Fiche de révision : Gestion de l’énergie multi-sources

📋 Plan du Cours

1. Ressources fossiles et climat
2. Développement des énergies renouvelables
3. Variabilité et intégration au réseau
4. Stockage et nouvelles technologies
5. Applications stationnaires et embarquées
6. Systèmes hybrides multi-sources
7. Architectures des systèmes hybrides
8. Ressource solaire et cellule photovoltaïque
9. Modélisation et performances photovoltaïques
10. Assemblage et commande des modules PV

📖 1. Ressources fossiles et climat

★ À maîtriser

• Les durées d’exploitation estimées sont (compagnie BP, Juin 2024):
  • 51 ans pour le pétrole
  • 53 ans pour le gaz naturel
  • 114 ans pour le charbon

Compléments

• Les émissions mondiales de gaz à effet de serre atteignaient 49,4 milliards de tonnes équivalent CO₂ en 2016 selon Our World in Data.

💡 Astuce mémo

Épuisement des fossiles → émissions → réchauffement climatique

📖 2. Développement des énergies renouvelables

📝 Points essentiels

📌 La France vise 40 % d’énergies renouvelables dans son mix énergétique en 2030, contre 20 % actuellement.

• Les capacités mondiales installées en 2024 sont (compagnie BP, Juin 2025):
  • 1134,76 GW pour l’éolien
  • une hausse de 11,3 % pour l’éolien
  • 1865,49 GW pour le photovoltaïque
  • une hausse de 32 % pour le photovoltaïque

💡 Astuce mémo

EnR locales et bas-carbone, fossiles importés et épuisables

📖 3. Variabilité et intégration au réseau

🔑 Notions clés & Définitions

• Intermittence des EnR : Variations et périodes d’indisponibilité, souvent imprévisibles

★ À maîtriser

📌 L’intégration des énergies renouvelables peut provoquer des fluctuations de tension et des instabilités du réseau électrique.

Compléments

• 🔄 La gestion de l’intermittence repose sur:
  1. la flexibilité de la demande
  2. la prévision de la production
  3. la gestion des variations

💡 Astuce mémo

Intermittence → fluctuations → besoin de flexibilité et de stockage

📖 4. Stockage et nouvelles technologies

🔑 Notions clés & Définitions

• Volant d’inertie : Système rotatif de stockage mécanique à petite échelle qui stocke et restitue de l’énergie cinétique

📝 Points essentiels

📌 Le stockage de l’énergie permet d’équilibrer l’offre et la demande et facilite l’intégration des énergies renouvelables intermittentes.

• Les solutions de stockage présentées comprennent:
  • les batteries
  • l’hydrogène
  • les volants d’inertie
  • les supercondensateurs
  • les inductances supraconductrices

📖 5. Applications stationnaires et embarquées

📝 Points essentiels

• L’exemple embarqué associe: deux éoliennes à axe vertical de 1 kW chacune, 202 m² de panneaux solaires fournissant 34 kWp, deux moteurs réversibles de 41 kW, une batterie lithium-ion de 106 kWh, des réservoirs d’hydrogène de 62 kg à 365 bars, une pile à combustible PEM de 22 kW

📖 6. Systèmes hybrides multi-sources

🔑 Notions clés & Définitions

• Système hybride : Système électrique comprenant plus d’une source d’énergie, dont au moins une est renouvelable, et pouvant intégrer un dispositif de stockage

★ À maîtriser

📌 Les systèmes hybrides sont souvent autonomes dans les régions isolées et cherchent à maximiser la production issue des sources renouvelables.

Compléments

📌 Les avantages des systèmes hybrides incluent le lissage de la production, l’augmentation de la fiabilité, la diversité de l’approvisionnement et la réduction des coûts, tandis que leurs inconvénients sont la complexité, la difficulté d’optimisation et l’augmentation de la maintenance.

📖 7. Architectures des systèmes hybrides

🔑 Notions clés & Définitions

• Architecture série : Dans une architecture série à bus continu, toutes les sources sont reliées à un bus DC, les sources AC passent par des convertisseurs AC/DC et la charge est alimentée par un convertisseur DC/AC
• Architecture parallèle : Les sources continues sont connectées à un bus CC et l’éolienne, le groupe diesel et la charge sont connectés à un bus CA relié au bus CC par des convertisseurs de puissance

📝 Points essentiels

📌 L’architecture série offre une commande plus simple mais présente un rendement global plus faible, tandis que l’architecture parallèle offre un meilleur rendement et une continuité supérieure en cas de panne d’un convertisseur.

💡 Astuce mémo

Série : bus unique ; parallèle : bus CC et bus CA

📖 8. Ressource solaire et cellule photovoltaïque

🔑 Notions clés & Définitions

• Irradiance : Puissance solaire reçue par un capteur plan, exprimée en W/m²
• Cellule photovoltaïque : Associe deux semi-conducteurs dopés différemment, de type N et de type P, et génère un courant électrique lorsqu’elle reçoit un rayonnement solaire

📝 Points essentiels

• L’irradiance solaire hors atmosphère vaut 1367 W/m², tandis que le flux énergétique reçu au niveau du sol ne dépasse pas 1000 W/m².

💡 Astuce mémo

Une cellule PV comme une diode éclairée produisant un courant

📖 9. Modélisation et performances photovoltaïques

★ À maîtriser

📐 Formule - Le modèle idéal d’une cellule photovoltaïque vérifie $I = I_{ph} - I_s\left(e^{\frac{qV}{kT}} - 1\right)$.

📐 Formule - Le modèle à une diode d’une cellule PV réelle vérifie $I = I_{PV} - I_0\left(e^{\frac{q(V+IR_s)}{nkT}} - 1\right) - \frac{V+IR_s}{R_{sh}}$.

📌 Le courant de court-circuit augmente avec l’éclairement et avec la température, avec une variation de 0,04 %/K, tandis que la tension à vide décroît avec la température de 0,4 %/K.

Compléments

📌 Aux conditions STC, le modèle photovoltaïque est défini pour un éclairement de 1000 W/m², une température de 25 °C et une masse d’air de 1,5.

• Pour une cellule en silicium monocristallin de 10 cm × 10 cm, la puissance crête est de l’ordre du watt, avec environ 0,5 V et 3 A, soit 1,5 W.

💡 Astuce mémo

Éclairement et température → courant, tension et puissance

📖 10. Assemblage et commande des modules PV

🔑 Notions clés & Définitions

• MPPT : Algorithme qui ajuste dynamiquement le rapport cyclique d’un convertisseur DC-DC afin de maintenir le générateur photovoltaïque autour de son point de puissance maximale

★ À maîtriser

📌 Dans une mise en série, les cellules sont parcourues par le même courant et les tensions s’additionnent.

📌 Dans une mise en parallèle, les groupements de cellules sont soumis à la même tension et les courants s’additionnent.

Compléments

• Une diode bypass est prévue environ pour 18 à 24 cellules afin de protéger les cellules en cas de fonctionnement défavorable.

• Les algorithmes MPPT cités sont:

  • Perturb and Observe
  • Incremental Conductance
  • Fuzzy Logic ou intelligence artificielle

💡 Astuce mémo

Cellules → modules → convertisseur DC-DC → MPPT

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des architectures hybrides