Les perspectives futures des systèmes hybrides révèlent une opportunité inédite pour répondre à la demande énergétique croissante, notamment dans les zones rurales du Cameroun. En combinant des sources renouvelables, cette recherche promet de transformer la production d’énergie tout en réduisant les émissions de CO2, avec des implications cruciales pour le développement durable.
ETAT DE L’ART SUR LES SHPEE
Les systèmes d’énergie hybride associent au moins deux sources d’énergie renouvelable aussi une ou plusieurs sources d’énergie classiques. Les sources d’énergie renouvelable, comme le photovoltaïque et l’éolienne ne délivrent pas une puissance constante, mais vu leurs complémentarités, leur association permet d’obtenir une production électrique continue.
Les systèmes d’énergie hybrides sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont souvent utilisés dans les régions isolées. Le but d’un système d’énergie hybride est de produire le maximum d’énergie à partir des sources d’énergie renouvelable pour satisfaire la demande de la charge [12] [75].
Origine de la notion de système hybride (SH)
Pour les sites isolés et les zones éloignées du réseau électrique classique, la possibilité d’être connecter avec au réseau de distribution reste un problème majeur du faite que le prix d’extension est élevé. En évidence, le prix des générateurs basés sur l’énergie renouvelable connaissent une baisse continue et ses avantages ont menés à une exploitation importante de système de génération d’énergie électrique à l’aide des énergies renouvelables.
La variabilité des ressources et la fluctuation des charges selon les périodes annuelles et journalières liées aux conditions climatiques ont permis d’explorer une solution plus générale de la génération d’énergie électrique et a conduit au système hybride de production d’énergie électrique (SHPEE) pour servir de l’énergie électrique aux relais de télécommunication, des postes frontières, l’habitat isolé, les dispensaires, les EET, …
Plusieurs paramètres rentrent dans l’étude des SH et leur dimensionnement est le premier a considéré, malgré qu’il est difficile de trouver comment dimensionner les différents composants d’un système autonome. D’autres paramètres permettent de faire évaluer les performances comme l’économie de carburant, le coût du KW, le nombre et la durée des pannes et le nombre d’arrêts pour l’entretien [12] [75].
Principaux composants d’un SHPEE
Les SHPEE sont principalement composés des éléments suivants :
D’un système de production d’énergie;
D’un système de secours (diesel);
D’un système de stockage;
D’un système de supervision;
D’un système de conversion d’énergie;
Des charges.
Configuration des SHPEE
Dans le système hybride présenté dans la figure suivante, la puissance fournie par chaque source est centralisée sur un bus continu. Ainsi, les systèmes de conversion d’énergie à courant alternatif (CA) fournissent d’abord leur puissance à un redresseur pour être convertie ensuite en courant continu (CC).
Les générateurs sont connectés en série avec l’onduleur pour alimenter les charges alternatives. L’onduleur doit alimenter les charges alternatives à partir du bus continu et doit suivre la consigne fixée pour l’amplitude et la fréquence. Les batteries sont dimensionnées pour alimenter des pics de charge. L’avantage de cette topologie est la simplicité de commande [12] [75] [76].
On a donc les configurations suivantes :
Configuration à bus CC
Figure I. 47: Configuration du SEH à bus CC
Configuration à bus CA
Figure I. 48: Configuration du SEH à bus CA
Configuration à bus CC et CA
Bus CC
Redresseur
Bus CA
Convertisseur bidirectionnel
Onduleur
Charge CC
Charge CA
=
~
Système de stockage
=
~
=
~
Générateurs à CC (sources d’EnR) Générateurs Diesel
Générateurs à CA (sources d’EnR) Générateurs Diesel
Figure I. 49: Configuration du SEH à deux bus à CC et à CA
Système de supervision
La bonne maîtrise de la commande d’un système hybride est d’appliquer un système de supervision permettant de recueillir toutes les informations des composants du système afin de bien pouvoir maîtriser le modèle de supervision et de l’appliquer pour résoudre les problèmes de stabilité des réseaux des SH [51].
La figure I.50 ci-dessous illustre le système de supervision des SHPEE.
Générateur éolien
Générateur hydro
Générateur PV
Générateur diésel
Système de supervision
Onduleur
Charge
Batteries
Redresseur
Figure I.
5
0: Système de supervision d’un SHPEE
Classification des SHPEE
Le champ d’application des systèmes hybrides est trop vaste à cause des multiples structures, cette richesse en structure mène la tâche de classification des systèmes un peu compliqué.
On peut néanmoins essayer de réaliser un classement par gamme de puissance selon le tableau suivant [51].
Tableau I. 2: classification des SHPEE par gamme de puissance
Avantages et inconvénients d’un système hybride
Avantages
Les SHPEE présentent plusieurs avantages parmi lesquels on peut citer [75]:
La non dépendance à une seule source d’énergie;
La flexibilité, l’extensibilité et la capacité de satisfaire des charges évolutives;
L’exploitation simple, les travaux de maintenance et les coûts de révision réduits;
La rentabilité, le faible coût lié au cycle de vie des composants du système hybride.
Inconvénients
Les inconvénients des SHPEE sont liés aux facteurs suivants :
Ils sont plus complexes que les systèmes mono-source et nécessitent du stockage;
Leur coût capital est élevé comparé aux générateurs diesel.
