Participants au projet : Olivier GERGAUD (thèse soutenue 9 déc. 02)Bernard MULTONHamid BEN AHMEDDominique MILLERGaël ROBIN (thèse en cours)

MMODÉLISATIONODÉLISATION ÉÉNERGÉTIQUENERGÉTIQUE ET ET OOPTIMISATIONPTIMISATION ÉÉCONOMIQUECONOMIQUED’UND’UN SSYSTÈMEYSTÈME DEDE PPRODUCTIONRODUCTION ÉÉOLIENOLIEN ETET PPHOTOVOLTAÏQUEHOTOVOLTAÏQUE

CCOUPLÉOUPLÉ AUAU RRÉSEAUÉSEAUETET

AASSOCIÉSSOCIÉ À UNÀ UN AACCUMULATEURCCUMULATEUR

GdR « Energie décentralisée » 27-28 janvier 2003 TOULOUSE

Quelques rappels de la présentation du 21 juin 2002 (GdR Cachan)

Résultats d’optimisation dans différentes configurations

Poursuite des travaux

Validation énergétique globale

Système de gestion et de pilotage

Commande du niveau de tension de batterie

Accumulateurs PlombAccumulateurs Plomb--acideacide48V 48V -- 15kWh15kWh

Bus continuBus continu44V à 54V44V à 54V

Modules PV: 2kW crêtesModules PV: 2kW crêtes

Convertisseurs DC-DCMPPT

Transformateurs triphasés

+ redresseurs à diodes

AérogénérateursAérogénérateurs2*750Watts2*750Watts

Réseau 230V - 50Hz

ConsommateurConsommateur

ConvertisseurDC/AC

Mesure météoMesure météo

Centraled’acquisition

MS3~

Ω

turbine alternateur redresseur accumulateurs

vent

transformateur

distance 80m≅

=nominale_batVventP turbineP

inP m=0.343outP

fem 120Vp=8

48 V

1 2 3 4 5 6 7 8 90

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

Vbat= 48 V Transfo réel

Transfo Parfait

Simplifiée

Vw (m/s)

Puissance électrique

Pbat(Watts)

Pbat en fonction de VwExemple

Pbat2*10 panneaux ASE-100-GT-FT

DC DC

mppt

DC DC

mpptBus continu avecaccumulateurs

44V-54V

Vbat

Pbat

Es

Tj

ES

Tj

0 2 0 4 0 6 0 8 00

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0 M o d èleM esures

T ension (V o lt)

Pui

ssan

ce (

Wat

t)

Caractéristiques puissance/tensioncomparaison des mesures et du "modèle une diode" GROUPE 1.

200 400 600 800 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Puissance en entrée du convertisseur (Watt)

Ren

dem

ent (

%) Courbe moyenne

2101

1

KPKPP

ss

+⋅++=η

Caractéristiques des convertisseurs MPPT

Modélisation très complexe

Dispersion des caractéristiquesIdentification difficile

Dérives Vbat

nb.Rinb.Eb

Ibat

Modèle du CIEMAT

[ ] ( )TEDCIC

InEDCnV

bat

batbbdbat ∆⋅−⋅

++

+⋅⋅−⋅+⋅= 007,0102,027,0

1

412,0965,1 5.13.110

_

)005,01()(67,01

67,1

9.0

10

10T

IIC

C

bat

bat ∆⋅+⋅⋅+

=

batibbbbat IRnEnV ⋅⋅+⋅=

bat

d

CQEDC −= 1

Limitation d’utilisation jusqu’au phénomène de gassingEDCMAX = 0.9

24 éléments au plomb en série - C10 = 320 AhAccumulateur électrochimique

Commande en puissance

⋅⋅+⋅=

=

batibbbat

bat

batbat

IRnEnVVPI

,0EDC batP

EDC

,E iR0 10 20 30 40 50 60 70

-60

-40

-20

0

20

40

60

temps (heure)

Cou

rant

(A)

0 10 20 30 40 50 60 70temps (heure)

0

-60

40

-40-20

20

cour

ant (

A)

60 Modèle CiematMesures

Commande en tension

ib

bbatbat Rn

EnVI⋅

⋅−=

EDC

,E iR

,0EDC batV

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

- 8 0

- 6 0

- 4 0

- 2 0

0

2 0

4 0

6 0

8 0

te m p s (h e u re )

Co

ura

nt

(

0

-60-40-20

80

20

6040

-80

cour

ant (

A)

0 10 20 30 40 50 60 70temps (heure)

Modèle CiematMesures

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Pertes JouleRendement coulombien

( )

−⋅+

−= 155,0

73,20exp1

10

_ EDC

IIbat

ccbη

1_ =dcbη

décharge charge

État de charge

nb.Ri(Ω)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10

0,2

0,4

0,6

0,8

1

CHARGE

DÉCHARGE

1kW

3kW2kW

4kW

Zone Optimale

Pbat

État de charge

Rendement énergétique global

Ren

dem

ent

VW (m/s)

Tp (°C)

Es (W/m²) 0 8h 9h 12h 13h 20h 21h 24h

1450W

120W

Pconso sur une journée

Réseau secouru

Réseau Principal

OnduleurTRACE

0 9h30 47h30 70h

Commande coupure réseau sur la durée du relevé

1

Coupureréseau

AccumulateurProducteurSolaire

ProducteurEolien

PPV

PW

Pbat

Onduleurréversible

MesureProduction

Temps de calcul : 8600 pts ≈200 secondes

VW (m/s)

Tp (°C)

Es (W/m²) 0 8h 9h 12h 13h 20h 21h 24h

1450W

120W

Pconso sur une journée

Réseau secouru

Réseau Principal

OnduleurTRACE

0 9h30 47h30 70h

Commande coupure réseau sur la durée du relevé

1

Coupureréseau

AccumulateurProducteurSolaire

ProducteurEolien

PPV

PW

Pbat Onduleurréversible

Modélisation et validation énergétiqueModélisation et validation énergétiquedu système sur 70 heuresdu système sur 70 heures

Mesures Simulation Production solaire 25.1 kWh 25.5 kWh Production éolienne 0.5 kWh 1.5 kWh Énergie transitée par la batterie 18.1 kWh 19 kWh Énergie consommée par le réseau secouru 19.4 kWh 19.4 kWh Énergie fournie par le réseau principal -1.9 kWh -3 kWh

Producteuréolien

Producteursolaire

Accumulateur

Consommateur

Fournisseur réseauprincipal (EDF)

Onduleur

Utilisateur

Optimisation des transferts énergétiqueset du dimensionnement avec critère économique

Développement d’un formalisme économique

)()()()( tCtCtCtC UEI ++=Coût de l’énergie (produite ou consommée) :

Pour la production solaire : (pas d’usure liée à la production, coût énergétique nul)

tP

NtPCtC PVpPVaPVpPVIPV ⋅

⋅+=

8766),,,()( _

__β

δ

)(8766

)( 10 tAmtCCtC I

II ⋅⋅+=Coût d’investissement :

ττγβ∆⋅⋅+⋅= ∑

t

U xtCtC0

max )(8766

)()(Coût d’utilisation :

∑ ∆⋅⋅=t

E xtxsignextC0

max )(])),((,[)( ττταCoût énergétique :

Pour le réseau : ( βG = coût d’abonnement)

∑ ∆⋅⋅⋅+⋅+=t

GGGGpGGpG

aGpGIG PAPsignePtP

NtPCtC0

__

__ )()(])),((,[8766

)(),,,()( τττττα

βδ

6 €/Wc et 0,1 c€/Wc/an

Pour le stockage : (coût énergétique nul)

Pour l’onduleur : (seulement investissement)

Pour le système complet :)()()()()()( tCtCtCtCtCtC GconvbWPVTot ++++=Coût total :

Pour la production éolienne : (coût énergétique nul)

Optimisation minimisation de CTot sur une période T (15 ans)

≤

≤

≤

≤+++=

convpconv

bpb

GpG

bpb

GbPVWconso

PtP

PtP

PtP

EtEtPtPtPtPtP

_

_

_

_

)(

)(

)(

)()()()()()(Contraintes :

],0[ Tt∈∀

10 €/Wc (petit éolien cher)et 1 c€/kWh/an

7,72210

2__

_

=⋅

=⋅⋅

=pbpp

b NENbatterietotalCoûtγττ ∆⋅=⋅⋅ ∑

t

bbpp PEN0

_ )(2 c€/kWh

ττγδ ∆⋅⋅+= ∑t

bbabpbIb PNtPCtC0

__ )(),,,()(

30 40 50 60 70 801000

10000

Courbe réelle [MES 99]

Profondeur de décharge en %

Nom

bre

de c

ycle

s3000

5000

7000

Coût de cyclage

Hypothèse : (Nombre de cycles)*(Profondeur de décharge) = Np = Constante

Courbe Np constant (Np=1350)

Coût d’investissement :CT_b = 210 €/kWh

Batterie

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

5

10

15

20

25

30

Coû

t (k€

)

Distance de raccordement (m)

25)0,0,,( __ ≈tPC GpGI k€/km

3 6 9 12 15 18 24 30 3623,1658,96

116,23166,77217,31267,84

447,24

626,65

806,05

-Pp_G 0 Pp_G

4,42

10,3212,58

3 kVA

ACHATVENTE

Puissance fournie ou reçue par le réseau

αG en c€

Coû

tde

l’abo

nnem

ent

βG en €

Puissance souscrite en kVA

∑ ∆⋅⋅⋅+⋅+=t

GGGGpGGpG

aGpGIG PAPsignePtP

NtPCtC0

__

__ )()(])),((,[8766

)(),,,()( τττττα

βδ

Réseau

(Sans stockage, en production au fil du soleil : 15,2 c€/kWh)

Dimensionnements et optimisations énergétiquesDimensionnements et optimisations énergétiques

sans production locale (mais avec stockage)

fonctionnement autonome

Système complet : éolien + solaire + stockage + réseau

DonnéesConsommationEnsoleillementVitesse du vent

Température ambiante

Modèles technico-économiques

Approche systématique

Dimensionnement

Flux d’énergie

SolutionsOptimisation

3 configurations types :3 configurations types :

Données horaires sur 15 anscos φ = 1

Consommation = Données Enertech sur 1 an reproduit 15 fois

Données Météo France sur 15 ansEnsoleillementVitesse du vent

Température ambiante

0 50 100 150 200 250 300 3500

1

2

3

4

temps (jours)

Con

som

mat

ion

(kW

)

50 100 150 200 250 300 3500

200

400

600

800

1000

Enso

leill

emen

t (W

/m²)

temps (jours)168 169 170 171 172 173 1740

200

400

600

800

1000

Jour de l’année

Enso

leill

emen

t (W

/m²)

temps (heures)

Con

som

mat

ion

(kW

)

0h 24h 24h12h12h

1

2

3

4

0

Accumulateur

Consommateur

Utilisateur

Fournisseur réseauprincipal (EDF)

Onduleur

0 3 6 9 12 15 18 21 240

1

2

3

4

5

6

Temps (heure)

P con

so(k

W)

Sans production locale

Intérêts :Diminuer le coût d’abonnement

Diminuer le dimensionnement de la connexion

Pour le réseau : stockage décentralisé

Puissance nécessaire 6 kVA

Puissance maxisouscrite 3kVA

Ecrêtage

Puissance moyennejournalière

Lissage

0 3 6 9 12 15 18 21 24-3

-2

-1

0

1

2

3

4

temps (heure)

Puissance batterie calculéePuissance recharge possible

0 3 6 9 12 15 18 21 24-2

0

2

4

6

8

Ener

gie

écha

ngée

(kW

h)

Pas de limitation de la puissance de recharge

P bat(k

W)

temps (heure)

6 kWh

Limitation de recharge à 1kW

temps (heure)

P bat(k

W)

Ener

gie

écha

ngée

(kW

h)

temps (heure)

0 3 6 9 12 15 18 21 24-3

-2

-1

0

1

2

3

4Puissance batterie calculéePuissance recharge possible

limitation de recharge, Pch

0 3 6 9 12 15 18 21 24-2

0

2

4

6

8

4 kWh

Ecrêtage à 3 kW

0 3 6 9 12 15 18 21 24-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Temps (heure)

P bat

(kW

)Puissance batterie optimalePuissance batterie possible

Optimum = Répartition de la charge sur tout l'intervalleOptimisation des niveaux de chaque palier

tarifs de rachat de l’énergie inférieurs au tarif de venteintérêt économique insuffisant par rapport au gain sur l’abonnement

à stocker de l’énergie pour la revendre ensuite

Calcul systématique du coût pour tous les triplets (Ep_b, Pp_PV , Pp_W,)

Délestage en cas de surcharge ou sous-charge batterie

Flux énergétiques imposés par la production et la consommation

Autonome (sans réseau)

Producteuréolien

Producteursolaire

Accumulateur

Consommateur

Utilisateur

Onduleur

Dimensionnement optimal = solution à coût minimal

100 110 120 130 140 150 160Coût en k€

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200P p_W = 0 W

Puissance crête PV installée (kW)

Cap

acité

de

stoc

kage

(kW

h)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200P p_W = 1200 W

Puissance crête PV installée (kW)

Cap

acité

de

stoc

kage

(kW

h)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200P p_W = 2400 W P p_W = 3900 W

Puissance crête PV installée (kW) Puissance crête PV installée (kW)

Cap

acité

de

stoc

kage

(kW

h)

Cap

acité

de

stoc

kage

(kW

h)

7,2 kW

120 kWh

Production solaire Production éolienne Production totale

Énergie délestée Énergie produite

56%81000 kWh

44%64000 kWh

65%13000 kWh

35%7000 kWh

57%94000 kWh

43%71000 kWh

La connexion réseau permettrait :La revente du surplus d’énergieL’exploitation à 100 % des systèmes de productionLa mutualisation des ressources (production et stockage)

avec d’autres producteursDe dimensionner le système plus raisonnablement

Origine de l’énergie alimentant le consommateur

Energie provenant du réseauEnergie provenant des systèmes de production

57 %

43 %

Producteuréolien

Producteursolaire

Accumulateur

Consommateur

Utilisateur

Fournisseur réseauprincipal (EDF)

