Dimensionnement optimal d’un système hybride hydroélectrique-photovoltaïque-stockage pour une alimentation rurale isolée

L’énergie constitue un besoin vital sollicité dans tous les aspects de nos activités quotidiennes, notamment dans l’industrie, le domestique, le commerce, le transport, etc. Son accès sous ses diverses formes est un moyen qui conduit au développement aussi bien sur le plan social, politique qu’économique. Pour la plupart des pays en développement, la production nationale brute est en corrélation directe avec la quantité d’énergie consommée [1]. L’énergie électrique est la forme moderne d’énergie qui est de plus en plus devenue l’attention principale du monde entier. Elle est plus flexible, mieux maîtrisée et sa demande est de plus en plus importante avec l’évolution démographique et les nouvelles technologies de développement. En revanche, les ressources fossiles (par exemple : le pétroles, le gaz naturel, etc.) s’épuisent progressivement et leur utilisation pollue l’environnement et l’atmosphère. Ainsi, on est d’avantage confronté aux phénomènes de changements climatiques, à la dégradation progressive de la couche d’ozone, au déséquilibre de la biodiversité et de la biosphère. Toutes ces préoccupations ont contribué au développement des sources d’énergie renouvelable, notamment les énergies solaire, hydroélectrique, éolienne, etc. En plus d’être non polluantes donc ne produisant pas de gaz à effet de serre, ces énergies renouvelables sont inépuisables. Elles sont produites à partir des sources permanentes telles que : le soleil, le vent, la chute d’eau de rivières, de fleuves, etc. Cependant, en raison du caractère très aléatoire des sources d’énergies renouvelables, telles que l’éolienne et le solaire photovoltaïque, l’association de plusieurs sources d’énergies renouvelables pour en faire un système hybride, devient de plus en plus courante [2]. Cette option permet d’assurer une fourniture d’énergie stable et d’accroître le rendement du système [3], [4] [5]. Par exemple, il y a certains systèmes hybrides qui associent deux sources telles que : photovoltaïque-éolienne [6] ; éolienne hydroélectricité [7], [8] ; hydroélectricité-photovoltaïque [9], etc. D’autres systèmes combinent plus de deux sources, notamment : photovoltaïque hydroélectricitééolienne [10], hydroélectricité-photovoltaïque-éolienne-groupe électrogène [11], etc. Le système hybride hydroélectricité-photovoltaïque est l’un des systèmes le plus utilisé [5]. En effet, l’énergie hydroélectrique présente des avantages tels que : avoir un faible coût de production [12] et une bonne flexibilité opérationnelle [13]. L’énergie solaire est celle qui est la plus disponible dans le monde entier. De plus, des études ont montré la bonne complémentarité qu’il y a entre l’énergie solaire et l’énergie hydroélectrique [14], [15], [16]. Les centrales hydroélectriques sont capables de produire plus d’électricité en saison pluvieuse qu’en saison sèche puisqu’il y a plus d’eau en saison pluvieuse qu’en saison sèche. En revanche, les systèmes solaires photovoltaïques fournissent moins d’énergie électrique en saison pluvieuse qu’en saison sèche, dès lors que le ciel est plus couvert de nuages en saison pluvieuse. Ainsi, en saison sèche, le photovoltaïque compense le déficit en hydroélectricité, alors que pendant la saison pluvieuse, l’hydroélectricité soutient le photovoltaïque [17]. Par rapport aux avantages cités précédemment, cette thèse de doctorat focalise ses travaux de recherche sur le système hybride hydroélectricitéphotovoltaïque avec stockage.

Contexte actuel en énergie électrique 

Vivre aujourd’hui sans l’électricité et prétendre avoir un développement socioéconomique est très difficile voire impossible. L’accès à l’énergie électrique est indispensable au développement industriel et socio-économique dans tous les pays du monde. Il fait partie des indicateurs qui permettent de mesurer les écarts de développement entre les différentes régions et représente actuellement l’un des enjeux du développement durable.

