L’approche méthodologique en énergie renouvelable révèle une capacité de production électrique significative pour le CETIC de Ngang, transformant les défis énergétiques des zones rurales du Cameroun. Cette recherche innovante promet de réduire les émissions de CO2 tout en soutenant le développement durable.
Université de Douala
Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique
Département de Génie Electrique Option : Electrotechnique
Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique de deuxième grade (DIPET II)
Présentation du projet
Modélisation et Simulation d’un Micro-Système Hybride de Production d’Energie Electrique pour l’Alimentation du CETIC de Ngang
Rédigé et soutenu par : Bande Ngwa Justin & Pakel André Jean Duclos
Supervisé par : Pr. Nneme Nneme Léandre & Dr. Mengata Mengounou Ghislain
Année académique : 2016 / 2017
Le changement climatique est aujourd’hui, l’un des principaux fléaux que l’humanité fait face à cause de l’exploitation et de la consommation immodérées, voire incontrôlées des ressources protégeant et polluant respectivement notre univers, telles que le pétrole qui présente des signes d’épuisement. Il faut donc penser au devenir des générations futures par la promotion du développement durable en offrant une énergie compétitive, durable et sûre en approvisionnement.
Avec la réforme de l’enseignement technique dont l’approche méthodologique est basée sur l’Approche Par Compétence (APC), les établissements d’enseignement technique (EET) situés dans les localités isolées des réseaux de distribution doivent aussi contribuer à la réussite de la compétitivité du tissu économique. C’est donc dans cet optique que ce mémoire porte sur la modélisation et la simulation d’un micro-système hybride de production d’énergie électrique (MSHPEE) pour l’alimentation du CETIC de Ngang exploitant deux des cinq familles des énergies renouvelables (le soleil et l’eau).
L’énergie solaire est la source principale et elle est boostée par une poursuite du point de puissance maximale « MPPT » afin d’éviter de mettre en péril l’efficacité énergétique vis-à-vis de l’exigence de la demande en énergie électrique et la seconde source est l’énergie hydraulique provenant d’une mini-centrale hydroélectrique isolée.
Les résultats de ce travail ont été obtenus à l’aide des approches numériques et analytiques (calculs manuels) dont pour un besoin énergétique estimé à 1 006 080 kWh/an, l’énergie solaire a été évaluée à 124 180 kWh/an avec une capacité de stockage des batteries de 29 959,2 kAh/an à l’aide du logiciel PVsyst, l’énergie hydraulique pour assurer le secours à 1 016 160 kWh/an, pour un coût partiel estimatif de 19 274 192, 139 FCFA XAF.
Le logiciel MATLAB/SIMULINK a permis de visualiser les signaux générés par le MSHPEE afin d’évaluer sa fonctionnalité, le logiciel RETscreen a permis d’évaluer l’intérêt écologique du MSHPEE qui permet de réduire de 255, 2 t, l’émission de CO2/an soit 109 633, 2 litres d’essence par an. D’après nos enquêtes, tout le monde est très conscient du fait que : le besoin en énergie électrique ne cesse de croître au Cameroun et plus particulièrement dans les zones rurales, le développement durable passe par la protection de l’environnement en produisant de l’énergie propre (verte), la production de l’énergie électrique doit être décentralisée, etc.
Mots clés : micro-hydroélectricité isolée, micro-solaire photovoltaïque isolé, régulateur PID (Proportionnel-Intégrateur-Dérivateur), régulateur MPPT, batterie d’accumulateur, MATLAB/SIMULINK, PVsyst, motopompe.
Résumé
Le changement climatique est aujourd’hui l’un des principaux fléaux que l’humanité fait face à cause de l’exploitation et de la consommation immodérées, voire incontrôlées des ressources protégeant et polluant respectivement notre univers, telles que le pétrole qui présente des signes d’épuisement. Il faut donc penser au devenir des générations futures par la promotion du développement durable en offrant une énergie compétitive, durable et sûre en approvisionnement.
Avec la réforme de l’enseignement technique dont l’approche méthodologique est basée sur l’Approche Par Compétence (APC), les établissements d’enseignement technique (EET) situés dans les localités isolées des réseaux de distribution doivent aussi contribuer à la réussite de la compétitivité du tissu économique. C’est donc dans cet optique que ce mémoire porte sur la modélisation et la simulation d’un micro-système hybride de production d’énergie électrique (MSHPEE) pour l’alimentation du CETIC de Ngang exploitant deux des cinq familles des énergies renouvelables (le soleil et l’eau).
L’énergie solaire est la source principale et elle est boostée par une poursuite du point de puissance maximale « MPPT » afin d’éviter de mettre en péril l’efficacité énergétique vis-à-vis de l’exigence de la demande en énergie électrique et la seconde source est l’énergie hydraulique provenant d’une mini-centrale hydroélectrique isolée.
