Les systèmes énergétiques hybrides

Les systèmes énergétiques hybrides Gestion et stockage d énergie dans les systèmes électriques hybrides Professeur Brayima Dakyo, Université du Havre Comme dans la majorité des réalisations humaines, Les systèmes énergétiques sont hétérogènes dans la pratique, puisque leur mise en œuvre invoque souvent des constituants de natures différentes. L Energie est une grandeur physique qui caractérise l'état d'un système et qui est d'une manière globale conservée au cours des transformations. Les principales ressources énergétiques sont les énergies fossiles (le gaz naturel, le charbon, le pétrole), l énergie hydroélectrique, l énergie éolienne, l énergie nucléaire, l énergie solaire, l'énergie géothermique. Les principes et moyens technologiques qui permettent d exploiter ces ressources confèrent aux systèmes résultants, des caractéristiques spatiotemporelles variées. Ces caractéristiques associées à des contraintes économiques et écologiques peuvent apparaitre complémentaires pour satisfaire un besoin énergétique exprimé quantitativement et qualitativement. En matière génétique, un «hybride» résulte du croisement d individus de deux variétés, espèces ou genres différents, L hybridation est un mécanisme naturel exploité artificiellement par l homme pour obtenir des végétaux ou des animaux aux propriétés nouvelles. C est ainsi que, par extension, en matière de systèmes énergétiques, le concept d hybridation s est plus particulièrement introduit depuis les années 90 avec le développement des véhicules dits «hybrides» associant au sein du même véhicule deux chaînes de propulsion, l une thermomécanique et l autre électromécanique. «Systèmes Energétiques Hybrides», est donc une expression que nous attribuons plus généralement à tout système énergétique exploitant simultanément plusieurs sources d énergie présentant des propriétés différentes. Cette condition est a fortiori remplie pour les systèmes électriques dès lors que l énergie transite peu ou prou par un organe de stockage d énergie pour une meilleure gestion des flux et pour une plus grande disponibilité. Le développement de la production «décentralisée» est principalement lié à l'intégration des énergies renouvelables. Des unités de production de différents types sont reliées en des points de couplage y compris en basse tension. Les énergies renouvelables doivent être avantageusement associées à des groupes électrogènes afin d atteindre, dans certains cas, un objectif d électrification de sites autonomes dans un contexte de «développement durable et de réchauffement climatique». Pour surmonter les difficiles problèmes du contrôle de l intermittence de la ressource, il est souvent envisagé l hybridation d'unités comprenant des batteries de stockage des stations de pompage des turbines (hydroélectriques), des éoliennes, des générateurs photovoltaïques, des piles à combustible etc. C est bien de tout cela qu il s agit aujourd hui en Afrique comme ailleurs quand on parle des réseaux du futur qui ont vocation à être «intelligents». Pr Brayima Dakyo Directeur du laboratoire GREAH Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre Université du Havre 75 rue Bellot 76600 Le Havre France mail: dakyoster@gmail.com

Les systèmes énergétiques hybrides Gestion et stockage d énergie dans les systèmes électriques hybrides brayima.dakyo@univ-lehavre.fr Directeur et fondateur du Laboratoire GREAH EA 3220 Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre GREAH Université du Havre, France 1 Plan I.Contexte de réseaux intelligents. II.Micro réseaux Hybrides. III.Double approche Temps-fréquence. IV.Application à un véhicule électrique. V.Conclusions 2 1

Contexte de réseaux intelligents Nouveau paysage énergétique Le concept du réseau intelligent D abord plus technologique que scientifique 3 Contexte de réseaux intelligents Le concept de réseaux électriques intelligents est d abord apparu aux États-Unis. Mais cette notion n est pas conçue de la même manière selon les pays. En Europe, la question est prise en compte et intégrée dans une approche de système électrique plus diversifié (énergies renouvelables, comportements et actions de nouveaux acteurs utilisateurs «prosummers». Et en Afrique? 4 2

Contexte de réseaux intelligents Les futurs réseaux seront "intelligents". Ils vont inclure de nouvelles fonctionnalités grâce à de Nouvelles Technologies de l Information et de la Communication. Bien qu'il soit difficile de définir ce concept, on note surtout qu'elle permet la communication entre les composants qui deviennent donc plus interactifs. Il prend en compte les actions de tous les acteurs dans le système électrique: "du producteur au consommateur via le gestionnaire de réseau, tout en assurant un approvisionnement durable en électricité sûre et compétitive ". 5 Moins souple mais plus sûr! Réseaux actuels Réseau plus intelligent Gestion à plusieurs degrés de liberté 6 3

