République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'Enseignement

Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Mohamed BOUDIAF-M’sila

BOUDIAF

Faculté de Technologie

Département de Génie Electrique

Polycopie de Cours

Spécialité : Master

Energie renouvelable

Intitulé :

Systèmes multi sources à énergies renouvelables

Par le Docteur : Riyadh ROUABHI

M’sila 2021
 Auteur

Dr: ROUABHI Riyadh

riyadh.rouabhi@univ-msila.dz
riyadhrouabhi@gmail.com
riyadhrouabhi@yahoo.fr
Faculté/Institut : Faculté de Technologie
Département : Génie Electrique
Etablissement : Université Mohamed BOUDIAF de M'sila – Algérie

Intitulé de la matière : Systèmes multi sources à énergies renouvelables Semestre : 5

Unité d’Enseignement Fondamentale Code: UEf2.1.2
Nombre d’heures d’enseignement Cours : 1,5 H TD : 1,5 H TP : ----
Nombre d’heures de travail personnel pour l’étudiant : 3,00
Nombre de crédits : 4 Coefficient de la Matière : 2

Description du cours

La consommation et le besoin d’énergie électrique sont en nette croissance dans le

monde, l’épuisement progressif des ressources fossiles (pétrole, gaz, charbon…)
caractérisées par des émissions du gaz carbonique produit lors de leurs combustions d’une
part, et le risque des centrales nucléaires (les radiations d’uranium) avec une production de
déchets radioactifs difficiles à traiter d’autre part, sont des problèmes bien réels qui ont
poussés les chercheurs à développer d’autres sources d’énergies durables et plus
respectueuses de l’environnement. Ces moyens de substitutions dont on parle, sont bien sûr
les « énergies renouvelables(ER) ».
Plusieurs pays se tournent de plus en plus vers l’utilisation de sources d’énergies
propres et renouvelables, non pour le remplacement des ressources conventionnelles, mais
comme énergie complémentaire aux énergies traditionnelles.
Les énergies renouvelables, en pleine expansion, sont l’un des éléments clés du
développement soutenable d’aujourd’hui. Ils offrent la possibilité de produire de l’électricité
propre. Parmi les énergies renouvelables, on compte principalement les énergies :
hydraulique, solaire thermique, photovoltaïque, éolienne, ainsi que la biomasse et la
géothermie.
Afin de résoudre le problème des sources d’énergie renouvelables (la puissance
obtenue à partir de ces sources est variable, elle est tributaire aux conditions climatiques), un
couplage entre les différentes sources d'approvisionnement pour former un système dit
système d’énergie hybride.
Un Système d'Energie Hybride (SEH) est une installation qui associe différentes
technologies de la génération d’énergies électriques : sources renouvelables, sources
conventionnelles, dans le but de réunir les avantages de chaque système et offrir un
rendement énergétique global plus élevé. Par exemple, les sources d’ER, comme le
photovoltaïque et l’éolienne ne délivrent pas une puissance constante à cause de leurs natures
aléatoires. Cependant l’association de ces dernières avec d’autres sources permet d’obtenir
une production électrique continue.
Le but de l'enseignement de Systèmes multi sources à énergies renouvelables est l'étude
d'une manière générale de différentes configurations et architectures de ces systèmes électriques et
leurs sources d'énergie composites de ses systèmes. Ensuite, nous présentons d'une façon plus détaillée
les principaux composants de notre système hybride constitué par les éléments : photovoltaïque-éolien-
pile à combustible-électrolyseur avec le système de stockage.

Le premier chapitre est consacré aux généralités sur les sources d'énergie
conventionnelles (non renouvelables) et non conventionnelles (renouvelables) et les méthodes
correctes pour l’exploitation de ces sources d’énergies. En suite un état de l’art sur les
systèmes d'énergie hybride autonome (systèmes multi sources) où nous présentons les
définitions, des différentes architectures des systèmes électriques multi-sources autonomes.
 Dans le deuxième chapitre nous donnons une étude descriptive des sources d'énergie qui
composent les systèmes d'énergie hybride autonome. En suite connaitre la méthode correcte pour le
dimensionnement de ces sources et leurs convertisseurs pour relies à un bus continu, et en fin présenter
ses avantages et ses inconvénients.
Le troisième et le quatrième chapitre seront consacré à la modélisation qui décrit le
comportement des différentes parties de notre système d’énergie hybride autonome, en suite présenter le
système de supervision pour une gestion de l'énergie du système global. Nous terminons ce chapitre par
les résultats de simulation du comportement de SEH, face aux variations climatiques et de la charge
électrique. Les séries des travaux pratiques (TD ; TP) se trouvent à la fin de chaque chapitre.
Mot clés: énergie, Systèmes multi sources, systèmes d'énergie hybride, renouvelable, non renouvelable,
modélisation, système de supervision.

