégies de gestion temps réels ... 21

1.7. Problématiques de la gestion optimale temps réel et orientation de la thèse ... 23

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) III

1.7.2. Orientation de la thèse ... 25

1.8. Conclusion ... 25

Chapitre 2 Dimensionnement du système ...28

2.1. Introduction ... 29

2.2. Généralités sur le dimensionnement ... 30

2.2.1. Objectifs ... 30 2.2.2. Principes ... 30 2.2.3. Méthodes ... 31 2.2.3.1. Fonctions économiques ... 31 2.2.3.2. Fonctions de fiabilité ... 32 2.2.3.3. Fonction environnementale ... 32

2.2.3.4. Problème d’optimisation mono et multi –objectif ... 33

2.2.4. Algorithmes de dimensionnement ... 35

2.2.4.1. Algorithmes d’optimisation classique ... 35

2.2.4.2. Les algorithmes Meta-heuristiques ... 35

2.2.4.3. Les techniques hybrides ... 38

2.2.5. Outils pour le dimensionnement ... 39

2.2.5.1. HOMER... 40

2.2.5.2. Hybrid2 ... 40

2.2.5.3. HOGA ... 40

2.3. Dimensionnement des composants du système ... 41

2.3.1. Etude, analyse et choix de l’architecture définitive du système ... 42

2.3.2. Dimensionnement et choix du système global définitif ... 44

2.3.2.1. Evaluation de la consommation ... 45

2.3.2.2. Les données d’ensoleillement et de vitesse de vent ... 46

2.3.2.3. Modélisation du panneau photovoltaïque ... 49

2.3.2.4. Modélisation du générateur éolien ... 49

2.3.2.5. Modélisation de la pile à combustible ... 50

2.3.2.6. Modélisation de l’électrolyseur ... 51

2.3.2.7. Le réservoir d’hydrogène ... 52

2.3.2.8. Les supercondensateurs ... 53

2.3.2.9. La batterie Li-ion ... 54

2.3.3. Dimensionnement du système ... 57

2.3.3.1. Stratégie de gestion à base de règle ... 57

2.3.3.2. Stratégie de gestion à base d’optimisation ... 60

2.3.3.4. Résultats et Choix du système définitif... 63

2.4. Etude des paramètres influençant le dimensionnement ... 69

2.5. Conclusion ... 72

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) IV

3.2. Outil de représentation graphique retenu ... 76

3.2.1. La représentation énergétique macroscopique (REM) ... 77

3.2.2. Principe d’inversion et structure maximale de commande ... 78

3.2.2.1. Principe d’inversion... 78

3.2.2.2. Structure Maximale de Commande (SMC) ... 79

3.3. Modèle REM des éléments du système ... 79

3.3.1. Modèle REM du générateur photovoltaïque (GPV) ... 79

3.3.1.1. Identification des paramètres du module ... 80

3.3.1.2. Chaine de conversion photovoltaïque ... 82

3.3.1.3. Modèle REM du GPV... 82

3.3.1.4. Inversion du modèle REM ... 83

3.3.1.5. Le contrôle MPPT ... 83

3.3.2. Modèle REM de l’électrolyseur alcalin ... 85

3.3.2.1. Modèle électrique... 86

3.3.2.2. Modèle électrochimique ... 89

3.3.2.3. Modèle thermique ... 89

3.3.2.3. Modèle REM de l’électrolyseur ... 92

3.3.3. Modèle REM de la pile à combustible ... 94

3.3.3.1. Modèle électrique... 96

3.3.3.2. Modèle électrochimique ... 99

3.3.3.3. Modèle fluidique ... 99

3.3.3.4. Modèle REM de la pile ... 100

3.3.2.5. Inversion de la REM ... 102

3.3.4. Modèle REM du réservoir de dihydrogène ... 103

3.3.5. Modèle REM de la Batterie ... 105

3.3.6. Modèle REM des supercondensateurs ... 106

3.4. Modèle global et inversion... 107

3.4.1. Modèle global du système ... 107

3.4.2. Commande rapprochée et contrôle du bus continu ... 109

3.5. Conclusion ... 111

Gestion énergétique : problématique de la gestion optimale temps réels ...113

4.1. Introduction ... 114

4.2. Différentes catégories de gestion optimale des systèmes multi sources ... 115

4.2.1. La programmation dynamique ... 116

4.2.1.1. Principe ... 116

4.2.1.2. Formulation ... 118

4.2.1.3. Application à notre système ... 120

4.2.1.4. Résultats et simulation ... 121

4.2.2. La commande optimale ... 125

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) V

4.2.2.2. Formulation ... 126

4.2.3 Energy Consumption Minimization Strategy (ECMS) ... 128

4.2.3.1. Principe ... 128

4.2.3.2. Méthode d’adaptation du facteur équivalent ... 129

4.2.4. Gestion du bus continu... 130

4.2.5. Stratégie de gestion du système ... 132

4.2.5.1. Analyse des flux énergétiques ... 132

4.2.5.2. Modèle de la connexion batterie-bus dc ... 134

4.2.5.3. Modèle de la connexion charge-bus dc ... 135

4.2.5.4. Le bilan des flux de puissance ... 138

4.2.5.5. Formulation du problème ... 144

4.3. Commande globale du système ... 147

4.3.1. Présentation de l’unité de commande globale ... 147

4.3.2. Simulation du système ... 150

4.3.2.1. Résultats et interprétations ... 150

4.3.2.2. Etude comparative des résultats ... 153

4.4. Conclusion ... 155

Conclusion générale et perspectives ...157

Annexes ...162

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) VI

Nomenclature

Mtep Million de tonnes équivalent pétrole

Gtep Giga tonne équivalent pétrole

ECMS Energy Consumption Minimisation Strategy

GPC Generalized Predictive Control

PFC Predictive Functionnal control

MPHC Model Predictive Heuristic Control

DMC Dynamic Matrix Control

EHAC Extended Horizon Adaptative Control

MPC Model Predictive Control

LCOE Levelized cost of energy

TAC Total annualized cost

CRF Facteur de recouvrement du capital

SFFj Facteur d’amortissement du fonds pour le

composant j

Eserv (t) L’énergie effectivement transférée à la charge par le

système

d Taux de remise

LCA L’analyse du cycle de vie

CO2_T L’émission totale équivalent de CO2 sur toute la

durée de vie du composant

Gb Irradiance directe

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) VII

Gh L’irradiance globale sur un plan horizontal

Rbf Le facteur de forme

Puissance produite par le générateur photovoltaïque Nombre de modules constituant le générateur photovoltaïque

Température des cellules photovoltaïques

TA Température ambiante

La puissance maximale de la charge

F La constante de Faraday

E La tension réversible

OCV Tension en circuit ouvert de la batterie

SOC Etat de charge

Enom Energie nominale de la batterie

CO&M Coût d’opération et de maintenance

Ccapi Coût capital d’investissement

CFC Coût de fonctionnement de la pile à combustible

CEL Coût de fonctionnement de l’électrolyseur

NH Durée de vie en heure

Cinv_bat Coût d’investissement de la batterie

Nb_cycle Durée de vie de la batterie en nombre de cycle

Iph Le photo-courant Id Courant de diode A Facteur d’idéalité P V P P V N P T max _ Load P

