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Par Jorge Olmedo González, Rosa de Guadalupe González Huerta
Institut polytechnique national - ESIQIE, UPALM, Mexico, Mexique
rgonzalezh@ipn-mx

 Introduction
Le développement technologique de l'humanité a engendré une forte dépendance à l'électricité, rendant un approvisionnement fiable et de qualité indispensable. Selon les données de la Commission fédérale de l'électricité (CFE), environ 99 % de la population mexicaine a accès à l'électricité, mais près de 36 % vivent en situation de précarité énergétique, c'est-à-dire avec un service de mauvaise qualité ou intermittent. Cela s'explique, entre autres, par le fait que nombre de ces personnes vivent dans des zones reculées et difficiles d'accès. L'utilisation de sources d'énergie renouvelables pourrait constituer une solution alternative, notamment dans les zones où l'installation d'infrastructures électriques est peu rentable en raison de la faible densité de population.

L'un des défis de la mise en œuvre de micro-réseaux isolés dans les foyers est d'assurer un approvisionnement énergétique continu répondant aux besoins de la population. En effet, des sources comme le solaire et l'éolien, bien que viables, sont naturellement intermittentes. Par conséquent, l'hybridation de diverses sources d'énergie, renouvelables et non renouvelables, ainsi que le stockage d'énergie, peuvent faciliter l'expansion de ces systèmes vers des micro-réseaux renouvelables [1,2].

1. Systèmes indépendants ou hors réseau
Au Mexique et dans une grande partie du monde, le développement et l'approvisionnement en électricité reposaient principalement sur un modèle de production centralisée, dans lequel de grandes centrales électriques ou centrales distribuent l'énergie à la population via des réseaux de câblage électrique. Cependant, avec le développement des énergies renouvelables, d'autres formes de production ont gagné en importance, telles que la production décentralisée ou distribuée, l'utilisation de micro-réseaux, qu'ils soient interconnectés au réseau public ou indépendants, et les systèmes autonomes pour les foyers [3,4].

L'utilisation d'énergies renouvelables, comme l'énergie solaire, a facilité le développement de systèmes électriques indépendants et de micro-réseaux isolés, notamment dans les zones confrontées à des problèmes d'approvisionnement électrique, les régions reculées ou celles où les tarifs d'électricité sont élevés. Un système électrique isolé ou hors réseau, également appelé « système autonome » ou « système hors réseau », peut être composé des éléments suivants : a) une source d'énergie renouvelable ; s'il y a plusieurs sources, on parle de système hybride ; b) une source d'alimentation de secours, généralement un générateur non renouvelable, comme un générateur diesel ; c) le stockage d'énergie, les batteries plomb-acide étant les plus utilisées, bien que des technologies plus récentes comme les batteries lithium-ion ou à hydrogène gagnent en importance ; et d) le système de conditionnement d'énergie, qui comprend tous les équipements électriques nécessaires pour adapter la puissance produite aux besoins de l'équipement électrique de l'utilisateur, par exemple 127 V CA à 60 Hz (voir Figure 1).

Figure 1. Système hybride autonome pour l'alimentation électrique d'une habitation [5].

2. Systèmes hybrides renouvelables
Les énergies renouvelables telles que le solaire, l'éolien et l'éolien offshore peuvent être classées comme des énergies renouvelables variables (ERV) en raison de leur caractère intermittent, de leur irrégularité et de leur capacité de répartition variable, ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas toujours répondre à la demande énergétique de manière constante. Cependant, les énergies renouvelables variables (ERV) présentent de multiples applications, des systèmes à petite échelle aux projets d'énergie autonomes à grande échelle, où le stockage d'énergie peut être nécessaire pour répondre à la demande sans dépendre du réseau électrique public [6].

Ces dernières années, les nouvelles énergies renouvelables ont gagné en importance, notamment les énergies renouvelables offshore (ORE), qui pourraient contribuer à une capacité installée comprise entre 500 et 1 000 MW d'ici 2030 [7,8]. Au Mexique, ce type d'énergie est prometteur en raison du potentiel naturel de régions telles que le golfe de Californie et le courant de Cozumel dans la péninsule du Yucatán, avec un potentiel de production allant jusqu'à 100 W/m² [9]. La flexibilité des systèmes autonomes et hybrides a gagné en importance ces dernières années, suscitant des études et des projets dans le monde entier. Cependant, l'adoption des EMR reste limitée en raison de leur stade de développement.

Figure 2. Différents projets d'énergies renouvelables offshore avec systèmes de stockage d'énergie [10].

L'objectif des systèmes hybrides, qui combinent plusieurs sources d'énergie renouvelables et/ou non renouvelables avec stockage d'énergie, est de répondre de manière optimale à la demande énergétique des utilisateurs. Cette hybridation permet d'alterner entre différentes sources de production d'électricité et de stocker le surplus lorsque la production est supérieure aux besoins. Cependant, l'un des principaux défis de ces systèmes est le coût, car environ 60 % de la production totale peut provenir du stockage d'énergie [11].

L'utilisation de plusieurs sources renouvelables, comme un système hybride solaire-courant marin, permet de réduire le besoin de stockage, car les deux sources se complètent pour couvrir la demande d'électricité. Cela permet à l'autre de répondre aux besoins énergétiques lorsque l'une des sources produit peu ou pas d'électricité. Ce type de système n'est pas exempt de la nécessité de répondre à la demande d'électricité ; des systèmes de stockage d'énergie peuvent donc être intégrés. Une stratégie d'hybridation peut également être envisagée, c'est-à-dire la combinaison de différentes technologies de stockage d'énergie (TES) permettant un stockage et une utilisation optimaux de l'énergie stockée en fonction de la puissance et de l'énergie nécessaires pour répondre à la demande. Dans la région de Cozumel, l'énergie solaire présente un potentiel plus important en été qu'en hiver, tout comme l'énergie des courants océaniques. Le comportement quotidien de l'énergie solaire suit une courbe similaire à une courbe gaussienne en cloche, avec un pic maximal vers midi, tandis que la production d'énergie des courants océaniques est relativement constante tout au long de la journée, avec de légères variations le matin et l'après-midi (voir figure 3).

Figure 3. Potentiel énergétique solaire et des courants océaniques à Cozumel, Mexique [10].

Une maison côtière peut consommer environ 7,5 kWh d'électricité par jour [12, 13], bien que cette consommation puisse varier en fonction de la taille de la maison et du statut socio-économique. Sur la figure 6a, la ligne bleue illustre le profil de la demande énergétique d'une maison, avec un léger pic entre 6 h et 8 h et un pic plus important entre 20 h et 21 h, période pendant laquelle la consommation d'électricité est plus importante.

Les lignes orange et jaune représentent la puissance installée requise pour un système solaire photovoltaïque et un système de courant de marée, respectivement, pour couvrir ces 7,5 kWh par jour. L'énergie solaire nécessite une puissance installée supérieure (2,1 kW) à celle des courants de marée (0,46 kW), car l'énergie solaire est disponible moins d'heures par jour. En combinant les deux sources, comme l'indique la ligne violette, il est possible de couvrir une plus grande demande et de réduire le besoin de stockage d'énergie (voir Figure 4).

Figure 4. (a) Profil production-consommation d'un système hybride solaire-courant marin, avec une puissance installée de 2,1 kW de panneaux solaires photovoltaïques et de 0,46 kW d'hydrolienne.

La combinaison de l'énergie solaire et de l'énergie des courants marins permet d'atténuer les fluctuations quotidiennes et saisonnières. En hybridant les sources à 50 %, c'est-à-dire en couvrant 50 % de la demande d'électricité par l'énergie solaire et les 50 % restants par l'énergie des courants marins, il faut stocker 1,75 kWh/jour d'énergie. Cela représente une réduction de 55 % par rapport au stockage requis par l'énergie solaire seule (voir Figure 5).

Figure 5. Profil production-consommation, hybridation de 50 % du système hybride solaire-courant océanique.

En comparant les différents niveaux d'hybridation entre l'énergie solaire et l'énergie des courants océaniques, on a constaté que, bien que l'énergie des courants océaniques nécessite un stockage journalier moindre, elle requiert un stockage saisonnier plus important en raison des plus grandes variations de la production d'électricité (8 % de l'année ne couvrent pas la demande journalière) par rapport à l'énergie solaire (qui ne couvre pas 9 % de la demande journalière tout au long de l'année). Avec une hybridation de 60 %, le stockage saisonnier requis est moindre, ce qui souligne l'importance de combiner ces énergies (voir Figure 6).

Figure 6. Disponibilité annuelle pour répondre à la demande énergétique du foyer et capacité de stockage journalière et saisonnière d'un système solaire-courant océanique présentant différents degrés d'hybridation.

3. Stockage d'énergie pour les habitations et les micro-réseaux
Les batteries constituent la technologie de stockage d'énergie (TES) la plus répandue et la plus connue en raison de facteurs tels que leur maturité (développée par Alessandro Volta il y a plus de 200 ans), leur polyvalence, leur coût et les différentes chimies disponibles, comme les batteries plomb-acide et lithium-ion. Cependant, les autres technologies de stockage varient en termes de capacité de stockage, de temps de réponse, de durée de vie, de cycle de vie, d'efficacité, de coût, de puissance, de densité énergétique et de puissance nominale, entre autres (voir tableau 1) [14,15].

