Faculté des Sciences et Technologies (La Réunion): Projets
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UFR Sciences et Technologies - Université de La Réunion
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Variabilité du gisement solaire à La Réunion et en zone tropicale

Le gisement solaire est l’ensemble de données décrivant l’évolution du rayonnement solaire disponible au cours d’une période donnée. Ces données sont indispensables pour la conception, le dimensionnement, la réalisation, de systèmes énergétiques utilisant le flux solaire. 

Avec les objectifs d’installations de systèmes énergétiques intermittents distribués, la gestion intelligente prédictive et adaptative des réseaux énergétiques locaux nécessitent des données à haute résolution spatiale et temporelle concernant le gisement.

La connaissance du gisement solaire d’une région est plus ou moins précise selon:

  • la densité des stations pour lesquelles on a des données, 
  • le nombre d’années de mesures disponibles, 
  • le pas de temps des données ( mois, jour, heure ), 
  • la nature des données : durée d’ensoleillement, composante directe et diffuse et globale du rayonnement solaire, albédo du sol …

S’agissant de la connaissance des composantes du rayonnement solaire, celles-ci sont également influencées, par exemple, par la température, les vents, la présence de gaz radiativement actifs, des aérosols et des nuages… Ce dernier aspect comporte un volet d'évolution à  moyen et long terme de la ressource disponible au sol. En effet, un changement des grands centres météorologiques d’action (anticyclone, cyclone), une augmentation de la nébulosité globale en région tropicale, une modification des courants atmosphériques peuvent avoir un impact majeur sur la quantité d’énergie solaire disponible sous nos latitudes. 

Projet

Dans un premier temps, il est proposé de mettre en œuvre un système d’information solaire au niveau local qui permettra l’accès aux valeurs dynamiques des différentes composantes du rayonnement solaire. Le travail consiste à réactualiser l’Atlas de Météo France du gisement solaire de La Réunion. La cartographie actuelle du gisement solaire à La Réunion est à réactualiser compte tenu de son mode d’obtention, il y a une vingtaine d’années, à partir d’interpolation du premier ordre sur une base de station d’observation réduite.

L’approche portera sur l’extension de l’application d’un modèle de reconstitution de la pluviométrie en tenant compte du relief, développée par Météo-France. L’adjonction d’une méthode des noyaux devrait permettre d’étendre ce travail pour le rayonnement solaire et de reconstituer sur des échelles spatiales réduites d’un modèle numérique de terrain haute résolution (~1km).

Ce travail devrait permettre de mieux documenter La Réunion sur le gisement à haute résolution et d’aider les « solaristes » à mieux préciser les attendus en matière de ressources disponibles d’énergie solaire convertible en énergie électrique via les systèmes de panneaux photovoltaïques en tout point de l’île.

Dans une deuxième étape, il est proposé d’étudier les facteurs influençants le gisement solaire, à l’aide de deux modèles de complexité différente :

  • un modèle global simplifié : Planet Simulator
  • un modèle régional RegCM dont la version non-hydrostatique prévue pour la fin de l’hiver austral devrait permettre d’effectuer des simulations à l’échelle de l’ordre du km sur la Réunion.

La simulation de scénarii à long terme de l’augmentation de la nébulosité, de la pluviométrie, la température, des vents et de l’environnement régional devrait permettre de mieux quantifier les tendances en matière de ressource d’énergie solaire dans notre région et également l’évolution d’autres sources d’énergie tel que l’éolien.

Caractérisation, optimisation énergétique de cellules photovoltaïques

La progression du secteur solaire thermique et électrique à l’île de La Réunion comme au niveau mondial, a été soutenue cette dernière décennie [ADEME, ARER, PRERURE, GERRI]. Les marges de progression sont encore importantes dans l’habitat individuel et collectif. Néanmoins la limitation des surfaces disponibles, reste une contrainte majeure ainsi que la dégradation des performances des systèmes photovoltaïques avec la température, surtout en zone tropica

Projet

Le laboratoire a effectué une étude expérimentale dans le cadre d’un partenariat industriel sur le couplage d’un système solaire thermique avec un système photovoltaïque (projet PVTH). Les résultats obtenus ont montré les limites en terme de refroidissement par convection et conduction. 

A l'échelle pilote de laboratoire, nous développons un système de refroidissement actif et passif des cellules photovoltaïques.

