Proposition de sujet de recherche doctorale Proposé par: Laboratoire GEPASUD de l Université de la Polynésie française Sujet de thèse Etude et simulation d un micro-réseau électrique intelligent en milieu insulaire et tropical Directeurs de thèse Pascal Ortega, PU, GEPASUD, UPF Franck Lucas, MCF HDR, GEPASUD, UPF Partenaires scientifiques - Laboratoire PROMES, CNRS-INSIS, Perpignan, Driss Stitou, Sylvain Moran, Nathalie Mazet - Laboratoire PIMENT - Université de La Réunion - Matthieu David et Philippe Lauret - School of Engineering and Physics, USP, Suva, Fiji, Maurizio Cirrincione Financement - 50 % contrat doctoral du MESR - 50% service de l énergie du gouvernement de la Polynésie française L ensemble est équivalent à un contrat doctoral du MESR
RESUME L énergie photovoltaïque (PV) a un potentiel de développement important en PF du fait des bonnes conditions d ensoleillement. Cependant, le caractère intermittent et non contrôlable de cette source d énergie limite son exploitation lorsque celle-ci est connectée au réseau. Autre inconvénient, il existe généralement un déphasage temporel entre production et consommation. En nous limitant aux secteurs résidentiel et tertiaire, il existe des pistes pour palier à ces problèmes d instabilité et accroître la production d énergie solaire. En effet, le couplage de systèmes de stockage aux installations photovoltaïques est un concept qui est en plein évolution et très peu exploité en PF. La correction repose sur le contrôle et la gestion à la fois i) de la consommation et ii)de la production. En ce qui concerne le premier point, le laboratoire GEPASUD a lancé un programme d étude en 2013 sur le comportement thermique des bâtiments en PF. Ce programme est bien avancé et devrait déboucher sur une thèse de doctorat ADEME-UPF. Le second point fait précisément l objet de la thèse présentement décrite. A ce jour, pour les secteurs habitat et tertiaire, les systèmes de stockage les plus adaptés (et les plus étudiés) sont les accumulateurs électrochimiques. L Université de la Polynésie Française (UPF) possède un parc de panneaux photovoltaïques (62.4kWc, 520 modules) connecté au réseau d EDT (Electricité De Tahiti). Le potentiel d extension est énorme en termes de surface exploitable mais ce développement doit tenir compte de la règlementation actuelle (propre à la PF) qui limite l injection d énergie fatale pour les raisons évoquées plus haut. Il faut donc étudier la possibilité de réaliser un micro-réseau intelligent adapté à nos besoins afin de lisser la consommation pour limiter les perturbations du réseau EDT. L objectif, à relativement courte échéance, sera de : 1. dimensionner correctement à la fois le parc PV et le parc de batteries 2. simuler l état de charge en tenant compte du vieillissement des batteries 3. intégrer la prévision météorologique (programmation dynamique) 4. étudier des sources de stockage thermochimiques et, éventuellement, mécanique 5. réaliser un algorithme de gestion capable de gérer les différents éléments en temps réel Pour les deux premiers points, des modèles de simulation des flux énergétiques dans un micro-réseau connecté comprenant une source solaire et un système de stockage par batterie ont déjà été développé. Les systèmes de gestion de l énergie sont conçus afin d optimiser la durée de vie du système de stockage et de réduire les coûts de fonctionnement. L étudiant s appuiera sur les études existantes afin d en faire un outil adapté au secteur bâtiment de la PF. Dans cette partie, les collaborations avec les laboratoires compétents seront capitales. Le troisième point nécessite une étude fine de la climatologie de l île. GEPASUD travaille sur des modèles météorologiques à maille fine qui devraient permettre une résolution inférieure au kilomètre. L étudiant devra exploiter les sorties de ces modèles pour dégager des journées types de climat utilisées comme contrainte du modèle de micro-réseau électrique. L aspect «prévisionnel» sera important. Le quatrième point concerne la mise en évidence un ou deux systèmes (ou technique) de stockage en intégrant les caractéristiques tropicales et insulaires de nos îles en termes de consommations et de climat. Différentes techniques de stockage telles que le stockage thermique (chaleur sensible, chaleur latente, chaleur de sorption) ou mécanique (gravitaire ou inertielle) doivent être envisagées. Une fois le ou les système(s) de stockage identifié(s) l étudiant travaillera à la modélisation électrique ou thermique en vue d une inclusion dans l algorithme de gestion (point 5). Ces différentes études se feront étroite collaboration avec des laboratoires partenaires spécialisés dans ces systèmes de stockage (laboratoire PROMES de Perpignan - The School of Engineering and Physics, (USP), Suva, Fiji). Enfin, le cinquième point constitue le rendu du travail de thèse et son objectif principal. Il s agit de concevoir un système de gestion qui tient compte en temps réel des contraintes météorologiques, de l utilisation (occupation) des locaux et de l «état de charge» des différents éléments du micro-réseau. L algorithme devra inclure un module «prévision» ou «anticipation» grâce aux études météorologiques. Suivant l avancée des travaux le modèle pourra être suivi d une phase expérimentale totale ou partielle.
