GENIE ELECTRIQUE, option énergie RESUME DE PROJET DE FIN D ETUDES

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Jean-Pascal Rancourt
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Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE ELECTRIQUE, option énergie RESUME DE PROJET DE FIN D ETUDES PROJET DE MODELISATION ET D OPTIMISATION TECHNICO- ECONOMIQUE DES SYSTEMES

1 Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE ELECTRIQUE, option énergie RESUME DE PROJET DE FIN D ETUDES PROJET DE MODELISATION ET D OPTIMISATION TECHNICO- ECONOMIQUE DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES HYBRIDES Projet de Fin d Études réalisé par : Thibaud SIMON Pour : CYTHELIA La maison ZEN 350 rue de la Traverse Montagnole Tuteur entreprise : I. LOKHAT Responsable école : N. NGO SEPTEMBRE 2014

2 CONDENSE Dans de nombreux pays peu électrifiés, les communautés et industriels isolés du réseau sont demandeurs de nouvelles solutions pour s affranchir des énergies fossiles. L hybridation des sources d électricité renouvelables et fossiles est donc de plus en plus employée. Complexe et coûteuse à l investissement, elle demande des outils spécifiques pour son étude et son dimensionnement. Ce projet de fin d études a d abord permis de cerner les enjeux techniques et économiques de l hybridation (énergie photovoltaïque, groupes électrogènes diesel, stockage électrochimique) en site isolé du réseau. Par la suite, l analyse des outils logiciels existants a montré le manque d une solution qui prenne en compte les contraintes réelles de fonctionnement. Le projet a donc finalement abouti à la modélisation, l implémentation et la simulation du comportement des principaux produits rencontrés sur le marché. L outil de calcul, crée à cette occasion, permet maintenant d étudier leurs influences sur les résultats technico-économiques d un projet. ABSTRACT In many countries with poor access to power, off-grid villages and industries are asking for fuel-free electricity. As a result, number of hybrid power plants with renewable and non-renewable power-sources is increasing. Because of complexity and investment costs of this kind of project, designing and forecasting are calling for specific tools. This end of studies project has lead to a description of technical and economical criteria of off-grid multi-source (photovoltaic, diesel genset, electrochemical storage) project designing. The following step was comparison-work of existing software. Conclusion of this analyse: none of them take care about real functioning restrictions. The final project s step was existing management system s modelling, implement and simulation. It has lead to a calculation tool able to analyse technical and economical results of hybrid systems for different source management strategies. Thibaud SIMON Génie Electrique INSA de Strasbourg 1/5

En 2012 plus de 40 GW de groupes électrogènes à usage industriel (puissance supérieure à 500kVA) ont été vendus dans le monde. La moitié sera destinée à un usage en site isolé.

3 En 2012 plus de 40 GW de groupes électrogènes à usage industriel (puissance supérieure à 500kVA) ont été vendus dans le monde. La moitié sera destinée à un usage en site isolé. Les pays, communautés et les industriels d Afrique, des îles, d Inde ou encore d Australie sont les principaux demandeurs de ce type de solution. Figure 1: Un groupe électrogène de 800kVA dans une mine d'afrique du Sud. Aux yeux des investisseurs, l électrification grâce à des groupes électrogènes, possède des avantages majeurs : faible investissement (0.5 /kwélectrique), faible complexité, continuité de service. L inconvénient majeur est le coût d exploitation. Avec la montée des prix du pétrole, la facture énergétique peut atteindre 0,25 du kwh électrique et jusqu à 0,7 dans les zones difficile d accès. A l inverse la baisse des coûts liés à l énergie photovoltaïque (de 2009 à 2013 le prix moyen d un module a diminué de 70%) rend son usage de plus en plus compétitif dans ces régions fortement ensoleillées. L usage d une ressource gratuite et disponible partout rend son exploitation très économique. C est pourquoi, de plus en plus, l énergie photovoltaïque est utilisée en site isolé pour des usages à grandes échelles (village, industrie), alors qu elle était autrefois restreinte à l échelle de l habitation. Pour assurer la continuité de service, les groupes électrogènes sont toujours présents. Ces derniers sont épaulés par la production solaire qui contribue à réduire la consommation de carburant. En site isolé, il est nécessaire d assurer une gestion intelligente des sources pour assurer la stabilité du réseau: c est l hybridation. Quels sont les enjeux techniques de l hybridation? L hybridation de plusieurs sources d électricité peut se faire naturellement par leur mise en parallèle. C est ce qui se passe classiquement lorsque des onduleurs photovoltaïques sont connectés sur un réseau supportés par des sources bien plus puissantes (centrales nucléaire par exemple). Ces Thibaud SIMON Génie Electrique INSA de Strasbourg 2/5