Public Cible

Ce cours est destiné aux étudiants de la 2eme année master (Energie renouvelable) de l'université
Mohamed Boudiaf de M'sila– Algérie.

Objectifs de l’enseignement

Ce cours vise à doter les étudiants des connaissances et compétences requises pour les rendre capable
de :
 Comprendre une idée générale sur les sources conventionnelles (non renouvelables) et
non conventionnelles (renouvelables) et les méthodes correctes pour l’exploitation de ces
sources d’énergies ;
 Connaitre les principes de base de fonctionnement des centrales de production d’énergie
électrique conventionnelles et non conventionnelles ;
 Présenter un rappel théorique sur les systèmes d’énergie hybride, leurs avantages et leurs
inconvénients seront exposés et discutés ;
 Présenter l'architecture complète du système hybride à énergie renouvelable. En suite
nous présentons d’une façon plus détaillée les principaux composants de notre système
hybride constitué par les éléments : photovoltaïques(PV) ; éolien ; Pile à Combustible
(PàC) ; batterie ; électrolyseur ;
 Présenter la modélisation individuelle de chaque élément de l’architecture complète du
système hybride à énergie renouvelable (système multi-sources autonomes)
 Présenter le système de supervision du système hybride à énergie renouvelable constitué
par les algorithmes MPPT appliquée sur le générateur photovoltaïque et éolien et les
différentes stratégies de gestion proposée de gestion d’énergie.
 Apprendre l’utilisation des logiciels de simulation à savoir : Homer ; Matlab ;

Mode d’évaluation : L’évaluation de l’étudiant se fait par :

1 / Examen de fin de semestre (60%): 2 heures et celui du rattrapage : 2 heures.

Travaux dirigés Exposés
Assiduité Interro Participation Interro Ecrit oral
/04 pts /04 pts /12 pts /10 pts /10 pts
2 / Contrôles continus (40%).
 CHAPITRE II

Exemples de systèmes hybrides à

énergie renouvelable.
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

CHAPITRE II : EXEMPLES DE SYSTEMES HYBRIDES A ENERGIE RENOUVELABLE.

II.1 PRESENTATION DU SYSTEME HYBRIDE A ENERGIE RENOUVELABLE: PV/EOLIEN/PAC/

BATTERIE ........................................................................................................................................................... 22

II.1.1 ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE ............................................................................................. 23

II.1. 1.1 TYPES DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES............................................................................. 23

II.1. 1.2 DIMENSIONNEMENT DES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES................................................. 24

II.1. 1.3 AVANTAGES ET INCONVENIENTS D’UN SYSTEME PV .......................................................... 25

II.1.2 ENERGIE EOLIENNE ............................................................................................................................... 26

II.1. 2.1 DIFFERENTS TYPES D’EOLIENNES .............................................................................................. 27

II.1. 2.2 AVANTAGES ET INCONVENIENTS D’UN SYSTEME EOLIEN.................................................. 28

II.1.3 PILE A COMBUSTIBLE (PàC) ................................................................................................................. 29

II.1. 3.1 DIFFERENTS TYPES DES P.A.C ...................................................................................................... 30

II.1. 3.2 AVANTAGES ET INCONVENIENTS D’UNE P.A.C ....................................................................... 31

II.1.4 ÉLECTROLYSEUR.................................................................................................................................... 31

II.1. 3.1 TYPES D'ELECTROLYSEURS.......................................................................................................... 32

II.1.5 SYSTEME DE STOCKAGE ...................................................................................................................... 32

II.1. 5.1 LES BATTERIES ................................................................................................................................ 32

II.1. 5.2 CARACTERISTIQUES DES BATTERIES ........................................................................................ 33

II.1. 5.3 DIMENSIONNEMENT DU PARC BATTERIES............................................................................... 34

II.1.6 CONVERTISSEURS .................................................................................................................................. 34

II.1. 6.1 TOPOLOGIES DE CONNEXION DU GPVAU BUS DC .................................................................. 35

II.1. 6.1 TOPOLOGIES DE CONNEXION D’EOLIENNE AU BUS DC ........................................................ 35

II.1. 6.3 TOPOLOGIES DE CONNEXION DE LA BATTERIE AU BUS DC ................................................ 35

II.2 SERIE N° 02 ............................................................................................................................................... 36

