THESE DE DOCTORAT d'etat. Présentée par. Hassan NFAOUI

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1 UNIVERSITÉ MOHAMMED V AGDAL FACULTÉ DES SCIENCES Services des affaires estudiantines Rabat N d ordre 8 Discipline : Physique Spécialité : Energétique Titre : THESE DE DOCTORAT d'etat Présentée par Hassan NFAOUI CARACTERISTIQUES DU GISEMENT EOLIEN MAROCAIN et OPTIMISATION D'UN SYSTEME AEROGENERATEUR/GROUPE ELECTROGENE POUR L'ELECTRIFICATION DES VILLAGES ISOLÉS Soutenue le 3 Décembre Devant le jury : Président : D. SAYAH Professeur à la Faculté des Sciences, Rabat Examinateurs H. ESSIARAB Professeur à la Faculté des Sciences, Rabat A. SAYIGH Professeur à l Université de Reading, UK M.A. TAOUD Professeur à l Ecole Mohammadia d Ingénieurs M. EL KHAMLICHI Professeur à la Faculté des Sciences, Rabat F. BILLAL Directeur Scientifique à ISESCO, Rabat Faculté des Sciences, Avenue Ibn Battouta B.P. RP, Rabat Maroc Tel + () /35/38, Fax : + () ,

2 R E M E R C I E M E N T S Ce travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Laboratoire d Energie Solaire de la Faculté des Sciences de Rabat en collaboration avec le Département d Ingénierie de l Université de Reading (UK). Je voudrais tout d abord rendre hommage à Madame Jamila BAHRAOUI- BURET, professeur à la faculté des Sciences de Rabat, fondatrice du Laboratoire d Energie Solaire, pour sa contribution à la réalisation de ce travail. Elle m a encadré aussi pour le Diplôme d Etudes Supérieures de 3 ème cycles sur le rayonnement solaire, je dois dire que j ai beaucoup appris d elle, grâce à sa méthodologie et sa compétence. Son coté humain et son esprit critique ont contribué d une façon considérable à ma formation. M. Hassan ESSIARAB, professeur à la faculté des Sciences de Rabat, a contribué à l encadrement de ce travail. Il m a continuellement apporté son soutien et m a fait bénéficier de ses remarques constructives. Je suis très heureux de lui exprimer toute ma reconnaissance pour la confiance qu elle m a accordée afin de mener à terme ce travail. Je tiens à exprimer ma reconnaissance à M. Ali SAYIGH, professeur à l Ecole d Ingénieurs, Université de Hertfordshire (UK), Director General of World Renewable Energy Network (WREN) et Editor-in Chief of Renrwable Energy Journal pour la direction de ce travail malgré ses nombreuses responsabilités. Je tiens à l assurer de toute ma reconnaissance pour son soutien académique et humain continu. C est grâce à son encouragement, j ai assisté aux 8 World Renewable Energy Congress (WREC), ce qui m a permis d avoir des contacts et des discussions fructueux avec d autres chercheurs et utilisateurs des énergies renouvelables à l échelle internationale. Je suis très sensible à l honneur que me fait Monsieur le professeur Driss SAYAH, Responsable du Laboratoire de Physique de Solide des Matériaux, Faculté des Sciences de Rabat, en présidant le jury.

3 Je remercie chaleureusement Monsieur Mohammed Ali TAOUD, professeur à l Ecole Mohammedia des Ingénieurs de Rabat, pour l intérêt qu il a apporté à mon travail, et l honneur qu il me fait en présidant le jury. Je suis très reconnaissant à messieurs au professeur Mohammed EL KHAMLICHI de la Facultés de Sciences de Rabat, au Dr Faiq BILLAL, directeur scientifique à l Organisation Islamiques de l Education, des Sciences et de la Coopération (ISESCO) pour l intérêt qu ils ont porté à mon travail et l honneur qu ils m ont fait de participer au jury de ma thèse. Grâce aux bourses du gouvernement britannique et aux encouragements de British Council à Rabat, J ai pu poursuivre mes études de recherches à l Université de Reading (UK) et perfectionner mon anglais, prière de trouver ici mes remerciements Mes stages à l Université de Reading, Département d Ingénierie (UK), sous la direction du Prof. Ali Sayigh, m ont permis d avancer mon travail de recherche sur l énergie éolienne et de réaliser une modélisation par ordinateur d un système hybride Aérogénérateur/Groupe Electrogène pour l électrification rurale. Mes discussions avec Prof. P.D. DUNN, chef de Département d Ingénierie, Prof. P. MUSGROVE, découvreur de l aérogénérateur à axe vertical, Dr A.S.K. DARWISH et Dr A. BULLOCK, membres de Energy Group du même département, ont été profitable. Pour finir, je tiens à adresser mes vifs remerciements à la Direction du Service de la Météorologie Nationale ainsi qu au Service de Climatologie de Casa -Anfa, pour avoir mis à ma disposition, les mesures de la vitesse et de la direction du vent. Enfin, il m est agréable de remercier Hafid BOUTALEB-JOUTEI, Président de l Université Mohammed V-Agdal et professeur à la faculté des Sciences de Rabat du soutien moral et financier qui sont très bénéfiques pour l aboutissement de ce travail.

