L’intégration des énergies renouvelables dans le réseau électrique peut provoquer des déséquilibres entre la production et la consommation en raison de l’intermittence de ces premières. Ces déséquilibres peuvent provoquer l’effondrement, localisé ou généralisé, du réseau électrique (black-out). Une des solutions pour lisser ces phénomènes est la mise en place de micro-réseaux intelligents.

Depuis 2015, des chercheurs du laboratoire IREENA travaillent sur cet axe de recherche émergeant : les micro-réseaux intelligents, aussi appelés « smart-grid ».

Le principal enjeu des chercheurs ? Faire sortir le micro-réseau de la recherche académique pour pouvoir le proposer de manière industrielle dans un futur proche, et le déployer à plus grande échelle.

Par ailleurs, les politiques régionales, nationales et internationales vont dans le sens de la transition énergétique. L’ONU a défini 17 priorités dans les Objectifs de Développement Durable (ODD) dans le cadre de l’agenda 2030. Parmi ces 17 objectifs, le 11ème porte sur la création de villes et de communautés durables. Un des verrous pour répondre à cet objectif est le développement des micro-réseaux et du mix énergétique.
Le développement de micro-réseaux intelligents

La volonté d’une forte intégration des énergies renouvelables (EnR), en vue de la réduction des émissions des gaz à effet de serre, se traduit par le besoin de développer des micro-réseaux « intelligents ». Ces derniers participent à la réduction de l’impact négatif de l’intermittence des EnR.

On assiste alors à un changement de paradigme du réseau électrique, où il passera d’un réseau radial (des producteurs vers des consommateurs éloignés) à un réseau maillé (composé de plusieurs micro-réseaux interconnectés qui sont vus comme autant de producteurs décentralisés que de consommateurs) - voir schéma ci-dessous : exemple d’un micro-réseau communautaire.
 

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Une thématique ancrée au sein de l’IREENA

Le laboratoire IREENA a fait de la thématique « micro-réseaux » une de ses thématiques de recherche principales, d’autant plus qu’elle fédère plusieurs chercheurs. Modélisation, régulation, stockage, dimensionnement, traitement du signal, … plusieurs thématiques de recherche sont ainsi traitées au sein du laboratoire. 

Les différents verrous auxquels les chercheurs de l’IREENA ont répondu, portent sur l’architecture (utilisation des panneaux photovoltaïques, des systèmes de stockage d’énergie, etc.) et le dimensionnement optimisé des micro-réseaux, ainsi que la maîtrise des micro-réseaux (qualité de l’énergie, stabilité du micro-réseau et gestion de l’énergie). 

Le micro-réseau étant complexe et non linéaire (ce qui signifie qu’il faut adapter la régulation à chaque cas de figure), les chercheurs ont mis en place des algorithmes méta-heuristiques en vue de sa gestion ainsi que de sa stabilisation. 

Ils ont ainsi instauré des stratégies pour améliorer la gestion de l’énergie en présence d'incertitudes dues aux variations climatiques locales et aux fluctuations de consommation. Cette stratégie se base sur l’utilisation de chaînes de Markov ainsi qu’une prévision sur un horizon de 48 heures afin d’effectuer des arbitrages énergétiques.

Définition : Chaine de Markov

Une chaine de Markov permet de modéliser l'évolution dynamique d'un système aléatoire. Ici, ce procédé a été utilisé pour l'évolution de l'ensoleillement.

Du côté qualité de l’énergie et stabilisation du réseau, ils ont développé une structure de contrôle hiérarchique multi-boucles qui compense les effets indésirables des harmoniques, de résonnance ainsi que des courants de circulation, pour fournir une tension et un courant « propre » et ainsi aider à stabiliser le micro-réseau. 

Ces algorithmes intelligents ont été testés avec succès sur un banc « micro-réseau » de 10 kW réalisé au sein du laboratoire (photo ci-dessous). Ce banc est une partie intégrante de la plateforme Smart Power pilotée par l’IREENA dans le cadre des WISE’Labs.
 
Banc Micro-réseau de 10 kW de l’IREENA (c) ireena
Des connaissances mises à disposition des élèves ingénieurs

L’expertise acquise dans cette thématique sera exploitée à Polytech Nantes dans le cadre de la future option « Structures et Bâtiments du futur » (option de dernière année), commune entre les départements Énergie Électrique, Génie Civil et Génie des Procédés et Bioprocédés. 

Dès cette année, les étudiants se sont intéressés à une structure de traitement des déchets qui produit électricité et chaleur. En effet, le micro-réseau intelligent est une des pierres angulaires de ces structures. Ce projet sera reconduit l’année prochaine sur une autre structure.

Cette option sera amenée à fédérer, à moyen terme, d’autres départements de Polytech Nantes. Et l'objectif, à long terme, est d'avoir une option commune avec les autres spécialités de la formation ingénieur de l'école : Électronique et Technologies Numériques - Thermique Énergétique et Mécanique - Informatique.

Projets RFI et partenariats

Les développements de projets effectués sur les micro-réseaux ont été soutenus par 3 projets régionaux sous l’égide du RFI WISE (depuis 2015), et d’un projet international PHC Tassili (2017-2020) qui a permis de financer une thèse en cotutelle. Les projets ALLEGED, StorMS et EVEO du RFI WISE ont permis de financer le recrutement d'un doctorant et deux post-doctorants.

Les travaux réalisés au laboratoire sur les smart-grids ont également servi de levier pour décrocher :

  • la thèse Cifre actuellement en cours avec la société SAFRAN de Toulouse, qui est axée micro-réseaux pour applications avioniques. Cette thèse a démarré depuis plus d'1 an.
  • un post-doctorat sur 48 mois dans le cadre du projet ADEME intitulé ESTUAIRE (Etude pour un Smart Grid multi-énergies et multi-usages sur un territoire portuaire). Travaux impliquant MAN Energy Solutions, Akajoules, La Carene et le Grand port Maritime de Nantes Saint-Nazaire.


Un ancien étudiant de Polytech Nantes, Anthony Roy, a effectué une thèse sur la gestion et le dimensionnement d'un mix-énergétique. Il a été diplômé ingénieur en 2016, puis a soutenu sa thèse en décembre 2019, dont le titre est : Gestion optimale d'un système multi-sources pour un site isolé en mer. Actuellement, il est en post-doc à l'IREENA.

En outre, plusieurs travaux collaboratifs ont été effectués avec des partenaires nationaux tels que le LS2N et le LEMTA (laboratoire de l’Université de Lorraine).

De plus, des travaux ont été menés conjointement avec des partenaires internationaux tels que le CROM de l'Université d’Aalborg (Danemark), le Sino-Dutch EE&IC de l’Université Maritime de Shanghai (Chine), le LGE de Université de M’Sila (Algérie), le LSEI de l'Université des Sciences Technologies Houari Boumediene (Algérie), le LSE de l’ENIT (Tunisie), et le CES de l'Université de Gabes (Tunisie).

Dans le cadre de cette thématique le laboratoire a accueilli deux enseignants-chercheurs en tant que professeurs invités : Messieurs Gang Yao de l'Université Maritime de Shanghai et Manef Bouogaoui de l'ENIT de Tunis.