Intégration des systèmes à sources renouvelables d'énergie pour la production décentralisée d'électricité en site isolé

Abstract

Dans ce travail, une méthodologie d’optimisation de dimensionnement des systèmes hybrides photovoltaïque/éolien avec batteries de stockage est présentée. Cette méthodologie est basée sur les concepts de la probabilité de perte d’alimentation de la charge (LPSP) comme critère technique et du coût du kilowattheure d’énergie (LCE) comme critère économique. Dans ce contexte, un modèle d’optimisation de dimensionnement du système est développé. Il se compose de trois sous-modèles: un sous modèle relatif aux différents composants du système, un sous modèle technique développé selon le concept de LPSP et un sous modèle économique développé selon le concept du LCE. En appliquant ce modèle, l’ensemble des configurations satisfaisant la charge avec la LPSP désirée est obtenu. La configuration optimale est celle qui présente le coût (LCE) minimale. Trois paramètres de dimensionnement sont introduits dans le processus d’optimisation: la puissance crête du générateur PV, la puissance nominale du générateur éolien et la capacité nominale de stockage des batteries. La méthode proposée est appliquée pour l’analyse d’un système hybride photovoltaïque/éolien utilisée pour l’alimentation d’une charge dans un site isolé en Algérie. Les relations liant la LPSP et le LEC aux configurations du système sont aussi données. Le travail présenté dans cette thèse est organisé en six chapitres: Dans le premier chapitre, après avoir présenté la problématique des systèmes à sources renouvelables, les objectifs à atteindre et la méthodologie suivie dans cette thèse, un état de l’art relatif aux systèmes à sources renouvelables est réalisé. Cette étude bibliographique permet de donner un aperçu sur les travaux effectués pour ce type de systèmes. Le chapitre 2 donne un aperçu général sur la situation énergétique dans le monde et en Algérie en particulier. Après une brève présentation du secteur de la production d’électricité dans le monde, ce chapitre présente le secteur de l’électricité en Algérie, en analysant les sources et les moyens utilisés pour la production d’électricité. Il s’intéresse spécifiquement au secteur des énergies renouvelables. En effet, il présente les principales ressources renouvelables existantes, la politique nationale de développement des énergies renouvelables et les principaux projets des énergies renouvelables réalisés et qui sont en cours. Pour tout système à sources renouvelables, l’estimation du potentiel des ressources énergétiques disponibles sur site représente une étape indispensable et essentielle à la conception d’un système efficace et abordable. Le chapitre 3 présente l’estimation du potentiel des ressources énergétiques solaire et éolienne. La première partie de ce chapitre consiste en l’estimation du potentiel éolien. En effet, une analyse des données de la vitesse moyenne du vent pour plusieurs sites du pays est présentée suivie d’une étude de la représentation de la distribution des vitesses du vent. En dernier lieu, considérée comme un bon indicateur du potentiel éolien disponible, la densité de puissance éolienne est estimée pour ces différents sites. Quant à la deuxième partie de ce chapitre, elle est consacrée à l’estimation du potentiel solaire. A cet effet, dans un premier temps, une analyse des données de l’irradiation solaire globale horizontale est présentée pour plusieurs sites de l’Algérie. Dans un deuxième temps, comme les modules PV sont généralement inclinés par rapport à l’horizontale, l’estimation de l’irradiation solaire globale sur un plan incliné est effectuée. La modélisation du système étudié est établie dans le chapitre 4. Le modèle de simulation, développé dans cette thèse, est composé de plusieurs sous modèles décrivant les différents éléments du système. Pour la partie photovoltaïque, deux modèles de simulation de la caractéristique courant tension (I-V) des modules PV sont présentés dans un premier temps. Puis dans un second temps, la puissance maximale de sortie, paramètre d’intérêt dans les applications pratiques, est étudiée. A cet effet, différents modèles sont présentés pour l’estimation de ce paramètre. Enfin, cette partie se conclut sur la présentation de son modèle thermique. La deuxième partie de ce chapitre présente, d’une part, les différents modèles utilisés pour l’estimation de la puissance produite par les éoliennes et, d’autre part, l’étude de l’adéquation de ces modèles avec les données des constructeurs. La troisième partie de ce chapitre est consacrée à la modélisation du convertisseur. Quant à la modélisation de la batterie de stockage, elle est présentée dans la quatrième partie de ce chapitre. Basé sur une approche énergétique, le modèle établi pour les batteries, dans cette étude, permet de simuler le comportement de la batterie au sein du système hybride PV/éolien et d’estimer sa capacité de stockage. Dans la dernière partie de ce chapitre, est présenté le modèle du groupe électrogène qui peut être utilisé comme source auxiliaire d’énergie. Ce modèle permet d’estimer la consommation en gasoil du groupe en fonction de la puissance produite. Cependant, le chapitre 5 présente la méthodologie proposée dans cette étude pour l’optimisation de dimensionnement du système étudié. Cette approche est décrite par deux modèles; le modèle de la fiabilité de l’alimentation en énergie développé selon le concept technique de la LPSP et le modèle économique basé sur le concept du LCE. L’ensemble de ces deux modèles permet enfin de déterminer la configuration optimale, qui présente le coût minimal, pour une valeur de LPSP désirée. Trois paramètres de dimensionnement sont introduits dans le processus d’optimisation: la puissance crête du générateur PV, la puissance nominale du générateur éolien et la capacité nominale de stockage des batteries. Dans le sixième chapitre, l’ensemble des résultats de simulation obtenus au cours de cette étude est présenté. Ces résultats sont issus de l’application de la méthodologie proposée pour l’optimisation du système hybride utilisé pour satisfaire les besoins en énergie d’une charge donnée. Dans un premier temps, les résultats sont présentés pour les systèmes PV/éolien/batteries de stockage. Ils concernent, d’une part, les relations entre les paramètres de dimensionnement, la fiabilité de l’alimentation en énergie et le coût du kilowattheure d’énergie et, d’autre part, l’impact des différents facteurs tels que le potentiel énergétique disponible, la charge et la fiabilité sur la taille du système et sur le coût du kilowattheure d’énergie. Dans un deuxième temps, les résultats relatifs aux systèmes hybrides PV/éolien/batteries de stockage/groupe électrogène sont présentés. Ces résultats concernent principalement les caractéristiques de fonctionnement du groupe et le coût du kWh d’énergie. Enfin, la dernière partie de ce document présente les conclusions de ce travail et les perspectives de développement futur.