4 dernières imposent tension et fréquence que suivent les onduleurs. La même chose peut être réalisée en site isolé avec des groupes électrogènes. La stabilité du réseau dépend alors essentiellement de la puissance des générateurs diesel par rapport à la puissance photovoltaïque installée. L énergie cinétique stockée dans les rotors permet d absorber les variations brusques de la charge et donc de limiter leur influence sur la vitesse de rotation et de préserver la fréquence dans une plage acceptable. Le générateur photovoltaïque quant à lui n a pas d inertie et sa puissance de sortie varie presque aussi rapidement que l éclairement auquel il est soumis. Il en résulte que la puissance photovoltaïque ne doit pas dépasser certaines limites sans quoi les groupes électrogènes ne serait pas capable d absorber les variations du à un passage nuageux par exemple. Pour le réseau, l augmentation de la production PV est assimilable à une diminution de la charge apparente et inversement. Un système de contrôle pour un réseau fiable Pour augmenter la pénétration PV, sans mettre en danger la stabilité du réseau, un système de contrôle commande est nécessaire. Celui-ci permet d optimiser le fonctionnement des sources en fonction de la demande et peu permettre l intégration d un stockage d énergie. Ces systèmes se distinguent par leurs méthodes de gestion des sources et des caractéristiques fréquence/tension du réseau. Un dimensionnement complexe Le dimensionnement d une installation hybride est complexe, d une part par le nombre de composant, d autre part par l intervention des facteurs économiques liés à chaque composant et au site. La stratégie de contrôle a pour rôle d assurer un fonctionnement économique en carburant tout en prenant en compte les contraintes techniques de l installation. Cette stratégie n est pas toujours standard en fonction du système et du besoin. Un outil est donc nécessaire pour déterminer les résultats d un couple stratégie de contrôle/dimensionnement. Les sorties Thibaud SIMON Génie Electrique INSA de Strasbourg 3/5

5 observées sont le coût du kwh, le taux d usure de chaque source ou l écrêtage par exemple. La complexité du système empêche l approche empirique, une démarche d optimisation s impose. simulés dans ce projet. Techniquement, un tel usage des groupes entraînerait leur détérioration rapidement. Groupe 1 Groupe 2 Générateur PV Consommation Quelles solutions logicielles? Des logiciels permettent de réaliser des études d installations multi-sources en site isolé. HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Energy Ressources) est la référence dans ce domaine. Son atout principal est de réaliser une évaluation complète et rapide des résultats d un dimensionnement. Ainsi il permet de comparer rapidement plusieurs dimensionnements. Basé sur une simulation temporelle de l installation il a recours à une méthode d optimisation économique. En effet la gestion des sources est basée uniquement sur les coûts associés à leurs usages respectifs. Ce type d approche est très différent d un système réel d hybridation. L utilisation d HOMER a, par exemple, mené à des comportements techniquement inviables. Le diagramme de la Figure 2 illustre ce propos, les courbes foncées représentent les puissances fournies par les deux groupes électrogènes Figure 2: Résultats de simulation avec HOMER, production GE1 et GE2, production PV, consommation, en fonction du temps. Modélisation et influence de la stratégie de commande En s appuyant sur les informations données par les fabricants de systèmes de contrôle, plusieurs stratégies ont été modélisées et implémentées dans un tableur de calcul. Ici déjà, des différences importantes sont apparues dans les diagrammes de fonctionnement simulés. Elles montrent l importance de la simulation des stratégies de commande pour un dimensionnement donné. A titre d exemple, les diagrammes visibles sur les Figure 3 et Figure 4 présentent le comportement d une installation d hybridation comportant une unité de Thibaud SIMON Génie Electrique INSA de Strasbourg 4/5

stockage, un générateur PV et un générateur diesel. Une stratégie de contrôle différente donne les résultats visibles sur les Figure 5 et Figure 6.

6 stockage, un générateur PV et un générateur diesel. Une stratégie de contrôle différente donne les résultats visibles sur les Figure 5 et Figure 6. Après observation des consommations de carburant la première simulation est plus économique. Mais techniquement un tel usage des groupes et des batteries entraînerait leur détérioration rapidement. Seule la deuxième stratégie est utilisable. Ces observations confirment l intérêt de prendre en compte la stratégie de commande dans le processus de dimensionnement. Le point sur le projet de fin d études Actuellement le marché de l hybridation en réseau isolé est encore balbutiant. Mais l étude des stratégies de commande est une problématique qui touche d autres domaines tels que les micro-grids. Ce projet de fin d études a permis de récolter les informations et les méthodes qui pourront permettre le développement d une solution logicielle plus élaborée. Figure 3: Diagramme de fonctionnement, puissance groupe (kw), par rapport à l'heure de la journée. Figure 4: Diagramme correspondant, énergie disponible dans les batteries. Figure 5: Diagramme de fonctionnement, groupe électrogène, avec nouvelle stratégie de commande. Figure 6: Diagramme correspondant, énergie disponible dans les batteries. Thibaud SIMON Génie Electrique INSA de Strasbourg 5/5

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