20 Par Dr: ROUABHI Riyadh

 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

Objectifs de ce chapitre

L’objectif principal de ce chapitre est présenter l'architecture complète du système

hybride à énergie renouvelable (système multi-sources autonomes) Ensuite, nous
présentons d’une façon plus détaillée les principaux composants de notre système
hybride constitué par les éléments : PV ; éolien ; PàC ; batterie ; électrolyseur, Afin
d’atteindre l’objectif principal fixé, différents sous objectifs sont définis comme suit :

 Apprendre une étude descriptive sur les systèmes photovoltaïque set les
différents types de ces systèmes, en suit connaitre la méthode correcte pour le
dimensionnement de cette source, et en fin présenter ses avantages et ses
inconvénients.

 Présenter l’état de l’art de l’énergie éolienne, ses avantages et ses inconvénients

seront exposés et discutés, en suit un rappel théorique sur les différents types
d’aérogénérateurs.

 Comprendre une idée générale sur la Pile à Combustible à savoir : son principe
de fonctionnement, les différents types de cette source. En fin présenter ses
avantages et ses inconvénients.

 Présenter la définition d'électrolyseurs et son principe de fonctionnement, et en

fin présenter ses différents types.

 Apprendre une étude théorique sur le Système de stockage à savoir: les différents
types, caractéristiques des batteries, en suite connaitre la méthode correcte pour le
dimensionnement de cette source.

 Apprendre les différentes configurations des convertisseurs utilisés dans le

système hybride à énergie renouvelable.

21 Par Dr: ROUABHI Riyadh

 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

II.1 Présentation du système hybride à énergie renouvelable : PV/éolien/PàC/batterie

Dans ce chapitre, nous allons présenter L'architecture complète du système hybride
autonome à énergie renouvelable qui est compose : d’un générateur photovoltaïque(GPV), un
générateur éolien, une pile à combustible et une batterie. Tous ces composants sont reliés à un
bus continu afin d’alimenter une charge DC, une charge AC à travers un onduleur et un
électrolyseur.

Figure II-1 : Schéma général du système d’énergie hybride.

 Le système PV se compose de plusieurs panneaux photovoltaïques connectés au bus DC via

un hacheur du type buck-boost qui permet d'obtenir le maximum de puissance du GPV grâce
à l'utilisation d’un algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking).
 Le système éolien à base d’une machine synchrone à aimants permanents entrainée par une
turbine à calage variable des pales qui permet d'obtenir le maximum de puissance de l'éolien
grâce à l'utilisation d'un algorithme MPPT, cette machine est pilotée par deux convertisseurs
bidirectionnels qui assure la conversion électrique AC/DC et la commande des puissances
générées.
 La pile à combustible est liée au bus DC par un hacheur de type Boost.
 La batterie est reliée au bus DC à travers un convertisseur réversible en courant, il contrôle
l'intensité du courant délivré ou consommé par la batterie tout en assurant une adaptation de la
tension entre la batterie et le bus DC. .

22 Par Dr: ROUABHI Riyadh

 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

II.1.1 Energie solaire photovoltaïque

L'énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d'une partie du
rayonnement solaire en énergie électrique de type continu. Une cellule photovoltaïque ou
photopile c’est l’unité de base d'un système photovoltaïque, est un composant électronique qui
est réalisée à partir de deux couches de silicium. Une couche dopée P (dopée au bore) et l'autre
couche dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une jonction PN avec une barrière de
potentiel. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie
aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent et créent
des électrons (charges N) et des trous (charges P), ceci crée alors une différence de potentiel
entre les deux couches. Comme la montre la figure suivant [Ben15] [Vig10].

Figure II-2 : Principe de fonctionnement d’une photopile.

II.1.1.1 Types des systèmes photovoltaïques

En fonction du service et des applications recherchés les systèmes photovoltaïques peuvent être
classifiés comme suit :
 Systèmes PV autonomes :

Ces systèmes fournissent directement l’énergie électrique sans être connecté au réseau
électrique. Dans la majorité des cas, un système autonome exige des batteries pour stocker
l’énergie électrique [Rif09].

Figure II-3 : Schéma synoptique d’un système photovoltaïque autonome.

Par Dr: ROUABHI Riyadh

23
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

 Systèmes PV connectés au réseau :

Le champ photovoltaïque est couplé au réseau électrique par des convertisseurs électriques.
Ces systèmes peuvent être petits, tels que les systèmes résidentiels ou des grands systèmes
comme le cas d’une centrale électrique photovoltaïque [Rif09].

