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Les travaux de recherche de la thématique OSED (Optimisation des Système Energétiques Durables) ont pour objectif l’intégration des énergies renouvelables à l’échelle d’un habitat dans un contexte d’autoconsommation ou en appui à un réseau énergétique de puissance pour en améliorer la résilience.

Un premier axe de travail vise à assurer la durabilité des sources d’énergie durable (principalement photovoltaïque) par une meilleure connaissance des différents modes de vieillissements des systèmes et de leurs effets sur la conversion énergétique.

Un second axe de travail élabore des stratégies de gestion de productions/consommations d’un bâtiment à partir de systèmes multi-sources et multi-énergies. Elles se basent sur les connaissances des contraintes intégrées aux modèles prédictifs des besoins énergétiques et des productions énergétiques localisées. Un des aspects étudiés porte sur la faiblesse des réseaux électriques ainsi que l’impact des énergies renouvelables dans le renforcement de leurs résiliences à travers notamment l’ autoconsommation individuelle ou collective. Ce travail est soutenu par une caractérisation comportementale des unités de stockage et des sources de production (photovoltaïque, éolienne, groupe électrogène, …) sous contraintes et selon différents scenarios d’usage.

La thématique OSED a été créée en 2011 en s’appuyant sur les compétences transversales de la 62ième section (Énergétique, Génie des procédés) et de la 63ième section (Génie électrique, électronique, photonique et systèmes).

Elle mène ses activités sur deux sites (IUT Créteil-Vitry et IUT Sénart-Fontainebleau) et dispose à ce jour de deux plateformes technologiques : OSED – AGING pour la caractérisation du vieillissement des systèmes à énergie durable et OSED-GRIDEV pour la conception de systèmes autonomes ou interconnectés en mini/micro réseaux.

Vieillissement des systèmes

Nous étudions le vieillissement des modules photovoltaïques (PV) à base de silicium cristallin via une approche multi-matériaux afin de déterminer les mécanismes de dégradation et proposer des solutions technologiques améliorant la durabilité de tels systèmes. Pour cela, des tests de vieillissement accéléré (exposition aux UV et chaleur humide) sont appliqués sur chacun des matériaux composant un module PV standard (verre, polymère, semi-conducteur et métal). Les propriétés fonctionnelles sont ensuite caractérisées (transmittance, rendement quantique, rendement électrique etc…). Le suivi de l’évolution dans le temps de ces propriétés permet alors de définir les lois de vieillissement.

Ces lois sont ensuite intégrées à un simulateur permettant de projeter les performances dans le temps d’une installation photovoltaïque pour des zones géographiques d’implantation ciblées. L’accent est mis sur les lois de vieillissement à considérer, les équivalences en temps ainsi que sur les conditions environnementales et d’usage. En outre, des modèles fins de dégradations sont établis pour mieux prendre en compte l’impact de certains défauts (fissuration par exemple) sur les taux de dégradation de puissance. A terme, les écarts constatés entre le modèle et les données de production permettront d’identifier les facteurs de faiblesses de l’installation et d’y pallier.

Assurer la durabilité en exploitation des systèmes photovoltaïques suppose de disposer de moyen de contrôle des dégradations induisant leur vieillissement. Dans un panneau photovoltaïque, les cellules sont protégées des agressions environnementales par une plaque de verre. Certains modes de dégradation ont des effets réversibles sur le verre (salissures, ombrages…) tandis que d’autres modes produisent des modifications irréversibles (hydratation du verre, migration ionique, érosion due aux aérosols, fissures,…). Ces effets étant quantifiables par émissivité apparente, le suivi dans le temps de cet indicateur permet à terme de décider du maintien ou du remplacement des unités de production PV sur critère de seuils.

Micro-Réseaux intelligents

Dans cet axe, il s’agit d’élaborer des systèmes intégrant les énergies renouvelables dans un contexte d’autoconsommation ou dans un contexte de substitution progressive des sources d’énergies fossiles. La qualité recherchée chez ces micro-réseaux demeure leur résilience face à l’intermittence des sources énergétiques.

L’intégration des sources d’énergies renouvelables sous forme de micro-réseaux intelligents, urbains ou ruraux incluant des unités de stockage, confèredes degrés de libertés supplémentaires aux réseaux électriques traditionnels dans une perspective de sobriété et d’efficacité énergétiques.

Néanmoins, cela induit aussi des contraintes majeures dont la maîtrise s’avère indispensable pour un meilleur déploiement des solutions technologiques envisageables dans le but de minimiser le coût global de possession.

