Outils logiciels pour la conception et la commande du système énergie hydroélectrique

Le Sénégal, à l’image des pays non producteurs de pétrole, subit de plein fouet la crise énergétique mondiale. Cette crise caractérisée par une hausse exceptionnelle du cours du baril de pétrole et ce, pendant une durée jamais égalée (en 2008 le prix du baril avait dépassé la barre des 120 $ US contre environ 30$ US en 2002). Cette situation trouve son explication dans la forte dominance des produits pétroliers. Le taux d’indépendance en énergie moderne (hors biomasse traditionnelle) est très faible, de l’ordre de 1,05% en 2009. Il est de 55% si on prend en compte la biomasse.

En effet, à part l’énergie hydroélectrique produite depuis Manantali (au Mali) dans le cadre de l’OMVS (264GWh/800 GWh productibles répartis entre le Mali, le Sénégal et la Mauritanie avec respectivement 52%, 33% et 15%); et une production marginale de gaz naturel (de 15 millions de m³ /an), les produits pétroliers entièrement importés, satisfont l’essentiel des besoins en énergie du pays. La production d’électricité est essentiellement réalisée à partir de produits pétroliers (36% de la consommation nationale des produits pétroliers).

Pour le sous-secteur de l’électricité, on a noté un accroissement très important de la demande, notamment celle de la clientèle basse consommation . Aussi, le taux d’électrification a connu une nette progression. Au niveau urbain, il était de 87 % en 2009, alors qu’en milieu rural, il s’élève à 24 %. Cela donne, au total, un taux d’électrification nationale de l’ordre de 54 %,  contre une moyenne mondiale de 60 % [SIE-2010].

A cette forte demande, s’ajoute la non disponibilité de certains groupes de production, à cause de la vétusté des équipements et des problèmes de maintenance. Cela s’est traduit par un rendement extrêmement faible de l’unité de production .

Pour pallier ce déficit, la Société Nationale d’Electricité (SENELEC) a dû aussi recourir à la location de groupes de production dont le prix de revient dépasse le prix de vente du kilowattheure (97 F CFA ou 0,14€/kWh de prix de revient contre 91 F CFA donc 0,13€ à la vente).

En ce qui concerne l’électrification rurale, nous pouvons noter une certaine satisfaction quant aux objectifs fixés. Nous rappelons que le taux d’électrification rurale était de 24% en 2009 pour un objectif de 15% en 2015. Pour arriver à ce résultat, l’Etat du Sénégal a engagé, à travers notamment l’ASER , l’application de la stratégie énergétique définie dans la LPDSE de 2003 par l’exécution d’importants travaux préparatoires, la pérennisation du financement à travers la mise en place du Fonds d’électrification rurale et l’octroi d’avantages aux  promoteurs privés. Ainsi, le pays est divisé en 10 concessions à attribuer à des opérateurs privés.

Cependant, les énergies renouvelables n’ont pas eu toute l’attention requise de la part des autorités. Le taux de pénétration des énergies renouvelables (le photovoltaïque notamment) est très faible (environ 0,4% de la production totale). Les réalisations sont donc très modestes et certaines d’entre elles sont restées à l’état d’expérimentation ou de projets. Dans ce présent chapitre, nous traiterons :

– de la situation du sous-secteur de l’électricité au Sénégal dans son organisation et son évolution,

– des grandes lignes de la politique énergétique en vigueur, avec notamment la place des énergies renouvelables dans la nouvelle orientation de cette politique énergétique,

– du potentiel en énergie renouvelable du Sénégal,

– des configurations des micro-réseaux en général et celles qu’on rencontre au Sénégal.

Le sous-secteur de l’électricité est caractérisé par une consommation en électricité qui n’est que de 8% du total d’énergie, loin derrière la biomasse (50%) et les produits pétroliers (36%). Le reste est constitué du charbon minéral (houille), utilisé exclusivement par certains industriels avec 6% (voir figures 1.3a et 1.3b) [SIE-2010]. La production d’électricité se fait essentiellement à partir de produits pétroliers, avec près de 600 000 tonnes consommées par an. A ce titre, la facture pétrolière du Sénégal est passée de 184 milliards de FCFA (soit 280 506 192 €) en 2000 à environ 400 milliards de FCFA (soit 609 796 069 €) en 2009, avec un pic de plus de 600 milliards de FCFA (soit 914 694 103 €) en 2008 [SIE-2010]. Ces chiffres représentent 25% à 35% du budget national du pays en 2008 (1652 milliards de FCFA, équivalant à 2 518 457€).

