Développement de méthodologies génériques pour la conception optimale et durable des parcs hybrides d'énergies renouvelables

Development of generic methodologies for sustainable and optimal design of hybrid renewable energy systems

• Auteur / Autrice : Anastasia Roth
• Direction : Vincent Gerbaud, Marianne Boix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 10/05/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Gourdon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Gerbaud, Marianne Boix, Christophe Gourdon, Delphine Riu, Olivier Barreteau, Didier Aussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Riu, Olivier Barreteau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Ingénierie dirigée par les modèles

Systèmes complexes

Mots clés libres

Ingénierie dirigées par les modèles

Systèmes complexes

Optimisation

Systèmes hybrides d’énergies renouvelables

Model driven engineering

Complex systems

Optimization

Hybrid Renewable Energy Systems

Résumé

Les enjeux planétaires du développement durable et du réchauffement climatique remettent en cause le fonctionnement de nos sociétés. La transition énergétique se traduit notamment par l’augmentation de l’utilisation des énergies renouvelables et constitue ainsi le contexte de nos travaux. Dans le cadre d’un contrat CIFRE avec l’entreprise VALOREM, nous proposons des méthodologies pour le développement et la conception d’installations renouvelables soutenables. L’approche d’Ingénierie Des Modèles mise en place nous permet de garder une démarche scientifique cohérente entre une vue très générale du contexte d’insertion des renouvelables et une vision plus technique et opérationnelle pour le développement d’installations renouvelables. Dans un premier temps, nous avons décrit de manière macroscopique le contexte d’insertion des énergies renouvelables en France, en proposant un cadre conceptuel pour le développement de projet d’aménagement du territoire. Il permet l’analyse des systèmes sociotechniques en transition grâce à une formalisation UML2 d’une part, et une méthode d’évaluation de la durabilité d’un processus d’autre part. Nous avons illustré ce cadre sur deux cas d’étude : le succès du développement de la centrale hydro-éolienne de l’île d’El Hierro dans les Canaries et l’échec du barrage de Sivens dans le Tarn en France. Par comparaison, nous montrons que l’implication des parties prenantes sur l’ensemble du processus de développement est cruciale pour le succès d’un projet. Nous avons ensuite proposé une implémentation logicielle permettant le suivi et le pilotage de projet d’aménagement du territoire en temps réel à l’aide d’outils d’intelligence artificielle. Conscient des limites opérationnelles de notre proposition, nous avons décidé de changer de point de vue pour adopter une vision plus technique sur les énergies renouvelables. La transition énergétique fait évoluer le système électrique français d’un modèle centralisé vers un modèle décentralisé, ce qui amène VALOREM à reconsidérer ses propositions techniques de production d’énergies renouvelables. Entre autre, l’entreprise tend vers l’hybridation de ses centrales et constate le besoin d’un outil de dimensionnement en phase d’avant-projet, afin d’identifier les opportunités d’activités. Nous faisons donc la proposition d’un prototype logiciel qui se veut flexible en termes de modélisation des centrales de production hybrides renouvelables et en termes de définition des objectifs et contraintes à satisfaire. Il est codé en C++ et basé sur des modèles d’optimisation linéaires. Nous illustrons son opérationnalité sur quatre cas d’étude : deux orientés marché électrique et deux en autoconsommation (l’un isolé, l’autre connecté au réseau). Les résultats des études montrent que les coûts de stockage batterie sont trop élevés pour pouvoir envisager l’installation de batteries dans les centrales hybrides renouvelables. Les systèmes en autoconsommation connectés au réseau semblent être plus prometteurs. Enfin, nous terminons par une analyse environnementale de différentes sources de production électrique afin de déterminer celles vers lesquelles la transition énergétique doit être axée. Les résultats montrent que la biomasse, l’éolien et le PV au sol sont les moyens de production les plus propres. La conclusion de la thèse propose une réflexion ascendante en complexité vers l’implication des acteurs dans les modèles de processus de développement territoriaux.

Sustainable growth issues and climate change imply to shift our society organisation towards new paradigms. In the energy sector, it is illustrated by an energy transition via renewables. Within this context and the support of the company VALOREM, we propose a methodology for the sustainable development and design of renewable infrastructures. By using a Model Driven Engineering approach, we were able to adopt several viewpoints on renewable energy issues, while keeping a consistent scientific approach. First of all, from a holistic stance, we developed a conceptual framework for land settlement development process. Thanks to its modelling with UML2 and a methodology to assess the sustainability of processes, it can be used to analyse the trajectory of sociotechnical systems. The framework was tested on two case studies: the success of El Hierro hydrowind power plant implementation in Canary Islands and the failure of the Sivens dam project in the south of France. Their comparison shows that implication of stakeholders at all stages of the development process is crucial for the success of the project. We further propose to implement the conceptual framework as a software tool for the monitoring of land settlement project in real time, with the help of artificial intelligence concepts. However, this proposition was deemed not in line with Valorem’s priorities and we decided to focus on a technical instantiation of the framework for Hybride Renewable Energy Systems (HRES), which design and operation are part of VALOREM’s activity. As, the energy transition implies to change the electrical system model from a centralized to a decentralized one, there exists a need for a grassroots sizing tool for identifying new HRES opportunities. A software prototype for the grassroot optimal design of HRES was developed, offering flexibility in terms of modelling, setting constraints and defining objective functions. It is coded in C++ and based on linear programming model. We showed its relevance on four HRES case studies: two related to electricity market and two for self-supply of energy (one isolated and the other grid-connected). The results show that battery costs are too high to be profitable in HRES and that grid-connected systems seems to be a good alternative. Finally, we carried out an environmental impact assessment of several sources of electricity production to find out which are the “cleaner” ones. The results show that biomass, wind turbines and ground PV are those that should be considered for a sustainable energy transition. In the conclusion, we step back to a more complex viewpoint and develop perspectives to model human interactions within territory development process.