Soutenance mémoire
Sources d’énergie renouvelables
Actuellement, les sources d’énergie renouvelables font l’objet d’un regain d’intérêt. La cause principale de cet essor est l’épuisement des ressources énergétiques conventionnelles de la Planète (le fuel, le gaz naturel, le charbon et l’uranium). Une autre raison de leur développement est la distribution et la consommation non uniformes des ressources conventionnelles d’énergie sur la Planète. Ainsi, une partie considérable de l’humanité, n’a pas accès à l’électricité (environ 22% ou 1,5 milliards de personnes), ce qui limite son développement [16]. L’augmentation de la participation des énergies renouvelables pour répondre aux besoins des consommateurs est régie par le «Protocole de Kyoto», qui impose des exigences réelles pour les pays signataires (cf. Figure. I. 5). Globalement, en 2009 il y avait 1230 GW installés en énergies renouvelables produisant de l’électricité, ce qui représente 18% de la capacité dans le monde. Cette énergie renouvelable peut être fournie par le soleil, le vent, la chaleur de la terre, les chutes d’eau, les marées ou encore la croissance des végétaux [16].
L’hydroélectricité
L’hydroélectricité est une des énergies renouvelables les plus développées dans le monde. Elle met à profit l’énergie de l’eau qui se déplace d’un point haut vers un point bas, essentiellement pour produire de l’électricité. Les projets de production de cette énergie englobent des projets de barrages-réservoirs, de centrales d’éclusées ou au fil de l’eau [17]. Les barrages-réservoirs, en particulier, offrent un avantage majeur, car ils permettent de stocker de très grandes quantités d’énergie potentielle qui seront éventuellement converties en énergie électrique[18]. En effet, l’eau accumulée dans un barrage élevé contient de l’énergie potentielle qui se transforme en énergie mécanique lorsqu’elle descend dans le canal d’amenée et frappe les aubes d’une turbine. La rotation de la turbine fait tourner des électroaimants qui produisent un courant dans des enroulements fixes .
L’hydroélectricité est largement acceptée comme une énergie propre et compatible avec les contraintes environnementales. Mais l’importance des grands ouvrages d’art, déviation de cours d’eau, inondations locales, déplacements de population et etc., lors de la construction des grands barrages posent problèmes [19]. La construction d’un barrage hydroélectrique, de grande taille, entraine parfois un déplacement très important de la population qui peut être désastreux (exemple du barrage des Trois Gorges en Chine)[20].
L’énergie solaire : le solaire photovoltaïque et le solaire thermique
L’utilisation de l’énergie solaire se fait de deux manières : le solaire photovoltaïque, à l’aide de cellules solaires convertit l’énergie solaire en énergie électrique et le solaire thermique, à l’aide de capteurs, transforme l’énergie du rayonnement solaire en chaleur véhiculée par l’eau [22].L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semi-conducteurs comme le silicium avec une couche métallique mince (cf.Figure. I. 7). Ces matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est apportée par les photons (composants de la lumière), qui heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant électrique. Un système photovoltaïque utilisant des cellules solaires, l’énergie disponible dépend des conditions d’éclairement (conditions atmosphériques, angle du rayonnement, propreté des surfaces…) et de la température de fonctionnement des cellules[23]. Le photovoltaïque est aujourd’hui une réalité industrielle. Depuis la fin des années 90, ce secteur connaît une croissance très forte, d’environ 40% par an. Les nouvelles installations photovoltaïques en 2014 dans le monde ont atteint un niveau de 40 GW. La Chine, le Japon, l’Europe et les Etats-Unis sont les leaders, (cf.Figure. I. 8)[24]. Les installations photovoltaïques sont en général jaugées en termes de capacité de puissance. Les modules photovoltaïques sont testés sous un éclairement de référence (1 kW/m2), et délivrent dans ces conditions une puissance exprimée en Watt-crête (Wc), qui permet de les comparer entre eux[25].
Le solaire thermique thermodynamique est une des technologies les plus efficaces pour valoriser les énergies renouvelables. C’est au milieu des années 1970, que le concept de centrales solaires thermodynamiques commence à éveiller l’intérêt de centres de recherche et de grands groupes industriels[27]. Cette énergie est le résultat de la transformation en énergie thermique (chaleur) du rayonnement solaire. Cette transformation permet de chauffer de l’air ou de l’eau dans de nombreux cas d’applications solaires. Le solaire thermique basse température permet essentiellement le chauffage de l’eau sanitaire, mais aussi dans une moindre mesure, la production combinée de chauffage par plancher chauffant (plancher solaire direct). Cette application de l’énergie solaire, industrialisée depuis plusieurs ans, est actuellement en phase de croissance accélérée aux Etats-Unis, au Japon et en Europe. Par contre, L’énergie solaire haute température est surtout utilisée dans les centrales solaires thermodynamiques pour produire de l’électricité, les cheminées solaires ou les fours solaires à concentration. Le rayonnement du soleil concentré sur une surface de captage, permet d’obtenir de très hautes températures comprises en général entre 400 et 1.000°C. La chaleur produite par ce processus crée de la vapeur qui alimente une turbine. Cette dernière entraine un générateur qui va produire de l’électricité : c’est l’héliothermodynamie[28].