Production DG Contexte de réseaux intelligents 3 flux: Energie, Information, financier DG Macrocosme SUPER GRID Amplification des trois domaines de connaissances, et l'amélioration des compétences dans le domaine de l'interopérabilité. Consomateurs DG Génération Décentralisée Commande en temps réel Fondé sur les technologies de l information et communication Gestion pilotée par les transactions du marché énergétique 9 Des changements majeurs se produisent en termes d'approvisionnement et de la demande. Sous l'impulsion de politiques de lutte contre le changement climatique, la production d'électricité à partir de sources renouvelables augmente dans le mix énergétique. Les équipements alimentés par l'électricité augmentent dans le domaine des appareils ménagers et des industries. De nouveaux consommateurs d'électricité tels que les véhicules électriques. La demande d'électricité augmente en continu Contexte de réseaux intelligents 8 dans le monde entier 4

Contexte de réseaux intelligents La sécurité de l'approvisionnement conditionne la continuité de la fourniture électrique. En présence d'une production intermittente plus élevée on doit continuer à répondre à la demande en temps réel. La règle de compétitivité est à la recherche d'un optimum économique pour les ressources et la qualité du réseau. (Grid Code!) 7 II Micro réseaux Hybrides. 2 3 Microcosme Micro réseau 1 10 5

II Micro réseaux Hybrides. Dans le context actuel des besoins d électricité Satisfaire les besoins croissants liés à l augmentation de la population et au mode de vie dans le monde entier y compris en zone rurale Réduire la part des fossiles carbonés qui entrainent réchauffement climatique et pollution atmosphérique. faire face à la Rarefaction des sources d énergie fossile qui augmente le coût de l énergie. Tout le potentiel énergétique d une region doit être pris en compte notamment les EnR Nouvelles tendances de l électrification Hybridation des sources locales avec taux maximalisé des quotes part des EnR. 11 II Micro réseaux Hybrides. Groupe électrogène a fréquence variable Développer la puissance à fréquence variable conduit à des économies d énergie pour un groupe diesel 12 6

II Micro réseaux Hybrides. Gestion d énergie dans un système hybride The MPPT for PV panels an wind generator La MPPT générateur photovoltaique La MPPT éolienne Boucle de commande Boucle de commande. Conditions favorable au retour sur investissement par composantes renouvelables II Micro réseaux Hybrides. Système hybride proposé Contraintes: différentes natures et comportement dynamique des sources. Par exemple dynamique lente du groupe electrogène Energie EnR: - stochastique - non prévisible Objectifs: Developpement des stratégies de transfert d energie conception des convertisseurs; commande en temps réel Les unites de stockage constituent une clef 14 7

II Micro réseaux Hybrides. Ac variable frequency AC generator Master Electrochemical power source Fuel Cell Couplage en courant alternatif DC load AC load Wind turbine Fly wheel 1 2 AC generator Master Ac variable frequency Electrochemical power source Fuel Cell DC load AC load DC load Wind turbine Fly wheel Couplage en courant continu 15 III.Double approche temps-fréquence. 16 8

Limitations des performances opérationnelles des technologies de stockage 17 Dynamique d un volant d inertie pour un stockage transitoire Source: Flywheel Energy Systems Inc. Ottawa CETC-0605-02 18 9

Critère: Un groupe électrogène pour assurer une production continue Un aérogénérateur Pour augmenter la part d EnR: favorable au bilan carbone Un profil de consommation et conditions nécessaires à la qualité de la fourniture Premier stade de l hybridation: ajout d un aerogénérateur 1000 900 800 Diesel engine current Wind Turbine Current Load current 700 currents(a) 600 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Time (s) 10

Une batterie pour «amortir» les fluctuations qui dégradent le comportement du groupe Diesel Critère de qualité du point de couplage et rendement énergétique Deuxième stade de l Hybridation: ajout de batteries Micro cycles subies par la batterie 11

Critère: Un stockage inertiel pour augmenter la durée de vie des batteries troisième stade de l Hybridation: ajout d un volant d inertie Description du system 11 Aide à la décision: critères d hybridation Cycle de vie (unités de stockage, générateurs etc.) évaluation des solutions candidates Gestion d énergie dimensionnement 24 12

Problème du choix d intégration des unités de stockage Comparaison des unités de stockage Distribution des fréquences Frequency Range Low( 1.3mHz) Medium (1.3mH - 20mHz) High and very High ( 20mHz) Source Diesel generator Batteries UC & Electrolytic capacitors Trois bandes de fréquences Fig. Diagramme de Ragone Obtenues avec deux filtres passe-bas 25 Introduction Configuration of the decentralised energy production system. 13

MPPT eolienne Profil du vent MPPT PV Batteries Supercap Tension du bus continu 27 27 IV Application à un véhicule électrique 28 14

IV Application à un véhicule électrique The energy storage sources possible to use in DC micro grid IV Application à un véhicule électrique Lithium-battery DC/DC Converters Experimental setup for FC-Battery energy management DESCRIPTION VALUE DC/DC converters control frequency f d 10kHz DC-bus capacitors C 0 =2*C 2*3300μF Currents smoothing inductances L 1 =L 2 =L 3 400 μh PWM phase-shift of the interleaved converter 180 FC emulator (DC-Source) rated Voltage 20V Energy of the battery 1248Whr Lithium-battery rated Voltage/Capacity 19.2V /65Ahr 30 15