Plusieurs paramètres déterminent l’architecture du système tant au niveau local que global. Il s’agit particulièrement de la localisation des sites de production et de consommation, du poids et de la nature des différentes demandes, des conditions climatiques, de l’échelle spatiale, du type de réseau électrique existant et des critères de distribution (priorités, corrélations production-consommation, disponibilité, …), etc.

Par contre, les études scientifiques et techniques restent très limitées sur les avantages énergétiques, sur les contraintes techniques et sur les solutions technologiques dont le déploiement à grande échelle pourrait être optimisé lorsque les réseaux électriques d’interconnexion sont suffisamment robustes et résilients.

Une étude comparative entre les structures des réseaux électriques « traditionnels » et les réseaux « électriques décentralisés » a été menée afin de définir les critères et contraintes relatifs à chaque configuration puis des stratégies d’optimisations multicritères, basées sur une grille d’analyse, ont été appliquées sous différents scenarios de production et consommation. Une méthodologie d’aide au dimensionnement des systèmes d’énergies renouvelables, associés au stockage, candidats au renforcement de la résilience des réseaux a été élaborée.

Moyens Matériels

La thématique OSED s’appuie sur deux plateformes expérimentales :

  • Plateforme OSED-AGING :

La plateforme dispose de moyens de vieillissement accéléré, de caractérisation de cellule photovoltaïques et d’un banc développé en interne pour la quantification sans contact du vieillissement des systèmes parle mesurage de leur émissivité apparente.

La plateforme comporte principalement :

  • une enceinte climatique Binder de 115 litres utilisée pour le test de vieillissement en chaleur humide (gamme en température : -40°C à 180°C, gamme en humidité : 10 à 98 HR),
  • un insolateur UV (Filtre UV : UVA ou UVA+UVB) utilisé pour le test de vieillissement UV et d’un radiomètre UV ILT 1700 pour sa calibration,
  • un simulateur solaire 1000 W utilisé pour insoler les cellules photovoltaïques dans des conditions standards et un système de mesure I-V Keithley servant à la caractérisation électrique de cellules photovoltaïques,
  • un banc de caractérisation d’émissivité apparente LWIR 20°C – 500°C permet de quantifier l’émissivité apparente d’échantillons de 4´4 cm² avec une exactitude de 0,5% et une résolution de 0,2% dans la gamme d’émissivité [0.1 – 1].
  • Plateforme OSED-GRIDEV :

La plateforme élabore des stratégies de gestion de productions/consommations d’un bâtiment à partir de systèmes multi-sources et multi-énergies. Elle est deployée sous forme de plusisuers micro-réseaux interconnectés au réseau électrique national avec une possibilité de fonction en ilôté pour l’ensemble des micro-réseaux pour par système individuel. Cela permet d’étudier différents scenarios de fonction et de tester la résilience à l’intermittence des sources mises en réseau pour satisfaire les besoins en autoconsommation ou en appui à un réseau de puissance infinie interconnecté.

La plateforme est principalement constituée

  • d’un système solaire de production d’eau chaude sanitaire intégrant des panneaux solaires thermiques (tubes à vide), des ballons de stockage d’eau chaude et d’une pompe à chaleur,
  • d’un système photovoltaïque (3kW) et d’une éolienne (3kW),
  • d’un convertisseur multifonctions associé à des batteries lithium-ion de 5kWh réalisant un système autonome intégrant les sources d’énergie renouvelable,
  • d’un système de connexion au réseau électrique ou à un groupe électrogène en télégestion SCADA (système of control and data acquisition) en interface Web.
  • de différentes sources de puissances et charges électriques programmables
  • de bancs d’entrainement machines par MicroLabBox de Dspace dediés aux simulations temps réels HIL (Hardeware In the Loop)

Membres de la Thématique OSED

  • Mahamadou ABDOU-TANKARI, Maitre de conférences, section CNU 63
  • – Fabien DELALEUX, Maitre de conférences, section CNU 62
  • – Jean-Felix DURASTANTI , Professeur des universités, section CNU 62
  • – Gilles LEFEVRE, Professeur des universités, section CNU 62
  • – Pierre-Olivier LOGERAIS, Maitre de conférences HDR, section CNU 62
  • – Olivier RIOU, Maitre de conférences hors classe, section CNU 62

La thématique OSED accueille par ailleurs régulièrement des doctorants ainsi que des professeurs invités d’universités étrangères.

OSED