Évaluation et optimisation des stratégies visant à introduire les énergies renouvelables dans la production électrique pour l'habitat

Evaluation and Optimization of Strategies to introduce Renewable Energy into Electricity Generation for Housing

• Auteur / Autrice : Maya Julian
• Direction : Sofiène Dellagi, Georgios Vokas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 23/06/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Informatique, de Production et de Maintenance (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Wilfried Patrick Uhring
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alice Yalaoui, Emmanuel Simeu, Anis Chelbi, Yasmina Hani, Abbas Dandache
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alice Yalaoui, Emmanuel Simeu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Énergies renouvelables

Micro-réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Microréseaux

Sources renouvelables

Économie pour durabilité

Microgrids

Renewable sources

Economy for Sustainability

Résumé

De nos jours, lorsque les prix du pétrole deviennent considérablement chers et les émissions de CO2 augmentent rapidement, le fonctionnement du réseau devient encore plus multidimensionnel compte tenu des politiques environnementales appliquées. Compte tenu de l'ensemble des objectifs découlant de l'accord de Kyoto et d'initiatives telles que l'accord européen 20/20/20, des calendriers et des limites strictes sont imposés à tous les pays participants afin de réduire systématiquement leurs émissions de gaz à effet de serre tout en intégrant davantage de sources d'énergie renouvelables. L'énergie et la substitution des technologies de production lourdes anciennes et polluantes par des technologies plus récentes et plus respectueuses de l'environnement. Ainsi, toute la restructuration des systèmes énergétiques s'articule autour de deux axes afin d'atteindre les objectifs mentionnés, à savoir une intégration énergétique 'plus propre' et une efficacité énergétique. Afin de parvenir à une énergie plus propre, l'attention a été attirée sur les très prometteuses unités de production d'énergie renouvelable, de production combinée de chaleur et d'électricité (cogénération) et de combustibles de substitution tels que les unités de gaz naturel et les piles à combustible. L'installation de plus en plus d'unités de génération dispersée (PV, WT, FC, Micro_CHP, etc.) à proximité des consommateurs ouvre une nouvelle ère pour les systèmes énergétiques. Des microréseaux pourraient être mis à contribution pour aider le réseau à réduire ses émissions de CO2 tout en augmentant son efficacité grâce à la production locale. Les microréseaux sont définis comme des réseaux basse tension (BT) ou, dans certains cas, moyenne tension (MV), avec des sources DG, ainsi que des dispositifs de stockage et des charges contrôlables (chauffe-eau, climatisation, par exemple) avec une puissance installée totale de l'ordre de kW à quelques MW. La particularité des Microgrids réside dans le fait que, bien qu’ils fonctionnent principalement interconnectés au réseau de distribution de tension de niveau supérieur, ils peuvent être automatiquement transférés en mode isolé en cas de défaillance du réseau en amont. Cette thèse de doctorat vise à développer des méthodologies et des techniques d'analyse permettant de quantifier les avantages de la DG dans le système de microgrids, en mettant l'accent sur les problèmes et contraintes environnementaux (par exemple, différents taux de taxe sur le carbone, contraintes de CO2, SO2, NOx, facteurs d'émission d'unités de production, etc.). De plus, un logiciel de calcul approprié pour minimiser les coûts opérationnels dans le Microgrid (dans lequel des variations dans les politiques de prix sont appliquées) sera également développé. Ainsi, en évaluant des scénarios comparables, les politiques environnementales et de tarification qui contiennent une plus grande viabilité et un potentiel de réalisation seront présentées. De plus, compte tenu des paramètres ci-dessus, un problème de répartition horaire économique et environnemental est formulé afin de produire de manière optimale les calendriers de production horaires du DG de Microgrid. Le logiciel Matlab sera utilisé pour effectuer les simulations proposées (méthode de Lagrange - fonction fincon).

Nowadays where oil prices become considerably expensive and CO2 emissions increase rapidly, grid operation is becoming even more multidimensional given the environmental policies that are enforced. Given the set of goals stemming from the Kyoto agreement and initiatives like the 20/20/20 European agreement, tight schedules and boundaries are dictated, for all the participating countries in order to consistently reduce their Greenhouse Gas (GHG) emissions while integrating more renewable energy and substituting older and pollutant heavy production technologies with newer and more eco-friendly ones. Thus, the whole restructuring of the energy systems are focused in two fronts in order to achieve the mentioned goals, 'cleaner' energy integration and energy efficiency. In order to achieve cleaner energy, attention has been drawn to the highly promising RES, Combined Heat and Power (CHP) units and alternative fuels like natural gas units and Fuel Cells (FC). The installation of more and more units of Dispersed Generation-DG (PV, WT, FC, Micro_CHP, etc.) close to consumers leads to a new era for the Energy Systems. Microgrids could come into play to aid the network through CO2 emission reduction while increasing their efficiency through local generation. Microgrids are defined as Low Voltage (LV), or in some cases Medium Voltage (MV), networks with DG sources, together with storage devices and controllable loads (e.g. water heaters, air conditioning) with a total installed capacity in the range of few kWs to couple of MWs. The unique feature of Microgrids is that, although they operate mostly interconnected to the upper level voltage distribution network, they can be automatically transferred to islanded mode in case of faults in the upstream network. This doctoral thesis aims to develop methodologies and analysis techniques for the quantification of the DG’s advantages in Microgrids scheme, giving emphasis in environmental issues and constraints (e.g. various carbon tax rates, CO2, SO2, NOx constraints, emission factors of production units, e.t.c.). Moreover, suitable calculation software for minimizing the operational cost in the Microgrid (in which variations in the pricing policies are applied) will also be developed. So, by evaluating comparable scenarios, the environmental and pricing policies that contain greater viability and realization potentiality will be presented. In addition, given the above parameters, an economic-environmental hourly dispatch problem is formulated in order to optimally produce the hourly generation schedules of the Microgrid's DG. Matlab software will be used to perform the proposed simulations (Lagrange Method – fmincon function).