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5 S O M M A I R E INTRODUCTION GENERALE... Pages CHAPITRE I : SITUATION ENERGETIQUE, GISEMENT EOLIEN ET BESOINS ENERGETIQUES DANS LES COMMUNAUTES RURALES AU MAROC..... Introduction..... I-A Contexte générale I-A. Energie une matière première vitale I-A. Perspectives mondiales de l énergie....3 I-A.3 Energie et développement économique...6 I-A. Energie et environnement I-B Situation énergétique du Maroc I-B. Introduction I-B. Aspects économiques I-B.. Indicateurs économiques du secteur I-B... Balance, consommation et dépendance énergétiques I-B... Secteur pétrolier...3 I-B...3 Secteur gaz naturel..3 I-B... Secteur électrique I-B...5 facture énergétique nationale..35 I-B.3 Aspects écologiques I-B.3. Ressources naturelles..36 I-B.3. Impact des changements climatiques 36 I-B.3.3 Bilan général des émissions des Gaz à Effet de Serre..38 I-B.3. Déforestation I-B. Aspects sociaux..39 I-B.. Développement inégal en milieu rural et urbain 39 I-B.. Milieu rural. I-B.5 Conclusion.. I-C Energie éolienne au Maroc..... I-C. Introduction..... I-C. Données du vent disponibles... I-C.3 Données solaires disponibles....7 I-C. Complémentarité entre les énergies éolienne et solaire disponibles

6 dans les régions les plus venteuses...8 I-C.5 Application de l'énergie éolienne. 5 I-C.5. Pompage d'eau.53 I-C.5. Génération d'électricité I-C.5.. Projets de démonstration réalisés par le Centre de Développement des Energies Renouvelables...5 I-C.5.. Travaux de recherche sur les éoliennes...56 I-C.5..3 Parcs éoliens I-C.5.. Installations privées I-C.6 Conclusion.. 57 I-D Besoins énergétiques dans les communautés rurales au Maroc I-D. Introduction I-D. Situation actuelle de l'électrification rurale I-D.. Nombre total de villages I.D.. Electrification par extension du réseau électrique national.59 I-D..3 Electrification par Groupes Electrogènes.6 I.D.. Electrification par les énergies renouvelables..6 I-D..5 Eclairage traditionnel I-D.3 Identification des usages de l'énergie et des besoins énergétiques en milieu rural....6 I-D.3. Equipements traditionnels : un budget au service de l'éclairage et de l'audiovisuel....6 I-D.3. Applications et équipements....6 I-D.3.. Usages domestiques I-D.3.. Usages publics..66 I-D.3.3 Etude du cas du village Tirga-Ait Ouakki.66 I-D. Solutions pour l'électrification en milieu rural..69 I-D.. Electrification conventionnelle I-D.. Contraintes économiques et techniques de l'électrification rurale I-D...Dispersion de la population et coût des raccordements I-D... Demande rurale et coût de fonctionnement des réseaux I-D...3 Faisabilité globale....7 I-D..3 Tarification et taxes...7 I-D..3. Produits pétroliers 76 I-D..3. Gaz naturel I-D..3.3 Electricité..78 I-D..3. Nécessité de trouver des solutions novatrices 8 5