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) VIII

k Le coefficient de Boltzmann

TC La température de la cellule

PV,KOH La pression partielle de l’électrolyte

F

 Le rendement de Faraday

i

n

 _{Flux molaire de l’espèce i}

_ th EL

C

l’électrolyseur

2

O

C

i



données expérimentales

L L’épaisseur de la membrane

fc

A

m



lim

I

CO Paramètres du modèle de Zubieta

Kv Paramètres du modèle de Zubieta

Hent Le Hamiltonien étendu du système

Edev L’énergie chimique nécessaire pour compenser la

déviation de l’état de charge

Hlv Le pouvoir calorifique inferieur de l’hydrogène

max _ HB

P



Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) IX

Table des illustrations

Figure 1.1 Energie primaire consommée par source ... 9

Figure 1.2 Pourcentage de consommation mondiale par ressources en 2017. ... 9

Figure 1.3 : Utilisation possible de l’hydrogène produit par électrolyse à l’aide d’un système multi-sources à énergie renouvelable ... 15

Figure 1.4. : Système global ... 23

Figure 2.1 : Schéma des sous-systèmes en interaction ... 29

Figure 2.2 : Principe de la procédure du dimensionnement optimal ... 30

Figure 2.3 : Architecture cascade... 42

Figure 2.4 : Architecture parallèle ... 42

Figure 2.5 : Architecture parallèle à 3 convertisseurs... 43

Figure 2.6 : Architecture parallèle à deux convertisseurs avec supercondensateur directement connecté au bus continu ... 43

Figure 2.7 : Architecture parallèle à 2 convertisseurs avec batterie directement lié au bus DC .. 44

Figure 2.8 : Schéma synoptique du système global ... 44

Figure 2.9 : Puissance demandée au cours d’une année en fonction des saisons ... 46

Figure 2.10 : Ensoleillement global sur un plan incliné (10°) ... 48

Figure 2.11 : Vitesse de vent sur le site considéré (Korhogo) à 10m d’altitude ... 48

Figure 2.12 : Modèle de Zubieta et Bonert du supercondensateur ... 53

Figure 2.13 : Schéma électrique de la batterie ... 55

Figure 2.14 : Résultats de l’identification des courbes de décharge de la cellule VL45E ... 56

Figure 2.15 : Diagramme de la stratégie de gestion (étape 1) ... 59

Figure 2.16 : Diagramme de la stratégie de gestion de la tension du bus dc ... 60

Figure 2.17 : Quantité d’hydrogène consommée en fonction de la puissance produite par le module... 61

Figure 2.18 : Diagramme du NSGA II... 63

Figure .2.19 : Front de Pareto a. stratégie 1, b. stratégie 2 ... 64

Figure 2.20 : Tension du bus continu en fonction du temps (stratégie 1). ... 66

Figure 2.21 : Tension du bus continu en fonction du temps (stratégie 2). ... 67

Figure 2.22 : Puissance échangée par la batterie, débitée par la pile à combustible et reçue par électrolyseur en fonction du temps (stratégie )….……….67

Figure 2.23 : Puissance échangée par la batterie, débitée par la pile à combustible et reçue par électrolyseur en fonction du temps (stratégie 2)………68

Figure 2.24 : a. Etat de charge de la batterie, b. état de charge des supercondensateurs et c. état de charge du réservoir à Hydrogène en fonction du temps………69

Figure 2.25 : Le LCOE en fonction de la variation des coûts des sous-systèmes ... 70

Figure .2.26 : a. Sensibilité du LCOE, b. sensibilité de l’équivalent CO2 émis en fonction du pourcentage d’augmentation de la taille des sous-systèmes ... 72

Figure 3.1 : Contrôle basé sur l’inversion ... 78

Figure 3.2 : Principe d’inversion pour le contrôle de la chaine de réaction d’une source ... 79

Figure 3.3 : Modèle une diode du générateur photovoltaïque ... 79

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) X

Figure 3.5 : Comportement du module pour différentes conditions environnementales ... 82

Figure 3.6 : Schéma du générateur photovoltaïque ... Erreur ! Signet non défini. Figure 3.7 : Modèle REM du générateur photovoltaïque ... 83

Figure 3.8 : Commande de la chaîne photovoltaïque ... 83

Figure 3.9 : Diagramme de la méthode P&O ... 84

Figure 3.10 : puissance et tension maximales délivrées par le générateur photovoltaïque : a.) pour un ensoleillement de 1000 W.m-2, b.) pour une variation brusque de l’ensoleillement (de 400-1000 W.m-2), par la méthode P&O ... 85

Figure 3.11 : Différentes configuration d’un électrolyseur alcalin ... 86

Figure 3.12 : Principe de fonctionnement de l’électrolyseur alcalin ... 86

Figure 3.13 : Courbe de polarisation de l’électrolyseur ... 89

Figure 3.14 : Température simulée de l’électrolyseur pendant une journée de fonctionnement à courant nominal ... 92

Figure 3.15 : Chaine de conversion de l’électrolyseur ... 92

Figure 3.16 : Modèle REM de l’électrolyseur ... 93

Figure 3.17 : Inversion du modèle REM du couplage électrique de l’électrolyseur ... 94

Figure 3.18 : Principe de la pile à combustible à membrane échangeuse de protons ... 96

Figure 3.19 : La pile nexa de Ballard ... 98

Figure 3.20 : Courbe de polarisation du module Nexa de Ballard... 99

Figure 3.21 : Schéma du couplage électrique de la pile à combustible ... 100

Figure 3.22 : Représentation REM de la pile à combustible ... 101

Figure 3.23 : Pression partielle, a. du dioxygène, b. du dihydrogène respectivement à la cathode et à l’anode et c. Courant débité par la pile à combustible en fonction du temps... 101

Figure 3. 24: Température de la pile à combustible en fonction du temps pour un fonctionnement à courant variable ... 102

Figure 3.25: Inversion modèle REM réduit de la pile à combustible ... 102

Figure 3.26 : Système de stockage d’hydrogène ... 103

Fig.3.27 : Modèle REM du réservoir d’hydrogène ... 104

Figure 3.28 : Evolution du niveau de charge et de pression du réservoir d’hydrogène après une mise en marche successive de la pile à combustible et de l’électrolyseur ... 105

Figure 3.29 : Modèle REM de la batterie ... 105

Figure 3.30 : Simulation en décharge du modèle à C/10, C/3 et C... 105

Figure 3.31 : Schéma de la connexion du pack des supercondensateurs au bus continu ... 106

Figure 3.32 : Inversion du modèle REM de connexion des supercondensateurs ... 106