Figure II-4 : Structure d’un système PV connecté au réseau.

II.1.1.2 Dimensionnement des panneaux photovoltaïques

Pour dimensionner la surface de panneaux nécessaires on procède en trois étapes:
Etape 1 : Calcul de l’énergie qui sera consommée par jour (voir bilan des puissances et
énergies)
Etape 2 : Calcul de l’énergie à produire, Pour que les besoins du client soit assurés il
faut que l’énergie consommée (‫ )ܿܧ‬égales l’énergie produite (‫ )݌ܧ‬à un coefficient
près.
Ec
‫= ݌ܧ‬
݇
Le coefficient k tient compte des facteurs suivant :
 l’incertitude météorologique ;
 l’inclinaison non corrigé des modules suivant la saison ;
 le point de fonctionnement des modules qui est rarement optimal et qui peut être aggravé
par : la baisse des caractéristiques des modules, la perte de rendement des module dans le
temps (vieillissement et poussières) ;
 le rendement des cycles de charge et de décharge de la batterie (90%) ;
 le rendement du chargeur et de l’onduleur (de 90 à 95%) ;
 les pertes dans les câbles de connexions

Par Dr: ROUABHI Riyadh

24
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

Pour les systèmes avec parc batterie, le coefficient k est en général compris entre
0,55 et 0,75. La valeur approchée que l’on utilise pour les systèmes avec batterie sera
souvent de 0,65.
Etape 3 : Calcul de la taille du générateur photovoltaïque (ensemble des panneaux) à installer.
La puissance crête des panneaux à installer dépend de l’irradiation du lieu d’installation. On la
calcule en appliquant la formule suivante :

‫ ݌ܧ‬: Énergie produite par jour (Wh/j)

‫݌ܧ‬
ܲܿ = ‫ݎܫ‬: Irradiation quotidienne moyenne annuelle (kWh/m².jour)
‫ݎܫ‬

Ce qui revient à écrire

ܲܿ: Puissance crête en Watt crête (Wc)
Ec
ܲܿ = ‫ܿܧ‬: Énergie consommée par jour (Wh/j)
݇. ‫ݎܫ‬ ‫ݎܫ‬: Irradiation quotidienne moyenne annuelle (kWh/m².jour)

Concernant l’irradiation moyenne en France et pour la période estivale (ce qui

correspond à l’utilisation de cette installation) Ir = 5 kWh/m².jour
A partir de la puissance crête des panneaux BP Solar XX déterminer le nombre de panneaux
solaire nécessaires à l’installation.
N = Pc / puissance crête unitaire panneau N : le nombre de panneaux

II.1.1.3 Avantages et inconvénients d’un système PV [Zan10]

Le système photovoltaïque a beaucoup d’avantages :
 Energie solaire fournissant de l’électricité aux zones rurales les plus isolées ;
 Energie solaire inépuisable ;
 Carburant gratuit;
 Panneaux solaires demandant très peu d'entretien ;
 Panneaux solaires silencieux et non dérangeants ;
 Panneaux solaires recyclables.
Malgré cela, les sources photovoltaïques présentent aussi quelques inconvénients:
 Les sources photovoltaïques ne fonctionnent pas quand l'énergie solaire n'est pas disponible ;
 l’installation PV nécessite des investissements d'un coût élevé ;
 Rendement : le rendement de conversion d'un module PV est faible ;
 l’installation PV nécessite une grande surface.
 Fabrication du module PV qui relève de la haute technologie ;

Par Dr: ROUABHI Riyadh

25
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

II.1.2 Energie éolienne

Un aérogénérateur, appelé généralement éolienne, est un dispositif qui capte l’énergie
cinétique du vent pour la transformer en une énergie mécanique disponible (mouvement rotatif).
Cette énergie est amplifiée par un système d’engrenage (multiplicateur), puis transmise à un
arbre de rotation lié à une génératrice qui la convertit à son tour en une énergie électrique.
Le schéma des principaux organes du système de conversion éolien est représenté par la figure
suivant [LOP08, LAV05] :

Figure II-5 : Principaux organes du système de conversion éolien.

