Optimisation d’un système hybride de génération d’énergie électrique

Optimisation d’un système hybride de génération d’énergie électrique

Les systèmes de stockage d’énergie

Le stockage de l’énergie possède de nombreux domaines d’application. On pourra l’utiliser comme solution pour favoriser l’insertion des énergies renouvelables fluctuantes mais aussi pour améliorer l’efficacité énergétique ou apporter de la flexibilité aux systèmes énergétiques ou encore pour renforcer la sécurité et la fiabilité des réseaux. Dans le cas d’un groupe électrogène hybride, le système de stockage d’énergie nous servira à maitriser la production du moteur thermique pour en minimiser sa consommation. Nous nous positionnons donc dans le cadre du système de stockage ayant pour objectif d’améliorer l’efficacité énergétique d’un groupe électrogène traditionnel. Regardons alors quelles sont les technologies actuelles qui sont susceptibles de répondre à nos besoins pour l’hybridation d’un groupe électrogène.

Les technologies

L’énergie électrique ne se stocke jamais sous sa forme première et nécessite une transformation pour être stockée sous une autre forme. On pourra par exemple la stocker sous forme : – mécanique (énergie potentielle ou cinétique), – thermique (chaleur latente ou sensible), – chimique (accumulateur, hydrogène), – électromagnétique (bobines supraconductrice). Selon les caractéristiques souhaitées, différentes technologies existent. Certaines seront bien adaptées pour des fortes puissances, d’autres pour des quantités d’énergie stockées très importantes.La figure 1 montre la répartition des différentes technologies de stockage en fonction de leur puissance et de leur autonomie. Ceci ne reste qu’un ordre de grandeur car les technologies évoluent assez rapidement notamment pour les batteries lithium et les super-condensateurs qui sont en pleine expansion. Dans le cadre de cette thèse, le système de stockage devra être lié au groupe électrogène et devra donc rester transportable. Nous ne parlons pas ici de système de stockage mobile comme on peut les retrouver dans les véhicules électriques mais bien de système de stockage transportable car ils peuvent être amenés à être déplacés mais ne sont que très rarement en mouvement lors de leurs utilisations. Nous pouvons d’ores et déjà écarter de notre étude les technologies de pompage hydraulique, de stockage par la chaleur ou de stockage par air comprimé qui nécessitent des installations à part entière et ne sont utilisées que pour de très fortes puissances, en général supérieures au mégawatt. De plus, nous bornons notre étude à des groupes électrogènes d’une puissance comprise entre 10kW et quelques centaines de kilowatts. Nous nous intéresserons alors par la suite exclusivement aux technologies des volants d’inertie, des super-condensateurs et des batteries électrochimiques.

Les volants d’inertie

Un volant d’inertie est un système permettant le stockage de l’énergie sous forme cinétique dans une masse en rotation. Son intégration peut se faire directement sur l’arbre moteur. Néanmoins pour l’utiliser en tant que stockage électrique, il doit être associé à une machine électrique qui fonctionne en moteur ou en générateur suivant les flux de puissance souhaités. En notant 𝔐 le moment d’inertie du rotor et ω sa vitesse de rotation, on peut écrire l’énergie stockée suivant la formule (1) : E = 1 2 𝔐 𝜔 2 ( 1 ) Dans le cas d’un cylindre plein de rayon 𝑟 et de masse 𝑚, le moment d’inertie peut s’écrire suivant l’équation (2) : 𝔐 = 1 2 𝑚 𝑟 𝟐 ( 2 ) La quantité d’énergie stockée est donc proportionnelle à la masse en rotation 𝑚, au carré de sa vitesse de rotation ω et au carré de son rayon 𝑟. Les systèmes à haute vitesse sont donc souvent utilisés pour éviter d’avoir un encombrement ou un poids trop importants. Pour les volants d’inertie haute vitesse, il devient intéressant de les placer sur des paliers magnétiques et dans des enceintes sous vide pour limiter au maximum les pertes mécaniques par frottements. Même si cela rajoute des pertes de par la pompe à vide et l’électroaimant des paliers magnétiques, le gain apporté reste favorable. La vitesse de rotation est néanmoins limitée par la résistance à l’étirement des matériaux. Les volants les plus modernes sont en fibre de carbone, un matériau plus souple que l’acier, et tournent en lévitation magnétique, sous vide, entre 20 000 et 50 000 tours par minute. Il est nécessaire, par sécurité, d’encapsuler le rotor dans un boitier très résistant, ce qui représente souvent un poids encore plus important que le rotor lui-même, mais en fait un système robuste. La vitesse maximale de rotation est atteinte après quelques dizaines de secondes seulement, ce qui en fait un mode de stockage parmi les plus rapides au niveau du chargement