Figure 3.33 : a. Tension aux bornes du pack de supercondensateur, b. Courant délivré par le pack ... 107

Figure 3.34 : Schéma synoptique du système global ... 107

Figure 3.35 : Modèle REM du système global ... 108

Figure 3.36 : Commande rapprochée du système global ... 110

Figure 4.1 : Schéma du système global ... 115

Figure 4.2 : Discrétisation des espaces d’état et de temps ... 118

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) XI

Figure 4.4 : a. Evolution de l’irradiance en fonction du temps, b. Evolution de la température

ambiante en fonction du temps ... 122

Figure 4.5 : a. Puissance produite par le générateur photovoltaïque en fonction du temps, b. Puissance demandée par la charge en fonction du temps ... 122

Figure 4.6 : Puissances échangées par la batterie et les supercondensateurs, débitée par la pile à combustible et fournie à l’électrolyseur en fonction du temps ... 123

Figure 4.7 : a. Tension du bus DC, b. Flux massique d’hydrogène consommé en fonction du temps ... 124

Figure 4.8: a. Etat de charge de la batterie, b. Pression dans le réservoir d’hydrogène en fonction du temps ... 124

Figure 4.9 : Schéma électrique du bus continu ... 130

Figure 4.11 : Bilan des flux de puissance pour le bus dc ... 131

Figure 4.12 : Modèle multi-niveau du bus continu ... 131

Figure 4.13: Bilan de puissance au niveau d’un hacheur... 133

Figure 4.14 : Modèle multi-niveau de la connexion source-hacheur-bus DC ... 133

Figure 4.15: Bilan de puissance à travers la batterie ... 134

Figure 4.16 : Représentation multiniveau de la connexion batterie-bus dc ... 135

Figure 4.17 : Représentation multiniveau de la connexion du bus dc-charges ... 137

Figure 4.18 : Supervision du transit de puissance vers la charge ... 138

Figure 4.19 : Inversion du bus DC ... 139

Figure 4.20 : évolution du coefficient de pénalité de la puissance échangée par la batterie en fonction de tension du bus continu ... 141

Figure 4.21 : Evolution du coefficient de pénalité de la puissance échangée par les supercondensateurs en fonction de l’état de charge ... 142

Figure 4.22 : Modèle multi-niveau du bloc d’échange de puissance ... 143

Figure 4.23 : Structure de la commande ECMS ... 147

Figure 4.24 : Architecture de la commande hiérarchique ... 148

Figure.4.25 : Schéma de la SMC et de la structure de commande ... 149

Figure 4.26 : a. Profil de puissance des charges continus, b. Profil de puissance des charges alternatives en fonction du temps. ... 150

Figure 4.27: a. Tension du bus continue n fonction du temps, b. Etat de charge de la batterie en fonction du temps ... 151

Figure 4.28: a. Puissance, b. Etat de charge des supercondensateurs en fonction du temps ... 151

Figure 4.29: a. Puissance échangée par la batterie à hydrogène, b. Pression dans le réservoir d’hydrogène en fonction du temps. ... 152

Figure 4.30: a. Courant d’alimentation des charges AC, b. Tension aux bornes des charges AC et c. Courant dans l’inductance et tension aux bornes de la charge AC en fonction du temps ... 152

Figure 4.31: a. Courant d’alimentation des charges DC b. Tension aux bornes des charges DC en fonction du temps. ... 153

Figure 4.32: a. Flux d’hydrogène consommé, b. Pression de l’hydrogène dans le réservoir en fonction du temps ... 153

Figure 4.33: Quantité d’hydrogène consommée en fonction du temps ... 154

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) XII

Figure A.1 : Principe de la commande... 163

Figure A.2 : Schéma de la connexion onduleur charge ... 164

Figure A.3 : Control de la tension dans le repère (d, q) ... 165

Figure A.4 : Forme simplifiée du contrôleur de la tension de la charge ... 166

Tableau 1.2 : Caractéristiques des différentes technologies de supercondensteurs ... 14

Tableau 1.3 : Caractéristiques de différentes cellules au silicium ... 18

Tableau 2.2 : Résumé des performances des algorithmes de dimensionnement ... 39

Tableau 2.3 : Résumé des charges estimées pour une résidence ... 45

Tableau 2.4 : Valeurs caractéristiques du module photovoltaïque Soluxtec ... 49

Tableau 2.5 : Caractéristiques de la cellule VL45E de Saft ... 55

Tableau 2.6 : Coût et émission en CO2_eq de chaque sous-système. ... 64

Tableau 2.7 : Résultats de la simulation ... 65

Tableau 2.8 : Résultats d’analyse des solutions S7 et S15 ... 66

Tableau 3.1 : Les principaux pictogrammes du formalisme REM ... 78

Tableau 3.2 : Caractéristiques du module SOLUXTEC 300 ... 81

Tableau 3.3 : Equation de commande du générateur photovoltaïque ... 83

Tableau 3.4 : Paramètre de l’électrolyseur alcalin ... 93

Tableau 3.5 : Equation de commande de l’électrolyseur ... 94

Tableau 3.6 : Tableau récapitulatif des différentes technologies de pile à combustible ... 95

Tableau 3.7 : Paramètres de modélisation de la pile Nexa de Ballard (1.2 kW) ... 98

Tableau 3.8 : Equation de commande de l’électrolyseur ... 102

Tableau 3.10 : Equation de commande du pack de supercondensateur ... 106

Tableau 4.1 : Equations du modèle ... 132

Tableau 4.2 : Equations du modèle ... 134

Tableau 4.3 : Equations du modèle ... 135

Tableau 4.4 : Equations du modèle ... 136

Tableau 4.5 : Equations du modèle d’inversion... 137

Tableau 4.6 : Equations du bilan des flux de puissance ... 143

Tableau 4.7 : Paramètres du contrôleur ECMS ... 150

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) 1

Institute FEMTO-ST (Département Energie, UMR CNRS 6174) 2

Introduction générale

La forte croissance de la demande énergétique mondiale, la raréfaction des sources d’énergie fossile et les exigences du développement durable ont entrainé de fortes mutations dans les systèmes de distribution de l’énergie électrique et suscité un véritable engouement pour les systèmes de production électrique à base d’énergie renouvelable. En effet, les systèmes à base d’énergie renouvelable présentent de réels avantages : ils permettent d’une part de fournir en énergie les sites difficiles d’accès ou très isolés, et d’autre part ils constituent une réponse adéquate à la demande de ressources énergétiques plus respectueuses de l’environnement.