7 I-D.. Electrification décentralisée 8 I-D.5 Investissement dans le secteur énergétique I-D.6 Conclusion Conclusion CHAPITRE II : CARACTERISTIQUES DU POTENTIEL EOLIEN DU SITE DE TANGER Introduction II. Etude statistique de la vitesse du vent II.. Introduction II.. Moyenne et maxima de la vitesse du vent... 9 II..3 Variations saisonnières et annuelles II.. Variations interannuelles...95 II..5 Variations quotidiennes. 97 II..6 Distribution des fréquences..98 II..6. Répartitions des vitesses horaires.98 II..6. Fréquence cumulée des vitesses horaires.99 II..7 Conclusion... II. Traitement statistique de la direction du vent. II.. Introduction.. II.. Distribution de la vitesse du vent suivant les 8 directions principales du vent...3 II..3 Roses des vents pour le site de Tanger..3 II.. Conclusion 6 II.3 Modélisation mathématique des distributions des fréquences de la vitesse du vent II.3. Introduction...7 II.3. Loi de Weibull 7 II.3.3 Détermination des paramètres de Weibull 9 II.3. - Loi de Weibull Hybride... II.3.5 Energie éolienne disponible 9 II.3.6 Profil vertical du vent par rapport au sol... II.3.7 Conclusion...5 II. Influence du pas et du nombre d années de mesures sur l estimation du potentiel éolien II.. Introduction...6 II.. Influence de la fréquence des mesures sur le calcul des 6

8 moyennes mensuelles de la vitesse du vent....6 II..3 Influence du nombre d années de mesures sur la vitesse du vent..3 II.. Validation des résultats obtenus 3 II... Variations mensuelles de la vitesse du vent.3 II... Fréquences cumulées 35 II...3 Répartition des vitesses horaires 36 II... Distribution de Weibull hybride.38 II..5 Conclusion...39 II.5 Modélisation stochastique de la vitesse du vent... II.5. introduction... II.5. Revue bibliographique. Partie A : Modélisation par un modèle auto-régressif... II.5.A. Introduction... II.5.A. Construction d'une variable stationnaire à distribution gaussienne...3 II.5.A.. - Transformation gaussienne.. 3 II.5.A.. Nécessité d'une variable aléatoire stationnaire.. II.5.A..3 Elimination de la variation saisonnière.. 5 II.5.A.. Elimination de la variation journalière...5 II.5.A..5 Examen de la stationnarité..5 II.5.A..6 Examen de la normalité..5 II.5.A..8 Fonctions d'auto corrélation mois par mois...56 II.5.A.3 Méthodologie II.5.A.3. Rappel sur le modèle Auto-Régressif AR(p) 59 II.5.A.3. Identification du modèle...59 II.5.A.3.3 Détermination de l'ordre du modèle...6 II.5.A.3. Estimation des paramètres du modèle...6 II.5.A.3.5 Test du modèle.65 II.5.A. Application du modèle obtenu pour générer une année de référence pour le site de Tanger...66 II.5.A.. Calcul et comparaison des fonctions d'autocorrélation (fac) réelles et simulées II.5.A.. Acceptation du modèle Auto Régressif d ordre (AR())...67 II.5.A..3 Validation du modèle II.5.A.. Détermination de l'année type...75 II.5.A.5 Conclusion 75 Partie B : Simulation par le modèle markovien...76 II.5.B. Introduction

9 II.5.B. Modèle de la chaîne de Markov pour la vitesse du vent.76 II.5.B.3 Analyse des moyennes horaires de la vitesse du vent...78 II.5.B. Interprétation des résultats..8 II.5.B.5 Discussion de la matrices de transition...8 II.5.B.6. Génération synthétique des Moyennes Horaires de la Vitesse du vent..8 II.5.B.6. Choix d une nouvelle variable...8 II.5.B.6. Ajustement des densités de probabilités par des fonctions.8 II.5.B.6.3 Formulation de la procédure de simulation d une séquence synthétique..83 II.5.B.7 Préservation des caractéristiques statistiques par le modèle...8 II.5.B.7. Moyenne, variance, matrices des probabilités de transition et histogramme..85 II.5.B.7. Densité spectrale (S) d énergie et auto corrélation 86 II.5.B.7.3 Probabilité de persistance 88 II.5.B.8 Conclusion 9 II.5. Conclusion..9 Conclusion.. 9 CHAPITRE III : INTEGRATION DE L ENERGIE EOLIENNE DANS L ELECTRIFICATION DES VILLAGES ISOLES...93 Introduction...9 III. Système hybride Aérogénérateur/Groupe électrogène. 9 III. Hypothèses pour la modélisation 95 III.. Données éoliennes..95 III.. Demande d énergie 97 III..3 Taille de l aéromoteur et puissance nominale 98 III.. Groupe électrogène (GEG). III..5 Taille et types des batteries. III.3 Traitement informatique du modèle et résultats III.3. Données d entrées.. 5 III.3. Composantes du système..6 III.3.3 Calcul économique.6 III.3. Résultats de l'optimisation du système 9 III.3.. Effet de la vitesse nominale de vent (V n /V m )...9 III.3.. Effet des batteries..... III.3..3 Effet de la stratégie de contrôle