Energie électrique dans le monde 

Evolution de l’électricité produite
L’énergie électrique produite au plan mondial a connu un accroissement considérable. Pour la période de 1974 à 2016, elle est passée de 6298 à 24973 TWh, soit un taux de croissance annuel moyen d’environ 3,33% (Figure I-1) [18]. Si l’on s’intéresse plus précisément aux différentes sources d’énergies utilisées dans la production mondiale de l’électricité en 2016 (Figure I-2), on constate que la part des centrales hydroélectriques (16,6%) est inférieure à celle des sources fossiles, notamment le charbon (38,3 %) et le gaz naturel (23,1 %). Néanmoins, elle reste supérieure à la part de la production d’origine nucléaire (10,4%). Les sources pétrolières ont contribué à hauteur de 3,7%, tandis que la part issue de la combustion des déchets et des biocarburants s’élève à 2,3%. Le reste (5,6%) est fourni à partir des autres sources renouvelables, notamment les sources géothermiques, solaires, éoliennes, de marée, etc.

Pour le classement mondial des producteurs de l’énergie électrique, nous pouvons noter que les pays membres de l’OCDE (Organisation de Coopération et de Développement Economiques) figurent en tête. Leur production annuelle a connu une évolution de 4521,8 TWh à 10943 TWh, soit un taux de croissance annuel moyen d’environ 2,13 %. La Chine se place en deuxième position avec une production annuelle allant de 177,3 TWh à 6225,4 TWh. Le taux de croissance de sa production s’élève à 8,84 %. Ensuite, viennent respectivement les pays émergents (non membres de l’OCDE) de l’Asie (la Chine n’est pas faite partie), de l’Europe et l’Eurasie, et de l’Amérique. Leurs productions annuelles d’électricité ont respectivement évolué de 167,9 à 2931,9 TWh (7,05 %), de 1090,1 à 1763,5 TWh (1,15 %) et de 177,2 à 1228 TWh (4,72 %). Les pays du Moyen-Orient se placent en avant-dernière position avec une production annuelle qui a évolué de 32,0 TWh à 1080,2 TWh (8,74 %). L’Afrique occupe la dernière place avec une production évoluant de 121,3 TWh à 801,1 TWh (4,60 %). Nous notons que la Chine a connu le plus fort taux de croissance annuel sur le plan mondial. Cela lui a permis de quitter la troisième position en 1974 pour occuper la deuxième position en 2016. De la même manière, les pays émergents d’Asie (toujours sans la Chine) ont augmenté leur production pour quitter la cinquième position (1974) et occuper la troisième en 2016. L’augmentation de production des pays du Moyen-Orient leur ont permis de passer de la dernière position en 1974 à l’avant dernière en 2016. Quant à l’Afrique, l’augmentation de sa production n’est pas suffisante. Elle a chuté de l’avant dernière position (1974) à la dernière en 2016. La région qui a connu le plus faible taux de croissance en matière de production d’énergie est la région des pays émergents de l’Europe et Eurasie non membres de l’OCDE. De la deuxième position en 1974, elle est passée en quatrième position en 2016.

Electricité consommée en 2016 au plan mondial
En 2016, L’énergie électrique totale consommée au plan mondial est évaluée à 23106,86 TWh, soit une augmentation de 4.9 % par rapport à l’année 2015 [20].  la répartition de cette consommation par région met en évidence que les pays membres de l’OCDE en ont plus consommé que les autres pays. Leur consommation s’élève à 10337.69 TWh, soit 44.74 % de la consommation totale. La Chine seule consomme environ 5945,78 TWh (25,73% du total), soit plus de la moitié de la consommation des pays de l’OCDE. Elle se classe deuxième devant les autre pays non-membres de l’OCDE d’Asie (2567.84 TWh), d’Europe et Eurasie (1571 TWh), d’Amérique (1030,74 TWh) non-membres de l’OCDE, de Moyen-Orient (948,33 TWh) et d’Afrique (705,5 TWh) .