Un banc de caractérisation des performances électriques d’une cellule photovoltaïque pour un flux solaire et une température, contrôlés est en cours d'intégration. 

Par ailleurs, un projet de collaboration avec la société COREX-SOLEO, sur l’augmentation des rendements des PV par l’utilisation d’un système à refroidissement passif et une meilleure collecte du flux incident (PVMAX) a été labellisé par le pôle Capénergie : la demande de financement FUI effectuée en 2009 n’a pas aboutie. Nous recherche une autre possibilité de financement régional avec le concours de TEMERGIE. 

Stockage de l’énergie

L’hydrogène représente un vecteur d’énergie prometteur lorsqu’il est obtenu à partir de sources d’énergie renouvelable. Ce gaz de densité d’énergie élevée, associé à une pile à combustible permet d’envisager de nouvelles options technologiques aussi bien dans les domaines de l’alimentation électriques des équipements portables, que dans le domaine du transport et celui du stockage tampon de l’électricité, notamment des systèmes énergétiques intermittents (centrale solaire photovoltaïque).

Ce projet de recherche concerne les PEMFC (piles à membrane polymère à échange de protons) dont les températures de fonctionnement sont basses (60 à 90°C). 

Les faibles températures de fonctionnement des PEMFC ne facilitent pas l’évacuation de la chaleur, notamment dans le cas des véhicules légers, habituellement propulsés par des moteurs à combustion interne dont la température d’eau de refroidissement est de 20°C à 30°C supérieure à celle des PEMFC. Les débits très faibles d’effluents gazeux contraignent le circuit de refroidissement interne de la pile à évacuer la quasi-totalité de la chaleur produite. D’autre part, la condensation éventuelle d’eau libère de la chaleur supplémentaire qu’il faut évacuer en permanence tout en garantissant les conditions d’hydratation optimale du cœur de pile. Enfin, la complexité des phénomènes de transfert de matière dans les PAC PEMFC est telle que jusqu’à présent, les transferts thermiques, pourtant fondamentaux, ont été peu étudiés.

Lors de différentes réunions du GDR "PACEM", des discussions de la communauté scientifique française active dans le domaine des PAC basse température ont permis d’identifier clairement les verrous technologiques et scientifiques limitant l'exploitation de ces systèmes. Certains d’entre eux concernent directement les domaines d’activité des laboratoires en particulier des difficultés liées à la gestion de la chaleur et de l'eau dans les PEMFC.

L’optimisation des transferts thermiques est primordiale car il est nécessaire d'assurer un maintien à une température optimale du cœur de pile ; en effet cette température doit être suffisamment élevée (supérieure à environ 80°C) pour favoriser la cinétique des réactions électrochimiques à l'anode et à la cathode tout en ne dépassant pas une centaine de degrés pour limiter les dégradations de la membrane et prévenir son assèchement.

Le problème de la gestion de l'eau se pose en termes d'humidification des gaz à l'entrée du cœur de pile pour assurer une hydratation suffisante de la membrane polymère tout en évitant l’obturation des pores dans les milieux diffusifs (phénomène de flooding). Ces deux contraintes étant antagonistes, il est essentiel d’optimiser et de contrôler parfaitement l'évacuation de l'eau produite à la cathode.

Ainsi, il est essentiel d’établir et de valider par des modèles mono ou multidimensionnels, confrontés à des résultats expérimentaux, la nature des phénomènes de transfert (transferts de matière et transferts thermiques) qui prennent place dans les AME des PAC PEMFC. Il faudrait notamment chercher à établir les conditions dans lesquelles la chaleur et l’eau produite peuvent être extraites efficacement du système. 

Plus généralement, le projet de recherche devra intègrer les aspects suivants :

  • Développement de modèles des AME : cette tâche peut relever d’une approche fine multidimensionnelle, privilégiant la description géométrique des phénomènes de transfert (constriction, écoulements mono ou diphasiques) ou d’une analyse physique plus avancée reposant sur des modèles compacts mono-dimensionnels.
  • Instrumentation de prototypes de faible puissance et mise au point d’une métrologie spécifique innovante : en effet, on s’aperçoit rapidement que les moyens de mesure actuels n’autorisent pas une investigation satisfaisante des cœurs de pile PEMFC. 
  • Validation des modèles, identification de certains de leurs paramètres de fonctionnement et amélioration des règles de conception et de pilotage des piles PEMFC. L’existence de plusieurs modèles résultants d’approches complémentaires et de bancs-test de puissances variées permettra de comparer les valeurs de paramètres identifiés dans des conditions différentes et donc de se prononcer sur le caractère générique des modèles. Certaines propositions pour l’amélioration de la conception des AME et d’optimisations des performances des PEMFC pourront être mises en œuvre. 