Les éoliennes sont classées selon leur puissance nominale en trois catégories [MUL08]:
 Eoliennes de petites puissances : P < 40 ܹ݇ .
 Eoliennes de moyennes puissances : 40 kW < ܲ < 1 ‫ ܹ ܯ‬.
 Eoliennes de fortes puissances : P > 1 ‫ ܹ ܯ‬.
La figure suivant illustre la correspondance taille et puissance des éoliennes.
P :10 MW
Ø : 129m
H : 162m
P : 7.5 MW
P :5 MW Ø : 126m
Ø : 124m H : 138m
H : 114m
Boeing
P : 2 MW
747
Ø : 80m
0.8 MW H : 104m
Ø : 50m
0.5 MW H :80m
Ø : 40m
0.1 MW H : 54m
50KW Ø : 20m
Ø : 15m H : 43m
H : 24m

1980 1985
1985 1990
1990 1995 2000
2000 2005
2005 2010
2010 2012
année
année
Figure II-6 : Puissance des installations éoliennes (MW) à l’échelle mondiale [GWEC 15].

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26
 CHAPITRE III Exemples
xemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable
renouvelable.

II.1.2.1 Différents Types D’éoliennes

Plusieurs configurations d'aérogénérateurs sont possibles. Selon la structure d’un système
éolien, nous distinguons deux grandes familles : éoliennes à axe vertical et éoliennes à axe
horizontal [POI 03, BEL 14].
 Eoliennes à axe vertical

Ce type d’éoliennes est la première à être utilisé dans la conversion d’énergie éolienne.
Leur rotor est monté verticalement par rapport à la terre. Leur fonctionnement est basé sur la
poussée axiale du vent et son incidence sur l’arbre du système. Cette catégorie d’éolienne a vu
plusieurs prototypes, mais deux seulement ont atteint l’étape d’industrialisation [HAM 13].
 Turbines de type Savonius.
Elle est constituée de deux sections semi circulaires cylindriques
cylindriques formant approximativement un
S. Le couple moteur est obtenu par une pression exercée par le vent sur les surfaces des deux
sections de la structure .Le
Le rotor de Savonius nécessite un grand couple de démarrage [MIR 05].

Figure II-7 : Structure de Savonius [ABD 07].

 Turbines de type Darrieus

Elle est constituée de plusieurs pales biconvexes, en générale deux ou trois montées
symétriquement et liées rigidement entre elles, tournant autour d’un axe vertical. Les formes
utilisées pour les surfaces décrites
décrites par les pales sont cylindriques, tronconiques ou
paraboliques [BOY 06]. Rotor Darrieus
Hélicoidale Rotor Darrieus H Rotor Darrieus

I : Structure de Darrieus [ABD 07].

Figure II-8

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27
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

 Eoliennes à axe horizontal

Ce type d’éoliennes est à trois pales fixes ou orientables pour contrôler la vitesse de
rotation. Cependant, il existe d’autres structures à une ou deux pales. Les forces aérodynamiques
appliquées sur les pales créent un couple moteur qui entraîne la rotation du rotor de ce dispositif.
Suivant leur orientation en fonction du vent, les éoliennes à axe horizontal sont dites en « amont
» ou en « aval » [DID 06] [ROG 04].
Vent Vent
System
d’orientatio

Eolienne face au vent (amont) Eolienne sous le vent (aval)

Figure II-9 : Aérogénérateur à axe horizontal [MOK 14].

II.1.2.2 Avantages et inconvénients d’un système éolien [ROU16] [KEN 12].

Le système éolien a beaucoup d’avantages :
 L’énergie éolienne est une énergie renouvelable propre, écologique, fiable, économique, et
inépuisable.
 L’énergie éolienne n’est pas une énergie à risque comme l’énergie nucléaire et ne produit
pas de déchets radioactifs.
 L'installation des turbines éoliennes est relativement simple par rapport à celle des centrales
aux énergies traditionnelles.
 L’exploitation de l’énergie éolienne n’est pas un procédé continu puisque les éoliennes
peuvent facilement être arrêtées.
 La durée de vie des éoliennes modernes peut aller jusqu'à 25 ans, ce qui est comparable aux
autres centrales de production conventionnelles.
 Les parcs éoliens se démontent très facilement et ne laissent pas de trace.
 C’est une source d’énergie universelle puisqu’elle ne concerne pas seulement quelques pays
comme dans le cas d’énergie pétrolière.
 C’est une énergie moins coûteuse par rapport aux autres énergies renouvelables.