Les systèmes à base d’énergie renouvelable sont un véritable levier pour le changement du paradigme énergétique. On assiste au développement d’unités de productions d’électricité décentralisées (micro-réseaux isolés) ou raccordées au réseau de distribution électrique. L’intégration importante de sources dispersées de nature intermittente dans les réseaux de distribution, l’augmentation de la fiabilité de la fourniture de l’énergie électrique et l’efficacité énergétique sont les raisons principales de l’évolution du réseau de distribution. La gestion des systèmes électriques à base d’énergie renouvelable pose un problème d'autant plus complexe que ceux-ci sont soumis à de fortes contraintes du fait de leur intermittence. Ces contraintes sont généralement de deux ordres. Il s’agit d’une part de la dépendance de l’emplacement géographique et des conditions météorologiques, mais aussi de la gestion instantanée des flux énergétiques dans le but de maximiser les puissances produites tout en maintenant le système global dans ses limites de sécurité. Ces contraintes multiples sont les principales causes des fortes fluctuations de la production renouvelable. La solution généralement adoptée est l’hybridation de plusieurs sources de production en mettant en avant par exemple la complémentarité de la production photovoltaïque et éolienne (ensoleillement fort en été, mais aussi des hautes pressions atmosphériques peu propices à des vents forts). Cependant, pour garantir une bonne autonomie de fonctionnement et un bon rendement de conversion énergétique, elles sont associées à des systèmes de stockage (accumulateur électrochimique, supercondensateur, batterie à hydrogène…), enfin d’assurer le stockage de l’énergie produite en cas de production excédentaire et de compenser le manque énergétique en cas de déficit de production.

Parmi les moyens de stockage de l’énergie électrique existant à ce jour, l’hydrogène présente un véritable potentiel. En effet, l’hydrogène possède une très forte densité énergétique (1 kg d’hydrogène contient environ trois fois plus d’énergie que 1 kg d’essence). En outre, la production sur site par électrolyse de l’eau de l’hydrogène peut se faire partout et de manière propre. Ce qui est indubitablement un atout majeur pour une fourniture continue du courant électrique et la garantie d’une bonne autonomie énergétique du système. Cependant les systèmes à hydrogène ont une dynamique relativement faible et sont très sensibles aux stress occasionnés par les variations rapides de la demande énergétique. Ceci explique qu’ils sont généralement associés à des systèmes de stockage plus dynamiques tels que les batteries et les supercondensateurs par exemple.

Dans ce travail, le système soumis à notre étude est constitué d’un générateur photovoltaïque, d’une pile à combustible, d’un électrolyseur, d’un réservoir à hydrogène, d’un pack de batterie et de supercondensateurs dans le but de satisfaire des demandes domestiques

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journalières d’énergie. Un tel système présente plusieurs avantages. Outre la possibilité de stocker de grandes quantités d’énergie électrique du fait de la forte densité énergétique de l’hydrogène, les performances et la disponibilité du réseau électrique résultant sont améliorées, offrant ainsi une solution écologiquement viable pour la fourniture d’électricité sur des périodes beaucoup plus longues. De plus, il permet la satisfaction de la demande énergétique en utilisant chaque source de façon appropriée, qui est une condition essentielle à l’allongement de la durée de vie, notamment des composants électrochimiques.

Cependant, de tels systèmes ont des coûts élevés et le maintien de l’équilibre entre la production et la demande d’énergie électrique implique d’optimiser les flux énergétiques entre les sources de production et le système de stockage hybride. Ceci suscite deux problématiques majeures : le dimensionnement et la gestion énergétique du système.

De nombreuses recherches ont été effectuées dans le but d’apporter des solutions innovantes à ces deux problématiques, gages de l’amélioration de la fiabilité et de l’attractivité des solutions hybrides à énergie renouvelable. Le dimensionnement intervient au niveau de la phase de conception du système et a pour objectif de garantir la satisfaction du besoin énergétique de l’utilisateur à un coût énergétique et environnemental minimal. La gestion optimale vise, quant à elle, à élaborer une stratégie qui impose à chaque instant une répartition des flux énergétiques minimisant la consommation d’hydrogène par le système. C’est donc un problème d’optimisation dynamique aux contraintes évolutives qu’il nous faut résoudre. Ceci implique la prise en compte des dynamiques, des caractéristiques physiques propres de chaque composant et la modélisation des flux énergétiques au sein du système en vue de maintenir ses performances. Deux grandes formulations sont généralement utilisées pour la résolution de ce type de problème de gestion optimale, ce sont la programmation dynamique et le principe du minimum de Pontriaguine, qui requièrent la connaissance a priori du profil de demande énergétique. Cependant, pour un système temps réel le profil de charge demeure une énigme et ne peut être connu d’avance. Or la notion d’optimalité exige de fait la connaissance préalable du profil de charge faute de quoi la solution ne peut qu’être sous-optimale. C’est pourquoi les approches de gestion optimale temps réel demeurent jusqu’à ce jour un véritable challenge à relever.

C’est dans cette démarche que s’inscrit ce travail de thèse. Il porte, en effet, sur l’optimisation temps réel des flux énergétiques au sein d’un système multi-sources multi charges basé sur les énergies d’origine renouvelable. L'objectif consiste à répondre à toutes les sollicitations dynamiques et à satisfaire toutes les demandes énergétiques sur un profil journalier en tenant compte des différents paramètres relatifs aux flux énergétiques mis en jeu dans le système tout en mettant en avant sa rentabilité économique et sa fiabilité énergétique. Il s’agit dans ce travail de thèse d’élaborer et de valider la conception d’un module de gestion optimale temps réel d’un micro-réseau basé sur la production d’énergie électrique avec un système de stockage hybride constitué notamment d’un pack de batterie, d’un pack de supercondensateurs et d’une batterie à hydrogène. La stratégie de gestion développée est dynamique et capable de s’adapter en cas de changements imprévisibles (météorologiques ou de la demande énergétique), afin d’offrir davantage de fiabilité et de stabilité au système électrique ainsi conçu. L’étude conduisant à

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l’élaboration de ce module de gestion se fera en trois phases : le dimensionnement optimal, la modélisation du système et la synthèse de la stratégie de commande temps réel.

La première phase consiste à effectuer une étude du point de vue technique, énergétique, économique et environnemental du système en vue de proposer une solution fiable, permettant de satisfaire le besoin d’énergie avec un coût énergétique et environnemental aussi faible que possible. C’est un problème complexe qui intègre la prise en compte de plusieurs paramètres tels que le besoin énergétique à satisfaire, l’investissement financier et l’empreinte écologique du système. En effet, l’évolution du coût des technologies des composants du système, du besoin énergétique, des conditions climatiques et météorologiques imposent une analyse plus approfondie sur la faisabilité d’un tel système. Sur cette base, une méthode de dimensionnement optimal est proposée.

La deuxième phase se base sur l’étude de chaque composant du système afin de définir un modèle fidèle aux phénomènes physiques mis en jeu et aux données de la littérature. Le modèle développé permet une mise à l’échelle aisée des composants afin d’atteindre la capacité requise pour le système. Le modèle global du système est obtenu en exploitant la modularité du formalisme utilisé.