Energie électrique en Afrique subsaharienne 

La demande d’énergie électrique en Afrique était de 621 TWh en 2012, et devrait augmenter pour atteindre environ 1258 TWh d’ici 2030 et environ 1869 TWh à l’horizon 2040 [24]. La région de l’Afrique subsaharienne continue de faire face à d’importantes crises énergétiques [25]. Malgré son énorme potentiel énergétique, l’accès à l’électricité échappe à des millions de personnes de cette région [24]. Le taux d’accès à l’électricité dans cette région Sub-Saharienne est très faible par rapport à celui de l’Afrique du Nord aussi bien en milieu rural qu’urbain. La Banque Mondiale montre qu’en 2017, l’Afrique comptait 603 millions de personnes n’ayant pas accès à l’électricité et que 602 millions d’entre elles se trouvaient en Afrique Sub Saharienne [23]. En effet, alors que l’on estime que 100% des zones urbaines et 99% des zones rurales de l’Afrique du Nord sont électrifiées, seules 67% des zones urbaines et 28 % des zones rurales le sont en Afrique sub-saharienne. Près de 80% des personnes n’ayant pas accès à l’énergie électrique en Afrique subsaharienne se trouvent dans des zones rurales [24]. S’agissant du taux d’électrification en zones rurales des différents pays de l’Afrique sub-saharienne, seuls huit pays ont leurs taux dépassant 50% : Maurice (100%), Seychelles (99%), Cap-Vert (89%), Afrique du Sud (84%), Eswatini (71%), Ghana (69%), Kenya (68%) et Les Comores (62%). Dix l’ont entre 30% et 50%. Le reste a un taux d’électrification inférieur à 30% en zones rurales. Le détail des taux d’accès à l’électricité en Afrique est présenté dans [23]. Par ailleurs, l’Afrique connaît une forte croissance démographique sans précédent et soutenue. Le continent comptera au moins 2 milliards d’habitants d’ici 2050. Soit deux fois plus qu’en 2014, dont 40% vivront dans des zones rurales [26]. Si les tendances actuelles en matière d’accès à l’électricité se maintiennent, 1300 millions de personnes n’auront toujours pas accès à l’électricité en Afrique [26]. La majorité de la population n’aura pas ainsi la possibilité de mener une vie productive et saine. Les investissements dans le système énergétique pourront améliorer la qualité de vie, l’ espérance de vie et la croissance économique en Afrique Sub-Saharienne [27]. Le défi actuel en électricité nécessite une augmentation rapide de l’approvisionnement en énergie (croissance et développement de l’énergie) pour la région en raison de cette croissance démographique, des progrès économiques et du besoin de services énergétiques modernes et fiables [28]. Dans cette perspective, diverses informations clés ont été fournies dans [29], notamment : l’analyse approfondie des systèmes énergétiques  africains, les données relatives au potentiel énergétique des sources primaires, et les différentes options stratégiques. L’Afrique subsaharienne possède d’énormes potentiels de ressources en énergies renouvelables inexploités, largement répandus dans la région et qui pourront servir à produire suffisamment d’électricité pour répondre aux besoins du continent [25]. La part des sources d’énergies renouvelables dans la production d’énergie électrique peut augmenter de 50% à l’horizon 2030 [28]. D’ici 2040, l’hydroélectricité pourra représenter 26 % de la production d’électricité et les autres sources d’énergies renouvelables 15% [24] (Figure I-4). La possibilité de parvenir à une énergie 100% renouvelable en Afrique d’ici 2050 est prouvée dans [30]. Les facteurs de succès de l’électrification en Afrique subsaharienne sont notamment la conception adéquate des politiques, des moyens financiers suffisants et des conditions politiques favorables [31]. Les interconnexions à courant continu haute tension (CCHT) entre les pools énergétiques de la région ont été proposées pour l’amélioration du commerce d’énergie électrique renouvelable [32]. En effet, la possibilité de l’ interconnexion à travers le continent et la création d’un marché panafricain d’énergie électrique ont été discutées dans [33]. Ce marché est constitué de pools énergétiques régionaux tels que : le pool énergétique ouest-africain (WAPP), le pool énergétique d’Afrique de l’Est (EAPP), le pool énergétique d’Afrique centrale (PEAC) et le pool énergétique d’Afrique australe  (SAPP). La liaison de ces pools énergétiques régionaux via des lignes CCHT peut permettre de régler le problème d’intermittence des sources d’énergie renouvelable. Par conséquent, on aura plus besoin de système de stockage. Mais les investissements dans le transport et la distribution d’énergie électrique sont très importants pour tout système de réseau électrique en construction [34]. Environ 37% du coût d’investissement total est utilisé pour la construction du réseau de transport et de distribution [35]. L’utilisation d’interconnexions de lignes CCHT pour l’amélioration de l’accès à l’électricité est une solution qui est malheureusement limitée, en particulier pour le cas des zones rurales d’Afrique subsaharienne, en raison des contraintes géographiques des zones rurales, du coût de l’extension de l’infrastructure de réseau et des infrastructures peu développées. Les possibilités de l’électrification décentralisée (hors réseau) offrent une solution au moindre coût pour réaliser l’électrification complète des populations rurales en Afrique subsaharienne [36].