10 Conclusion.. CHAPITRE IV : OPTION DE L ENERGIE EOLIENNE AU MAROC.3 Introduction... IV. Localisation des zones les plus venteux. IV. Evaluation quantitative de la puissance éolienne exploitable dans les sites retenus. IV.3 Aérogénérateurs... IV.3. Aérogénérateurs à axe horizontal. IV.3. Aérogénérateurs à axe vertical. IV. Technologies éoliennes disponibles..5 IV.. Tailles des aérogénérateurs...6 IV.. Facteur de capacité 6 IV.5 Capacité de puissance éolienne installée à travers le monde...6 IV.5. Vent : % de la consommation en électricité vers...8 IV.5. Investissement, coût et création d'emplois IV.5.. Investissement....9 IV.5.. Coût IV.5..3 Création d'emplois...3 IV.5.3 Bénéfices environnementales des % IV.6 Energie produite par un aérogénérateur..3 IV.7 Dimensionnement d'une centrale électrique éolienne..3 IV.7. Dimensionnement d'un parc éolien..33 V.7.. Caractéristiques de l'aérogénérateur 33 IV.7.. Caractéristiques du réseau électrique 33 a. Connexion Aérogénérateur/Réseau électrique national...3 b. Connexion Aérogénérateur/Groupe électrogène..35 IV.7..3 Caractéristiques du vent.37 IV.7. Projets de parcs éoliens dans les sites retenus..39 IV.7.3 Analyse économique.. IV.7.3. Coût d'installation IV Coût d'exploitation. IV Prix de vente... IV.7.3. Taux d'intérêt... IV Délais d'emprunt.. 9

11 IV Taux d'inflation... IV.8 Résultats de l'analyse de la rentabilité économique... Conclusion..8 CONCLUSION GENERALE.5 BIBLIOGRAPHIE 5 A N N E X E S A : DISTRIBUTIONS DE LA VITESSE DU VENT MESURE DES SITES VENTEUX AU MAROC B : CARACTERISTIQUES DE L AEROGENERATEUR..67 B. Puissance maximale récupérable par un aéromoteur..68 B. Action du vent sur les pales...68 B.3 Paramètres de fonctionnement et Performance d un aéromoteur..69 B. Profil de la puissance d'un aéromoteur...7 B.5 Calcul du coefficient effectif de la puissance C : DONNEES TECHNIQUES DES AEROGENERATEURS 5 et 5 kw..73 D : PRESENTATION DES OUTILS DE CALCUL DE LA RENTABILITE ECONOMIQUE D UN PROJET...79 D. Investissements D.. Investissements en limites des unités de production..8 D.. Frais de location ou d'achat du terrain..8 D..3 Fonds de roulement.8 D. Charges fixes..8 D.. Amortissements 8 D.. Intérêt des emprunts...8 D..3 Entretien (maintenance)...8 D.. Taxes et assurances.8

12 D.3 Main d œuvre 83 D. Etude de la rentabilité économique d un projet...83 D.. Critères économiques...83 D.. Méthode du POT ou du temps de remboursement simplifié D..3 Méthodes reposant sur l actualisation des revenus..85 E : Estimation of daily and monthly direct, diffuse and global solar radiation in Rabat...9 Renewable Energy, Vol.3, No.8, pp.93-93, 993 F : STOCHASTIC SIMULATION OF HOURLY AVERAGE WIND SPEED SEQUENCES IN TANGIERS (MOROCCO).99 Solar Energy Vol.56, No.3, pp.-3, 996 G : COST OF ELECTRICITY GENERATED AND FUEL SAVING OF AN OPTIMIZED WIND-DIESEL ELECTRICITY SUPPLY FOR VILLAGE IN TANGIERS-AREA (MOROCCO)...3 Proc. th World Renewable Energy Congress, 6 Juin 996 Denver, Colorado.(USA) H : WIND CHARACTERISTICS AND WIND ENERGY POTENTIAL IN MOROCCO...3 Solar Energy, Vol.63, No., pp.5-6, 998 I : A stochastic Markov chain model for simulating wind speed times series at Tangiers, Morocco...33 Renewable Energy, 9() 7-8 J : WIND ENERGY AND ITS ECONOMY IN SOUTH OF MOROCCO...33 Proc. 8 th World Renewable Energy Congress, 8 Août 3 Septembre Denver, Colorado.(USA)