Table des matières

Table des figures
Introduction générale
Chapitre I Etat de l’art et contexte de l’étude
I Les systèmes de stockage d’énergie
I.1 Les technologies
I.2 Les volants d’inertie
I.3 Les super-condensateurs
I.4 Stockage par énergie chimique
I.4.1 Batterie au plomb
I.4.2 Batterie Nickel-Cadmium(NiCd)
I.4.3 Batterie nickel-hydrure métallique
I.4.4 Batterie Nickel-Zinc
I.4.5 Batterie Lithium-ion
I.4.6 Batterie à flux
I.4.7 Pile à combustible
I.5 Comparaison des systèmes de stockage
II Dimensionnement d’un système hybride
III Stratégie de gestion énergétique
III.1.1 Principe d’optimalité de Bellman
III.1.2 Principe du maximum de Pontryagin
IV Conclusion
Chapitre II Modélisation des composants du système
I Introduction
II Moteur thermique
II.1.1 Généralité sur les diagrammes de consommation spécifique
II.1.2 Typage moteur
II.1.3 Moteur turbocompressé vs moteur à aspiration naturelle
II.1.4 Diagrammes fournis
III Alternateur synchrone bobiné
III.1.1 Modélisation en régime permanent
III.1.2 Détermination des paramètres du modèl
III.2 Evaluation des pertes de l’alternateur
III.2.1 Pertes mécaniques
III.2.2 Pertes dans la roue polaire
III.2.3 Pertes dans l’induit
III.2.4 Pertes dans l’inducteur
III.2.5 Pertes dans le pont de diode
III.2.6 Pertes fer
III.2.7 Pertes Stator
III.2.8 Pertes supplémentaires.
III.2.9 Pertes totales
III.3 Prise en compte de la tension de bobinage dans le modèle
III.4 Comparaison du rendement modélisé avec celui mesuré
IV Électronique de puissance
IV.1 Modélisation électrique
IV.1.1 Redresseur
IV.1.2 Onduleur
IV.1.3 Convertisseur DC/DC.
IV.1.4 Convertisseur DC/DC entrelacé
IV.2 Evaluation des pertes des convertisseurs
IV.2.1 Redresseur
IV.2.2 Onduleur
IV.2.3 Pertes dans les diodes
IV.2.4 Convertisseur DC/DC
IV.2.5 Inductance
IV.2.6 Modélisation des composants semi-conducteurs. 68
V Système de stockage
VI Conclusion
Chapitre III Méthodes mathématiques
I Introduction
II Principe de base de la programmation dynamique
III Programmation dynamique de Bellman en temps discret
III.1 Equation de Hamilton-Bellman-Jacobi
III.2 Application de l’équation de Hamilton-Bellman-Jacobi au groupe électrogène hybride
III.3 Méthodes pour réduire le temps de calcul
III.3.1 Méthode de la grille grossière
III.3.2 Méthode par relaxation
III.3.3 Méthode proposée
III.3.4 Calcul matriciel
IV Exemple de stratégie de contrôle optimal
V Optimisation par évolution différentielle
V.1 Principe général
V.2 Population initiale
V.3 Processus itératif.
V.3.1 Mutation
V.3.2 Croisement
V.3.3 Sélection
V.4 Optimisation multi-objectifs
V.4.1 Front de Pareto
V.4.2 Principe de classement des individus
VI Conclusion
Chapitre IV Optimisation du dimensionnement du système
I Introduction
II Profils de charge aléatoires
II.1 Définitions des profils de charge
II.2 Résultats d’optimisation
II.2.1 Front de Pareto
II.2.2 Evolution des paramètres
II.2.3 Relation entre la tension de bus et la tension de bobinage de la machine
II.2.4 Corrélation
II.2.5 Influence du facteur de charge
II.2.6 Comparaison entre les facteurs de charge
II.2.7 Optimisation du coût de fonctionnement.
II.2.8 Retour sur investissement.
III Profils de charge des grues portuaires
III.1 Optimisation pour un profil avec la possibilité de récupérer l’énergie restituée lors de la descente d’un container
III.2 Optimisation pour un profil avec l’interdiction de récupérer l’énergie restituée lors de la descente d’un container
III.3 Comparaison avec un système à vitesse variable
IV Conclusion
Chapitre V Validation expérimentale
I Introduction
II Dimensionnement et réalisation du prototype de groupe hybride
II.1 Moteur diesel
II.1.1 Choix des moteurs diesel.
II.1.2 Mesure de la consommation de carburant
II.2 Choix du profil de charge
II.2.1 Profil aléatoire
II.2.2 Profil grue portuaire
II.3 Dimensionnement de l’alternateur
II.4 Étude de la commande optimale
II.5 Choix et dimensionnement du système de stockage d’énergie
II.6 Dimensionnement de l’électronique de puissance
II.6.1 Convertisseur DC/DC
II.6.2 Redresseur
II.6.3 Onduleur
II.7 Structure de contrôle
III Réalisation du prototype
IV Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie.