Soutenance de thèse de Tina LE MAO

M. Philippe LADOUX Professeur des Universités   INP TOULOUSE - ENSEEIHT  Rapporteur
M. Stéphane LEFEBVRE Professeur des Universités    CNAM - PARIS  Rapporteur
M. Nouredine HADJ-SAID Professeur des Universités   GRENOBLE INP  Examinateur
M. Christian SCHAEFFER Professeur des Universités   GRENOBLE INP  Directeur de thèse

RÉSUMÉ
 
Pour lutter contre le réchauffement climatique, une réduction des émissions CO2 s’impose. Dans l’industrie de l’énergie, cela implique notamment l’intégration massive d’Energies Renouvelables (EnR) à faible empreinte carbone, tout en maintenant les niveaux de qualité d’approvisionnement et de sécurité. Néanmoins, ces EnR, par leur intermittence ou leur caractère aléatoire, peuvent fragiliser le réseau voire conduire au black-out. Dans les milieux insulaires, ces phénomènes sont exacerbés, du fait de la vulnérabilité du système électrique.
Le  stockage,  véritable  outil  de  flexibilité,  constitue  une  des  solutions  pour  éviter  ces  risques.  Aujourd’hui,  la  Station  de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) est la technologie la plus déployée dans le monde, du fait de son efficacité et sa durabilité. Mais de tels ouvrages hydrauliques sont souvent incompatibles avec les contraintes foncières et environnementales des îles.
Pour pallier cette difficulté, une solution innovante est proposée, réutilisant ce procédé fiable, mais à petite échelle (<1MW) et hors cours d’eau. Couplée à un système PV, l’ensemble fournit une électricité peu carbonée et renouvelable, dont l’injection est maitrisée. Peu étudiée, la difficulté majeure est de rendre viable économiquement cette micro-STEP solaire malgré ses dimensions réduites.
Pour une île donnée, la Corse, une identification des besoins énergétiques et cadres règlementaires existants a permis de cibler deux applications pertinentes et valorisables: l’autoconsommation et l’injection sur le réseau avec puissance garantie à la pointe.
Le premier axe de développement a alors consisté à spécifier les équipements d’un tel système au regard du marché actuel, de manière à réduire les coûts, améliorer sa fiabilité et à simplifier les procédures de mise en œuvre.
Afin de prévoir les performances technico-économiques de la solution, un outil de modélisation énergétique du système hybride a  été  créé.  Aussi,  différentes  configurations  de  pompage  et  turbinage  ont  pu  être  modélisées  (vitesse  variable,  pompage réversible, montage de pompes en série…). Des stratégies de pilotage des flux énergétiques, visant à améliorer l’efficacité du système, ont alors été développées et implémentées dans le modèle pour chaque application.
Des expérimentations menées sur un banc d’essais de micro-STEP solaire de 15kW, sur la plateforme technologique Paglia Orba, à Ajaccio ont permis d’améliorer et valider les modèles.
Enfin, des algorithmes de dimensionnement ont été mis en œuvre, via la formulation de problèmes d’optimisation multiobjectifs : pour un niveau de service souhaité, les dimensions de la micro-STEP solaire offrant les meilleures performances économiques sont ainsi déterminées.
En conclusion, ce travail a permis d’améliorer et de quantifier les performances techniques environnementales et économiques d’une micro-STEP solaire. La pertinence de la solution a été démontrée en Corse, où elle offre une électricité maîtrisée, moins onéreuse et quatre fois moins émettrice de CO2 que les centrales thermiques.
 
 
ABSTRACT
 
To reach climate neutrality, a major effort must be made in the energy industry. It involves massively integrating low-carbon and Renewable Energies (RE), while maintaining quality of supply and safety level. Nevertheless, intermittent nature of RE can weaken the network and lead to a blackout. To deal with this issue and to facilitate RE integration, storage has been developing for several years as a flexibility tool.
Today, pumped hydroelectric energy storage (PHES) is the world’s most widely deployed technology in the world. In island  environments, storage is crucial due to the vulnerability of  the electricity  system.  But  such hydraulic structures are often incompatible with land and environmental constraints of islands.
To overcome this difficulty, a small-scale solution with a closed-loop circuit is proposed, reusing the robust and efficient
process of PHES. Coupled with a solar power plant, the whole solution provides low carbon and renewable electricity, while balancing supply and demand and improving energy security. The major difficulty of this innovative solution is to be able to be economically competitive in such dimensions. Therefore, research work has been led to optimize the solution and study its technical and economic feasibility.
Regarding Corsica island, energy needs and regulatory frameworks about storage have been identified. Then, the scope of the research has been determined while two relevant and valuable applications have been targeted in this context: selfconsumption and guaranteed power on grid. Secondly,  equipment  of  a  solar  PHES  have  been  specified  to  reduce  its  costs,  improve  its  reliability,  and  simplify  its implementation.
Its technical and economic performance have been predicted thanks an energy modeling tool. Different pumping configurations have been modeled too: variable speed, reversible pumping, pumps in series or in parallel, etc. Energy management strategies have  been  developed  for  each  application,  to  improve  the  efficiency  of  the  system.  Experiments  on  a 15kW  solar  PHES experimental bench located in Ajaccio (Corsica) have improved and validated models.  
Finally, multi-objective algorithms for solar PHES optimal sizing were implemented. By setting a level of energy service,
dimensions of the solar PHES are determined, fitting the most competitive solution.
In conclusion, this work has improved and quantify the technical, environmental, and economic performance of a solar micro PHES. The relevance of the solution has been demonstrated in Corsica since it generates dispatchable power in a less expensive and less CO2 emitting way than thermal power stations.