CONTEXTES SCIENTIFIQUE ET POLITIQUE Le développement des énergies renouvelables en Polynésie française (PF), comme ailleurs dans le monde, est aujourd hui inévitable et doit être accéléré afin, d une part, de réduire notre dépendance aux importations d'hydrocarbures et, d autre part, de participer à la réduction de production des gaz à effet de serre. En effet, le coût de l'électricité est structurellement orienté à la hausse. Le bilan prévisionnel de l'équilibre offre-demande en électricité publié par le Service des Mines et de l'energie local prévoit pour 2020 une production de 300 à 375 GWh par les énergies renouvelables (soit 50 % de la consommation totale) alors qu'elle n'est que de 140 GWh aujourd'hui (principalement sous forme d'énergie hydraulique). Dans ce contexte, l énergie photovoltaïque (PV) a un potentiel de développement important en PF du fait des bonnes conditions d ensoleillement. Cependant, le caractère intermittent et non contrôlable de cette source d énergie limite son exploitation lorsque celle-ci est connectée au réseau. L injection de sources d énergies intermittentes sur un réseau parfaitement contrôlé, tel que celui d EDT (Electricité De Tahiti), entraine des problèmes de congestion (surcharge des lignes BT), de création d harmoniques (électronique de puissance), d injection de puissances active et réactive et de masquage des défauts (déclenchements intempestifs). Un autre inconvénient provient du déphasage entre production et consommation. De ce fait, l énergie solaire ne peut garantir une autonomie énergétique même dans le cas de sites isolés ou en consommation directe (non réinjectée). En nous limitant aux secteurs résidentiel et tertiaire, il existe des pistes pour palier à ces problèmes d instabilité et accroître la production d énergie solaire. En effet, le couplage de systèmes de stockage aux installations photovoltaïques est un concept qui est en plein évolution et très peu exploité en PF. La correction repose sur deux principes : - le contrôle et la gestion de la consommation - le contrôle et la gestion de la production. En ce qui concerne le premier point, le gouvernement de la PF en collaboration avec l ADEME a déployé une action d'envergure de maîtrise de l'énergie en particulier en direction des plus importants consommateurs de la PF (560 abonnés consomment près de 50% de l'électricité produite). L'ADEME a également établi en PF un cahier des charges de l'audit énergétique pour inciter les maîtres d'ouvrage et les gestionnaires de bâtiments à prendre en compte les critères de maîtrise d'énergie en vue d'une utilisation rationnelle de l'énergie. L Université de la Polynésie Française (UPF) a lancé un programme d étude en 2013 sur le comportement thermique des bâtiments en PF. Une demande de cofinancement de thèse de doctorat ADEME-UPF est en cours. Le second point doit faire l objet du développement d un modèle qui doit se faire dans le cadre d une thèse. A ce jour, pour les secteurs habitat et tertiaire, les systèmes de stockage les plus adaptés (et les plus étudiés) sont les accumulateurs électrochimiques. Des bâtiments de l UPF (cours, administration, logement étudiants) serviront de base pour le développement du modèle. L UPF possède actuellement un parc de panneaux photovoltaïques (62.4kWc, 520 modules) connecté au réseau d EDT. Le potentiel de développement est énorme en termes de surface exploitable. Sur l île de Tahiti, la limite autorisée d énergie «fatale» connectée au réseau d EDT est presque atteinte et, dans le contexte de la règlementation actuelle (propre à la PF) il sera difficile d augmenter le parc de panneaux PV. Il faut donc étudier la possibilité de réaliser un micro-réseau intelligent adapté à nos besoins afin de lisser la consommation pour limiter les perturbations du réseau EDT mais en considérant également l autoconsommation. L objectif, à relativement courte échéance, sera de : - dimensionner correctement à la fois le parc PV et le parc de batteries - simuler l état de charge en tenant compte du vieillissement des batteries - intégrer la prévision météorologique (programmation dynamique) - étudier d autres sources de stockage et, éventuellement, de production. Pour ce dernier point, il faut intégrer les caractéristiques tropicales et insulaires de nos îles. D autres systèmes de stockage tels que le stockage thermique (chaleur sensible, chaleur latente, chaleur de sorption)
