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Outil de prévision de production solaire pour la modélisation et l’optimisation système d’un micro-réseau isolé de cogénération intelligente d’électricité et de froid en

ABG-81108 Sujet de Thèse
09/11/2018 < 25 K€ brut annuel
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Université de la Polynésie française
Punaauia - Territoires d'Outre-Mer - France
Outil de prévision de production solaire pour la modélisation et l’optimisation système d’un micro-réseau isolé de cogénération intelligente d’électricité et de froid en
  • Physique
  • Science de la donnée (stockage, sécurité, mesure, analyse)
  • Terre, univers, espace
prévision météorologiqe - méthodes statistiques non linéaires - analyse d'images

Description

2-1 Résumé du projet de recherche

Les micro-réseaux électriques constituent une solution pertinente au développement des énergies renouvelables intermittentes. Les performances d’un micro-réseau reposent sur la diversité des sources d’énergie et l'intégration de dispositifs de stockage d’énergie (électriques et thermiques), mais également sur la prévisibilité de la production des sources intermittentes et des profils de consommation en vue d’optimiser l’interopérabilité des différents composants et de favoriser l’autoconsommation. Parmi toutes les formes de stockage, les procédés thermochimiques et les piles à combustible couplées à un stockage d'hydrogène constituent des solutions innovantes et prometteuses.

Le laboratoire GEPASUD de l’Université de la Polynésie française, le laboratoire FEMTO-ST/FCLAB de l’Université Bourgogne Franche-Comté et l’institut PROMES (UPR CNRS 8521) mènent actuellement un projet (financement ANR) qui porte sur l'intégration et le couplage de ces deux technologies de stockage dans un micro-réseau intelligent alimenté par de l’énergie solaire et destiné aux secteurs du bâtiment et de l’industrie. L’étude devra déboucher (fin 2022) sur la réalisation d’un prototype prévu pour fonctionner découplé du réseau et en région tropicale (Polynésie française en l’occurrence).

L’objet de la thèse est de réaliser un outil de prévision à la fois de la production d’énergie solaire (et éolienne éventuellement) et de la consommation électrique (incluant la production de froid) à des échéances comprises entre 10 minutes et quelques jours. L’outil doit servir d’aide à la décision pour la gestion des différents éléments du micro-réseau. Cette thèse est couplée à deux autres thèses portant sur le développement et l'intégration optimale des deux systèmes de stockage/production d'électricité/froid, par vecteur hydrogène-énergie et par procédé thermochimique

Ce travail de thèse est financé à part égale entre le département Energie du laboratoire FEMTO-ST (UMR CNRS 6174) / FCLAB (FR CNRS 3539) de l’Université Bourgogne Franche-Comté, localisé à Belfort, et l’Ecole Doctorale du Pacifique.

2-2. Contexte général du projet

Les micro-réseaux électriques constituent une solution pertinente au développement des énergies renouvelables intermittentes, particulièrement en Polynésie française. La gestion des pointes de production et des pointes de demande restent une problématique qui limite la pénétration des énergies renouvelables intermittentes dans les réseaux électriques. Cette problématique est cruciale notamment pour les réseaux non interconnectés ou insulaires car elle conditionne leur stabilité. Plusieurs solutions techniques peuvent être envisagées. Elles reposent principalement sur la prévisibilité des ressources intermittentes et des profils de consommation et sur l'intégration de dispositifs de stockage d’énergie (électriques et thermiques) mais aussi sur l’optimisation de l’interopérabilité des différents composants du micro-réseau en vue de favoriser l’autoconsommation.

Les procédés de stockage thermochimique et les piles à combustible couplées à un stockage d'hydrogène constituent des solutions innovantes et prometteuses. Les procédés thermochimiques basés sur des réactions chimiques solide/gaz renversables sont particulièrement pertinents pour le stockage/production de froid, de par leur forte densité énergétique effective jusqu’à 100 kWh de froid/m3. Le stockage électrique sous forme d'hydrogène est aussi très compétitif (30kWhe/kg H2) en regard des technologies classiques électrochimiques. Le cœur de ce sujet est l'étude de l'intégration de ces deux technologies de stockage de forte densité énergétique dans un micro-réseau intelligent destiné au secteur du bâtiment et de l’industrie. La démarche scientifique vise la modélisation systémique puis l'optimisation globale système des performances de ce type de micro réseau en termes d'autonomie, de fourniture et d’efficacité énergétique.

