Développement durable, optimisation et renforcement d’une chaîne de production d’énergie d’origine renouvelable

Contexte de la production d’énergie renouvelable et de nouveaux paradigmes 

La diminution des ressources énergétiques fossiles et la hausse durable de leur prix, l’augmentation considérable des besoins en énergie, les difficultés d’approvisionnement, le poids du secteur énergétique dans les émissions de CO2 et la lutte contre le changement climatique imposent d’adapter les modes de production et de consommation d’énergie. Face à cette situation, il est naturel de se demander quelle sera l’alternative à ces différentes énergies. Il semble que les énergies renouvelables soient un des éléments de réponse à cette question. Les énergies renouvelables sont des énergies écologiques car faiblement émettrices de gaz à effet de serre. La production d’électricité se fait à partir d’énergie gratuite et renouvelable. L’exploitation des énergies renouvelables permet de fournir de l’électricité aux sites isolés et d’éviter la création de nouvelles lignes. Ce sont les raisons pour lesquelles la plupart des États font des énergies renouvelables une priorité de leur politique énergétique.

La maîtrise des consommations d’énergie arrive au premier rang des politiques qu’il faut rapidement mettre en œuvre parce que c’est celle qui possède le plus grand potentiel, qu’elle est applicable dans tous les secteurs et dans tous les pays, qu’elle représente le meilleur instrument de la lutte contre le changement climatique, enfin parce qu’elle permet de ralentir l’épuisement des ressources fossiles, tandis qu’une part croissante de la consommation d’énergie peut être assurée par les énergies renouvelables. Elle constitue en outre un facteur de développement économique par la diminution des dépenses énergétiques, ainsi que par la création de nouvelles activités et d’emplois. C’est un impératif de premier ordre des politiques énergétiques et économiques, notamment dans le secteur des transports, presque exclusivement dépendant du pétrole. Cela s’impose aussi en matière de consommation d’électricité, dont la production est chère et particulièrement vorace en énergie primaire. Ce chapitre expose l’importance des énergies renouvelable dans le secteur énergétiques. Ainsi les technologies modernes utilisées dans ce secteur afin d’assurer une exploitation flexible et économique. 

Statistiques et prévisions

Depuis quelque temps déjà, la communauté scientifique mondiale tend à s’accorder concernant l’influence de l’activité humaine sur le réchauffement climatique. Un consensus se dégage également concernant l’évolution de la démographie mondiale vers un pic à 9 milliards d’êtres humains aux environs de 2050 (pour environ 6 milliards aujourd’hui) suivi d’une lente décroissance pour revenir aux environs de 7 milliards vers 2100. Parallèlement, l’actualité récente nous démontre la forte probabilité d’augmentation du coût des énergies fossiles dans un avenir proche, quelle que soit leur nature et les pénuries à moyen terme pour certaines d’entre elles. De nouveaux besoins apparaissent déjà dans certaines parties du monde quant à la sécurisation de l’approvisionnement en énergie au niveau local. Il y a une tendance continue à la croissance de la demande d’énergie électrique (Figure. 1.1), non seulement dans l’environnement industriel/commercial, mais aussi, et surtout, dans l’environnement utilisateur à domicile et les transports [1]. Il est prévu une croissance de 22% par an entre 2010 et 2035, avec 80% se produisent dans les pays non membres de l’OCDE à la demande de l’électricité pour atteindre 10% de la demande totale d’ici à 2035 (Figure. 1.2) [2]. L’augmentation de la demande de l’énergie pose un problème de capacité de production.

La solution historique a été prise en charge sur l’installation de grandes centrales électriques, impliquant de gros investissements et un risque plus élevé quand ils opèrent dans la déréglementation des marchés de l’électricité [3]. Figure. 1.1 : Consommation d’électricité et des sources d’énergie primaires [4]. Figure. 1.2 : Évolution de la production d’électricité (Agence européenne de l’environnement). La production d’électricité a trouvé des problèmes aux exigences de nouvelles énergies. La charge de transmission devrait croître au cours des dix prochaines années de 22 à 25%, mais le réseau devrait toutefois croître moins de 4%, en raison des contraintes de régulation économiques, environnementales, techniques et gouvernementales [5]. De plus, il y a un certain nombre de questions que les participants dans le domaine doivent considérer, comme [6]:  Les préoccupations environnementales croissantes, à savoir avec des gaz à effet de serre (émissions de CO2 liées aux hydrocarbures).  Tenter d’atteindre l’indépendance énergétique des pays tiers afin de réduire le prix de base du carburant.  Développement de nouvelles règles économiques et financières qui découlent de la déréglementation des marchés énergétiques. Ces problèmes rendent l’environnement électrique plus difficile à gérer que par le passé. Ils contribuent également à un changement de paradigmes. Les cinq principaux facteurs qui contribuent à l’évolution des points de vue des systèmes électriques identifiés par l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) et sont les suivants :  L’évolution des technologies de production décentralisée ;  Les contraintes sur la construction de nouvelles lignes de transmission ;  Augmentation de la demande des clients pour l’électricité très fiable ;  La libéralisation du marché de l’électricité ;  Les préoccupations concernant le changement climatique. 6 Les solutions à ces problèmes ont été orientés vers la diffusion de la production décentralisée également appelée la génération distribuée (DG) et au développement de nouvelles structures du système électrique. DG à partir de sources d’énergie renouvelables sont particulièrement bien placées pour répondre aux préoccupations réelles telles que l’environnement, elles ne produisent pas de déchets dans le processus de conversion, économique et les sources sont disponibles partout..