Projet

Il a pour objectif trois actions complémentaires :

  • Mettre en place une chaîne robuste de caractérisation des propriétés électriques et thermiques des éléments constituant la pile. Les nouveaux matériaux envisagés sont complexes et, en particulier, anisotropes. Il faut donc adapter ou développer des techniques spécifiques d’identification tout en envisageant l'ensemble des couplages thermique-électrique-chimique et mécanique auxquels ils sont soumis. Cette action nécessite d'associer une importante partie théorique et numérique aux développements expérimentaux. 
  • A la suite de ces caractérisations fines, et sur la base des connaissances déjà acquises dans les actions précédentes (projet "Chameau" de l'ANR, projet « AMELI » du programme « Energie » du CNR, actions du GDR « PACTE »), il est aujourd’hui envisageable de construire un outil numérique (de conception virtuelle) couplant transferts thermiques, électrochimiques et actions mécaniques au sein de la PAC. Cet outil sera capable d‘appréhender le fonctionnement du système complet (pile ou stack). L’intérêt à terme est de pouvoir en optimiser le fonctionnement (performance ou durée de vie) en jouant sur la forme, le choix des matériaux ou l’architecture de la pile et du stack.
  • Valider les prédictions numériques du modèle par des mesures in-situ dans un cœur de pile en fonctionnement, à l'aide d'une métrologie spécifique.

 Optimisation énergétique des réseaux de capteurs

La maîtrise de l’énergie au niveau des bâtiments et la diminution de la consommation électrique des systèmes de communications, constituent des objectifs majeurs des politiques de développement durable. Nous proposons dans ce projet d’instrumenter à l’aide d’un réseau de capteurs appropriés une salle (ultérieurement un bâtiment) afin d’assurer la maîtrise et la gestion intelligente de l’énergie tant au niveau de la consommation électrique que des unités de production d’énergie de type solaire thermique et photovoltaïque. 

Au niveau du  réseau de capteurs, l’autonomie, axe important de ce projet, passe logiquement par une diminution de la consommation des noeuds du réseau et l’utilisation d’appoints énergétiques : la récupération d’énergie électromagnétique ambiante est voie d’étude. Cette consommation est conditionnée par les aspects protocoles de communications, intégration électronique et disposition logique et physique des noeuds du réseau.

Projet

Il concerne la gestion et la maîtrise des flux d’énergie. Le projet proposé se construit sur 3 niveaux imbriqués :

  • niveau 1 : l’objectif est de veiller à la minimisation de la consommation énergétique de ces nœuds par le choix des technologies adéquates pour appréhender les grandeurs physiques. Idéalement, il serait souhaitable d’avoir une autonomie énergétique de ces nœuds. Pour cela, nous développons des modules de récupération d’énergie ambiante RF que l’on souhaite coupler à des cellules photovoltaïques. Ces travaux s’appuient sur l’expérience du laboratoire dans le domaine du transport de l’énergie sans fil (TESF). La source RF est considérée comme un système d’appoint pour minimiser la taille du système de stockage de l’énergie au niveau d’un noeud. 
  • niveau 2 : au niveau d’un réseau, l’objectif est de veiller à l’adéquation entre protocole de communication ayant une qualité de service acceptable tout en assurant une faible consommation du réseau. L’accent sera mis sur la modification des protocoles de communications. Cette étude du protocole se fera sous une plateforme logicielle permettant de simuler un réseau de type MESH. 
  • niveau 3 : au niveau d’une salle ou d’un bâtiment, le but est de centraliser et de traiter les données physiques afin de modéliser et d’optimiser les flux énergétiques. Ces informations permettront de dimensionner les sources d’énergies renouvelables (photovoltaïques,…) et le stockage (pile à combustible,…) adéquats pour assurer l’autonomie énergétique du bâtiment. Nous démarrerons le projet d’étude de la gestion et de la maîtrise des flux énergétiques d’une salle informatique.  


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