Par Dr: ROUABHI Riyadh

28
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

 Cette énergie intéressante pour les pays en voie de développement puisqu’elle se développe
et s’intègre facilement dans un système électrique existant.
Malgré cela, les sources éoliennes présentent aussi quelques inconvénients:
 Les éoliennes génèrent des bruits mécaniques (multiplicateurs) et aérodynamiques (vitesse de
rotation du rotor) qui peuvent atteindre jusqu'à 55dB.
 La qualité d’énergie électrique produite n’est pas toujours bonne à cause de la vitesse du vent
qui n’est pas toujours constante.
 Les éoliennes présentent des risques d'accidents lors des fortes vitesses du vent qui peuvent
rompre les structures du système.
 Les parcs éoliens constituent un obstacle à la propagation et à la réception des ondes
hertziennes.
 Les éoliennes créent des paysages indésirables.
 L'énergie éolienne reste liée à la météo et à l'environnement.
 Les éoliennes nuisent à la migration des oiseaux.

II.1.3 Pile à Combustible (PàC)

Une pile à combustible est un générateur électrochimique qui convertit l’énergie chimique
d'un combustible (hydrogène, le gaz naturel, le monoxyde de carbone et le méthanol,...) en
énergie électrique par une réaction chimique. Elle est composée des cellules unitaires. Chaque
cellule est constituée de deux électrodes (anode et cathode) où se déroulent les réactions
électrochimiques, séparées par un électrolyte qui assure le transfert des ions et bloque le passage
des électrons [Sen13] [Ezi12].

Figure II-10 : Schéma de principe d’une pile à combustible.

Par Dr: ROUABHI Riyadh

29
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

À l'anode, l'hydrogène est oxydé en protons selon la réaction

ࡴ ૛ → ૛ࡴ ૛ + ૛ ࢋି
La molécule d'hydrogène réagit en libérant deux électrons, qui circulent dans le circuit
électrique qui relie l'anode à la cathode.
À la cathode, les protons réagissent avec l'oxygène pour former de l'eau et absorber les électrons.
1
ࡻ + ૛ࡴ ା + ૛ ࢋି → ࡴ ૛‫۽‬
2 ૛
La réaction électrochimique globale d’une PàC est donnée par l’équation suivante :
1
ࡴ ૛ + ࡻ ૛ → ࡴ ૛‫ ۽‬+ Electricité + Chaleur
2
Pratiquement, une pile à combustible produit une tension électrique d'environ 0,7 à 0,8 V.
Donc, il faut assembler les cellules en série pour constituer des stacks (modules), afin d’obtenir
la tension et la puissance requises au consommateur.
La figure suivant montre la structure d’un module PEM

Figure II-11 : Structure d’un module PEM.

II.1.3.1 Différents types des PàC
Les piles à combustible sont arrangées selon la température de fonctionnement et le type
d’électrolyte. Elles peuvent être classées en cinq familles. Le tableau 1.2 décrit les
caractéristiques des différents types de PàC.

 PEMFC : Pile à membrane polymère échangeuse de protons ;

 SOFC : Pile à oxyde solide ;
 PAFC : Pile à acide phosphorique ;
 MCFC : Pile à carbonate de fondu ;
 AFC : Pile alcaline.

Par Dr: ROUABHI Riyadh

30
 CHAPITRE III Exemples
xemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable
renouvelable.

Pour notre cas, nous avons choisi une PàC du type PEM.

Type AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC DMFC

Electrolyte Liquide Solide Liquide Liquide Solide Solide Acide
Alcaline Membra immobilisé immobilisé Céramiques fort /
ne H3PO4 Carbonate à base membrane
Polymère fondu ‟oxydes
d‟oxydes

Température de 60-80
80 60-100 180-220 600-700 650-1000
1000 60-100
fonctionnement (0C)
Rendement % 55-60
60 40-50 36-45 43-60 50--55 32-40

II.1.3.2 Avantages et inconvénients d’une PàC

La PàC a beaucoup d’avantages :
 Pendant le fonctionnement, la PàC ne produit que de l’eau et ne rejette aucun gaz polluant;
 Produit de l’énergie électrique sans bruit;
 Prend peu de place ;
 Demande peu d'entretien ;
 Rendement élevé.
Toutefois, leurs inconvénients sont :
 Coût de fabrication élevé ;
 Durée de vie faible.
II.1.4 Électrolyseur
L’électrolyse de l’eau
eau est une méthode qui permet la dissociation des molécules dd’eau en
hydrogène et en oxygène. Elle est rendue possible par le passage d’un
d un courant continu à travers
deux électrodes immergées dans un électrolyte liquide ou solide. La réaction électrochimique
d’électrolyse de l’eau
eau est donnée par l’équation
l suivante [Moh15] [Dar11].
1
ࡴ ૛ࡻ (࢒࢒࢏࢛ࢗ࢏ࢊ)
ࢊ ൅ ‫܍ܑ܏ܚ܍ܖ܍‬
‫ ܍ܝܙܑܚܜ܋܍ܔ܍‬՜ ࡴ ૛ሺࢍࢇࢠሻ + ࡻ
2 ૛

Figure II-12
I : Structure d’un module PEM.