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De plus, la forte demande de la clientèle basse tension (usagers domestiques notamment) croît à un taux annuel supérieur à 6% et les capacités de production additionnelles ont été insuffisantes. Cela induit des déficits de production, en raison en particulier des retards dans la mise en place de nouveaux groupes de base. A cela s’ajoute que, la capacité de l’offre a été grevée par la baisse de la disponibilité des unités de production (de 77 à 70% entre 2003 et 2006), à cause de la vétusté des équipements et des problèmes de maintenance.  Tous ces facteurs cumulés avec un mode de régulation tarifaire assez pénalisant pour SENELEC et avec le recours à des financements coûteux (faute de ressources concessionnelles ), ont abouti à un déficit entre 2005 et 2006 de plusieurs milliards de F CFA, selon le rapport de l’audit commandité par le Ministre de l’énergie en 2010. Aujourd’hui, nous pouvons dire en guise de synthèse que le sous-secteur de l’électricité est confronté à de grands défis qu’on peut résumer en deux axes :

➤ Planifier rigoureusement l’infrastructure électrique afin qu’elle satisfasse quantitativement et qualitativement les besoins de la demande, tout en optant pour des choix énergétiques et technologiques garantissant la compétitivité du système électrique sénégalais, et minimisant l’impact sur l’environnement.
➤ Permettre à des opérateurs indépendants de s’introduire dans le marché, tant au niveau de la production que celui de la distribution, afin de le dynamiser et de favoriser la concurrence et l’amélioration du service [SIE-2010].

La distribution de l’énergie électrique au Sénégal est assurée par la SENELEC, société d’état créée en 1983 après la nationalisation de la Compagnie des Eaux et Electricité de l’Ouest Africain (EEOA). Elle intervient sur les trois segments à savoir :
– la production (avec la participation de privés)
– le transport (monopole)
– la distribution (monopole).

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE 1 Situation de l’énergie au Sénégal
1.1. Introduction
1.2. Sous-secteur de l’électricité
1.3. Le réseau électrique national
1.3.1. La production
1.3.2. Le transport
1.3.3. La distribution
1.4. L’électrification rurale
1.4.1. Organisation institutionnelle
1.4.2. Evolution
1.4.3. Réalisations
1.4.4. Ressources énergétiques naturelles
1.4.4.1. Ressource solaire photovoltaïque
1.4.4.2. Ressource éolienne
1.4.4.3. Autres ressources
1.4.5. Les micro-réseaux
1.4.5.1. Concepts et définitions
1.4.5.2. Les configurations dans les systèmes hybrides
1.4.5.3. Configurations dans les installations en milieu rural sénégalais
1.5. Conclusion
CHAPITRE 2 Outils logiciels pour la conception et la commande du système
Introduction
2.1. Revue des outils logiciels
2.1.1 Les logiciels d’étude de faisabilité
2.1.1.1 RETScreen
2.1.1.2 LEAP
2.1.2 Les logiciels de conception, d’analyse, et de simulation
2.1.2.1 HOMER
2.1.2.2 iHOGA
2.1.2.3 HYBRID2
2.1.2.4 SOMES
2.1.2.5 Matlab
2.1.3 Les logiciels d’analyse et de simulation
2.1.3.1 INSEL
2.1.3.2 ARES
2.1.3.3 SOLSIM
2.1.3.4 RAPSIM
2.1.4 Conclusion sur les outils logiciels
2.2. Formalismes de représentation et de commande du système
2.2.1 Bond Graph (BG)
2.2.2 Graphe Informationnel Causal (GIC)
2.2.3 La Représentation Energétique Macroscopique (REM)
2.2.3.1 Les éléments de la REM
2.2.3.2 Réalisation de la commande
2.2.4 Bibliothèque développée au LGEP
2.2.5 Conclusion sur les outils de représentation
2.3. Modélisation des composants du système
2.3.1 Générateur photovoltaïque
2.3.1.1 Modèle mathématique
2.3.1.2 Modélisation multiniveau
2.3.1.2.1 Modèle statique et numérique
2.3.1.2.2 Modèle semi analytique de type circuit électrique
2.3.1.2.3 Modèle semi analytique
2.3.1.2.4 Modèle numérique (tabulé)
2.3.1.3 Comparaison entre les modèles
2.3.2 Générateur éolien
2.3.2.1 Différents types d’aérogénérateurs
2.3.2.2 Analyse et expressions des grandeurs caractéristiques de l’éolienne
2.3.2.3 Modélisation multi niveau
2.3.2.3.1 Modèle statique
2.3.2.3.2 Modèles dynamiques
2.3.3 Batteries d’accumulateurs
2.3.3.1 Modèles électriques
2.3.3.2. Modèle sous Matlab Simulink
2.3.4. Onduleur
2.3.4.1. Modèle mathématique
2.3.4.2. Modèle sous Matlab/Simulink
2.3.5. Contrôleur de charge
2.3.5.1. Modèle mathématique
2.3.5.2. Modèle sous Matlab/Simulink
2.3.6. Le convertisseur continu-continu (hacheur)
2.3.6.1. Modèle dynamique sous Matlab/Simulink
2.3.6.2. Modèle statique sous Matlab/Simulink
Conclusion générale

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