Rapporteurs : Fréderic miranville, Maitre de Conférences, hdr
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| UNIVERSITE DE CORSE PASQUALE PAOLI FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES THESE PRESENTÉE EN VUE DE L’OBTENTION LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE CORSE (Spécialité : ÉnergÉtique et GÉnie des ProcÉdÉs) Présentée et soutenue publiquement Par Valérie ACQUAVIVA le 11 juillet 2009 Titre : ANALYSE DE l’INTEGRATION DES SYSTEMES ENERGETIQUES A SOURCES RENOUVELABLES DANS LES RESEAUX ELECTRIQUES INSULAIRES _______ Directeur de Thèse : Philippe POGGI, Maitre de Conférences, HDR, Université de Corse Commission d’examen : Rapporteurs : Fréderic MIRANVILLE, Maitre de Conférences, HDR, Université de la Réunion Dominique LAMBERT, Maitre de Conférences, HDR, Université de Toulouse Examinateurs : Florence MATTERA, Ingénieur-Chercheur, CEA-INES Bourget-du-Lac Marc MUSELLI , Maitre de Conférences, HDR, Université de Corse Stefka NEDELTCHVA, Professeur à l’Université Technique de Sofia, Bulgarie Philippe POGGI, Maitre de Conférences, HDR, Université de Corse Je profite de l’occasion qui m’est offerte par cette page de remerciements pour exprimer toute ma gratitude à Monsieur Jean-François Bernardini, Directeur de l’école doctorale de l’Université de Corse, pour m’avoir permis de terminer ce travail après plusieurs années d’interruption. Je remercie Monsieur Frédéric Miranville, Maître de Conférences HDR à l’Université de la Réunion et Monsieur Dominique Lambert, Maître de Conférences HDR à l’Université de Toulouse pour avoir bien voulu rapporter ma thèse et participer à ce jury. Je remercie également Mesdames Stefka Nedeltcheva, Professeur à l’Université Technique de Sofia, et Florence Mattera, Ingénieur au CEA – INES d’avoir examinée mes travaux. Je remercie vivement Monsieur Philippe Poggi, mon Directeur de Thèse, car sans lui ce travail n’aurait pu aboutir. Il a su, malgré un emploi du temps très chargé, se rendre disponible et trouver de précieux moments pour que je puisse terminer ce doctorat. Son aide, son soutien et sa bonne humeur y ont largement contribués. Je souhaite également remercier Monsieur Marc Muselli pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail mais également pour tous ces échanges que nous avons eus tout au long des trois années passées dans le laboratoire de Vignola. Je tiens également à saluer sa sympathie. Je remercie tout particulièrement mon père pour l’obstination dont il a fait preuve. SOMMAIRE INTRODUCTION……………………………………………………………………………1 CHAPITRE I : L’APPORT DU PHOTOVOLTAIQUE DANS LE RESEAU DE DISTRIBUTION D’ELECTRICITE……………………………………………..…8 I.1. INTRODUCTION……………………………………………………….……….9 I.2. LE RESEAU ELECTRIQUE CORSE………………………………………...11 I.2.1. Caractéristiques du réseau électrique Corse…………………………….11 I.2.2. Constat……………………………………………………………….....16 I.3. METHODOLOGIE : DEFINITION DES PARAMETRES ETUDIES……...17 I.3.1. Introduction……………………………………………………………..17 I.3.2. Détermination de la coïncidence entre la puissance fournie par la centrale PV et la charge appelée sur le réseau…………………………………………18 I.3.3. Détermination des paramètres définissant le Taux de Disponibilité Effectif………………………………………………………………………...19 I.3.4. Détermination du taux de disponibilité effectif ou TDE………………..27 I.4. RESULTATS…………………………………………………………………….27 I.4.1. Probabilité de coïncidence……………………………………………...28 I.4.1.a. Probabilité de coïncidence annuelle pour une centrale photovoltaïque ………………………………………………………..28 I.4.1.b. Probabilité de coïncidence mensuelle pour une centrale PV…31 I.4.1.c. Probabilité de coïncidence pendant la période estivale pour une centrale PV……………………………………………………………35 I.4.2. Probabilités de disponibilité de la ressource aux heures de consommation pointe………………………………………………………………………….37 I.4.2.a. Probabilité annuelle de disponibilité de la ressource aux heures de consommation pointe………………………………………………37 I.4.2.b. Probabilité estivale de disponibilité de la ressource aux heures de consommation pointe………………………………………………38 I.4.2.c. Probabilité mensuelle (janvier et août) de disponibilité de la ressource aux heures de consommation pointe…………………...…..40 I.4.3. Puissance effective (PE)………………………………………………..41 I.4.4. Stockage d’énergie minimum nécessaire……………………………….45 I.4.5. Valeur de l’énergie PV ……………………………………………...…50 II.4.6. Le Taux de Disponibilité Effectif ………………………………….….52 I.5. CONCLUSION…………………………………………………………...………….