13 INTRODUCTION GENERALE Electrification des zones isolées Le Maroc compte en 996, plus de 85 % des villageois qui n'ont pas accès à l'alimentation en électricité. Cependant, l'électrification rurale s'est accélérée sensiblement depuis 98, date de lancement de la première phase du Programme National d'electrification Rural (PNER) qui a permis d'électrifier, sur la période , 86 centres ruraux soit une moyenne de 5 centres par an. Après 99, environ 8 localités rurales ont été électrifiées par le réseau interconnecté. La deuxième phase du programme PNER, entamée en 99, a visé l'électrification de foyers à l'horizon. Cependant, avec l'accumulation des retards, le rythme d'électrification rurale n'a pas dépassé 5 villages par an durant la période Mais grâce au Programme d Electrification Rurale Globale (PERG) initié en 995, le taux d électrification a augmenté de % en 996 à 55 % en. Concernant les énergies renouvelables, 3 villages ( 5 foyers) ont été électrifiés entre 99 et 99 en énergie solaire. Mais pour les groupes électrogènes (GEG), 5 centres ruraux ( % des localités rurales) sont auto - électrifiées en 99. Le prix de l'électricité générée par l'utilisation des GEG est plus élevé que celui obtenu à partir du réseau électrique national. Ceci est dû en partie à l'isolement des sites qui tend à faire augmenter le coût du transport du fuel, mais aussi parce que les GEG fonctionnent généralement à des puissances inférieures à leurs puissances nominales. Pour plusieurs villages isolés, la problématique de la réduction du coût d'électricité est résolue par la limitation d'approvisionnement en électricité à quelques heures par jour, le soir. Le but de ce travail est de contribuer à l étude des caractéristiques du gisement éolien marocain avec une étude spécifique du site de Tanger ainsi que la faisabilité technique et économique de fournir une alimentation en électricité continue par intégration de l'énergie éolienne (kits éoliens et systèmes hybrides), c'est à dire heures par jour pour une communauté isolée située dans une zone venteuse ou de produire de l électricité par l installation de parcs d éoliens, ce qui participe à l indépendance énergétique du Maroc.

14 Sources d'énergie pour les communautés isolées Il y a plusieurs méthodes d'exploitation des ressources d'énergie disponibles pour alimenter des consommateurs potentiels en électricité. Cependant, pour les villages isolés en particulier, le choix est généralement limité par les faibles consommations d'énergie des foyers et l'emplacement géographique. Ainsi, pour des considérations économiques, les avantages et les inconvénients des diverses ressources d'énergie disponibles seront discutées par la suite, afin d'identifier l'option la plus prometteuse pour les communautés isolées marocaines.. Connexion au réseau électrique national L'extension du réseau électrique national à l'ensemble du pays est la solution la plus souhaitable tant les avantages sont multiples : continuité, extensibilité, réponse rapide à une augmentation de la demande, etc. Cependant le coût de raccordement est une variable du nombre de foyers par Kilomètre de ligne électrique. Dans le cas d'une petite communauté dispersée le coût sera plus élevé que pour une large communauté.. Microcentrales hydroélectriques Les microcentrales hydroélectriques sont une autre méthode de génération d'électricité à coût réduit, mais les sites appropriés pour ce type d'électrification sont très rares. La génération d'électricité par microcentrales hydroélectriques peut être rentable particulièrement pour les sites isolés, si une topographie appropriée peut être trouvée. Pour des besoins réduits, c'est à dire quelques foyers, l'eau peut être détournée d'une rivière pour faire fonctionner une micro - centrale plutôt que de construire un barrage coûteux..3 Moteurs à combustible Les moteurs à combustible fonctionnant soient au fuel, au pétrole, au gasoil, au gaz, au biogaz, à l alcool ou même à certaines huiles végétales. Ils ont été développés durant plusieurs années. Le choix d'un combustible particulier dépend principalement du lieu d'installation de la centrale électrique, puisque celui-ci va déterminer le coût et la disponibilité du combustible utilisé. 3