La dynamique historique des systèmes d’approvisionnement en électricité à long terme observent que, dans une perspective historique, la préoccupation actuelle ou problème critique pour la création d’un terrain de jeu de niveau pour la production décentralisée et centralisée est remarquable. Cette préoccupation semble tout à fait opposée au problème critique dominant dans les années 1950 et 1960, qui étaient de réduire la contribution de la production distribuée à l’approvisionnement en électricité du public, autant que possible, afin d’obtenir des avantages d’échelle [8]. Il n’est donc pas surprenant que les systèmes actuels ont un biais intrinsèque vers la production centralisée. Arguments pour grande production d’électricité à grande échelle au cours de l’ère de l’augmentation à l’échelle et de l’expansion étaient des économies d’échelle, la construction de centrales électriques (charbon) situés à proximité des sites miniers et intégrés avec hydro, économies d’investissement sur les unités de sauvegarde et d’éviter la surcapacité. Plus tard dans de nombreux pays, l’introduction des centrales nucléaires conduisent également à la production centralisée..

En raison de la disponibilité croissante du gaz naturel dans de nombreux pays, les préoccupations environnementales et le développement technologique augmentent à l’échelle et l’implantation des sites de production d’énergie sont devenus de moindre importance. En conséquence, dans les années 1970 et 1980 les systèmes d’électricité dans certains pays ont commencé à développer des systèmes centraux dans la direction des systèmes hybrides, hébergement centralisé ainsi que des unités de production décentralisées dans un seul et même système. Les possibilités pour la DG dans l’électricité sociotechnique actuelle systèmes d’approvisionnement sont conditionnées par les caractéristiques du système développé à l’ère de la centralisation et la façon dont les acteurs ont traité ces questions depuis les années 1970.

Génération décentralisée

La production décentralisée, également connu sous la production intégrée, génération dispersée, sur place génération et la production distribuée, n’a pas encore une définition formelle acceptée. Cependant, il peut être défini comme l’utilisation de technologies à petite échelle de production d’électricité situées à proximité de la charge étant servie. Aussi dans [8], il est soutenu qu’il n’y a pas de consensus sur la définition et présente des points de vue de l’organisation tels que : le but, l’emplacement, note, zone de livraison, type de technologie, impact sur l’environnement, le mode de fonctionnement, la propriété et le niveau de pénétration. Il propose également une définition générale comme «production d’énergie électrique dans les réseaux de distribution ou sur le côté client du réseau ».

En général, la définition de la DG (CIGRE, CIRED, IEEE, AIE) comprend trois idées principales [8,9]:  Petite source d’énergie (sous-kW à quelques MW).  Partout interconnectée dans le réseau de distribution (du côté client du compteur).  Au-delà du contrôle de l’opérateur de transmission. Un résumé du DG est présenté sur la figure. 1.3. Types de génération distribuée et technologies Générateurs traditionnels (moteurs à combustion) Générateurs non traditionnels micro turbine turbine à gaz naturel Cycle combiné Cycle de récupération Cycle simple Dispositifs électrochimiques Dispositifs de stockage Dispositifs renouvelable Pile à combustible Batterie volants Photovoltaique Éolienne PEMF C AFC PAFC MCFC DMFC SOFC Figure. 1.3 : Types et technologies pour la production décentralisée [10]. Le développement de l’électronique de puissance ainsi que le développement des technologies de l’information et de la communication (TIC) ont été un effet de levier vers les solutions pour certains des problèmes que la production décentralisée pose aux réseaux électriques lorsque connecté. Bien que l’adoption de la DG semble faire face à des difficultés liées aux spécificités de chaque pays, à savoir les caractéristiques du 8 système d’alimentation centralisé existant [7], il devrait néanmoins continuer à croître. Une part DG qui pourrait atteindre 30% dans les années à venir, où une grande quantité d’énergie produite localement sera également consommée localement, donnera au réseau de distribution un caractère local..