ou mécanique (gravitaire ou inertielle) doivent être envisagés. L utilisation de stockage thermique peut être envisagée sur la forme chaleur sensible, de chaleur latente (systèmes à eau glacée par exemple) ou encore de chaleur de sorption. Cette dernière voie est récente est semble très prometteuse : elle est multifonctionnelle (stockage de chaud et/ou de froid), a capacité calorifique très élevée, de longue durée et quasiment sans perte. Nous sommes en cours de rédaction d une collaboration d étude sur ce sujet avec le laboratoire PROMES de Perpignan spécialisé dans le stockage thermique. Cette équipe sera impliquée dans notre projet d étude car cette technologie est bien adaptée au climat tropical. En parallèle, nous pouvons également envisager l utilisation de volants d inertie. Le laboratoire GEPASUD vient de lancer une collaboration d étude à ce sujet avec l Université du Pacifique Sud à Fiji par la voie du Pr. Maurizio Cirrincione (The School of Engineering and Physics, (USP), Suva, Fiji). L idée du projet est bien de réaliser une modélisation du réseau gérant ses différents éléments de production, de stockage et de consommation en considérant comme application les bâtiments de l UPF. Mais l étude sera faite de telle manière à pouvoir reproduire cette modélisation sur d autres bâtiments ou ensemble de bâtiments en préconisant une procédure d application du modèle. Le modèle pourra inclure d autres éléments au réseau afin d intégrer les nouvelles technologies en matière de production d énergie et de stockage. METHODOLOGIE A - MODELISATION STATIQUE: afin de pouvoir contrôler et gérer un micro-réseau électrique il est tout d abord indispensable de pouvoir modéliser les composants du réseau à savoir : - la source (les panneaux PV en l occurrence) - l électronique de puissance (conversion d énergie) - le stockage (les batteries dans un premier temps, puis d autres systèmes adaptés au contexte et aux besoins) Des modèles simulant ces trois éléments existent mais doivent être améliorés et adaptés. En particulier, la modélisation des panneaux solaires en générateurs de courant résulte de relations linéaires qui ne sont correctes que dans une gamme d éclairement limitée à 800W/m². Or l éclairement moyen en PF est plus élevé, et dans cette gamme d énergie, la relation éclairement-production devient non-linéaire. Des modèles mieux adaptés doivent pris en compte. Des modèles de simulation des flux énergétiques dans un micro-réseau connecté comprenant une source solaire et un système de stockage par batterie ont déjà été développé (Riffonneau, 2009 ; Wurtz et al, 2010 ; Fares et al 2014 ; Xue et al 2014). Les systèmes de gestion de l énergie sont conçus afin d optimiser la durée de vie du système de stockage et de réduire les coûts de fonctionnement. L étudiant s appuiera sur ces travaux afin d en faire un outil adapté au secteur bâtiment de la PF. Dans cette partie, les collaborations avec les laboratoires compétents seront capitales. Le transfert de compétence que l on pourra en tirer sera bénéfique pour la PF. Comme évoqué précédemment, nous envisageons d inclure dans la modélisation du stockage thermique et mécanique. En ce qui concerne le premier type, le stockage par eau glacé est aujourd hui performant et opérationnel. La modélisation d un tel système ne pose pas de problème particulier. En revanche, la modélisation du stockage sur la base de la chaleur de sorption, encore au stade expérimental, s appuiera sur les études menées au laboratoire PROMES avec qui nous allons collaborer étroitement tout au long du travail de thèse (convention en cours de rédaction). Enfin, le stockage par volant d inertie sera lié aux avancées de l étude menée avec l USP. B - MODELISATION DYNAMIQUE : Le modèle doit décrire l état du système en temps réel et doit s adapter, d une part, à la consommation des bâtiments et, d autre part, aux conditions climatiques. Deux points sont à étudier finement : la source solaire et ses évolutions dynamiques (statistique de la météorologie locale) le profil de consommation (quantité, séquence )