15 Le moteur à compression, et plus précisement, le groupe électrogène (GEG), a été utilisé durant plusieurs années dans des domaines variés, principalement pour le transport, mais aussi pour la génération d'électricité de réserve (au cas où le réseau électrique tombe en panne) ou pour l'électrification isolée. Pour la génération d'électricité, la taille typique du GEG varie de quelques kilowatts pour un foyer, à plusieurs mégawatts pour les réseaux locaux de taille moyenne. Pour l'électrification locale, la génération d'électricité par les groupes électrogènes (GEG) possède de nombreux avantages. Le moteur peut démarrer rapidement, s'il y a une demande d'énergie urgente, et la vitesse de régulation est correcte et stable : la vitesse chute à peu prés de 3 ou % entre le fonctionnement sans charge et celui de pleine charge. Le fuel peut être stocké indéfiniment et avec plus de sécurité que le pétrole. L'inconvénient des groupes électrogènes (GEG) est le coût de fonctionnement, qui a tendance à être excessif à cause principalement du fuel. Ce dernier est raffiné à partir du pétrole brut dont le prix a considérablement augmenté durant les dernières années. En 973, la guerre au Moyen Orient a eu pour résultat la hausse du prix du baril de pétrole de à Dollars ($). Bien que le prix du pétrole ait chuté durant les dernières années, il est prévu que la tendance des prix sera à l'augmentation puisque les réserves en combustibles diminuent.. Energies renouvelables L'énergie solaire peut être utilisée de plusieurs façons et prend plusieurs formes indirectes. Les réserves mondiales totales de combustibles fossiles sont à peu prés équivalentes à une semaine d'irradiation solaire, et approximativement % du rayonnement solaire incident sur la surface terrestre qui se convertit en énergie éolienne [5]. Les combustibles fossiles, tels que le charbon, le pétrole et le gaz ont effectivement emmagasiné l'énergie solaire pour plusieurs millions d'années. Le Maroc dispose d'une insolation assez importante ce qui rend l'électrification par l'option solaire des communautés isolées possibles malgré le prix non encore compétitif des cellules photovoltaïques. L'énergie éolienne est considérée aujourd'hui comme la source la plus prometteuse des énergies renouvelables. Dans les sites où la force du vent est élevée, l'énergie éolienne peut fournir de l'électricité moins chère que le charbon ou le

16 nucléaire. A l échelle nationale, quelques décisions ont été prises pour exploiter l'énergie éolienne, allant de l'utilisation des aérogénérateurs individuels ou intégrés au Panneaux photovoltaïque/groupe électrogène à la construction de parcs éoliens. Avec l'arrivée d'autres opérateurs que l'office National d'electricité sur le marché de la production de l'électricité, il est possible de prévoir la construction d'un grand nombre de parcs éoliens à travers le Maroc. Pour plusieurs communautés isolées au Maroc utilisant actuellement les groupes électrogènes (GEG) pour s'approvisionner en électricité et disposant d'une vitesse du vent moyenne annuelle dépassant 5 m/s, le vent peut devenir une ressource d'énergie abondante : l'énergie éolienne est une solution appropriée pour l'électrification des communautés isolées situées dans ces régions mais un certain nombre de problèmes techniques et économiques restent à résoudre avant que ces régions puissent bénéficier d'une telle énergie. 3 Energie éolienne L'homme a exploité l'énergie éolienne depuis la navigation à voile jusqu'à la génération d'électricité par les aérogénérateurs. Les anciennes utilisations des énergies éoliennes, de type voile à toile, trouvent leur origine en Perse, en Chine et en Méditerranée. Elles sont utilisées pour drainer, scier le bois et moudre les grains, mais la commodité et l'efficacité des moteurs à vapeur et plus récemment les moteurs à combustible marquent la fin des éoliennes traditionnelles. Vers les années cinquante, dans le cadre des programmes des énergies alternatives, l'exploitation de l'énergie éolienne a été encouragée, mais l'intérêt porté à ce type d'énergie s'est affaibli à cause de la chute du prix du pétrole et du prix prometteur de l'énergie nucléaire. C'est à partir de 977, suite à la crise du pétrole en 973 due à la guerre au Moyen Orient, que la construction des parcs d éoliens a connu un développement rapide et continu. Grandes lignes de la thèse Ce travail s'inscrit dans le cadre de la valorisation et l'utilisation des énergies renouvelables, en particulier l'énergie éolienne au Maroc qui tend à être considérée comme une pièce maîtresse pour répondre aux besoins immédiats des populations rurales et contribuer à l indépendance énergétique et au développement économique. 5