Par Dr: ROUABHI Riyadh

31
 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

II.1.4.1 Type d'électrolyseurs

Principalement, Il existe trois types d’électrolyseurs, la technologie alcaline, la technologie
à membrane et la technologie à vapeur d’eau à haute température [Dar11] [Tar12].

II.1.5 Système de stockage

L’utilisation de sources d’ER induit le concept de stockage d’électricité en raison du
caractère intermittent de ces sources (comme l’énergie solaire et éolienne…). L’utilisation du
moyen de stockage d'électricité est très variée; elle dépend de la nature des besoins et du type
d’applications. En particulier, les SEH sont isolés du réseau, ces derniers intègrent au moins une
source d’ER dotée d’un système de stockage. Deux types de stockage sont utilisés dans les SEH :
le stockage à court terme et le stockage à long terme.
 La stratégie de stockage à court terme permet de filtrer les fluctuations des ER, cette stratégie
réduit également le nombre de cycles démarrage/arrêt des générateurs diesels, donc la
consommation du carburant.
 Le stockage à long terme est utilisé pour assurer une continuité d’approvisionnement de
l’énergie pour une durée relativement longue (des heures ou même des jours).
Le système de stockage peut être aussi utilisé avec les systèmes raccordés au réseau électrique,
afin d’éliminer les fluctuations de puissance à court terme, de plus d’assurer la continuité du
service en cas de défaillance du réseau [MAD18].
II.1.5.1 Les batteries :
Une batterie ou un accumulateur électrochimique est un système permettant de convertir de
l’énergie électrique en une énergie potentielle chimique durant la phase de charge et de convertir
l’énergie potentielle chimique en énergie électrique lors de la décharge. C’est la modification
chimique d’électrolyte qui permet d’accumuler ou de restituer cette énergie. En particulier les
trois types des batteries : plomb-acide, nickel-cadmium et lithium-ion, en raison de leurs
maturités et de leurs faibles coûts. Ils présentent la propriété de pouvoir transformer de l’énergie
chimique générée par des réactions électrochimiques en énergie électrique, sans émission de
polluants [Urb09] [ZAN10].

a) Batterie au Plomb-acide (Pb-acide)

Elle présente plusieurs avantages, c’est la moins chère par rapport à d’autres technologies,
elle est presque entièrement recyclable (plus de 90%) et leur autodécharge est faible. Cependant,
ce genre de batteries est sensible aux décharges trop profondes conduisant à une diminution
importante de leur durée de vie [Dil04].

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 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

b) Batterie au lithium-Ion (li-Ion)

Les performances de ce type sont bien meilleures que les autres. Leur
autodécharge est très faible (1 % par mois), cela signifie que l’énergie massique
stockée est relativement bien supérieure, caractérisée par une tension de
fonctionnement élevée permettant la réduction du nombre d’éléments pour une tension
donnée et leur durée de vie élevée; Mais le coût est beaucoup plus élevé à cause de leur
fabrication qui nécessite un investissement bien supérieur que celui des batteries au
Plomb. En plus, la batterie lithium contient un pourcentage élevé de métaux lourds et
dangereux, en effet leur recyclage est compliqué et n’atteint pas la maturité [Bou09].

c) Batterie au nickel-cadmium (Ni-Cd)

Elle est robuste, mais souffre d'un coût élevé, d'une tension de cellule
relativement faible, une autodécharge assez rapide (20% par mois). Telle la batterie
lithium-Ion, leur recyclage est compliqué à cause du cadmium qui est un métal lourd et
polluant. À cause des limites des batteries au lithium-Ion et aux alcalines, nous
préférons la batterie au plomb. Dans notre travail, nous proposons un système de
contrôle de la charge et de la décharge de batteries, afin de prolonger la durée de vie et
éviter la dégradation due aux décharges profondes ou des surcharges [Bou09].