La troisième phase aborde l’étude du fonctionnement en temps réel, où le système doit faire face aux perturbations et respecter les règles du mécanisme d’ajustement. Cette phase aborde la problématique du choix des consignes de puissances des différentes sources. Ce choix répond à un cahier de charges qui impose les caractéristiques dynamiques propres de chaque source. Pour effectuer le choix entre les différentes solutions admissibles, un critère énergétique basé sur la minimisation de la consommation d’hydrogène par le système est proposé.

L’évaluation de la stratégie de commande se fera par étude comparative des résultats obtenus

lors de la gestion hors ligne et de la gestion temps réel.

Ce travail de thèse a été scindé en quatre parties.

Dans la première partie (chapitre 1), après avoir présenté le contexte énergétique mondial et les enjeux économiques et environnementaux de la gestion d’énergie dans les systèmes multi-sources, nous nous sommes intéressés à l’état de l’art sur les stratégies de gestion optimale déjà développées dans la littérature. Les problématiques liées à cette thèse et les différentes approches qui seront développées sont finalement présentées.

Dans le chapitre 2, nous présentons une revue bibliographique des différents outils et algorithmes de dimensionnement existant pour de tels systèmes énergétiques en mettant en exergue leurs atouts et leurs insuffisances. Des critères d’analyse et de dimensionnement des systèmes multi-source sont passés en revue ; une analyse de la topologie du système global est ensuite présentée. Une méthodologie de dimensionnement optimal basée sur la minimisation du coût énergétique annuel et de l’émission de CO2 équivalent est ensuite développée. L’objectif est l’étude économique et environnementale du système complet afin de déterminer le dimensionnement optimal des différents composants et la configuration définitive du système étudié. L’ensemble du système est simulé à l’aide du logiciel Matlab/Simulink sur une période annuelle avec un pas d’une heure en considérant un profil de charge relatif aux différentes saisons de l’année. Les résultats de simulations sont présentés et discutés. Au-delà de la formulation mathématique et de la résolution algorithmique du problème de dimensionnement optimal, une analyse de sensibilité permettant d’évaluer l’influence des paramètres tels que le coût et la taille

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des sous-systèmes respectivement sur le coût énergétique global et l’équivalent CO2 émis par le système est effectuée.

Le chapitre 3 est consacré à la modélisation du système hybride (photovoltaïque, batterie à hydrogène, batterie Li-ion et supercondensateur). L’outil de modélisation utilisé est la représentation énergétique macroscopique (REM) qui permet une modélisation systémique du système global basé sur le principe de l’action et de la réaction. En décrivant les différents flux de puissance en interaction au sein du système, le modèle REM obtenu révèle le caractère fortement non linéaire des phénomènes qui y ont cours. Les modèles obtenus sont validés sur des bases de données obtenues dans la littérature pour tous les éléments du système excepté la pile à combustible dont la validation s’est faite sur des bases de données expérimentales disponibles au sein de l’équipe de recherche SHARPAC du laboratoire FEMTO-ST/FCLAB. Une simple inversion du modèle obtenu permet de déterminer la commande rapprochée du système ainsi que les consignes à envoyer aux contrôleurs locaux pour le pilotage du système global.

Le chapitre 4 aborde l’aspect commande du système. Nous présentons le principe de la programmation dynamique, de la commande optimale et de l’ECMS (Energy Consumption minimization Strategy). La commande optimale est une méthode de modélisation Hamiltonienne basée sur le principe du minimum de Pontryagin et qui est axée sur les flux d’énergie au sein du système. Cette méthode servira de base pour le développement de la commande ECMS proposée dans le but de la gestion temps réel du système. La structure de la commande hiérarchique du système est finalement présentée. Elle est composée de trois niveaux de pilotage :

 Le niveau 1 qui correspond à la commande rapprochée du système. Il est déduit par inversion de la REM et permet d’identifier les paramètres sur lesquels agir en vue de l’optimisation des flux énergétiques dans le système ;

 Le niveau 2, qui est l’étage de répartition des puissances, utilise les consignes de référence envoyée par le niveau 3 pour calculer les références de courants à envoyer vers les contrôleurs locaux pour la commande rapprochée du système ;

 Le niveau 3 est l’étage d’optimisation de la gestion. Il détermine les consignes de référence de la répartition optimale des puissances au sein du système sur la base de la minimisation de son hamiltonien global.

Le système global est simulé dans l’environnement Matlab/Simulink. Les performances de la stratégie de gestion développée sont évaluées par étude comparative des résultats obtenus avec ceux de la programmation dynamique.

Ce mémoire se termine par des conclusions générales et quelques perspectives pour les travaux futurs dans ce domaine.

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Chapitre 1

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1. Contexte et notions fondamentales 1.1. Introduction

Un système multi-source est un système constitué de plusieurs sources. L’avantage de tels systèmes est qu’ils combinent les atouts des différentes sources qui les constituent de sorte à former un système plus performant, plus viable et plus sécurisé. Dans cette thèse nous nous intéresseront à un système multi-sources à base d’énergie d’origine renouvelable. Il faut noter que le caractère renouvelable d’une source est déterminé par la vitesse à laquelle elle est consommée d’une part et d’autre part par sa vitesse de régénération. Une source est donc dite renouvelable si sa vitesse de régénération est supérieure à sa vitesse de consommation.

Les systèmes multi-sources à énergie renouvelable permettent de répondre à trois objectifs majeurs :

 Limiter le rejet dans l’atmosphère de gaz à effet de serre ;  Réduire la dépendance aux énergies fossiles ;

 Faciliter l’accès du plus nombre au vecteur électricité.

L’enjeu énergétique est un sujet sensible pour répondre aux implications plurielles voire divergentes des développements entre consommation d’énergie (produit électroménager, transport, industries), croissance démographique et développement économique. La croissance des besoins soulève les questions de l’approvisionnement et de la durabilité du système énergétique. L’efficacité énergétique est l’une des voies préférentielles pour relever ces principaux défis. En effet, la recherche de l’efficacité énergétique relève d’une démarche transversale mêlant la maitrise puis la réduction des coûts économiques, environnementaux et sociaux induit par la production, le transport et la consommation d’énergie. Elle concerne les industries, les métiers du bâtiment, les transports motorisés...

Une meilleure efficacité énergétique pourrait ralentir la croissance de la demande en énergie, de sorte que l’offre d’énergie d’origine renouvelable puisse progressivement se substituer aux combustibles fossiles. C’est pourquoi le développement et la gestion d’énergie des systèmes de production multi-sources à énergie renouvelable est actuellement au cœur des recherches scientifiques. L’objectif est de trouver une alternative fiable et viable aux énergies fossiles. Ce chapitre introductif rappelle les impacts liés au mode actuel de consommation énergétique dans un contexte mondial, la nécessité de recourir à des sources moins polluantes et un état de l’art des stratégies de gestion des systèmes multi-sources.