IV Application à un véhicule électrique Approche de gestion de l energie Domaine temporel Mean Power component Domaine fréquentiel Low frequency component Motion Power demand Dynamic component High frequency component Profile de fonctionnement: Full compensation of fluctuations if suitable time responses via power electronic are available Surdimensionnement des unités de stockage Profile de fonctionnement Compensation partielle des perturbations liée aux largeurs de bande Dimensionnement plus optimisé IV Application à un véhicule électrique Cycle NEDC (thesis TANI) Approche fréquentielle(sc+bat)-2kw load current spectrum Approche temporelle(sc+fcell)-2kw load current spectrum supercap current spectrum Fuel cell current spectrum Battery current spectrum supercap current spectrum 16

V Conclusions. L exploitation par le vecteur «éléctricité», nécessite dans la majorité des cas un système de stockage électrique explicite ou implicite. Le stockage est un point faible dans le domaine de l'énergie électrique. Pourtant, il est un point clef pour le développement des énergies renouvelables Le choix de la technologie dépend du coût d'investissement de stockage d'énergie (en / kwh et / kw) et la durée de vie des unités de stockage dans des conditions d'exploitation correspondant à l'application concernée. Les aptitudes de gestion de l'énergie doivent être prises en compte pour la conception, car elles ont un impact très fort dans le dimensionnement. 33 GA Z Centrale Virtuelle : vers une coopérative énergétique Réseau de distribution Réseau de transport Supervision/ contrôle Prod. Cons. Source IDEA GIE 17

Publications de réferences 1) A.Tani, M.B.Camara, B. Dakyo, "Energy management in the Decentralized Generation Systems based on Renewable Energy - Ultracapacitors and Battery to compensate the wind/load power fluctuations", IEEE Transactions on Industry Applications, ISSN: 0093-9994, Vol. PP, No.99, pp: 1, (DOI:10.1109/TIA.2014.2354737), Sept. 2014, (in press, voir http://ieeexplore.ieee.org) 2) M.A. Tankari, M.B.Camara, B.Dakyo, C. Nichita, "Ultracapacitors and Batteries Integration in Wind Energy Hybrid System- Frequencies Distribution Method", International Journal on Energy Conversion (IRECON), Vol.1, No.1, pp.70-78, Jan.2013 3) A. Tani, M.B. Camara, B. Dakyo,Y.Azzouz, DC/DC and DC/AC Converters Control for Hybrid Electric Vehicles Energy Management- Ultracapacitors and Fuel Cell, IEEE Trans. on Industrial Informatics, ISSN: 1551-3203, Vol. 9, No.2, pp. 686-696, May 2013. 4) M. A. Tankari, M.B.Camara, B. Dakyo, G. Lefebvre Use of Ultracapacitors and Batteries for Efficient Energy Management in Wind- Diesel Hybrid System, IEEE Trans. on Sustainable Energy, ISSN:1949-3029, Vol. 4, No.2, pp.414-424, April. 2013. 5) M. A. Tankari, M.B. Camara, B. Dakyo, and C. Nichita, Ultracapacitors and Batteries Integration in Wind Energy Hybrid System - Using the Frequencies distribution Method, International Review of Electrical Engineering IREE, ISSN 1827-6679, Vol. 5, No. 2, pp. 521-529, March-April 2010. 6) Abdou Tankari Mahamadou, Camara Mamadou Bailo, Dakyo Brayima, and Nichita Cristian, "Ultracapacitors and Batteries integration for Power Fluctuations mitigation in Wind-PV-Diesel Hybrid System" Int. Journal of Renewable Energy Research-IJRER, Vol. 1 No. 2, pp.86-95, 2011 7) M. A. Tankari, M.B.Camara, B. Dakyo, C. Nichita, Ultracapacitor Integration for Short-term Energy Management in a Hybrid System, Int. Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering (COMPEL), ISSN: 0332-1649, Vol. 31, No.1, pp.294-312, Emerald Ed. 2012. 8) M.B. Camara, B. Dakyo, H.Gualous, Polynomial Control Method of DC/DC Converters for DC-bus Voltage and Currents Management - Battery and Supercapacitors, IEEE Trans. On Power Electronics, ISSN: 0885-8993, Vol. 27, No.3, pp. 1455-1467, March 2012. 9) A. Tani, M.B. Camara, B. Dakyo, Energy Management based on Frequency Approach for Hybrid Electric Vehicle Applications- Fuel Cell/Lithium-battery and Ultracapacitors, IEEE Trans. on Vehicular Technology, ISSN 0018-9545, Vol.61, No.8, Pages: 3375-3386, Oct. 2012. 10) M.B. Camara, B. Dakyo and H. Gualous, Supercapacitors and Battery Energy Management based on New European Driving Cycle, Journal of Energy and Power Engineering, ISSN 1934-8975, Vol.6, No.2, No.51, pp.168-177, Feb. 2012 35 Les systèmes énergétiques hybrides Gestion et stockage d énergie dans les systèmes électriques hybrides Merci pour votre attention! 36 18