Les résultats de ce travail ont été obtenus à l’aide des approches numériques et analytiques (calculs manuels) dont pour un besoin énergétique estimé à 1 006 080 kWh/an, l’énergie solaire a été évaluée à 124 180 kWh/an avec une capacité de stockage des batteries de 29 959,2 kAh/an à l’aide du logiciel PVsyst, l’énergie hydraulique pour assurer le secours à 1 016 160 kWh/an, pour un coût partiel estimatif de 19 274 192, 139 FCFA XAF.
Le logiciel MATLAB/SIMULINK a permis de visualiser les signaux générés par le MSHPEE afin d’évaluer sa fonctionnalité, le logiciel RETscreen a permis d’évaluer l’intérêt écologique du MSHPEE qui permet de réduire de 255, 2 t, l’émission de CO2/an soit 109 633, 2 litres d’essence par an. D’après nos enquêtes, tout le monde est très conscient du fait que : le besoin en énergie électrique ne cesse de croître au Cameroun et plus particulièrement dans les zones rurales, le développement durable passe par la protection de l’environnement en produisant de l’énergie propre (verte), la production de l’énergie électrique doit être décentralisée, etc.
Key words : isolated micro-hydropower plant, isolated photovoltaic micro-solar, PID (Proportionnal-Integrator-Derivative) controller, MPPT controller, battery, MATLAB/SIMULINK, PVsyst, motopump.
INTRODUCTION GENERALE
CONTEXTE DE L’ETUDE
La passion pour les énergies renouvelables (EnR) avait ressurgi vers la fin des années 1980 avec l’avènement du problème du réchauffement climatique causé par les émissions des gaz à effet de serre (GES) et l’idée de la « troisième révolution industrielle » centrée autour de trois piliers fondamentaux (le développement des EnR, les technologies de stockage et les réseaux énergétiques intelligents) qui a été étayée par les travaux de spécialistes comme Victor A. Goltsov, T. Nejat Veziroglu en 2001, John O’M Bockris en 2003 et 2006, et plus récemment en 2007 par Jeremy Rifkin [38] [114]. Les ressources épuisables représentant 80,4 % de production d’énergie globale sont à l’origine de 40 % des émissions mondiales des GES, néfastes pour la vie sur terre [57].
La décennie 2014-2023 avait été déclarée en décembre 2012, « Décennie de l’énergie durable pour tous » pour promouvoir l’utilisation des sources d’EnR et dans le cadre du développement durable, les pays ont signé le protocole de Kyoto dont les principaux buts sont de satisfaire la demande en consommation et de réduire les émissions des GES [56]. Afin d’atteindre les objectifs de croissance tels que consignés dans le document de stratégie pour la croissance et l’emploi, le Cameroun compte produire 3000 MW à l’horizon 2020 [45] [59] et s’est engagé à réduire de 32 % l’émission des GES afin d’assurer un développement durable et « la survie de l’espèce humaine » [35] [36] [37] [40] [58].
Parmi les trois piliers fondamentaux de la « troisième révolution industrielle », notre attention s’est focalisée sur celui du développement des EnR car, le problème d’accès à l’électricité et plus particulièrement des localités isolées touche plus de deux milliards de personnes dans le monde entier et malgré les potentiels dont dispose le Cameroun en ressources d’EnR, celui-ci est très bas et se hisse autour de 28,5% au niveau national malgré les efforts du gouvernement pour garantir à long terme la sécurité d’approvisionnement en énergie électrique au moindre coût [41] [46] [47] [102]. Il faut aussi noter que les établissements d’enseignement technique situés dans ces localités ne sont pas à l’abri de cette carence énergétique et c’est dans ce contexte que nous nous sommes proposé d’étudier les possibilités de produire indépendamment de l’électricité pour ces établissements éloignés des réseaux de distribution d’énergie électrique.
PROBLEMATIQUE DE L’ETUDE
Les établissements d’enseignement technique (EET) comme le CETIC de Ngang, situés dans les localités isolées du réseau de distribution de l’énergie électrique ne peuvent pas à l’heure actuelle contribuer à la réussite de cette réforme pédagogique à cause du fait qu’ils ne sont pas électrifiés. Cependant, l’énergie électrique à produire pour assurer leur alimentation doit être propre car, le changement climatique à cause des GES entraînerait 300 000 morts par an d’ici 2050.
Face à ces constats et compte tenu de la loi régissant le secteur de l’électricité au Cameroun [44], quels sont les facteurs nationaux qui peuvent favoriser l’électrification de ces EET ? Comment peut-on indépendamment électrifier un EET isolé sans faire recours au groupe électrogène ? Quelles sont les ressources primaires disponibles et accessibles pour assurer une sécurité énergétique pour un développement durable [40] [48] [112] ? Quelles sont les technologies applicables pour ces types de ressources ? Comment procéder pour atteindre les objectifs visés ? Dans le souci de promouvoir le développement durable, comment faire pour maîtriser l’énergie devenue le moteur de l’activité humaine tout en sachant que « l’énergie ne se crée pas, ne se perd pas : elle se transforme » [50] [51] ? Voilà les multiples préoccupations qui seront sans doute au centre de ce travail de mémoire.