La prise en chiffres de pénétration de contrepartie attendue, une analyse des avantages et des inconvénients qui viennent de la propagation de la DG lorsqu’il est connecté au réseau électrique est nécessaire. De [2] les avantages de l’utilisation DG sont les suivants :  afin de permettre une durée raisonnable de puissance réduite (moins d’un kW à quelques MW) ;  être situé à proximité des charges – capacité de dispersion à travers le réseau et les pertes en réduisant la capacité ;  pour être connectés au réseau îlot ;  pour effectuer des services ;  pour permettre des investissements de réseau report ;  avoir réduit l’investissement, le temps d’installation et un peu d’entretien ;  pour permettre l’utilisation de la production d’énergie renouvelable. Et selon [2], [12,13], les questions soulevées par la DG sont :  Les réseaux sont conçus pour flux de puissance unidirectionnels;  Unités de génération ne sont pas au centre dispatché ;  Préoccupations techniques des services publics sur la connexion DG à savoir les contributions de court-circuit et les systèmes de protection prédéfinis ;  Les difficultés dans la répartition des coûts d’adaptation des réseaux ;  Problèmes de dosages liés aux flux de puissance modifiés ;  L’absence de normes d’interconnexion et des règlements de traitement des demandes ;  Perte de revenus des services publics pour chaque kWh produit par la DG ;  Diminution éventuelle de la fiabilité globale du réseau. 1.3.1. Impact sur le réseau de connexion DG Compte tenu des problèmes que la diffusion de la DG soulève, il est important d’avoir un aperçu de leur impact lorsqu’ils sont connectés à des réseaux électriques inexistants.

Le problème général avec l’intégration dans les réseaux existants dans son ensemble, y compris non seulement la plante génération, mais aussi les infrastructures 9 auxiliaires nécessaires pour relier la génération au réseau (sous-stations, des lignes de transmission, les protections, etc.) [12], [14]. Par ailleurs, le réseau connecté DG n’est généralement pas en mesure de fournir le système services contrôle de la tension et de la fréquence, la livraison de courant de défaut, faute capacité nécessaire pour assurer un fonctionnement stable du système électrique [15]. Plus précisément, DG est généralement intégré dans des réseaux électriques qui ont une structure de contrôle basée sur un réseau de distribution qui est un élément passif pour le réseau de transmission. Dans cette structure de typologie transport / distribution la génération est reliée principalement au réseau de transmission et les flux d’alimentation sont unidirectionnel à partir de la génération de charges. Ainsi, il ne nécessite pas beaucoup de coordination plus opérationnelle entre les réseaux de transport et de distribution [16]. Avec DG, le réseau de distribution devient un système actif ce qui conduit à une situation multiple entrée de courants de charge et de défaut. L’un des avantages potentiels de la DG connectés au réseau basse tension est une augmentation de la qualité du service, la fiabilité et la sécurité, ce qui prouve qu’il sera intégré d’une manière intelligente dans les pratiques de planification du système d’alimentation [17].

Dans les réseaux connectés avec DG, tandis que l’amplitude de la puissance DG est plus petite que la sous-station d’alimentation du réseau, le fonctionnement du système ne dépend pas de manière critique de la production locale. Si ce n’est pas le cas, la DG est considérée par les opérateurs de réseau comme un problème principalement en raison de l’impact important des systèmes de protection de courant de défaut et préexistants peut-être la barrière technique majeur pour l’intégration à grande échelle [18,19]. Dans ce cas, et en supposant une capacité non répartissable d’unités DG, il existe un double effet d’une réduction du nombre d’unités dispatchées qui ont été substitués par le DG non répartissable avec l’augmentation de la demande dans les unités restantes. Mais il peut être aussi considéré comme ayant un effet bénéfique sur la sécurité des clients de l’offre si îlotage est autorisé. Un autre effet bénéfice potentiel de la DG serait de soutenir et d’aider le réseau dans des conditions anormales telles que des situations de démarrage noir puisque la disponibilité de l’énergie reste dans la DG et ne dépend pas de la connexion au réseau de transport. Le déclenchement des unités DG ne peut plus être la procédure standard pour toutes sortes de troubles et ils doivent plutôt être en mesure de résister aux plus grandes variations de tension et la fréquence .