II.1.5.2 Caractéristiques des batteries

Les paramètres techniques les plus représentatifs identifiés d’un accumulateur sont les
suivants [Ait12]:
 Capacité nominale: c’est la quantité d’énergie que l’on peut stocker dans la batterie, elle
s’exprime en ampères-heures (Ah).
 Tension d’utilisation : C’est la tension à laquelle l’énergie stockée est restituée
normalement à la charge.
 Durée de vie et cycle de vie: les deux caractéristiques définissent la durabilité d'un
système de stockage. La durée de vie est mesurée en années. D'autre part, la durée de vie
du cycle est mesurée dans les cycles de charge-décharge.
 Profondeur de décharge : La profondeur de décharge est le pourcentage de la capacité
totale de la batterie qui est utilisée pendant un cycle de charge/décharge.
 Autodécharge: définit l'énergie perdue par un système de stockage pendant le temps de
non-utilisation. Ce paramètre est mesuré par la relation entre l'énergie perdue pendant une

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 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

certaine période de temps (heure, jour où mois) et la capacité énergétique du dispositif de

stockage.
 Rendement : C’est le rapport entre l’énergie électrique restituée par l’accumulateur et
l’énergie fournie à l’accumulateur.
 Etat de charge (SOC) : c’est la quantité d’énergie disponible divisée par la capacité
nominale de la batterie. Si SOC = 1, la batterie est chargée et quand : SOC = 0, la batterie
est vide.
II.1.5.3 Dimensionnement du parc batteries
Pour réaliser le dimensionnement du parc batteries, on procède de la façon
suivante:
Etape 1 : On calcule l’énergie consommée (‫ )ܿܧ‬par les différents récepteurs ;
Etape 2 : On détermine le nombre de jour d’autonomie nécessaire ;
Etape 3 : On détermine la profondeur de décharge acceptable pour le type de batterie
utilisée ;
Etape 4 : On calcule la capacité (‫ )ܥ‬de la batterie en appliquant la formule ci-dessous ;

‫ ܥ‬: Capacité de la batterie en ampère. heure (Ah)

‫ܿܧ‬. ܰ ‫ܿܧ‬: Énergie consommée par jour (Wh/j)
‫=ܥ‬
‫ܦ‬. ܷ ܰ : Nombre de jour d’autonomie
‫ ܦ‬: Décharge maximale admissible (0,8 pour les batteries au plomb)
ܷ : Tension de la batterie (V)

II.1.6 Convertisseurs
Il existe différentes architectures des systèmes multi-sources comme on a vu
précédemment. Cependant, l’objectif principal d’un tel système est de maximiser la production
de puissance des sources. Pour cela, chacune est connectée à un convertisseur, qui permet de
contrôler son point de fonctionnement et le relier au bus commun avec l’adaptation nécessaire.
Différentes topologies de connexion des sources de production d’énergie, soit des sources d’ER
ou des sources conventionnelles dans les SEH sont proposées dans la littérature. Cependant, le
choix du convertisseur se fait selon :
 Configuration du bus dans le SEH où les sources sont connectées,
 Objectifs que l’on souhaite réaliser, par exemple : maximisation de la production de
puissance des sources, adaptation de la tension….
Dans le cas d’un SEH autonome de structure à bus DC, un onduleur doit être utilisé pour
alimenter une charge si elle est alternative.

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 CHAPITRE II Exemples de systèmes hybrides à énergie renouvelable.

II.1.6.1 Topologies de connexion du GPV au bus DC

Généralement, dans un SEH autonome de structure à bus DC, les GPV sont connectés à ce
dernier à travers un hacheur pour optimiser leur fonctionnement. Comme la montre la figure
suivante. Il existe trois configurations possibles afin de relier le GPV au bus DC. Le choix d’une
topologie à utiliser dépendra de la tension du bus DC, qui doit être respectée. Elle est souvent
imposée par le biais d’un hacheur [Cro13].

Figure II-13 : Convertisseurs utilisables dans les GPV : (a) Boost, (b) Buck, (c) Buck-Boost.

II.1.6.2 Topologies de connexion d’éolienne au bus DC

Dans les systèmes multi-sources isolés, la connexion du système éolien au bus DC, utilise
deux configurations: l’association de l’éolien à un redresseur à diodes et un hacheur, comme le
montre la figure suivant (a), permettant d’avoir une seule variable de commande à gérer et
l’association de l’éolien à un redresseur MLI, comme expose la figure suivant(b), permettant
d’utiliser un seul convertisseur [Dah15].

Figure II-14 : Convertisseurs utilisables dans le système éolien : (a) Redresseur à diodes avec un hacheur, (b)
Redresseur MLI.

II.1.6.3 Topologies de connexion de la batterie au bus DC

La connexion entre la batterie et le bus DC est assurée via un hacheur réversible en courant
pour effectuer le transfert d’énergie dans les deux sens afin d’assurer la charge/décharge des
batteries. L’architecture de connexion de la batterie au bus DC est présentée dans la figure
suivante [Vec05].

Figure II-15 : Convertisseur utilisable dans le système de stockage.

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