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Liste des abréviations et symboles
Introduction générale
Chapitre I Etat de l’art – Contexte – Présentation du sujet
I.1 Introduction
I.2 Contexte actuel en énergie électrique
I.2.1 Energie électrique dans le monde
I.2.2 Energie électrique en Afrique subsaharienne
I.2.3 Energie électrique au Bénin
I.3 Energies alternatives
I.3.1 Hydroélectricité (Hydro)
I.3.1.1 Historique de l’hydroélectricité
I.3.1.2 Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique
I.3.1.3 Classification des centrales hydroélectriques
I.3.1.4 Principaux éléments d’une centrale hydroélectrique
I.3.1.5 Hydroélectricité au Bénin
I.3.2 Solaire photovoltaïque (PV)
I.3.2.1 Historique du solaire photovoltaïque
I.3.2.2 Principe de fonctionnement
I.3.2.3 Différentes technologies de cellules photovoltaïques
I.3.2.4 Panneau solaire photovoltaïque
I.3.2.5 Systèmes photovoltaïques autonomes
I.3.2.6 Systèmes photovoltaïques connectés au réseau
I.3.2.7 Energie solaire photovoltaïque au Bénin
I.4 Stockage de l’énergie électrique (Stock)
I.4.1 Principe de fonctionnement
I.4.2 Présentation des techniques de stockage de l’énergie électrique
I.4.2.1 Supercondensateurs
I.4.2.2 Volants d’inertie
I.4.2.3 Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP)
I.4.2.4 Stockage à air comprimé
I.4.2.5 Batteries
I.4.3 Solution retenue (Batterie Lithium)
I.5 Hybridation du Système Hydro-PV-Stock (HPS)
I.6 Méthodes d’optimisation
I.6.1 Les méthodes déterministes
I.6.2 Les méthodes stochastiques
I.6.3 Algorithme NSGA-II
I.7 Présentation du sujet
I.7.1 Problématique
I.7.2 Objectifs
I.8 Conclusion
Chapitre II Modélisation des énergies alternatives : Hydroélectricité et Solaire photovoltaïque
II.1 Introduction
II.2 Modèle de la centrale hydroélectrique
II.2.1 Modèle de la conduite forcée
II.2.1.1 Modèle de la puissance hydraulique moyenne
II.2.1.2 Modèle du coût d’investissement de la conduite forcée
II.2.1.3 Optimisation de la conduite forcée
II.2.2 Modèle de l’équipement électromécanique
II.2.2.1 Modèle du rendement de la turbine hydraulique
II.2.2.2 Modèle du rendement de la Génératrice
II.2.2.3 Optimisation de la génératrice
II.2.2.4 Modèle du Coût d’équipement électromécanique (Turbine et Génératrice)
II.3 Modèle du système solaire PV
II.3.1 Modèle de l’énergie électrique produite par le générateur PV
II.3.2 Modèle du coût du générateur PV
II.4 Conclusion
Chapitre III Modélisation du stockage – Hybridation
III.1 Introduction
III.2 Modélisation énergétique et coût de la batterie Lithium Ferro-Phosphate (LiFePO4)
III.2.1 Caractéristiques de la batterie LiFePO4
III.2.2 Etat de charge (State of Charge : SOC)
III.2.2.1 Puissance de décharge maximale
III.2.2.2 Courant de charge
III.2.2.3 Etats de charge minimale et maximale
III.2.2.4 Etats de charge en un instant t
III.2.3 Rendement énergétique et rendement faradique
III.2.4 Tension aux bornes de la batterie
III.2.4.1 Quelques modèles de la tension aux bornes de la batterie
III.2.4.2 Modèle retenu
III.2.4.3 Modèles des paramètres
III.2.4.4 Optimisation des paramètres du modèle de tension VBat
III.2.4.5 Résultats de simulation et validation du modèle de tension VBat
III.2.5 Modèle du coût des batteries
III.3 Hybridation
III.3.1 Architecture du système hybride hydro-PV-Bat
III.3.1.1 Architecture à bus à courant continu
III.3.1.2 Architecture à deux bus en parallèle (mixe)
III.3.1.3 Architecture à bus à courant alternatif (AC)
III.3.1.4 Architecture retenue
III.3.2 Modélisation des convertisseurs DC/AC du système HPS
III.3.2.1 Topologies des convertisseurs DC/AC
III.3.2.2 Rendements des convertisseurs DC/AC
III.3.2.3 Coûts des convertisseurs DC/AC
III.3.3 Critères énergétiques du système hybride
III.4 Conclusion
Conclusion générale

Rapport PFE, mémoire et thèse PDFTélécharger le rapport complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *