Dimensionnement et gestion optimaux d’éléments de stockage pour le déploiement de sources renouvelables, réalisation d'un micro-réseau LVDC

National audienceBecause of our global high consumption of fossil fuels, these resources are becoming scarce and the environmental equilibrium of the Earth is endangered. Other energy sources are developed in order to build a new diversified and decarbonised energy mix. For example, in an urban context, the solar photovoltaic system has many assets such as the decentralized production of electricity, easy integration in buildings, transportation losses reduction, no sound during production, low environmental impact, etc. However, the production of this energy source is highly varying, difficult to predict (several timescales, from the cloud shadows to seasonal meteorological variations) and not correlated across time with our consumption needs.In order to enable a massive penetration of renewable energy sources in our conventional grid, the use of energy storage systems (e.g. electrochemical storage) seems a promising solution, taking into account the costs, supply security, technological maturity and ease of set up. Hence, new microgrids constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed in order to replace or complement the main centralized grid by ensuring some support functions (i.e. enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc.). The consumers become actors able to inject a part of all their surplus energy to the main grid, if the operation is accepted by the transmission system operator. A new business model is to define, especially in the case of putting a valuation on the functions that can help the main grid.During this thesis, several years of data from production and consumption of a photovoltaic building have been analysed in order to define the operating profile of an energy storage system that ensures the equilibrium of the microgrid. A behavioural model taking into account the ageing has been made for three storage technologies: lead-acid batteries, lithium-ion batteries, and supercapacitors. It enables the optimal sizing, the hybrid association of storage systems, and the optimal energy management of the microgrid. Several criteria assessing the operation of microgrids have been studied (e.g. annual cost of the storage system, self-consumption rate, loss of load probability, etc.). A multi-objective methodology, based on Pareto optimality, has been developed in order to optimize economic, environmental, and autonomy aspects. A low voltage DC prototype of some kilowatts has been developed for validating the different concepts presented in this thesis.La forte consommation des énergies fossiles au niveau mondial entraine une raréfaction de ces ressources et met en danger l’équilibre environnemental global du fait de la pollution qu’elle engendre. D’autres sources d’énergie dites renouvelables se développent afin de proposer un mix énergétique très diversifié et progressivement décarboné. Par exemple, dans un contexte urbain, le solaire photovoltaïque présente de nombreux atouts comme la possibilité de produire de l’électricité de façon décentralisée, l’intégration aisée dans les bâtiments et infrastructures publiques, la réduction des pertes liées au transport de l’électricité, pas de pollution sonore, pas ou peu d’impact sur l’écosystème environnant, etc. Cependant, cette source est très intermittente et difficilement prédictible (diverses échelles de temps liées au passage de nuages, cycle diurne ou cycle saisonnier) et doit être implantée dans des endroits sans ombrage d’infrastructure pour assurer la meilleure production et durée de vie. De plus, sa production n’est généralement pas temporellement en phase avec des profils de consommation de type résidentiel ou tertiaire.Afin de répondre à la problématique d’intégration des énergies renouvelables dans nos réseaux électriques conventionnels, l’usage de moyens de stockage, par exemple de type électrochimique, semble aujourd’hui la meilleure solution, en considérant le coût, la sécurité d’approvisionnement, la maturité technologique et la facilité de mise en œuvre. Ainsi, de nouveaux micro-réseaux constitués de sources décentralisées et d’éléments de stockage apparaissent en concurrence du réseau centralisé conventionnel ou en complément de ce dernier afin d’atteindre de nouveaux objectifs (stabilité accrue du réseau, mode isolé de secours en cas de panne avec possibilité d’aider le redémarrage du réseau principal, remplacement de générateurs diesel auxiliaires, etc.). Parmi les grandes transformations actuelles, les consommateurs de plus en plus acteurs et peuvent injecter tout ou partie du surplus d’énergie produit vers le réseau ou choisir de consommer de l’énergie du réseau selon leurs souhaits. Un nouveau modèle économique se dessine avec la possibilité de voir apparaître de nouvelles tarifications de l’électricité notamment liées aux prestations assurant une plus grande robustesse du réseau.Durant cette thèse, plusieurs années de données de production et de consommation d’un bâtiment photovoltaïque ont été analysées pour définir les contraintes imposées à l’unité de stockage assurant l’équilibre du micro-réseau électrique. Un modèle de performance et de vieillissement a été élaboré pour trois technologies de stockage: batteries plomb-acide, batteries lithium-ion et supercondensateurs. Celui-ci permet le dimensionnement, l’association d’éléments de stockage et la gestion optimale des flux énergétiques au sein du micro-réseau. Divers critères permettant d’évaluer le fonctionnement des micro-réseaux ont également été étudiés comme le coût annuel de l’unité de stockage, le taux d’autoconsommation de l’énergie photovoltaïque, la quantité d’énergie qui n’a pas été fournie au consommateur, etc. Une approche multi-objective, basée sur le concept d’optimum de Pareto, a été mise en œuvre afin d’optimiser les aspects économique, environnemental et d’autonomie de fonctionnement des futurs réseaux électriques distribués. Un démonstrateur basse tension continue de quelques kilowatts a été développé pour valider les différents points étudiés dans cette thèse