OBJECTIFS ET HYPOTHESES DE L’ETUDE
Nous avons élaboré ce travail autour de trois objectifs généraux qui visent à :
- Lutter contre le changement climatique (les émissions des GES) ;
- Assurer la sécurité énergétique ;
- Promouvoir le développement durable.
Ces objectifs ont pour finalité de proposer un Micro-Système Hybride de Production de l’Energie Electrique (MSHPEE) permettant d’alimenter les EET en général et en particulier, le CETIC de Ngang. Pour élaborer et réaliser ce travail, nous nous sommes basés sur les hypothèses suivantes : le Cameroun a un réservoir des EnR permettant de réduire les GES en produisant une énergie propre (verte) et les Systèmes Hybrides (SH) permettent d’associer plusieurs technologies de production d’énergie électrique afin de la coupler au réseau ou l’utiliser localement (isolée).
METHODOLOGIE DE L’ETUDE
Pour atteindre ces objectifs généraux, la méthodologie utilisée pour la recherche des ressources primaires s’est faite à travers des enquêtes, des interviews et des discussions et quant aux ressources secondaires, elle s’est faite à travers l’internet et les bibliothèques (ENSET de Douala, université de Douala et centrale de la lecture publique de Yaoundé).
Pour atteindre les objectifs de cette étude, nous avons structuré le travail en quatre (4) chapitres :
- Le premier chapitre présente les généralités sur les EnR et les SHPEE permettant de comprendre la nécessité et l’avantage de produire localement de l’électricité afin d’être énergétiquement autonome. Dans ce chapitre, il sera question pour nous de présenter les cinq familles des EnR en portant une attention particulière sur les sources d’énergie solaire et hydraulique (turbinage-pompage), et de présenter les différentes configurations des SHPEE qui permettent d’hybrider plusieurs sources d’énergie.
- Le deuxième chapitre permet d’étudier et dimensionner le MSHPEE proposé pour alimenter le CETIC de Ngang en utilisant la méthode analytique pour dimensionner le système hydraulique (turbinage-pompage) et la méthode numérique nous permet à l’aide du logiciel PVsyst de dimensionner le système solaire et de stockage. Le potentiel solaire au CETIC de Ngang est obtenu à l’aide de PVsyst et le potentiel hydraulique à partir du système de pompage d’eau vers le réservoir de turbinage.
- Le troisième chapitre renseigne sur la praticité et la fonctionnalité du MSHPEE mais, sur un point de vue virtuel (numérique) par la modélisation et la simulation sous l’environnement MATLAB/SIMULINK. Ce logiciel d’ingénierie permet de visualiser et d’analyser après la simulation, les différents signaux provenant des différents systèmes.
- Le quatrième chapitre fait ressortir l’aspect financier et l’intérêt du MSHPEE proposé. Ce chapitre permet de montrer la faisabilité du projet dont l’énergie électrique à produire dépendra inéluctablement des moyens financiers disponibles car, il faut rappeler que l’énergie solaire coûte toujours chère à cause du prix de revient des panneaux solaires.
Enfin, le travail se terminera en rappelant les principaux travaux élaborés tout au long de l’étude de ce mémoire et les résultats obtenus dont l’étude s’est limitée à un fond théorique de modélisation et de simulation du MSHPEE proposé qui est rappelons-le, une technologie non seulement du présent, mais surtout de l’avenir. Ce qui nous conduira vraisemblablement à faire certaines recommandations et à ouvrir inéluctablement, une ou plusieurs fenêtres de recherches (perspectives).
Questions Fréquemment Posées
Comment fonctionne un micro-système hybride de production d’énergie électrique ?
Le micro-système hybride de production d’énergie électrique exploite l’énergie solaire comme source principale, boostée par une poursuite du point de puissance maximale (MPPT), et l’énergie hydraulique provenant d’une mini-centrale hydroélectrique isolée.
Quels sont les résultats de la simulation du micro-système hybride pour le CETIC de Ngang ?
Pour un besoin énergétique estimé à 1 006 080 kWh/an, l’énergie solaire a été évaluée à 124 180 kWh/an, tandis que l’énergie hydraulique a assuré un secours à 1 016 160 kWh/an, avec une réduction des émissions de CO2 de 255,2 t/an.
Pourquoi est-il important de développer des systèmes d’énergie renouvelable au Cameroun ?
Le développement durable passe par la protection de l’environnement en produisant de l’énergie propre, et il est crucial de répondre à la demande croissante en énergie électrique, surtout dans les zones rurales du Cameroun.