Utilisateur:GI EB11 VaihauAbdou/Brouillon
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Centrale Hybride Solaire, Éolien et Diesel modifier
Pour les sites isolés ou éloignés du réseau électrique, le recours aux énergies renouvelables s'impose de plus en plus pour subvenir à leurs besoins énergétiques. Les énergies renouvelables sont gratuites et en quantités quasi-infinies. Pour permettre une électrification optimale, le recours à des systèmes hybride semble être un bon compromis pour bénéficier d'une énergie à tout moment. Le principe est de combiner plusieurs énergies complémentaires comme différentes énergies renouvelables. Dans notre cas les énergies exploitées sont celles du vent et du soleil. Pour fiabiliser notre système lors de conditions climatiques peu favorables, notre système fait appel à une source d'énergie conventionnelle, plus fiable: un groupe électrogène diesel. Pour compléter le système, il est nécessaire d'utiliser un système de stockage de l'énergie. Les systèmes de stockage sont présents pour compenser la défaillance des énergies intermitentes, et permettre la transition vers les générateurs diesel.
Remarque :
- L’énergie solaire et éolien sont complémentaires, l’un vient compenser l’autre.
- L’exploitation de centrale hybride solaire et éolien sont fréquentes dans les îles, avec un climat tropical.
Procédure à suivre pour l'installation de la centrale modifier
Analyse du potentiel modifier
- Quelle est la vitesse moyenne du vent sur le site d’installation ? potentiel éolien
- A-t-on un bon rayonnement solaire ? énergie solaire
Déterminer la consommation d’énergie modifier
Quelle est la consommation quotidienne énergétique ?
Déterminer la puissance maximale modifier
Quelle est la puissance maximale quotidienne ?
Dimensionnement modifier
- Dimensionnement du générateur diesel, de telle sorte à couvrir l’alimentation en cas de défaillance.
- Dimensionnement des batteries, avec une compensation d’une demi-journée. Pour permettre la mise en marche du générateur diesel.
Etude financière de l’installation modifier
- Coût des onduleurs
- Coût du parc de batteries
- Coût du parc photovoltaïque
- Coût du parc éolien
- Coût du générateur diesel
- Coût du montage et de l’installation
Le photovoltaïque modifier
Les panneaux photovoltaïques sont constitués de nombreuses cellules (photovoltaïques) composées d’un matériau semi-conducteur absorbant l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique. Individuellement, une cellule photovoltaïque ne produit qu’une très faible puissance électrique (de 1 à 3 W) pour une tension ne dépassant pas 1 V. C’est pour augmenter cette puissance que les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). L’intensité courant et la puissance produites dépendent de la surface du module. Le courant continu issu des modules est transformé en courant alternatif via un onduleur. Il est ensuite injecté sur le réseau de distribution d'électricité.
Les principales technologies de cellules photovoltaïques modifier
Les cellules constituant les panneaux photovoltaïques sont de conception et de rendements variés. Les principales technologies sont les suivantes :
| Types de cellules | Rendements | Puissance (Wc) | Production (kWh/ m²) | Production (kWh/ kWc) | Durée de vie |
| Multijonction (Alliages de Gallium, Germanium, …) | 26 à 40%[2] | 316 à 366
Wc / m² (Spectrolab) |
Non évaluée | ||
| Monocristallin (Silicium) | 12 à 20 %[3] | 150 Wc / m² | 135 à 150 kWh / m² | 900 à 1000 kWh / kWc | +/- 30 ans |
| Polycristallin (Silicium) | 11 à 16 % | 130 Wc / m² | 120 à 130 kWh / m² | 900 à 1000 kWh / kWc | +/- 30 ans |
| Couche mince (CIS, Cuivre-Indium-Sélénium) | 9 à 12 % | Non évaluée | |||
| Couche mince (Silicium amorphe) | 5 à 9 % | 60 Wc / m² | 55 à 60 kWh / m² | 950 à 1100 kWh / kWc | +/- 10 ans |
Chaque filière possède ses avantages et ses inconvénients: rendements, coûts de production, disponibilité des matières premières, difficultés d'industrialisation, faible durée de vie des cellules... C’est la filière à base de silicium cristallin qui domine actuellement le marché avec plus de 90% des ventes[4].
La puissance produite modifier
La puissance produite est exprimée en Wc / m². Elle correspond à la puissance instantanée maximale délivrée par le panneau. Cette puissance varie suivant le capteur utilisé (voir tableau comparatif ci-dessus.
Suivant son orientation, son inclinaison, sa propreté et l’ensoleillement, le panneau photovoltaïque fournira une certaine proportion de cette puissance crête[5]. De façon général, les panneaux photovoltaïque produiront le plus, orientés plein sud[6] (si l'installation se trouve dans l’hémisphère nord) ou plein nord (si l'installation se trouve dans l’hémisphère sud). L'inclinaison des panneaux dépend de la proximité du site d'installation de l'équateur (plus l'installation est éloignée de l'équateur et plus les panneaux devront être inclinés de façon à ce que les rayons du soleil arrivent perpendiculairement aux panneaux.
Le potentiel de production modifier
La capacité de production d'électricité d’un site peut être déterminée par les données météorologiques d’ensoleillement annuel du site. La carte ci-dessus donne la production électrique moyenne attendue dans les conditions optimales d’implantation suivant la surface des panneaux. Pour tenir compte de l'implantation réelle du système (orientation et inclinaison) on applique un facteur de correction à la production attendue.
L’éolien modifier
En résumé il y a 2 grandes parties à étudier pour l’installation d’éoliennes sur un site donné :
- Analyse du potentiel éolien
- Estimation du productible
1. Analyse du potentiel éolien modifier
a) Vitesse du vent moyen mensuel
Effectuer des mesures sur la vitesse du vent pendant des mois fera partie de l’étude du potentiel éolien. De ce fait, il est possible de déterminer la vitesse moyenne du vent par mois. Sachant qu’en moyenne une éolienne a besoin au moins d’une vitesse moyenne de 4,5 m/s, à partir de cette vitesse l’éolienne commence à fournir de l’énergie.
b) Distribution de Weibull
La distribution de Weibull est une loi statistique, on l’utilisera pour modéliser la fréquence d’apparition du vent en fonction des vitesses moyenne du vent. De cette façon, nous trions par classe de vitesse moyenne du vent sur un histogramme. Nous pouvons en déduire les 2 coefficients important de la formule de Weibull.
Formule loi de Weibull :
Les 2 coefficients importants sont :
k : facteur de forme
A : facteur d’échelle de Weibull.
Sur l’histogramme ci-dessus nous avons une distribution de la loi de Weibull. Le but est de la distribution de Weibull (en rouge sur l’histogramme) est de représenter les mesures réelles (en bleu sur l’histogramme). A partir de ces données nous pouvons en déduire le potentiel énergétique d’un site.
c) Direction du vent
La direction du vent est une donnée importante, notamment pour l’implantation de l’éolienne.
2. Estimation du productible modifier
a) Choix d’une éolienne.
On choisit une éolienne, en effectuant une veille technologique.
b) Estimation du productible
A partir des données techniques de l’éolienne fournit par le constructeur, nous sommes capable d’estimer le productible.
Les systèmes de stockage de l'énergie modifier
Batterie d’accumulateurs modifier
De nombreuses technologies de batterie sont disponibles sur le marché: lithium-ion, plomb, nickel-cadmium, oxydoréduction au vanadium, sodium-soufre, ZEBRA, etc.[8]
Nous parlerons surtout des technologies plomb et lithium-ion. Les batteries au plomb possèdent un haut rendement, tandis que les batteries lithium-ion peuvent fournir une grande puissance. Si les batteries lithium-ion et au plomb n'ont pas le même régime de charge, elles présentent un comportement de décharge similaire. Les batteries au plomb ont fait leurs preuves et leur faible coût reste avantageux. Les batteries lithium-ion offrent une densité d'énergie élevée et nécessitent peu de maintenance.
De tels types de stockage permettent le stockage de l’énergie pendant les heures creuses pour la restituer pendant les heures pleines ou période de carence en vent ou soleil.[9]
Types de batteries (électrochimique) modifier
Système Inertiel de Stockage d’Energie modifier
Un système inertiel de stockage d’énergie (SISE) est un dispositif permettant d’accumuler de l’énergie cinétique obtenue en faisant tourner une masse et de la restituer sous forme d’énergie électrique en utilisant le moteur comme une génératrice.
Le SISE est constitué :
- d’un volant d’inertie qui emmagasine l’énergie cinétique de rotation
- d’un convertisseur électromagnétique tournant et réversible (fonctionnement en moteur ou générateur)
- d’un convertisseur électronique de puissance
- d’une enceinte contenant les pièces tournantes du système (volant et rotor)[10]
La phase de stockage de ce genre de système est très rapide comparée à une batterie électrochimique. Environ 80 % de l'énergie absorbée pourra être restituée au réseau, ce qui constitue un très bon rendement sachant qu'une fois lancée la masse continue à tournée seule, même sans apport de courant.
La sollicitation du système pour restituer l'énergie stockée entraîne une baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie. L'autonomie d'un SISE est d'environ 15 min[11].
STEP – Stockage d’Energie par Pompage Turbinage modifier
La technique de pompage-turbinage est la technique de stockage d’énergie la plus répandue et la mieux maîtrisée au monde. Connue depuis plus de deux siècle, elle permet de stocker l'énergie potentielle de l’eau et de la transformer en énergie électrique quand on en a besoin.
Cette technique est notamment utilisée par les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP)[12]. Ce procédé permet de bénéficier de l’excédent d’énergie produite aux heures creuses ou lors de pics de production. En somme, il permet de pallier à l'intermittence de la production électrique par l’éolien et le solaire en reportant l’énergie produite en période creuse vers les périodes où vent et soleil viendraient à manquer ou tout simplement lors de pics de consommation.
Le système est constitué de deux bassins situés à des altitudes différentes et d’un groupe hydroélectrique réversible (moteur-pompe ou turbine-alternateur). Pour stocker l’énergie inutilisée, la pompe est actionnée pour transférer l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur.
Une centrale hydroélectrique réversible (pompage ou turbinage) est utilisée pour transférer l'eau entre deux bassins situés à des altitudes différentes.
Lorsque le réseau connaît un déficit de production d’énergie électrique, la circulation de l'eau est inversée.
La pompe devient alors turbine et par sa rotation permet de produire de l’électricité. L’eau restitue ainsi l'énergie potentielle accumulée précédemment sous l’effet de la pesanteur.
L'opération engendre entre 15% à 30% de perte, mais permet de stocker de l'énergie inutilisée[13].
Dimensionnement modifier
Domaine : ile, climat tropical.
A partir de la consommation maximale quotidienne, du productible par les énergies solaire et éolien. Nous pouvons en déduire dans un premier temps le dimensionnement du générateur diesel. Le générateur diesel doit être capable de couvrir la production et la consommation totale quotidienne de l’ile, en cas de défaillance des énergies renouvelables. De ce fait il faut dimensionner un parc de batteries capable de couvrir le manque d’alimentation produite par les énergies solaires et éoliens.
Dimensionnement des batteries modifier
Comment définir la capacité d’une batterie ? La capacité de la batterie est indiquée en kWh ou en Ah. Attention remarque : les batteries doivent être utilisées pour au maximum une décharge de 50%. Une batterie est caractérisée par :
- Durée de compensation en jours
- Consommation annuelle d’énergie en kWh/a
- Rendement moyen de la batterie en décharge (souvent η proche de 0,9)
La compensation consiste à déterminer la durée dont laquelle les batteries devront intervenir en cas de défaillance du système hybride. Normalement elle doit juste maintenir l’alimentation en électricité, pour donner le temps au générateur diesel de démarrer.
![{\displaystyle Puissancedelabatterie[kWh]={\frac {Dureedelabatterie*{\frac {Consommationannuelled'energie}{365}}}{Rendementmoyendelabatterieendecharge}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/651e54d8f2d188eb38ec7791643b950128cc6eeb)
![{\displaystyle Puissancedelabatterie[Ah]={\frac {Puissancedelabatterie[kWh]*1000}{Tensiondelabatterie}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5e594a2d97e0e96978fbedf0f1b2722656fc8261)
- Puissance de la batterie [kWh]= (Durée de compensation × (Consommation annuelle d'énergie)/365)/(Rendement moyen de la batterie en décharge)
- Puissance de la batterie [Ah]= (Puissance de la batterie [kWh] × 1000)/(Tension de la batterie)
Exemple, application modifier
Ile d'Eigg modifier
L’île d’Eigg, située dans les îles Small, en Ecosse est le seul endroit sur terre qui soit à 100 % autonome en énergie. Depuis, la population s’est développée et est passée d’une soixantaine d’irréductibles écossais à une centaine. Située dans la mer des Hébrides, en Ecosse, elle se prête particulièrement aux types de production alternatifs. En effet, il y a beaucoup de vent et de pluie en hiver, et du soleil en été. Il n’en fallait pas plus pour que les habitants décident de créer et gérer eux-mêmes leur propre système d’électricité. Et cela, à l’aide de ressources renouvelables, d’hydro-électricité, de vent et d’énergie solaire.
L'ile d'El Hierro modifier
L'une des premières îles autonome en énergies renouvelables.
Annexes modifier
[[Catégorie:Énergie éolienne]]
- SMA Solar Technology AG, « www.SMA-France.com », sur www.sma-france.com (consulté le )
- Béatrice Plujat et Valérie Plujat, Laura Gaudy, « Le photovoltaïque pour les satelittes », sur fr.solarpedia.net/, (consulté le )
- Romain Guillo, « Les différents types de cellules photovoltaïques - Ecosource », sur www.ecosources.info (consulté le )
- « Recherche et développement sur le Photovoltaïque », sur www.developpement-durable.gouv.fr (consulté le )
- Jean-Luc AUDFRAY et Frédéric KERGOURLAY, Chambres d'Agriculture Bretagne, « Les panneaux photovoltaïques », Fiche Technique "Energie", no D52, (lire en ligne)
- « Estimation de la production du système photovoltaïque », sur www.photovoltaique.info, (consulté le )
- « Windenergie-Daten der Schweiz », sur wind-data.ch (consulté le )
- « Stockage de l'énergie par batteries pour la stabilisation du réseau », sur www.aegps.fr (consulté le )
- Quentin Mureau, « La batterie domestique lithium-ion PowerWall | Tesla - Ecosources », sur www.ecosources.info (consulté le )
- Juliette KAUV, Jean BONAL et Pierre ODRU, « Stockage inertiel de l'énergie - Système inertiel de stockage d'énergie SISE », Techniques de l'Ingénieur, no D4030, (lire en ligne)
- Romain Guillo, « Stockage d'énergie par volant d'inertie - Ecosources », sur www.ecosources.info (consulté le )
- Bertrand Colombo, « STEP : la révolution du stockage d’énergie est en marche », sur www.energystream-solucom.fr, (consulté le )
- Romain Guillo, « Les STEP, stockage d'énergie par pompage turbinage - Ecosources », sur www.ecosources.info (consulté le )