Onduleur

Pp_PV = 2 kWPp_W = 1,5 kWEp_b = 15 kWh

Avec batterie en mode floating :

Système complet

Origine de l’énergie alimentant le consommateur

Energie provenant du réseauEnergie provenant des systèmes de productionEnergie provenant de l’accumulateur

30 %44 %

26 %

Avec exploitation maximale du système de production locale

Comparaison des coûts

Floating Gestion optimaleInvestissement

Exploitation

Total

34.8 k€ 35.5 k€4.3 k€ 7.1 k€39.2 k€ 42.7 k€

Surcoût dû au cyclage, nécessité de moyens de stockage à plus grande cyclabilité

Suite (travaux en cours et envisagés) :

- travaux en cours : prise en compte de l’aspect aléatoire desressources et de la consommation

- intégration de prévisions météo dans la boucle

- étude de l’intérêt d’un stockage décentralisé pour le réseau

- recherche des fonctions de corrélation entre caractéristiquesmétéo sur site de mesure et sur site d’exploitation

- étude d’autres systèmes multisources…

COMPLEMENTS

Modélisation et validation énergétique du systèmeModélisation et validation énergétique du système

0 10 20 30 40 50 60 700

500

1000

0 10 20 30 40 50 60 700

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60 700

2

4

6

0 10 20 30 40 50 60 700

1000

2000

0 10 20 30 40 50 60 700

200

400

0 10 20 30 40 50 60 700

500

1000

1500

0 10 20 30 40 50 60 70

-1000

0

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

-1000

0

1000

2000

temps (h)

temps (h)

temps (h)

temps (h)

temps (h)

temps (h)

temps (h)

Ensoleillement(W/m²)

Températuredes panneaux

(°C)

Vitesse du vent(m/s)

Puissance PV(W)

Puissanceéoliennes

(W)

Puissanceréseau secouru

(W)

Puissanceréseau principal

(W)

temps (h)

Puissancebatterie

(W)

Fonctionnement autonome

0 10 20 30 40 50 60 700

500

1000

0 10 20 30 40 50 60 700

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60 700

2

4

6

0 10 20 30 40 50 60 700

1000

2000

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 00

2 0 0

4 0 0

0 10 20 30 40 50 60 700

500

1000

1500

0 10 20 30 40 50 60 70

-1000

0

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

-1000

0

1000

temps (h)

temps (h)

temps (h)

temps (h)

temps (h)

Ensoleillement(W/m²)

Températuredes panneaux

(°C)

Vitesse du vent(m/s)

Puissance PV(W)

Puissanceéoliennes

(W)

Puissanceréseau secouru

(W)

temps (h)

temps (h)

Puissanceréseau principal

(W)

temps (h)

Puissancebatterie

(W)

Fonctionnement autonome

SIMULATIO

NS

SIMULATIO

NS

MESURES

MESURES

0 1 0 2 0 3 0 4 0 50

5 0 0

1 0 0 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 50

1 0 0 0

2 0 0 0

0 10 20 30 40 5

1000

0

1000

2000

E nso leillem ent(W /m ²)

P uissance P V(W )

P uissancebatterie

(W )

Délestage en mode autonome :

Mesures

Simulations

0 1 0 2 0 3 0 4 00

0

0

0 1 0 2 0 3 0 4 00

0

0

0 1 0 2 0 3 0 4 00

0

0

0 1 0 2 0 3 0 4 0

0

0

0

E n s o le i l le m e n t( W /m ² )

P u is s a n c e P V( W )

P u is s a n c eé o l ie n n e s

( W )

P u is s a n c eb a t te r ie

( W )

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

N ( t r /m in )

Pu

iss

an

ce

(W

V b a t= 4 4 V

V b a t= 5 4 VV b a t= 4 8 V

V w = 4 m / sV w = 5 m / s

V w = 6 m / s

V w = 7 m / sV w = 8 m / s

V w = 9 m / s

2 3 4 5 6 7 8 90

0.2

0.40.6

0.81

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Vw (m/s)

P W/P

W48

V

Vbat=44V

Vbat=54V

Vbat=48V

Préseau (kW)

Ren

dem

ent moyenne

modèle

0 1 2 3 4

0,6

0,8

0,4

1

Rendement onduleur

211101

/

1

1

KPKPP

DCDC

DCAC

+⋅++=η

En mode AC-DC (redresseur) En mode DC-AC (onduleur)

Pdc (kW)

Ren

dem

ent

0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

moyenne

modèle

2212021

1

KPKP

Pηreseau

reseau

DC/AC

+⋅++=