….56 CHAPITRE II : RENFORCEMENT DES BOUTS DE LIGNE ELECTRIQUE : LA SOLUTION PHOTOVOLTAÏQUE ………………………………………….....58 II.1. INTRODUCTION………………………………………………………...59 II.2. LES CHUTES DE TENSION…………………………………………………...61 II.2.1. Quelques rappels sur le réseau électrique français (EDF)……………..61 II.2.2. Critères de qualité…………………………………………………62 II.2.3. Définition et calcul des chutes de tension……………………………...63 II.2.4. Renforcement des bouts de ligne électriques…………………………..64 II.3. REDUCTION DES CHUTES DE TENSION – LA SOLUTION PV………68 II.3.1. Introduction…………………………………………………………….68 II.3.2. Principe de fonctionnement……………………………………………69 II.3.3 Avantages……………………………………………………………….70 II.4. METHODOLOGIE ET ANALYSE…………………………………………….72 II.4.1. Présentation du bout de ligne étudié…………………………………...72 II.4.1.a. Critères de sélection………………………………………….73 II.4.1.b. Description du bout de ligne étudié………………………….74 II.4.1.c. Profil de consommation……………………………………...75 II.4.2. Dimensionnement du système en toiture………………………………77 II.4.2.a. Synopsis de la méthode de dimensionnement………………..78 II.4.2.b. Calcul de la chute de tension avec et sans système PV connecté en toiture………………………………………………………………80 II.4.2.c. Stratégies d’étude…………………………………………….82 II.4.2.d. Nombre de chutes de tension………………………………...87 II.4.2.e. Estimation de la taille du champ……………………………..88 II.4.3. Hypothèses économiques - Coût du kWh consommé…………………93 II.4.3. a. Evaluation du coût d’investissement initial…………………94 II.4.3. b. Le crédit d’impôt (Ministère de l’Economie, des Finances et de l’Industrie, 2005)…………………………………………………..96 II.4.3. c. L’investissement brut………………………………………..97 II.4.3. d. Evaluation du coût d’investissement initial…………………98 II.4.3. e. Coût de remplacement du l’onduleur………………………..98 II.4.3.g. Coût du kWh destiné au consommateur……………………..99 II.4.4. Estimation des performances du système………………………… ...104 II.4.4.a . Distribution de l’énergie……………………………………104 II.4.4.b. Pertes de ligne évitées………………………………………106 II.4.5. Calcul des émissions de CO2 évitées…………………………………109 II.4.6. Conclusion………………………………………………………110 II.5. SYSTEMES EN TOITURE CONNECTES AU RESEAU AVEC BATTERIES……………………………………………………………………….112 II.5.1. Introduction…………………………………………………………..112 II.5.2. Les accumulateurs d’énergie…………………………………………113 II.5.2.a. Caractéristiques des accumulateurs d’énergie……………...113 II.5.2.b. Les rendements de conversion……………………………..117 II.5.2.c. Le régulateur……………………………………………….118 II.5.3. Modélisation de la charge à assurer par la batterie…………………..119 II.5.4. Méthode de dimensionnement……………………………………….128 II.5.5. Modes de fonctionnement……………………………………………132 II.5.5.a. Stratégie 1…………………………………………………..132 II.5.5.b. Stratégie 2…………………………………………………..134 II.5.6. Courbes de dimensionnement………………………………………...135 II.5.7. Analyse économique………………………………………………….138 II.5.7. a. L’investissement brut………………………………………138 III.5.7.b. Coût du kWh consommé par le système…………………...139 II.6. CONCLUSION………………………………………………………………..144 CHAPITRE III : ETUDE DES PERFORMANCES DU SYSTEME IN SITU CONNECTE AU RESEAU ELECTRIQUE CORSE… ……………………………..147 III.1. INTRODUCTION…………………………………………………………...148 III.2. PRESENTATION DU SYSTEME…………………………….……………148 III.2.1. Généralités…………………………………………………………...148 III.2.2. Présentation du site…………………………………………………..149 III.2.3. Description du champ………………………………………………..150 III.2.4. Description de l’onduleur……………………………………………151 III.3. MODELISATION ET OPTIMISATION DU SYSTEME………………...152 III.3.1. Rendement du champ photovoltaïque……………………………….152 III.3.2. Rendement de l’onduleur……………………………………………156 III.3.3. Optimisation énergétique entre la puissance nominale de l’onduleur et la puissance crête du champ…………………………………………………159 III.4. ANALYSE DES PERFORMANCES ET PRECONISATION……………162 III.4.1. Système d’acquisition et données mesurées…………………………162 III.4.2. Quelques mots sur les propriétés du réseau électrique en Corse…….164 III.4.3. Présentation des coefficients et paramètres de performance………...165 III.4.4. Calcul des paramètres………………………………………………169 III.4.5. Présentation des valeurs mesurées sur la période étudiée…………..171 III.4.6. Evaluation des différents paramètres ………………………………174 III.4.7. Analyse sur le fonctionnement du système…………………………175 III.4.7.a. Analyse de l’année 2001…………………………………..175 III.4.7.b. Analyse de l’année 2002…………………………………..177 III.4.7.c. Analyse de l’année 2003…………………………………...178 III.4.7.d. Conclusion…………………………………………………179 III.4.8. Amélioration de la performance du système PV…………………….180 III.4.8.a. Etapes de la modification des paramètres techniques de l’onduleur……………………………………………………………180 III.4.8.b. Analyse des résultats………………………………………183 III.4.8.c. Comparaison avec des périodes de fonctionnement précédentes…………………………………………………………………..186 III.5 CONCLUSION………………………………………………….……………194 CONCLUSION………………………………….………………………………………….196 BIBLIOGRAPHIE…………………………………………………………………………200 NOMENCLATURE………………………………………………………………………..224 ANNEXE 1………………………………………………………………………………….230 ANNEXE 2………………………………………………………………………………….236 ANNEXE 3………………………………………………………………………………….238 ANNEXE 4………………………………………………………………………………….241 ANNEXE 5………………………………………………………………………………….243 |
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