METEOROLOGY APPLIED TO ENERGY SYSTEMS
METEOROLOGIE APPLIQUEE AUX SYSTEMES ENERGETIQUES
Résumé
Mes activités de recherche et d’enseignement au sein du laboratoire de Physique et Ingénierie Mathématique pour l’Énergie le bâtiment et l’environnemeNT (PIMENT), de l’École Supérieure d’Ingénieurs Réunion Océan Indien, de l’IUT de Saint-Pierre et de l’UFR Sciences de l’Homme et de l’Environnement de l’Université de La Réunion contribuent au développement de l’analyse météorologique appliquée aux systèmes énergétiques. En effet, la très grande majorité des systèmes énergétiques sont en interaction directe avec leur environnement climatique. Leurs performances sont donc intimement liées à cette interaction. Dans le contexte actuel, l’analyse des conditions météorologiques est ainsi essentielle pour réduire les consommations d’énergie produites à partir de ressources fossiles. Pour répondre à cet enjeu majeur de notre société, il faut agir autant sur les systèmes consommateurs d’énergie que sur les systèmes producteurs d’énergie. Mes travaux de recherche sont actuellement structurés selon ces deux axes.Le premier axe sera abordé à travers le bâtiment qui est actuellement un des tous premiers consommateurs d’énergie. Il intègre de nombreux éléments tels que les composants de l’enveloppe, les systèmes de traitement d’air, l’éclairage, l’électroménager, etc. A ce titre, il correspond à un système énergétique complexe dont les performances sont fortement liées aux conditions climatiques dans lesquelles il évolue. La conception bioclimatique et le confort thermique illustrent parfaitement cet aspect. La consommation des bâtiments doit être réduite par des moyes passifs (protections solaires, ventilation naturelle traversante, isolation, etc.) et par des systèmes énergétique plus efficaces. On s’oriente de plus en plus vers des bâtiments et des espaces bâtis plus larges (quartiers, villes) à énergie positive. Pour ces constructions, la faible consommation est compensée par le recours à des énergies renouvelables intégrées au bâti. La modélisation et la simulation numérique du système complexe « bâtiment » sont largement traitées par des codes de calcul développés par des laboratoires de recherche et utilisés en ingénierie. Ces codes de calcul sont de plus en plus performants et la qualité des résultats dépend aujourd’hui de la qualité des données que l’on utilise en entrée. Pour pouvoir évaluer la consommation énergétique des bâtiments, il est donc important de disposer de données météorologiques de qualité et adaptées aux codes de calcul qui les utiliseront. D’une part, ces données météorologiques doivent permettre d’estimer le confort thermique des usagers afin de vérifier la capacité des bâtiments à fonctionner de manière passive. D’autre part, elles doivent répondre aux besoins de dimensionnement des systèmes énergétiques et à évaluation de leurs consommations. Une méthode de génération de données climatiques type pour la simulation des systèmes énergétique dite « Typical Meteorological Year (TMY) » développée pour répondre au contexte particulier de l’île de La Réunion sera présentée dans une première partie.Le deuxième axe sera traité à travers la problématique d’intégration des énergies renouvelables intermittentes à l’intérieur d’un réseau insulaire. En effet, les systèmes de production d’électricité utilisant les ressources du soleil, du vent et de la houle suivent les variations spatiales et temporelles de ces paramètres météorologiques. C’est leur caractère intermittent. Ces ressources sont abondantes à l’île de La Réunion et elles offrent une alternative intéressante aux énergies provenant de ressources fossiles. Malheureusement leur disponibilité n’est que très peu corrélée à la consommation énergétique. L’intermittence de ces énergies renouvelables pose de nouveaux challenges pour réaliser leur insertion massive au sein de réseaux insulaires ne bénéficiant pas d’interconnexion avec des réseaux continentaux. Pour répondre à cette problématique, deux approches complémentaires sont proposées : la prévision de la ressource et le stockage de l’énergie. Mes travaux de recherche se sont donc naturellement orientés vers l’application de l’analyse météorologique appliquée à la prévision et au stockage. Ces deux approches seront illustrées par la prévision du rayonnement solaire et par le stockage d’énergie couplé aux énergies renouvelables intermittentes.En considérant le fort potentiel solaire et sa maturité, la technologie PV est aujourd’hui la technologie la plus intéressante et aussi la plus développée à La Réunion. La puissance installée représente actuellement 30% de la puissance totale de production électrique de l’île. L’intégration massive de cette technologie, que ce soit à l’échelle du bâtiment ou à l’échelle d’une centrale de production, représente donc déjà un problème pour le gestionnaire du réseau électrique. La production PV a besoin d’être anticipée à plusieurs échelles de temps pour, d’une part répondre au besoin de la consommation électrique et d’autre part, pour adapter le fonctionnement des systèmes de production conventionnels. La prévision répond en partie à ces enjeux mais le besoin en stockage est nécessaire. En effet, il permet de lisser les variations brutales de la production PV et il compense les erreurs inhérentes à la prévision. Je présenterai dans le seconde partie du mémoire les méthodes que nous avons développées pour générer des prévisions du rayonnement solaire adaptées aux horizons de prévision utiles pour les acteurs de l’énergie. Enfin, dans la troisième partie, je présenterai l’étude de faisabilité technico-économique d’un stockage d’énergie couplé à une ferme PV et l’influence de la qualité de la prévision du rayonnement solaire sur la rentabilité du système de stockage.Pour atteindre l’objectif d’autonomie énergétique que s’est fixée l’île de La Réunion pour 2030, il est nécessaire de produire l’intégralité des besoins à partir des ressources renouvelables disponibles localement. Cet objectif n’est atteignable qu’en mettant en adéquation parfaite les systèmes de production et de consommation d’énergie en utilisant si besoin du stockage. Les ressources renouvelables mais aussi les consommations liées au confort, notamment dans l’habitat, découlent de l’environnement climatique. L’étape suivante est donc de réaliser une approche qui propose l’analyse météorologique appliquée au couplage entre les systèmes consommateurs et producteurs d’énergie. Cette approche constitue la ligne directrice des mes perspectives et sera présentée en dernière partie. Ce document présente la synthèse de mes activités de recherche, de valorisation, de formation et d'animation dans le cadre du développement de l’analyse climatique appliquée aux systèmes énergétiques. Le contexte particulier d’une région insulaire en climat tropical humide est le support d’application de ce concept.
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