L’énergie géothermique
Le principe consiste à extraire l’énergie contenue dans le sol. La température croît depuis la surface vers le centre de la Terre. Cette chaleur est produite pour l’essentiel par la radioactivité naturelle des roches constitutives de la croûte terrestre. Elle provient également, pour une faible part, des échanges thermiques avec les zones internes de la Terre, dont les températures s’étalent de 1 000 °C à 4 300 °C. Cependant, l’extraction de cette chaleur n’est possible, que lorsque les formations géologiques constituant le sous-sol sont poreuses ou perméables et contiennent des aquifères [29],[30]. Par ailleurs, les géothermies «haute température» (températures supérieures à 150°C) et «moyenne température» (températures comprises entre 100 et 150°C) permettent, grâce à la vapeur jaillissant (avec suffisamment de pression), d’alimenter une turbine et ainsi de produire de l’´électricité [31]. Le principe de production de l’énergie et l’échangeur de chaleur via le géothermique est présenté par la Figure. I. 9. Les centrales géothermiques utilisent la chaleur des nappes d’eau souterraines dans les zones les plus favorables. Cette chaleur est soit directement utilisée (échangeur de chaleur), soit convertie en énergie électrique grâce aux générateurs. La taille typique des centrales géothermiques varie de 5 à 50 MW. La géothermie s’est développée, au 20ème siècle, dans de nombreux pays pour la production d’électricité. Actuellement une vingtaine de pays produisent de l’électricité à partir de la géothermie[32].
L’énergie de biomasse
Le terme biomasse désigne, au sens large, l’ensemble de la matière vivante : matière organique d’origine animale ou végétale, les résidus organiques liés à des activités humaines (les ordures ménagères) ou les boues des stations d’épuration[34]. Cette matière organique a pour particularité d’être toujours composée de carbone (du bois aux feuilles en passant par la paille, les déchets alimentaires, le fumier…). La production de l’énergie électrique est produire grâce à la chaleur dégagée par la combustion ou du biogaz issu de la fermentation de ces matières, dans des centrales biomasses. L’avantage de la conversion énergétique de la biomasse, par rapport aux autres sources d’énergétiques renouvelables, réside dans le fait qu’elle participe en plus activement au traitement des déchets organiques, contribuant ainsi à la réduction de l’impact de nos activités sur l’environnement[35].
La biomasse est la ressource la plus utilisée au monde. En Europe, c’est 51% de la part de l’énergie renouvelable qui appartient à ce mode de production d’énergie[29]. L’utilisation va de petites chaufferies individuelles jusqu’à la production de la chaleur industrielle de plus de 15 MW.
Le développement des biocarburants est souvent corrélé aux cycles de variation des prix du baril de pétrole. Aujourd’hui l’éthanol (betterave, blé…) et le biodiesel (colza, tournesol…) offrent des avantages environnementaux appréciables dans la lutte contre l’effet de serre. L’Union européenne projette d’atteindre une production de 17 millions de tonnes de biocarburant par an en 2010 par rapport au million produit actuellement .
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Table des matières
Introduction Générale
CHAPITRE I Etat de l’art sur la conversion de l’énergie éolienne
I.1 Introduction
I.2 Contexte énergétique et aspects environnementaux
I.2.1 Problèmes énergétiques
I.2.2 Problèmes environnementaux
I.2.3 Quelles conséquences pour les années à venir ?