Tableau 1. Comparaison de différentes technologies de stockage d'énergie selon différents critères.
     

Les batteries sont la TES la plus largement utilisée dans les applications de stockage pour les habitations ou les micro-réseaux, grâce à leur développement important, leur polyvalence et leur coût. Cependant, des options comme l'hydrogène ont gagné en pertinence, notamment pour le stockage longue durée (semaines ou mois), où les batteries peuvent s'autodécharger et où d'autres technologies peuvent être trop volumineuses pour des applications de faible puissance comme le pompage-turbinage. Des technologies comme CAES ou PHS sont devenues attractives pour les systèmes électriques de forte puissance, de l'ordre du mégawatt (MW).

L'adéquation des différentes technologies de stockage d'énergie (TES) varie selon le type d'application. Pour les véhicules électriques, les batteries sont les plus adaptées en raison de leur puissance et de leur densité énergétique élevées, ce qui permet un poids et un encombrement réduits par rapport aux autres technologies. L'hydrogène, quant à lui, est une option qui a suscité un intérêt croissant pour les transports lourds, compte tenu de l'autonomie requise (longues distances) et de la puissance accrue.

Dans le cas des systèmes résidentiels hybrides ou des micro-réseaux, le stockage peut être nécessaire pour gérer des fluctuations horaires, quotidiennes, mensuelles ou saisonnières, voire de très brèves fluctuations de l'ordre de quelques secondes à quelques minutes.

En évaluant tous les critères et en pondérant leur importance pour ces applications à l'aide de méthodes multicritères, il est possible de déterminer le REA le plus approprié. Pour le stockage d'énergie devant gérer les fluctuations quotidiennes, les facteurs les plus critiques sont le temps de réponse, suivi du nombre de cycles et du rendement. Pour les fluctuations saisonnières, la durée de stockage est primordiale, suivie du temps de réponse et de la puissance nominale, en particulier dans les systèmes de faible puissance. Les supercondensateurs sont particulièrement adaptés à une régulation inférieure à une minute, les batteries lithium-ion sont idéales pour les fluctuations horaires et journalières, tandis que le stockage d'hydrogène est l'option la plus intéressante pour les longues périodes, telles que mensuelles ou saisonnières. 

Tableau 2. Comparaison de la faisabilité technique de différentes technologies de stockage d'énergie pour l'alimentation électrique résidentielle.

Il est important de noter que le besoin de stockage d'énergie dépendra non seulement de la nature de la production de la source d'énergie renouvelable, mais aussi des excédents énergétiques souhaités. Par exemple, l'énergie géothermique et certaines formes d'énergie marine, comme le gradient thermique ou l'énergie saline, peuvent assurer une production d'électricité constante ; cependant, il peut être rentable de stocker l'excédent d'énergie non utilisé pour le vendre à des périodes différentes de sa production.

Références
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[2]    CFE. Historia de la CFE. Com Fed Electr  2016. https://www.cfe.mx/nuestraempresa/pages/historia.aspx (accessed August 20, 2022).
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[5]    Bajpai P, Dash V. Hybrid renewable energy systems for power generation in stand-alone applications: A review. Renew Sustain Energy Rev 2012;16:2926–39. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.009.
[6]    Cebulla F, Naegler T, Pohl M. Electrical energy storage in highly renewable European energy systems: Capacity requirements, spatial distribution, and storage dispatch. J Energy Storage 2017;14:211–23. https://doi.org/10.1016/j.est.2017.10.004.
[7]    Uihlein A, Magagna D. Wave and tidal current energy - A review of the current state of research beyond technology. Renew Sustain Energy Rev 2016;58:1070–81. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.284.
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[11]    EERE. Should I Get Battery Storage for My Solar Energy System? | Department of Energy 2021. https://www.energy.gov/eere/solar/articles/should-i-get-battery-storage… (accessed August 20, 2022).
[12]    Cruz González G, Alejandro M, Saldívar D. El consumo de energía eléctrica en los hogares de México por nivel de ingresos, 2012. Tiempo Económico 2015;X:43–56.
[13]    Taufiqul M, T. Oo AM, Shawkat Ali ABM. Estimation of Energy Storage and Its Feasibility Analysis. In: Zobaa AF, editor. Energy Storage - Technol. Appl., IntechOpen; 2013, p. 41–78. https://doi.org/10.5772/52218.
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[15]    Luo X, Wang J, Dooner M, Clarke J. Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation. Appl Energy 2015;137:511–36. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.09.081.