Paramètres pour le dimensionnement du container

Contexte

Le réchauffement climatique est plus que jamais une préoccupation mondiale. Des enjeux environnementaux, énergétiques et géopolitiques majeurs émergent, provoqués par une activité anthropologique excessive : surexploitation des ressources naturelles et pollutions. L’énergie se révèle être l’élément principal mise en cause avec le secteur des transports, de l’agriculture et du résidentiel. Ainsi, la transition énergétique n’est pas seulement une mesure corrective de la trajectoire climatique actuelle, mais une évolution vers des systèmes énergétiques plus efficace et durable. D’une production électrique centralisée, nous nous dirigeons actuellement vers une production d’énergie renouvelable décentralisée (ERD), constituée principalement d’installation solaire photovoltaïque (PV) et d’éolienne. Ces réseaux de distribution munis d’ERD sont appelés « microgrid ». Dans ces microgrids, les acteurs, auparavant consommateurs exclusifs deviennent des producteurs et consommateurs d’énergie, nommé « prosumer ». Ces prosumers cherchent à autoconsommé au maximum l’énergie qu’ils produisent pour échapper aux tarifs désavantageux de leur distributeur d’énergie. Et de cette manière apparaît la nécessité de stocker son énergie, afin de consommer le surplus de la production solaire de la journée pendant la nuit, par exemple. Ce nouveau paradigme dans le domaine énergétique fait émerger des nouveaux modèles économiques et place les consommateurs au premier rang de la transition énergétique.

Utopia “Think global act local”

Le projet UTOPIA2 a pour but de créer des villages durables à l’aide de containers autonomes en énergie, le tout dans une dynamique écologique. Cette ONG est constituée de professionnel issu de domaine varié qui s’engage pour la planète, la biodiversité et s’intéresse aux cultures du monde. Afin d’atteindre leur objectif, les containers UTOPIA se retrouve confronter à la problématique énergétique. Développer des containers autonomes en énergie est un défi technique et économique primordiale au succès de leur initiative. Ainsi, se pose la question suivante ; Quelles technologies et capacités optimales mettre en oeuvre afin de répondre au besoin électrique et thermique de ces containers ?

Modubois : L’entreprise Modubois est née d’un projet immobilier qui consistait à trouver une alternative locale à la conception de container en béton. L’entreprise remporte le prix créateur 2019 de la BCVS et WKB. Modubois, sont des modules habitables conçu entièrement en bois et en forme de container. Ces modules sont préfabriqués et base leur concept sur la production en série qui permet d’optimiser l’efficacité. Dans ce contexte, il apparait important d’étudier la possibilité d’autonomie énergétique de ces modules. Ces mesures durables s’inscriraient pleinement dans la logique du concept et serait d’une forte valeur ajoutée.

ValaisRoule : ValaisRoule met à disposition des vélos électrique gratuitement. Dans ce cadre elle a pour but d’élargir l’offre touristique et les loisirs, créer des emplois de réinsertion, contribuer à la santé publique, encourager la mobilité douce et préserver l’environnement. Dans ce principe de mobilité douce, il est possible d’aller jusqu’au bout du raisonnement en proposant un système de recharge de vélos électriques à 100% énergie propre (solaire). Mettre en place sur l’ensemble des stations de recharge (container) des installations photovoltaïques et du stockage afin de délivrer 24H/24 du courant durable permettrait à ValaisRoule de promouvoir son exemplarité dans la transition énergétique. Comment dimensionner ces installations ? Et quelle stratégie adopter pour exploiter au mieux la production énergétique durant l’hiver ?

Ferme de Cergnement (Forces Motrices d’Avançon) : Les Forces Motrices d’Avançon SA (FMA) sont spécialisées dans la production d’énergie renouvelable, de son transport et de son acheminement jusqu’à ses clients finaux. En tant que gestionnaire de réseau de distribution elle dessert entre autres la commune de Gryon. En juin 2019, la ferme de Cergnement met en marche une centrale solaire de 30 kW. L’augmentation des installations de production solaire décentralisé peuvent provoquer des instabilités au niveau du réseau basse tension. Dans ce contexte, il s’agit d’évaluer l’impact de ce type d’installation et de développer des stratégies de stockage énergétique, pour permettre aux FMA d’étendre leurs activités.

N’Djaména ( Tchad )

Le Tchad est un pays d’Afrique subsaharienne doté d’une superficie environ égale à deux fois celle de la France et sa capitale est N’Djaména. Le nombre d’habitant s au Tchad s’élève à 15.13 millions et son produit intérieur brut par habitant est de 823$4 ce qui le place 170e pays sur 193. Le pourcentage de la population ayant accès à l’électricité est de 9%5. L’approvisionnement en électricité de la capitale (N’Djaména) est actuellement assuré par la société nationale d’électricité 6 (SNE). L’énergie électrique est produite par 207 groupes à génératrice diesel, répartie sur deux sites pour une capacité totale de production de 228 MW. Pour des raisons de problèmes techniques et logistiques, uniquement 14 groupes sont en fonctionnement. Ces problèmes provoquent des coupures d’électricité récurrente dont l’intensité dépend des saisons (période de forte chaleur) ou de l’approvisionnement du carburant (diesel). Disposant d’un excellent potentiel solaire inexploité, il s’agit d’étudier le remplacement des centrales thermiques par des centrales solaires et des systèmes de stockages. Quelle serait la puissance optimale de l’installation et du stockage afin maximiser l’autonomie de la ville vis -à-vis de l’énergie fossile ? Comment intégrer ces nouvelles productions d’énergies au réseau actuel, tout en tenant compte des aspects économiques ?