I.2.4 Aspects réglementaires
I.3 Sources d’énergie renouvelables
I.3.1 L’hydroélectricité
I.3.2 L’énergie solaire : le solaire photovoltaïque et le solaire thermique
I.3.3 L’énergie géothermique
I.3.4 L’énergie de biomasse
I.3.5 Energie de la mer
I.3.6 Energie éolienne
I.4 Conversion de l’énergie éolienne
I.4.1 Principe et théorie d’une éolienne
I.4.2 Différents types des aérogénérateurs
I.4.2.1 Aérogénérateurs à axe vertical
I.4.2.2 Aérogénérateurs à axe horizontal
I.4.3 Eléments constitutifs d’une éolienne à axe horizontal
I.4.4 Technologie d’éoliennes de grande puissance
I.4.4.1 Les éoliennes à vitesse fixe (constante)
I.4.4.2 Les éoliennes à vitesse variable
I.4.5 Machines électriques et systèmes de conversion d’énergie éolienne
I.4.5.1 Machine à courant continu (MCC)
I.4.5.2 Machine asynchrones à cage (MAS)
I.4.5.3 Machine synchrones (MS)
I.4.5.4 Machine synchrone à aimants permanents (MSAP)
I.4.5.5 Machines à reluctance variable
I.4.5.6 Machines asynchrones à double alimentation (MADA)
I.5 Machine asynchrone à double alimentation
I.5.1 Structure de la MADA
I.5.2 Modes de fonctionnement
I.5.3 Avantage des éoliennes à base de la MADA
I.6 Système de stockage de l’énergie électrique
I.6.1 Synthèse sur les différentes techniques de stockage
I.6.1.1 Stockage inertiel électromécanique
I.6.1.2 Stockage par air comprimé
I.6.1.3 Stockage d’hydrogène-Piles à combustible
I.6.1.4 Système de stockage électrostatiques – Supercondensateurs
I.6.1.5 Accumulateurs électrochimiques
I.6.2 Systèmes de stockage à base de batteries Li-ion
I.6.2.1 Principe de fonctionnement
I.6.2.2 Technologies des batteries Li-ion
I.6.2.3 Coût des batteries Li-ion
I.7 Conclusion
CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion éolienne en mode connectée au réseau
II.1 Introduction
II.2 Chaine de conversion d’énergie éolienne à base de la MADA connectée au réseau électrique
II.2.1 Description de la structure
II.2.2 Principe de fonctionnement
II.3 Modélisation de la chaine de conversion éolienne à base de la MADA
II.3.1 Modélisation de la turbine éolienne
II.3.2 Modélisation de la MADA
II.3.2.1 Equations électriques de la MADA
II.3.2.2 Equations magnétiques
II.3.2.3 Equation mécanique
II.3.2.4 Modèle de la MADA dans le plan (dq)
II.3.3 Modélisation des convertisseurs
II.3.3.1 Modélisation du convertisseur coté rotor
II.3.3.2 Modèle du bus continu
II.3.3.3 Modélisation du convertisseur coté réseau
II.4 Modélisation des batteries Li-ion
II.4.1 Les batteries Li-ion
II.4.2 Modèle de batterie Li-ion
II.5 Commande vectorielle de la MADA
II.5.1 Modèle de la MADA avec orientation du flux statorique
II.6 Commande indépendante des puissances active et réactive statoriques de la MADA en mode connecte au réseau
II.6.1 La commande directe
II.6.2 La commande indirecte
II.6.2.1 Commande indirecte sans boucle de puissance
II.6.2.2 Commande indirecte avec boucle de puissance
II.7 Contrôle du convertisseur coté réseau
II.8 Contrôle du système de stockage électrochimique
II.9 Résultats de simulation
II.9.1 Validation de la commande directe de puissance
II.9.2 Validation du contrôle de convertisseur coté réseau
II.9.3 Validation du contrôle de système de stockage
II.10 Conclusion
CHAPITRE III Etude d’une chaine de conversion éolienne en mode iloté associée aux batteries Li-ion .
III.1 Introduction
III.2 Chaine de conversion de l’énergie éolienne à base de la MADA en mode iloté
III.2.1 Description du système éolien en mode iloté
III.2.2 Principe de fonctionnement
III.3 Modélisation de la MADA en mode iloté
III.3.1 Equations liants les tensions rotoriques avec les flux rotoriques
III.3.2 Equations liants les tensions rotoriques avec les flux rotoriques
III.4 Commande de la MADA en mode iloté
III.4.1 Boucles internes de régulation des flux rotoriques
III.4.2 Boucle externe de régulation de la tension statorique
III.5 Modèle de la machine synchrone à aimants permanents
III.6 Commande de la MSAP
III.7 Intégration du système de stockage électrochimique dans le système éolien en mode iloté
III.8 Résultats de simulation
III.8.1 Validation de la commande du système éolien en mode iloté
III.8.2 Validation du contrôle du système de stockage
III.9 Conclusion
CHAPITRE IV Filtrage actif par un système éolien à base d’une machine asynchrone à double alimentation
IV.1 Introduction
IV.2 Filtrage actif par le système éolien
IV.2.1 Identifications des courants harmoniques par la méthode des puissances réelle et imaginaire
IV.2.1.1 Calcul des différentes composantes de tension et de courant
IV.2.1.2 Modélisation de la charge polluante
IV.3 Filtrage actif par le convertisseur cote réseau
IV.3.1 Principe de fonctionnement
IV.3.2 La commande en courant du convertisseur coté réseau dans le repère
IV.3.2.1 Résultats de simulation
IV.4 Filtrage actif par le stator de la MADA
IV.4.1 Principe de fonctionnement
IV.4.2 La commande indirecte sans boucle de puissance avec les courants harmoniques de référence
IV.4.3 Résultats de simulation
IV.5 Filtrage actif par le convertisseur cote réseau et le stator de la MADA
IV.5.1 Principe de fonctionnement
IV.5.2 L’isolation des harmoniques par filtre sélectif
IV.5.3 Résultats de simulation
IV.5.3.1 Filtrage actif sans compensation de la puissance réactive
IV.5.3.2 Filtrage actif avec compensation de la puissance réactive
IV.6 Conclusion
Conclusion Générale