17 Cette étude s'est, avérée d'une part, nécessaire pour le Maroc, qui est dépourvu de ressources pétrolières et qui importe actuellement une bonne partie de son approvisionnement en énergie. L'exploitation de l'énergie éolienne peut donc constituer un moyen de diversification des sources d'énergie. D'autre part, sachant qu'il existe une grande variété de systèmes de conversion éolienne, il est nécessaire de bien étudier les caractéristiques du gisement éolien marocain afin d'y adapter les systèmes : choisir le type de convertisseur le mieux adapté au site, dimensionner le système et évaluer ses performances. Ceci est d'autant plus important que la source - vent est différente des sources classiques d'énergie. Lorsqu'on utilise l'énergie éolienne, il n'y a pas de consommation de matière mais seulement utilisation d'un flux d'énergie dont les caractéristiques essentielles sont ses variabilités quotidienne et saisonnière, aux ses effets prévisibles et calculables, alors que ses variations d'origine climatiques sont complètement aléatoires. L'un des objectifs de ce travail est de montrer que le coût de génération du kwh pour électrifier les villages isolés et situés dans des zones venteuses telle que la région de Tanger, peut être significativement réduit par l'intégration des aérogénérateurs aux groupes électrogènes (GEG) avec ou sans stockage pour au moins assurer la continuité d'approvisionnement en électricité, mais en espérant améliorer sa qualité. Ce mémoire contient une description détaillée d'un modèle informatique d'un système hybride Aérogénérateur/Groupe électrogène avec stockage à court et moyen terme pour calculer le combustible consommé, et cela pour une vaste gamme de données. Il est possible de déterminer les effets de la combinaison de plusieurs paramètres, principalement à travers les données du vent et la demande en électricité. Les deux entrées principales du programme informatique considéré sont la source d'énergie principale, soit le vent, et la raison de la génération d'électricité, soit la demande. Nous nous sommes limités aux moyennes horaires de la vitesse du vent mesurées de 978 à 989 à l'aéroport de Tanger et aux puissances électriques horaires moyennes mesurées durant deux journées, l'une représentant l'été et l'autre représentant l'hiver pour le village Tirga-Ait Oukki (province d'errachidia) comptant 6 foyers électrifiés dans le cadre du Programme Pilote d Electrification Rural (PPER), et cela à cause du manque de données pour des fréquences élevées de mesure (un pas de mesure de à secondes) avec une grande variation des caractéristiques pour ces deux entrées. 6

18 Dans le premier chapitre, après un aperçu sur l'évolution de la situation énergétique au Maroc depuis 98, une étude bibliographique concernant ce qui a été fait au niveau de l'évolution et l'exploitation des énergies renouvelables, plus particulièrement, l'énergie éolienne au Maroc a été faite. L'un des volets de ce travail consiste à comparer les potentiels solaire et éolien pour 7 stations météorologiques où les mesures du vent sont fiables. Ce qui permet d'identifier des sites venteux et/ou bien des sites où il y a complémentarité entre des potentiels solaire et éolien. Ensuite, après une étude bibliographique sur les besoins énergétiques dans les communautés rurales, les efforts d'électrification rurale entrepris au Maroc et les solutions possibles, nous montrerons la possibilité d'intégrer l'énergie éolienne pour la production d'électricité de puissance par parcs éoliens ou pour l'électrification décentralisée des villages dont l'extension au réseau électrique national est coûteuse. Le deuxième chapitre traitera ensuite les caractéristiques du gisement éolien marocain avec une étude spécifique pour le site de Tanger. Le choix de cette zone venteuse est consécutif au fait que pour ce site, nous disposons d'une longue série des moyennes horaires de la vitesse du vent (MHVV) s'étalant de 987 à 989 (échantillon de 5 données) et deux années de données horaires pour la direction du vent ( ) relevées dans la station météorologique de Tanger par la Direction de la Météorologie Nationale (DMN). Le traitement des données et la présentation des résultats dépendent de la nature et du nombre de mesures disponibles ainsi que du système de conversion choisi. C'est pour cela que nous nous sommes efforcés de présenter un grand choix des données, afin de répondre aux besoins des utilisateurs. Après une première réduction du volume important des données par des traitements statistiques, celles-ci sont compactées sans perte significative d'informations qu elles contiennent par l'adaptation des modèles statistiques aux distributions fréquentielles de la vitesse du vent. Cette méthode a l'avantage de représenter les données observées par un nombre de paramètres limités. Une troisième représentation des données déduite de l'étude de l'influence du pas et du nombre d'années de mesures sur l'estimation du potentiel éolien présente l'avantage de limiter la série de mesures sans perte des caractéristiques statistiques de la série originale. Le dimensionnement d'un système éolien basé uniquement sur une analyse statistique non temporelle des moyennes horaires de la vitesse du vent (MHVV) est 7