1.2. Contexte

1.2.1. Contexte énergétique dans le monde

La consommation énergétique mondiale est en perpétuelle croissance depuis l’ère de la révolution industrielle. De 1973 à 2015 (42 ans) elle a atteint 101% de croissance [1]. Aujourd’hui l’existence humaine dépend fortement des sources énergétiques. Et l’évolution du mode de vie de la société, est à la base de l’augmentation continue de la consommation énergétique mondiale. Avec la poussée démographique de la population mondiale et le développement économique dans les nouvelles zones telles que la Chine, l’Inde et le Brésil, etc., on assiste à une augmentation rapide

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de la demande énergétique mondiale. Le graphique suivant nous donne un aperçu de la consommation primaire mondiale et par ressource au cours des années 2016 et 2017 (Figure 1.1). Selon ce graphe, on peut remarquer une très forte contribution des énergies fossiles à la satisfaction de la demande énergétique mondiale.

Figure 1.1 énergie primaire consommée par source

La consommation primaire d’énergie mondiale s’est élevé respectivement en 2016 et 2017 à environ 13258.5 et 13511.2 Mtep [2] (million de tonnes équivalent pétrole) dont 34,21% fournis par du pétrole, 23.36% par du gaz naturel, 27.62% par du charbon, 4.41% par de l’énergie nucléaire, 6.8% par de l’hydro-électricité et 3.60% par des énergies renouvelables en 2017 (Figure 1.2).

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Jusqu’à ce jour, la majeure partie de la demande énergétique mondiale est satisfaite par les sources d’énergie fossiles. Cependant, les sources fossiles n’ont pas une durée de vie illimitée. Selon une étude menée en 2017, si le rythme de consommation des ressources fossiles est maintenu, il ne resterait plus que 50 ans de réserve en pétrole, 53 ans en gaz naturel et 134 ans en charbon (tableau 1.1).

Tableau1.1 : réserves mondiales d’énergie et production annuelle 2017 par source d’énergie [1]

Reserves mondiales (en Gtep) Production annuelle (en Gtep) Nombre d'années de production à ce rythme Pétrole _{236 4,5 50} Gaz naturel _{177 3,3 51} Charbon _{597 3,9 132} Uranium _{54 0,61 90} Thorium ₅₆ Hydroélectrique _{2,0/an 0,95}

Énergie éolienne _{8,8/an 0,29}

Solaire _{92 000/an 0,13}

Biomasse _{70/an 1,32}

Gtep : Giga tonne équivalent pétrole il vaut environ 11628.109 _kWh

Dans ce tableau seul les réserves prouvées et économiquement exploitables sont prises en compte. Les énergies fossiles et nucléaires sont des énergies techniquement récupérables. Ainsi si la consommation énergétique continue son évolution à ce rythme, les réserves énergétiques risquent vite d’être épuisées.

1.2.2. Réchauffement climatique et besoin de sources énergétiques vertes

Sur la fig. 1.2 il apparait clairement que la demande énergétique mondiale est satisfaite, en 2017, à plus de 80% (fig.1.2) par les énergies fossiles. Ce qui a pour conséquence, le rejet dans l’atmosphère d’énorme quantité de gaz à effet de serre, cause principale du réchauffement climatique. Avec la poussée démographique et le développement économique dans les nouvelles zones (Chine, Inde…), les problèmes liés à la consommation de l’énergie et leurs conséquences sont intensifiées. La situation risque alors de devenir très vite insoutenable si les pays en voie de développement adoptent le mode de vie énergivore actuel des pays développés.

Ainsi des réflexions sur de nouvelles alternatives énergétiques sont entreprises. La nécessité de protéger l’environnement impose une révision des stratégies énergétiques mondiales. L’avenir appartient alors à la sobriété énergétique et à la montée en puissance des énergies non émettrices de gaz à effet de serre. Cependant ces énergies restent très peu compétitives du fait de faible rendement de conversion ou des coûts de réalisation qui sont encore trop élevés. Pour réduire les effets des gaz à effet de serre, lutter efficacement contre le réchauffement climatique et la raréfaction des ressources fossiles, le modèle énergétique actuel évolue vers un mix énergétique favorisant les énergies renouvelables telles que l’hydroélectricité, le vent, le solaire qui sont infiniment présents dans la nature. En effet, le couplage de sources d’approvisionnement à base d’énergie renouvelable, des systèmes de stockages et la formation de systèmes dit hybrides est un

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palliatif excellent à l’intermittence des sources à énergie renouvelable telles que le solaire et l’éolien. Un système hybride (système multi-source) à énergie renouvelable, est un système

électrique comprenant plus d’une source d’énergie parmi lesquelles une au moins est renouvelable. Ces systèmes représentent une option très intéressante pour la construction de

réseaux électriques modernes avec des avantages à la fois économiques, environnementaux et sociétaux. C’est aussi une réponse adéquate à l’équation de Johannesburg, posée lors du sommet du développement durable en 2002 [3], résumant la nouvelle problématique mondiale : « plus d’énergie et moins de pollution » pour assurer à la fois le développement économique des pays les plus pauvres et le maintien de celui des pays riches, tout en protégeant l’environnement. Aujourd’hui, l’amélioration des performances et de la fiabilité de ces systèmes sont au cœur des recherches scientifiques.

1.2.3. Différents types de systèmes multi-source à énergie renouvelables

On peut les classer en deux grand groupes de façon générale : les micro-réseaux autonomes ou les micro-réseaux raccordés au réseau de distribution électrique. Ce sont de petits réseaux électriques capable de fonctionner indépendamment ou connectés au réseau électrique de distribution. Ces systèmes peuvent produire de l’électricité à partir de ressources fossiles ou renouvelables.

1.2.3.1. Systèmes multi-sources raccordés au réseau

Deux types de raccordement sont à distinguer ici :

 Les systèmes raccordés au réseau avec vente du surplus de la production : dans ce cas le système est raccordé au réseau. Une partie de la puissance produite compense la charge tandis que le surplus est injecté dans le réseau pour être revendu au distributeur. Deux compteurs disposée tête bêche situé dans la concession permettent de compter séparément l’énergie achetée et revendue.

 Les systèmes raccordés avec vente de la totalité de la production : dans ce cas, l’intégralité de la production est vendue au distributeur par le biais d’un point de liaison spécifique

1.2.3.2. Systèmes multi-sources autonomes où micro-réseaux autonomes

Ce sont des micro-réseaux totalement déconnectés du réseau de distribution qui produisent la totalité de l’énergie nécessaire à leur fonctionnement. Ce sont de très bonnes alternatives au réseau de distribution dans les zones rurales non connectées.

