Modélisation et optimisation d'un système hybride de génération d'énergie pour l'habitat rural en Afrique

Modeling and Optimization of a Hybrid Energy Generation System for Rural Housing in Africa

• Auteur / Autrice : Fahad Maoulida
• Direction : Mohammed El Ganaoui, Rabah Djedjig
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 07/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Rachid Bennacer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed El Ganaoui, Rabah Djedjig, Djafar Ould Abdeslam, Rachida Idchabani, Mohamed Aboudou Kassim, Hélène Ageorges, Latifa Boutat-Baddas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Djafar Ould Abdeslam, Rachida Idchabani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Habitat

Industries rurales

Micro-réseaux électriques

Économies d'énergie

Comores

Énergies renouvelables

Systèmes dynamiques hybrides

Mots clés libres

Systèmes hybrides

Énergies renouvelables

Modélisation

Optimisation

Efficacité énergétique

Milieu rural

Technico-économique

Micro-réseaux

État insulaire

Hybrid Systems

Renewable Energies

Modeling

Optimization

Energy Efficiency

Rural Environment

Techno-Economic

Microgrids

Insular State

Résumé

Cette thèse se concentre sur le développement de solutions énergétiques basées sur les énergies renouvelables pour répondre à la demande croissante et aux prix fluctuants des énergies fossiles. En partenariat avec le LERMAB de l'Université de Lorraine et LEMA de l'Université des Comores, l'étude propose des systèmes hybrides combinant solaire, éolien et diesel avec une gestion optimisée du stockage d'énergie pour les milieux ruraux aux Comores. Utilisant des logiciels comme Homer Energy, Trnsys et Polysun, l'étude dimensionne ces systèmes en exploitant le potentiel solaire (5 kWh/m²/jour) et éolien (plus de 6 m/s) des Comores pour une distribution continue et décarbonée de l'énergie par la SONELEC. Deux solutions hybrides sont développées dans cette thèse. La première, destinée à un village rural, intègre éolien, solaire photovoltaïque et un générateur diesel d'appoint. Elle produit un excédent de 660 087 kWh/an, soit 74,2% de surplus d’énergie, avec un coût de 0,29 dollar/kWh, inférieur à celui de la SONELEC. La production est dominée par le solaire (82%), suivi de l’éolien (18%), et le diesel est réduit à presque 0 %, assurant une part de 100% renouvelables et zéro émission de gaz. Le système PV-Éolien-Diesel-Batterie optimise les ressources locales et inclut des batteries pour une alimentation stable malgré les fluctuations. La deuxième solution, validée à l'IUT de Longwy, concerne les habitats individuels avec des systèmes PV/T pour l'énergie électrique et l'eau chaude sanitaire. Combinant des panneaux photovoltaïques et des collecteurs thermiques, ces systèmes permettent une double production d'électricité et de chaleur. Un modèle de collecteur hybride PV/T, conçu et validé par des études expérimentales au Lermab, couvre 70% des besoins en eau chaude sanitaire et 80% des besoins en énergie électrique, avec un rendement total de 40%. Performants toute l'année, ils restent efficaces même dans des conditions climatiques variables. Cette recherche propose une politique énergétique durable pour les Comores, visant à réduire la dépendance au diesel, améliorer la qualité de vie et stimuler l'économie locale. Elle met en avant l'importance des mécanismes de financement, la formation des communautés locales et l'intégration de systèmes hybrides avec collecteurs PV/T pour une efficacité énergétique optimale.

This thesis focuses on the development of renewable energy solutions to address the growing demand and fluctuating prices of fossil fuels. In collaboration with LERMAB of the University of Lorraine and LEMA of the University of Comoros, the study proposes hybrid systems combining solar, wind, and diesel with optimized energy storage management for rural areas in Comoros. Using software such as Homer Energy, Trnsys, and Polysun, the study designs these systems by leveraging the solar potential (5 kWh/m²/day) and wind potential (over 6 m/s) of Comoros for continuous and decarbonized energy distribution by SONELEC. Two hybrid solutions are developed in this thesis. The first, intended for a rural village, integrates wind, solar photovoltaic, and a backup diesel generator. It produces an excess of 660,087 kWh/year, representing a 74.2% energy surplus, with a cost of dollar 0.29/kWh, lower than that offered by SONELEC. Production is dominated by solar (82%), followed by wind (18%), with diesel minimized to nearly 0%, ensuring a 100% renewable share and zero gas emissions. The PV-Wind-Diesel-Battery system optimizes local resources and includes batteries to ensure stable power supply despite fluctuations. The second solution, validated at the IUT of Longwy, targets individual homes with PV/T systems for electrical energy and hot water. Combining photovoltaic panels and thermal collectors, these systems allow for dual production of electricity and heat. A hybrid PV/T collector model, designed and validated by experimental studies at LERMAB, covers 70% of hot water needs and 80% of electrical energy needs, with a total efficiency of 40%. Effective year-round, these systems remain efficient even in variable climatic conditions. This research proposes a sustainable energy policy for Comoros, aiming to reduce dependence on diesel, improve quality of life, and stimulate the local economy. It highlights the importance of financing mechanisms, training of local communities, and the integration of hybrid systems with PV/T collectors for optimal energy efficiency.