Régulateur de charge
Les énergies renouvelables sont de nature aléatoire et intermittente dont les besoins en électricité ne correspondent pas souvent aux heures de pic de la ressource requise. On équipe alors le système de batteries d’accumulateurs qui permettent de stocker l’électricité puis, la restituer en temps voulu.
Le régulateur se trouve alors au cœur du fonctionnement d’un système autonome et il est indispensable pour protéger la batterie contre de probables surcharges ou décharges profondes (en coupant la provision aux utilisateurs), nocives à sa durée de vie.
En effet, dans une application solaire, c’est presque toujours la batterie qui vit le moins longtemps si l’on n’y prend pas garde. Et améliorer la durée de vie d’une batterie consiste à empêcher [12] :
La surcharge : éviter que la tension dépasse un certain seuil;
La décharge profonde : éviter que la batterie ne soit vidée de plus de 60 à 70 % de sa charge.
Types de régulateurs
On réalise ces deux fonctions avec un régulateur de charge-décharge connecté avec les panneaux, la batterie et la charge électrique. Trois différentes méthodes de contrôle de charge sont généralement utilisées: les types série, shunt et le MPPT (Maximum Power Point Tracker).
Les régulateurs de type série incorporent un interrupteur entre le générateur et l’accumulateur afin d’arrêter la charge;
Pour les régulateurs de type shunt, le courant de charge des batteries est dévié vers une résistance et un court-circuit est effectué au niveau des modules solaires en fin de charge;
Les régulateurs à recherche de point de puissance maximum, afin de réaliser une transformation en puissance, utilisent un circuit électronique spécial permettant de soutirer en permanence du champ de capteurs sa puissance maximale.
Leur configuration est donnée par les schémas ci-dessous;
Figure I. 52: Schéma d’un régulateur
de type shunt
Figure I. 51: Schéma d’un régulateur de type shunt
Régulateurs MPPT (maximum power point tracker)
Dans ce régulateur, un circuit mesure en permanence la tension et le courant du panneau pour tirer de l’énergie au point de puissance maximale (MPPT). Ceci permet de garantir que le maximum d’énergie sera récupéré, quels que soient la température et l’ensoleillement.
En général, ces régulateurs fonctionnent soit en élevant, soit en réduisant la tension. L’annexe 7 récapitule les différentes technologies de régulateurs MPPT [12] [77].
Convertisseurs
L’énergie électrique utilisée en industrie et chez les particuliers provient principalement du réseau triphasé (hormis les piles, les accumulateurs ;…..). Or les dispositifs utilisant cette énergie ne fonctionnent que très rarement sous forme d’ondes sinusoïdales à 50 Hz ou 60 Hz.
La mise en forme de l’onde électrique afin de l’adapter aux besoins des consommateurs est assurée par les convertisseurs de puissance. Trois types sont souvent rencontrés dans les SEH [12]:
Les redresseurs : ils réalisent la conversion CA/CC;
Les onduleurs : ils convertissent le CC en CA;
Les hacheurs : ils permettent de réaliser la conversion CC/CC pour adapter la tension entre deux sources.
Charges
Les charges électriques rendent utile la puissance électrique. Il existe des charges à caractère résistif (ampoules à incandescence, les chauffe-eau etc) et inductif. Les appareils utilisant des machines électriques sont des charges résistives et inductives.
Elles sont les principaux consommateurs de puissance réactive. Les charges à CC peuvent avoir aussi des composants inductifs, mais les seuls effets introduits par ceux-ci sont les variations transitoires de tension et courant pendant les changements dans le fonctionnement du système [12].
CONCLUSION
Le présent chapitre qui s’achève nous a permis d’étudier d’une manière générale les EnR ; en particulier sur les énergies solaires et hydrauliques, et nous a conduit à faire une brève description des systèmes d’énergie hybride (SEH), qui sont au cœur de nos études.
Dans la suite de nos travaux, il sera donc question pour nous de consacrer une attention particulière sur l’énergie solaire, l’énergie hydraulique, les batteries de stockage, le système de régulation qui sont les éléments indispensables pour la mise en œuvre d’un SHPEE.
Dans le chapitre suivant de notre travail, nous nous intéresserons à l’étude et au dimensionnement du Micro-Système Hybride de Production d’Energie Electrique (MSHPEE) proposé pour alimenter le CETIC de Ngang.
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2 Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑
3 Auchan Les 4 Temps, La Défense. ↑
Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce qu’un système hybride de production d’énergie électrique ?
Les systèmes d’énergie hybride associent au moins deux sources d’énergie renouvelable ainsi qu’une ou plusieurs sources d’énergie classiques, permettant d’obtenir une production électrique continue.
Quels sont les principaux composants d’un système hybride de production d’énergie ?
Les SHPEE sont principalement composés d’un système de production d’énergie, d’un système de secours (diesel), d’un système de stockage, d’un système de supervision, d’un système de conversion d’énergie et des charges.
Comment fonctionne la configuration d’un système hybride à bus continu ?
Dans un système hybride à bus continu, la puissance fournie par chaque source est centralisée sur un bus continu, et les systèmes de conversion d’énergie à courant alternatif fournissent leur puissance à un redresseur pour être convertie en courant continu.