Dimensionnement optimal d’un système hybride hydroélectrique-photovoltaïque-stockage pour une alimentation rurale isolée

Optimal sizing of a Hydroelectric-Photovoltaic-Storage Hybrid System for remote rural power supplying

• Auteur / Autrice : Amèdédjihundé Hypolite Jordâo Hounnou
• Direction : Didier Chamagne, Antoine Vianou, Frédéric Dubas, François-Xavier Fifatin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université d'Abomey-Calavi (Bénin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Machmoum
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Chamagne, Antoine Vianou, Frédéric Dubas, François-Xavier Fifatin, Mohamed Machmoum, Adolphe Moukengue Imano, Ayité Sénah Ajavon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adolphe Moukengue Imano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Stockage

Systèmes photovoltaïques

Énergie hydraulique

Mots clés libres

Système hybride hydroélectrique-Photovoltaïque-stockage

Equipement électromécanique

Conduite forcée

Optimisation multi-objectifs

Facteurs continentaux

Nombre d’unités de production hydroélectrique

Hydroelectric-photovoltaic-storage hybrid system

Electromechanical equipment

Penstock

Multi-objective optimization

Continental factors

Number of hydropower units

Résumé

L’accès à l’énergie électrique est indispensable au développement industriel et socio-économique dans tous les pays du monde. Au Bénin, la question du déficit en électricité demeure très préoccupante, et se pose fortement dans les zones rurales du pays. Par ailleurs, le Bénin dispose d’un potentiel intéressant en photovoltaïque (PV) et en hydroélectrique (hydro), mais qui reste globalement sous-exploité. Ce travail de thèse de doctorat porte sur le dimensionnement optimal d’un système hybride hydro-PV-stockage pour une alimentation rurale isolée. Au cours de ces travaux, nous avons modélisé les principaux composants du système hybride hydro-PV-stockage, notamment la conduite forcée, l’équipement électromécanique (la turbine et la génératrice), le générateur PV, les batteries (Bat) et les convertisseurs AC/DC et DC/DC. En effet, la modélisation et l’optimisation de la conduite forcée avec les algorithmes génétiques NSGA II ont permis de noter que le coût d’investissement de la conduite forcée (C_(inv_cond) ) croît avec sa puissance hydraulique (P_cond ). P_cond et C_(inv_cond) croissent respectivement de façon logarithmique et quadratique avec le diamètre (D_cond ). De même, la modélisation et l’optimisation de la génératrice ont montré que sa masse totale croît avec son rendement. Quant à la modélisation du coût des équipements électromécaniques, la prise en compte des facteurs continentaux a permis de mieux estimer ce coût. Le second volet de la thèse est consacré à l’optimisation de différentes configurations de sources d’énergie, notamment la centrale hydroélectrique, les systèmes PV, hydro-PV et hydro-PV-Bat. Deux fonctions objectifs ont été prises en compte : l’énergie totale produite et le coût de production. Les solutions obtenues sont présentées sous forme de front de Pareto. Le coût de production du système PV croît linéairement avec sa production totale en énergie. Pour les cas de la centrale hydroélectrique et du système hybride hydro-PV, les solutions sont regroupées en quatre catégories suivant le nombre d’unités de production hydroélectrique : {n_hyd=1,2,3,4}. Quant au cas du système hybride hydro-PV-Bat, les résultats sont regroupés en deux grandes catégories suivant le nombre de batteries : {n_Bat=64,192 }. Pour n_Bat=64, les solutions sont classées en quatre groupes selon n_hyd: {n_hyd=1,2,3 et 4}, alors que pour n_Bat=192, nous avons trois cas {n_hyd=2,3 et 4}. L’énergie totale produite et le coût de production croissent avec le débit d’équipement nominal Q_(T_n ). Spécifiquement, le compromis entre les fonctions objectifs est en faveur de l’énergie totale produite pour n_hyd=1 (cas de la centrale hydroélectrique), pour {n_hyd=1,2} (cas de hydro-PV) et pour {n_Bat=64 & n_hyd=1 à 4} et {n_Bat=192 & n_hyd=2,3} (cas de hydro-PV-Bat). Dans ces cas, on préférera augmenter l’énergie totale. En revanche, le coût de production est favorisé dans les cas de {n_hyd=2,3,4} (pour la centrale hydroélectrique), de {n_hyd=3,4} (pour hydro-PV) et de {n_Bat=192 & n_hyd=4} (pour hydro-PV-Bat). On optera alors pour la réduction du coût de production.

Access to electrical power is essential for industrial and socio-economic development in every country of the world. In Benin, the issue of the electricity shortage remains a serious concern and arises strongly in rural areas of the country. Furthermore, Benin has an interesting potential in photovoltaics (PV) and hydropower (hydro), but which remains globally under-exploited. This research focuses on Optimal sizing of a Hydroelectric-Photovoltaic-Storage Hybrid System for remote rural power supplying. During this work, we modeled the main components of the hydro-PV-storage hybrid system, such as the penstock, the electromechanical equipment (turbine and generator), the PV generator, the batteries (Bat), the inverters and the converters. Indeed, the modeling and the optimization of the penstock with the genetic algorithm NSGA II allowed to note that the investment cost of the penstock (C_(inv_cond) ) increases with its hydraulic power (P_cond ). P_cond and C_(inv_cond) increase respectively logarithmically and quadratically with the diameter (D_cond ). Likewise, the modeling and optimization of the generator have shown that its total mass increases with its efficiency. As for the modeling of the electromechanical equipment cost, the taking into account of the continental factors allowed to better estimate this cost. The second part of the thesis is devoted to the optimization of different energy sources configurations, such as the hydroelectric plant, PV system, hydro-PV hybrid system and hydro-PV-Bat hybrid system. Two objective functions have been considered: the total generated energy and the energy production cost. The solutions obtained are presented in the form of Pareto front. the energy production cost of the PV system increases linearly with its total generated energy. For the cases of the hydroelectric plant and hydro-PV hybrid system, the solutions are grouped into four categories according to the number of hydropower units: {n_hyd=1,2,3,4}. As for the case of the hydro-PV-Bat hybrid system, the solutions are grouped into two main categories according to the number of batteries: {n_Bat=64,192 }. For n_Bat=64, the solutions are classified in four groups according to n_hyd: {n_hyd=1,2,3 et 4}, whereas for n_Bat=192, we have three cases {n_hyd=2,3 et 4}. The total generated energy and the energy production cost increase with the nominal turbine flow rate Q_(T_n ). Specifically, the compromise between the objective functions is in favour of the total generated energy for n_hyd=1 (the case of the hydroelectric plant), for {n_hyd=1,2} (case of hydro-PV) and for {n_Bat=64 & n_hyd=1 à 4} and {n_Bat=192 & n_hyd=2,3} (case of hydro-PV-Bat). In these cases, it is preferable to increase the total generated energy. On the other hand, the energy production cost is favored in the case of {n_hyd=2,3,4} (for the hydroelectric plant), {n_hyd=3,4} (for hydro-PV) and {n_Bat=192 & n_hyd=4} (for hydro-PV-Bat). Then we will opt for the reduction of the energy production cost.