1.3. Enjeux énergétiques, économiques et environnementaux

La gestion de l’énergie est liée à trois enjeux majeurs : la dégradation de l’environnement, le développement économique et la sécurité énergétique. Les systèmes multi sources à énergie renouvelable constituent une réponse adéquate à la demande sociétale forte de sources énergétiques propres. Elles constituent un moyen matériel et technologique viable et une alternative très intéressante pour la réduction des couts environnementaux, sociaux et économiques du mode d’approvisionnement énergétique actuel. Cependant, pour parvenir à réduire de façon significative la consommation des énergies fossiles, une intégration massive des micro-réseaux à énergie renouvelable dans le mix énergétique est nécessaire. D’où l’importance d’un contrôle robuste pour une meilleure intégration et une absorption des fluctuations de fréquence dû à l’intermittence de ces sources. L’enjeu énergétique est un sujet sensible qui répond aux

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implications des développements entre consommation d’énergie (produit électroménagers, transport, industries, le bâtiment…), la croissance démographique et le développement économique. En effet la croissance des besoins soulève la question de l’approvisionnement et de la durabilité du système énergétique. Une gestion efficiente de la production énergétique, le développement des systèmes de production à énergie renouvelable, l’accroissement de capacités de stockage énergétique sont donc au cœur des recherches scientifiques en vue de l’augmentation de l’efficacité, de la performance et de la production énergétique de tels systèmes. Par ailleurs, ces micro-réseaux sont un excellent moyen pour apporter un outil social et économique dans les zones rurales par les services que l’électrification permet d’apporter (eau potable, conservation de vaccins…) et l’électrification des zones difficilement accessibles au réseau centralisé de distribution électrique. Proposer une meilleure gestion des ressources énergétiques et favoriser le développement des systèmes électriques à base d’énergie renouvelables est donc un pan important pour la sécurité énergétique et l’équité territoriale.

1.4. Moyens de stockage de l’énergie électrique 1.4.1. Batteries

Elles sont utilisées pour le stockage électrochimique d’énergie [4]. Elles réalisent une oxydoréduction pour emmagasiner à la charge de l’énergie électrique qui peut être restituée à la décharge avec un bon rendement (autour de 85%). Elles sont caractérisées par une tension nominale en charge qui correspond au potentiel d’oxydoréduction spécifique à ce couple, et la deuxième caractéristique clé est la capacité Cbatt (Ah), qui spécifie le courant permettant la charge

complète d’une batterie en un nombre d’heure donnée. Deux critères permettent de juger si elles sont adaptées à l’application recherchée : la durée de vie en nombre de cycle de charge et de décharge profonde et leurs énergies spécifiques (énergie massique ou volumique stockable par les accumulateurs). A ce jour, selon la nature de leurs électrodes, il existe trois familles de batterie : les accumulateurs plomb-acide, à base de nickel ou à base de lithium [5]. Les batteries peuvent s’adapter à des applications diverses si elles sont dimensionnées en terme de puissance, d’énergie ou de taille. Elles peuvent être utilisées dans le stockage résidentiel (une maison ou groupe de maisons, une résidence, un quartier) jusqu’au stockage massif sur les réseaux (plusieurs mégawatts-heures). Les batteries peuvent absorber les pics de puissance sur une courte durée et combler très rapidement un déséquilibre inattendu du réseau.

1.4.1.1. Batteries plomb-acide

Les batteries au plomb sont les plus anciens types de stockage électrochimique et sont généralement utilisées dans les véhicules à moteur thermique. Elles sont de grande maturité technologique et sont peu chères. Elles sont constituées d’une cathode en oxyde de plomb (PbO2), d’une anode au plomb (Pb) et d’un électrolyte (acide sulfurique). La tension de pleine charge est d’environ 2.1V par cellule. Au-delà de cette tension, un processus de gazéification de l’électrode en sulfate de plomb se déclenche. A la fin de la décharge, une baisse brusque de tension survient (autour de 1.85V). Elles présentent un réel désavantage, la perte de son électrolyte qu’il faut régulièrement reconstituer à cause d’un problème gazeux. Aujourd’hui grâce à la gélification de l’électrode la batterie est fermée et sans entretien. L’énergie spécifique peut atteindre en théorie 170Wh/kg mais en pratique il est de l’ordre de 40Wh/kg.

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1.4.1.2. Batteries Nickel-Cadmium

La batterie Nickel-Cadmium a été brevetée en 1899. Ses électrodes sont en oxyde de nickel et cadmium et un électrolyte alcalin. C’est une technologie ancienne qui utilise des matériaux polluants. Son énergie spécifique est faible (entre 45 et 85Wh/kg). Des alternatives plus récentes telles que, la batterie nickel-hydrure et nickel-hydrure métallique, commercialisée depuis 1990, lui sont préférables. En effet, elles utilisent des électrodes en oxyhydroxyde de nickel et en hydrure métallique moins polluant que le cadmium ainsi que de la potasse pour électrolyte. Sa tension nominale est de 1.25V environ. Elle est très utilisée dans les véhicules électriques et hybrides. Son énergie spécifique est autour de 60Wh/kg et en décharge profonde elle peut être utilisée au mieux sur 500 cycles. Cette durée de vie peut être doublée si elle n’est déchargée qu’à 30%. Cependant cela peut entrainer une réduction de moitié de son énergie spécifique déjà faible, ce qui confère des caractéristiques médiocres encore dégradées par son fort taux d’auto décharge.

1.4.1.3. Batteries lithium-ion

La batterie lithium-ion est couramment utilisée dans l’électronique embarquée, dans des produits de grande consommation tels que l’ordinateur, les téléphones portables… La première génération est la batterie Lithium-métal, qui utilise du lithium sous forme métallique donc potentiellement explosif au moindre défaut d’étanchéité. Celle utilisée couramment aujourd’hui est la batterie Lithium-ion qui utilise le lithium sous forme ionique et oxydé, diminuant ainsi les problèmes de sécurité et offrant une tension nominale de 3.6 ou 3.7V. Elle est constituée d’une anode en graphite collectant des ions Li+ et d’une cathode dans une forme oxydée du lithium (LiCoO2, LiFeO2, LiMnO2 ou LiFePO4F). Son électrolyte est composé d’un sel de Lithium pour participer aux échanges de l’ion Li+. Cette batterie est plus sécurisée, cependant elle peut présenter des dangers en cas de surcharge. L’énergie spécifique de la batterie Li-ion est d’environ 100 à 250Wh/kg pour une durée de charge et de décharge profonde dépassant le millier de cycles. Elle fait partie des meilleures solutions du marché en termes de performance pour un stockage électrochimique. La résistance interne peu variable entraine une détection de charge et de décharge plus fiable, elle n’utilise pas de composant polluant et propose des prix de plus en plus compétitifs. C’est un des meilleurs choix de stockage, s’il n’y avait pas le risque d’explosion à la surcharge.