19 insuffisant car les fluctuations aléatoires de la vitesse du vent au cours du temps contraignent le système à fonctionner en régime permanent, de plus la mémoire de ces fluctuations influence grandement le dimensionnement optimal du système. L'étude du comportement dynamique d'un système éolien exige donc que l'on prenne en compte les corrélations avec le temps. Cette étude peut être faite grâce aux modèles dynamiques qui ont l'avantage de générer des séries de valeurs probables à un pas de temps défini, en un site donné, avec les mêmes caractéristiques dynamiques de la série réelle. II suffit donc de quelques paramètres pour générer toute une série de données dont l'optimisation nous produit une année de référence de la vitesse du vent. Nous présentons dans cette partie deux approches de modélisation, une par l utilisation de modèles auto régressifs de type AR(p), où p est l ordre du modèle, l autre par l utilisation d une modélisation probabiliste en chaîne de Markov. L'avantage de la modélisation par ordinateur pour l'évaluation et la comparaison rapide de différents systèmes hybrides est de faciliter la collecte des données de base sur les caractéristiques de fonctionnement de l'aérogénérateur, le groupe électrogène (GEG), les batteries et l'onduleur. Certaines de ces informations seront présentées dans ce chapitre, sous forme d'étude préliminaire de chaque composante du système, ainsi que les données particulières et les hypothèses qui vont être utilisées dans le modèle ultérieurement. Pour les caractéristiques de l'aérogénérateur, notre choix s'est porté sur celui d'un aérogénérateur à axe horizontal à vitesse de rotation constante qui a l'avantage de pouvoir être relié au réseau électrique national en cas d'électrification du village considéré. Dû à la spécificité de la demande en énergie de la communauté considérée et dans le but de généraliser l'application des résultats de cette modélisation, nous avons utiliser un ensemble harmonieux d'entrées généralisées au programme informatique afin de permettre une comparaison directe des performances de différents systèmes. Pour la généralisation des résultats, on les calcule par kw de demande moyenne en normalisant la demande plutôt que de se baser sur le type et la taille particulière du village considéré. Les paramètres d'entrées sont aussi exprimés de la même manière : la taille de l'aérogenérateur est présentée en terme de surface balayée (m ) ou de la puissance nominale (kw) par kw de demande moyenne où les effets de l'échelle vont dépendre des hypothèses économiques. Ceci peut être simplement accommodé par le 8

20 changement de paramètre prix dépendant du profil de la demande, et par conséquent de la gamme de la taille du système. Le profil de la demande normalisée sera utilisé partout avec une gamme étroite d hypothèses économiques pour évaluer les performances relatives aux différents systèmes sur la base du coût de génération du kwh d'électricité délivrée. La section.iv du chapitre III présente deux options de stratégies de contrôle pour intégrer les composantes du système examinées. Enfin, au chapitre IV, projets de parcs d'éoliens dans les régions les plus venteuses du Maroc proposés, seront soumis aux tests des critères de coûts et de rentabilité. Il s'agit du coût de l'énergie du vent pour différents sites à travers le pays; utilisant des aérogénérateurs de puissances nominales de la gamme 5 à 5.kW par aérogénérateur allié à une variation du prix de vente du kwh. De plus, les projets seront soumis au test d'autres paramètres énergétiques et financiers, tels que la capacité de la puissance à installer, le financement de l'installation, le taux d'intérêt, le taux d'actualisation, etc. 9