La connaissance de la source solaire n est pas triviale si elle est résolue à échelle très fine. Actuellement, le laboratoire GEPASUD travaille sur l application de modèles météorologiques à très fine échelle et une réflexion est à mener sur l acquisition de données spatiales de validation de ces modèles (WRF et Meso- NH). L étudiant sera impliqué dans l étude statistique de la couverture nuageuse au-dessus de l île de Tahiti et dans la mise en évidence de séquences climatiques caractéristiques du climat tahitien. Il s agit là d une étape clé qui permettra de calibrer l aspect dynamique de la modélisation. Bien évidemment, le profil de consommation est également un paramètre fondamental de la modélisation. L UPF a réalisé un audit énergétique qui décrit l état de fonctionnement et les composantes de son réseau interne. L étudiant devra analyser finement ce rapport, éventuellement le compléter et identifier les bâtiments pour lesquels sera appliqué le modèle. C - VALIDATION et APLLICATION: Afin de vérifier la validité du modèle et d appliquer le modèle, il faut construire une boucle réactive qui renvoie des informations au serveur. Il faut donc prévoir des indicateurs qui permettent : de contrôler le bon fonctionnement du bâtiment (appareils, sécurité, confort des utilisateurs ) éventuellement, d inclure des mesures liées la maîtrise d énergie Le micro-réseau électrique doit être équipé de capteurs pertinents, électriques, thermiques et autres à définir. Il sera peut-être intéressant de guider les usagers ou de leur suggérer des modifications de comportements afin de maîtriser la consommation d énergie. Première année DESCRIPTION DU TRAVAIL Il s agira avant tout de faire un état de l art aussi exhaustif que possible : - des différentes études de modélisations des composants d un micro-réseau utilisant des ENR (panneaux PV, électronique de puissance, batteries, volants d inertie, stockage thermique ) - des modèles de gestion de micro-réseaux électriques En parallèle, il faudra mener une analyse fine de l audit énergétique afin de parfaitement maîtriser les flux électriques des bâtiments types de la PF. De ces deux premières tâches, découleront - le choix des composants et du type de micro-réseau électrique le mieux adapté à notre cas (connexion partielle, totale, réalisation d un réseau continu parallèle, définition des modes de stockage le mieux adaptés...). - le choix du modèle qui sera être appliqué, développés et adaptés au cas de bâtiments de la PF. - des propositions d évolution du réseau électrique de l UPF et de méthodes d écrêtage. Deuxième année La deuxième année sera consacrée au développement du modèle. Tout d abord, le développement de la modélisation non-linéaire des panneaux PV comme source de courant et de plusieurs systèmes de stockage (choisis en conclusion de la phase 1), et de la phase dynamique du modèle (prévision de la ressource, rétroaction, sécurité ). Ensuite, la conception du réseau intelligent proprement dit, parties capteurs et retroinformation et pilotage. Troisième année La troisième année est bien sûr liée à l état d avancée des deux premières années. Il s agira dans la mesure du possible d envisager une validation du modèle et de programmer des périodes d essais. L idée globale du projet est bien de réaliser une modélisation du réseau gérant ses différents éléments de production, de stockage et de consommation en considérant comme application les bâtiments de l UPF. Mais
l étude sera faite de telle manière à pouvoir reproduire cette modélisation sur d autres bâtiments ou ensemble de bâtiments en préconisant une procédure qui décrit les mesures électriques, météorologiques et thermique indispensables à l application du modèle. La partie expérimentale restant à ce jour conditionnelle aux avancées de la thèse.