1.4.2. Supercondensateurs

Ils sont une alternative aux batteries et existent depuis 20 ans. Ils s’apparentent à des condensateurs de très grande capacité. Ils fonctionnent selon le même principe que la batterie [6]. Un supercondensateur est composé d’un électrolyte séparant deux électrodes conçues dans un matériau poreux, comme le charbon actif afin d’en démultiplier la surface spécifique. Elles sont chacune connectées à un collecteur d’électrons qui se charge de faire transiter ceux-ci de l’un à l’autre dans le circuit électrique, suivant le courant de charge et de décharge. La charge est complète quand l’électrode a atteint son potentiel de dissociation ; la surface des électrodes doit donc être suffisamment vaste pour accueillir suffisamment d’ions pour atteindre cet état et ainsi maximiser la capacité du composant. Selon les composantes chimiques employées dans sa conception, un supercondensateur peut présenter une capacité de quelques farads à quelques milliers de farads [7]. Il peut être caractérisé par les mêmes paramètres qu’une batterie, la tension nominale à pleine charge (de 2.7V si son électrolyte est aqueux ou 1V si c’est de l’acétonitrile), une énergie spécifique du 0,1 à la dizaine de Wh/kg (ce qui est très faible devant celle des

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batteries), une puissance spécifique allant de 1 à 10kW/kg alors que les batteries sont limitées à une centaine de W/kg pour les plomb-acide et autour 300W/kg pour le Li-ion.

Tableau 1.2 : caractéristiques des différentes technologies de supercondensteurs [8]

Dans le tableau ci-dessus, les caractéristiques de différentes technologies de supercondensateurs sont données. A cause de leur faible densité énergétique, les supercondensateurs sont le plus souvent utilisés comme source de puissance. Ils peuvent fournir une forte puissance sur une durée courte (pics de puissance). Leurs applications sont diverses. Ils peuvent être utilisés dans les automobiles avec l’avènement des véhicules hybrides et électriques, dans le transport collectif (aide au démarrage), pour les systèmes de secours en industrie, pour les aéronefs (aide au démarrage).

1.4.3. L’hydrogène

Le stockage massif de l’électricité est l’un des futurs grands enjeux de notre société. A l’heure où notre consommation d’électricité est grandissante, il est important désormais de trouver des solutions adéquates afin de sauvegarder la production non consommée sur le moment en vue d’un usage ultérieur. L’hydrogène peut apporter des solutions pour répondre à cette problématique. L’hydrogène est une ressource illimitée et l’élément le plus abondant de l’univers. On le trouve dans les hydrocarbures et surtout dans l’eau. Sa forte capacité énergétique lui a valu d’être utilisé comme combustible dans les moteurs spatiaux. Pour la comparaison 1 kg d’hydrogène fourni 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence. De plus, il est non polluant, rejetant uniquement de la vapeur d’eau lors de combustion. Aujourd’hui, l’hydrogène apparait comme un gaz essentiel. Avec le développement des applications empruntant le chemin de cette énergie durable (transport, habitat, industrie…), l’hydrogène pourrait devenir un vecteur énergétique incontournable dans le monde. Il est un excellent moyen de stockage de l’excédent d’énergie produit dans les micro-réseaux autonomes ou connectés au réseau de distribution électrique. En effet, le stockage d’électricité par hydrogène est d’une grande flexibilité temporelle et permet de stocker l’énergie sur des durées courtes ou longues, sans autodécharge. De ce fait, il constituerait un moyen essentiel pour résoudre le problème des sources intermittentes telles que le solaire et l’éolien. Il peut être utilisé comme carburant pour véhicules électriques hybrides, dans des applications industrielles, injecté dans le réseau gaz naturel dans une proportion qui reste à préciser ou transformé en un autre vecteur (méthane de synthèse par exemple) en recombinant hydrogène et le CO2. L’électricité, alors transformée en hydrogène ou en méthane de synthèse, peut être transporter/distribuer et stocker via les infrastructures gaz naturel. L’hydrogène peut également être converti en électricité et en chaleur en privilégiant une technique de cogénération performante comme une pile à combustible

Technologie électrodes Charbon

actif

Charbon actif Charbon actif Oxyde de métal

Polymère conducteur

électrolytes aqueux organique solide aqueux organique

Densité d’énergie [Wh/kg] 0.2 à 2 1 à 5 1 à 5 2 à 10 2 à 10

Densité de puissance [kW/kg] 1 à 5 0.2 à 2 0.1 à 0.5 1 à 10 0.1 à 0.5

Tension [V] 0.8 à 1.2 2 à 3 2 à 3 0.8 à 1.2 0.8 à 1.3

Cyclabilité >100000 >100000 > 10000 > 50000 > 10000

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par exemple. Le schéma ci-dessous résume les différents usages possibles de l’hydrogène obtenu par hydrolyse via un réseau électrique multi source à énergie renouvelable (Figure 1.3).

Figure 1.3 : utilisation possible de l’hydrogène produit par électrolyse à l’aide d’un système multi-sources à énergie renouvelable.

A ce jour, les applications de l’hydrogène sont plus ciblées vers la mobilité et l’industrie. A l’échelle du bâtiment, on peut citer le projet GRHYD (2014 – 2018) piloté par ENGIE [9] qui desservit via une boucle de réseau de distribution 200 logements dans la communauté urbaine de Dunkerque avec un mélange gaz naturel/hydrogène dans une proportion variable d’hydrogène entre 20% et 40%. C’est une première desserte en hydrogène pour le logement, depuis le fameux gaz de ville du début du siècle qui contenait déjà une grand part d’hydrogène. Il existe aujourd’hui aussi différents projets de micro-cogénération via des piles à combustibles pour le bâtiment, qui fonctionnent souvent sur réseau gaz naturel (projet ENEFIELD en Europe) [10]. On peut citer aussi les 200000 systèmes de ce type déjà installés chez des particuliers au Japon.

1.4.3.1. Mode de production

L’hydrogène n’existant pas à l’état pur, il peut être produit à partir de réactions chimiques, biochimiques ou biologiques, grâce à des sources d’énergies. Il s’obtient généralement par extraction chimique d’hydrocarbures fossiles. Il peut être également extrait de l’eau via la production biologique par les micro algues [11], par électrolyse [12-13], par réduction chimique ou encore par la chaleur (thermolyse) [14]. L’hydrogène peut aussi être obtenu par conversion de substrat organique en bio hydrogène par divers groupes de bactéries selon des procédés semblables à la digestion anaérobie, par photo fermentation en présence de lumière suffisante ou par fermentation en obscurité aussi appelé « dark fermentation » [15-17] sous l’action de bactéries capables de produire constamment de l’hydrogène à partir de composés organiques de jour comme de nuit.

Injection dans le réseau de gaz naturel (POWER TO GAS) Industrie (POWER TO INDUSTRY) Matière première (POWER TO SYNFUELS) Production d’électricité (Pile à combustible) (POWER TO POWER)

Mobilité (véhicules hybrides)

(POWER TO MOBILITY)

RÉSEAU ÉLECTRIQUE PRODUCTION DEH2PAR ÉLECTROLYSE

DE L’EAU

UTILISATION POSSIBLE DUH2PRODUIT

méthanation H2 CH4 ELECTROLYSE DE L’EAU H2 SOLAIRE ÉOLIENNE CONVENTIONNELLE STOCKAGE RECOMBINAISON AVEC LECO2 SOURCES