Revue de littérature On peut trouver dans la littérature deux grandes catégories de problème de dimensionnement optimal, comme suggéré par [1]. La première catégorie est liée à l’aspect opérationnel optimal qui décrit les flux de puissances de l’ensemble du système. La deuxième catégorie concerne le problème de dimensionnement qui détermine la valeur des capacités des composantes du système. Dans le cas de la gestion optimale, on retrouve souvent les problèmes de planifications à court terme (24 heures) des systèmes énergétiques hybrides (électrique et thermique). Les auteurs de l’article [2] proposent une formulation MILP du problème de planification à 30 minutes, de la demande électrique et thermique dans un microgrid, où l’objectif est de minimiser les couts de fonctionnement. Dans [3], les auteurs développent un modèle de gestion intelligente de l’énergie pour une maison. L’objectif est formulé comme un problème MILP, dans lequel il s’agit de minimiser les couts d’achat de l’énergie ainsi que les pics de demande. Les auteurs dans [4] étendent l’objectif d’optimisation à un problème multiobjectif où il s’agit de minimiser couts opérationnels et les émissions CO2 pour la planification de la consommation des maisons intelligentes (« smart-home »).

Enfin les auteurs de [5] propose un modèle MINLP pour la programmation court terme d’un hub énerg étique dont l’objectif est de combler la demande électrique et thermique journalière afin de maximiser les profits. Dans le cas du dimensionnement optimal, on retrouve des problèmes de planification de l’expansion du réseau et de dimensionnement, ainsi que d’implantation des systèmes de production et de stockage distribué. Dans l’étude [6] et [7], les auteurs développent un modèle MILP pour le design optimal de système de production d’énergie distribué combinant chauffage et climatisation au niveau du réseau électrique de distribution. Enfin, des modèles MINLP sont développés dans [8] et [9] afin de dimensionner une CCHP et de planifier l’expansion du réseau.

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Table des matières

Liste des abréviations
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des graphiques
Partie 1 Introduction
1.1 Contexte
1.1.1 Utopia “Think global act local”
1.1.2 Modubois
1.1.3 ValaisRoule
1.1.4 Ferme de Cergnement (Forces Motrices d’Avançon)
1.1.5 N’Djaména ( Tchad )
1.2 Objectif du travail
1.3 Motivation
1.4 Structure du rapport
Partie 2 État de l’art
2.1 Notions théoriques de l’optimisation
2.1.1 Introduction à l’optimisation
2.1.2 Classification des problèmes d’optimisation
2.1.3 Méthodes de résolutions des problèmes d’optimisation
2.1.4 Notions d’optimisation avancée
2.2 Dimensionnement énergétique optimal
2.2.1 Système énergétique mononodale
2.2.2 Système énergétique multinodale
2.2.3 Revue de littérature
2.3 Flux de puissance optimal (OPF)
2.3.1 Dispatch économique
2.3.2 DC-OPF
2.3.3 AC-OPF
Partie 3 Outil de dimensionnement
3.1 Processus de conception
3.2 Modélisation énergétique
3.2.1 Modèle énergétique électrique basique
3.2.2 Modèle énergétique complet
3.3 Formulation du problème d’optimisation
3.3.1 Variables de décision
3.3.2 Contraintes
3.3.3 Fonction objective
3.4 Outils de programmation informatique
3.4.1 Python & Librairie d’optimisation
Partie 4 Étude de cas
4.1 UTOPIA et Modubois
4.1.1 Problématique
4.1.2 Caractéristiques techniques et énergétiques
4.1.3 Paramétrage de l’outil de dimensionnement
4.1.4 Résultats du dimensionnement optimal
4.1.5 Analyse de l’influence des paramètres
4.1.6 Solution optimale robuste
4.2 ValaisRoule
4.2.1 Problématique
4.2.2 Caractéristiques techniques et énergétiques
4.2.3 Paramétrage de l’outil de dimensionnement
4.2.4 Résultats du dimensionnement optimal
4.3 Ferme de Cergnement (Gryon) – FMA
4.3.1 problématique
4.3.2 Description des données à disposition
4.3.3 Analyses des courbes de charges
4.3.4 Données météorologiques
4.3.5 Paramétrage de l’outil de dimensionnement
4.3.6 Résultats du dimensionnement optimal
4.4 Ville de N’Djaména (Tchad)
4.4.1 Problématique
4.4.2 Données météorologiques & Courbes de charges
4.4.3 Paramétrage de l’outil
4.4.4 Résultats du dimensionnement optimal
Partie 5 Conclusion
Partie 6 Bibliographie
Partie 7 Annexe
7.1 Dimension container
7.2 Locaux transportables – bonnes pratiques (EnFK)
7.3 Rapport détaillé simulation bSol pour container
7.4 Paramètres pour le dimensionnement du container
7.5 Données météorologiques à Sion en 2018
7.6 Consommation électrique type
7.7 Caractéristiques des batteries ebike Bosch
7.8 Caractéristiques des chargeurs ebike Bosch
7.9 Schéma du réseau de distribution de la ferme