Le micro-réseau étudié dans cette thèse est organisé selon 4 sous-systèmes:

  • un sous-système de production d'électricité ENR qui peut être directement consommée pour satisfaire la demande (froid produit par une pompe à chaleur, éclairage, force motrice,…) et/ou stockée sous forme thermochimique pour une restitution ultérieure sous forme d'électricité ou de froid,
  • un système de stockage d'électricité constitué à base d’une « batterie à hydrogène » : un électrolyseur, un stockage H2 et une pile à combustible de technologie HT-PEM (fonctionnant à 120°C, mais à membrane électrolytique), le tout associé à un accumulateur électrochimique. Ce sous-système permet tout à la fois un stockage de l’électricité, mais aussi un découplage physique entre puissance et énergie demandées,
  • un sous-système thermochimique de stockage et de production différée de froid, constitué d'un réacteur thermochimique qui peut être régénéré pendant la phase de stockage soit  par une régénération mécaniquement (via un compresseur électrique,) soit thermiquement par une régénération thermique en valorisant l'énergie thermique libérée à 120°C par la pile à combustible lors de son fonctionnement (environ 50% de l’énergie produite l’est sous forme thermique).
  • un système de prévision à court terme de la ressource ENR (solaire, éolien) par analyse d’images satellites, de modèles statistiques et de sortie de modèles à maille fine pour piloter la stratégie de gestion de ce micro-réseau en fonction de la demande énergétique.
  • un système de prévision de la demande énergétique (électricité et froid)) par analyse de données expérimentales obtenues pour différents types de bâtiments de Polynésie française.

 

L’objectif principal de la thèse concerne plus particulièrement ces deux derniers points, c’est-à-dire la réalisation d’un outil de prévision de la production solaire à très court terme en contexte insulaire et tropical qui tient compte de la prévision de consommation. Les outils de prévision à très court terme utilisent généralement plusieurs techniques telles que les méthodes statistiques, linéaires ou non, les images satellites ou issues de caméras au sol et sur les modèles numériques. La situation particulière de Tahiti, insulaire et très éloignée des continents et son climat tropical et océanique font qu’il est impératif de réfléchir à un outil original et propre à la Polynésie française. Le doctorant pourra s’inspirer de travaux réalisés dans des contextes similaires (île de La Réunion par exemple).

Le travail de thèse sera mené conjointement entre le département Energie du laboratoire FEMTO-ST (UMR CNRS 6174) / FCLAB (FR CNRS 3539) de l’Université Bourgogne Franche-Comté, localisé à Belfort, et le laboratoire GEPASUD de l’Université de la Polynésie Française à Papeete.

Compte-tenu de ce contexte de recherche interdisciplinaire et inter-laboratoires, l’étudiant(e) recruté(e) effectuera son travail en partie à Belfort et à Tahiti.

2-3. Programme de la thèse

         La thèse proposée a pour objectif principal la réalisation d’un outil de prévision de la production d’énergie solaire à différentes échéances en tenant compte de la dynamique des différentes briques énergétiques du système complet multiphysique. Pour cela, le travail de thèse se déroulera en quatre étapes :

1)    Etat de l'art, verrous scientifiques

- Etat de l’art sur la prévision à court et à très court terme de la ressource ENR (solaire, éolien éventuellement)

- Etat de l’art sur les méthodes et modèles de prévision de la consommation énergétique des bâtiments

- Etat de l’art sur les formalismes de représentation des systèmes multiphysiques

2) Développement d’un système de prévision ENR à court terme

- Sur la base de travaux pré-existant, un algorithme de prévision ENR à court et très court terme sera développé. Il sera validé sur la base de données expérimentale préexistante dans les laboratoires partenaires du sujet.

3) Développement d’un système de prévision de la consommation énergétique des bâtiments

- Egalement sur la base de travaux pré-existant, un algorithme de prévision de la consommation d’électricité incluant la production de froid (climatisation et conservation alimentaire) sera développé. Il sera validé sur une base de données expérimentale existante et à compléter des bâtiments de Polynésie française.

4) Développement d’un modèle de simulation et optimisation des performances du système complet

- En s’appuyant sur la causalité physique (que nous rechercherons dans les modèles des briques unitaires), un modèle de simulation du système complet sera développé conjointement avec les deux autres thèses portant sur les deux éléments majeurs du système complet.

- Des algorithmes stochastiques seront utilisés pour proposer une architecture optimisée du micro-réseau complet, en regard d’un cycle d’usage donné (thermique et électrique) et en recherchant une maximisation de l’autonomie et de l’efficacité énergétique.

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Présentation établissement et labo d'accueil

Université de la Polynésie française

GEPASUD est une Equipe d'Accueil dans laquelle plusieurs sous-équipes travaillent sur des thématiques ayant traits à l'informatique, aux géosciences et à l'énergie.

12 enseignants-chercheurs

5 doctorants

4 techniciens

Site web :

Intitulé du doctorat

Doctorat en sciences du climat

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

Université de la Polynésie française

Ecole doctorale

du Pacifique

Thèse en cotutelle

Oui

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat1

Cf ABG

Etablissement délivrant le doctorat2

Etablissement non listé

Non

Profil du candidat

Le candidat doit posséder des compétences en matières de :

- physique de l'atmosphère - météorologie - climat

- méthodes numériques statistiques non linéaires

- programmation numérique

Date limite de candidature

31/01/2019
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