Variabilité du gisement solaire à La Réunion et en zone tropicale
Le gisement solaire est lensemble de données décrivant lévolution du rayonnement solaire disponible au cours dune période donnée. Ces données sont indispensables pour la conception, le dimensionnement, la réalisation, de systèmes énergétiques utilisant le flux solaire.
Avec les objectifs dinstallations 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 dune région est plus ou moins précise selon:
- la densité des stations pour lesquelles on a des données,
- le nombre dannées de mesures disponibles,
- le pas de temps des données ( mois, jour, heure ),
- la nature des données : durée densoleillement, composante directe et diffuse et globale du rayonnement solaire, albédo du sol
Sagissant 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 daction (anticyclone, cyclone), une augmentation de la nébulosité globale en région tropicale, une modification des courants atmosphériques peuvent avoir un impact majeur sur la quantité dénergie solaire disponible sous nos latitudes.
Projet
Dans un premier temps, il est proposé de mettre en uvre un système dinformation solaire au niveau local qui permettra laccès aux valeurs dynamiques des différentes composantes du rayonnement solaire. Le travail consiste à réactualiser lAtlas 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 dobtention, il y a une vingtaine dannées, à partir dinterpolation du premier ordre sur une base de station dobservation réduite.
Lapproche portera sur lextension de lapplication dun modèle de reconstitution de la pluviométrie en tenant compte du relief, développée par Météo-France. Ladjonction dune méthode des noyaux devrait permettre détendre ce travail pour le rayonnement solaire et de reconstituer sur des échelles spatiales réduites dun modèle numérique de terrain haute résolution (~1km).
Ce travail devrait permettre de mieux documenter La Réunion sur le gisement à haute résolution et daider les « solaristes » à mieux préciser les attendus en matière de ressources disponibles dénergie solaire convertible en énergie électrique via les systèmes de panneaux photovoltaïques en tout point de lîle.
Dans une deuxième étape, il est proposé détudier les facteurs influençants le gisement solaire, à laide 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 lhiver austral devrait permettre deffectuer des simulations à léchelle de lordre du km sur la Réunion.
La simulation de scénarii à long terme de laugmentation de la nébulosité, de la pluviométrie, la température, des vents et de lenvironnement régional devrait permettre de mieux quantifier les tendances en matière de ressource dénergie solaire dans notre région et également lévolution dautres sources dénergie tel que léolien.
Caractérisation, optimisation énergétique de cellules photovoltaïques
La progression du secteur solaire thermique et électrique à lîle 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 lhabitat 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 dun partenariat industriel sur le couplage dun 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 dune 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 laugmentation des rendements des PV par lutilisation dun 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 na pas aboutie. Nous recherche une autre possibilité de financement régional avec le concours de TEMERGIE.
Stockage de lénergie
Lhydrogène représente un vecteur dénergie prometteur lorsquil est obtenu à partir de sources dénergie renouvelable. Ce gaz de densité dénergie élevée, associé à une pile à combustible permet denvisager de nouvelles options technologiques aussi bien dans les domaines de lalimentation électriques des équipements portables, que dans le domaine du transport et celui du stockage tampon de lélectricité, 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 lévacuation de la chaleur, notamment dans le cas des véhicules légers, habituellement propulsés par des moteurs à combustion interne dont la température deau de refroidissement est de 20°C à 30°C supérieure à celle des PEMFC. Les débits très faibles deffluents gazeux contraignent le circuit de refroidissement interne de la pile à évacuer la quasi-totalité de la chaleur produite. Dautre part, la condensation éventuelle deau libère de la chaleur supplémentaire quil faut évacuer en permanence tout en garantissant les conditions dhydratation optimale du cur de pile. Enfin, la complexité des phénomènes de transfert de matière dans les PAC PEMFC est telle que jusquà 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 didentifier clairement les verrous technologiques et scientifiques limitant l'exploitation de ces systèmes. Certains dentre eux concernent directement les domaines dactivité des laboratoires en particulier des difficultés liées à la gestion de la chaleur et de l'eau dans les PEMFC.
Loptimisation des transferts thermiques est primordiale car il est nécessaire d'assurer un maintien à une température optimale du cur 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 cur de pile pour assurer une hydratation suffisante de la membrane polymère tout en évitant lobturation des pores dans les milieux diffusifs (phénomène de flooding). Ces deux contraintes étant antagonistes, il est essentiel doptimiser et de contrôler parfaitement l'évacuation de l'eau produite à la cathode.
Ainsi, il est essentiel détablir 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 leau 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 dune approche fine multidimensionnelle, privilégiant la description géométrique des phénomènes de transfert (constriction, écoulements mono ou diphasiques) ou dune analyse physique plus avancée reposant sur des modèles compacts mono-dimensionnels.
- Instrumentation de prototypes de faible puissance et mise au point dune métrologie spécifique innovante : en effet, on saperçoit rapidement que les moyens de mesure actuels nautorisent pas une investigation satisfaisante des curs 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. Lexistence de plusieurs modèles résultants dapproches 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 lamélioration de la conception des AME et doptimisations des performances des PEMFC pourront être mises en uvre.
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 didentification 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 aujourdhui 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 dappréhender le fonctionnement du système complet (pile ou stack). Lintérêt à terme est de pouvoir en optimiser le fonctionnement (performance ou durée de vie) en jouant sur la forme, le choix des matériaux ou larchitecture de la pile et du stack.
- Valider les prédictions numériques du modèle par des mesures in-situ dans un cur de pile en fonctionnement, à l'aide d'une métrologie spécifique.
Optimisation énergétique des réseaux de capteurs
La maîtrise de lénergie 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 dinstrumenter à laide dun réseau de capteurs appropriés une salle (ultérieurement un bâtiment) afin dassurer la maîtrise et la gestion intelligente de lénergie tant au niveau de la consommation électrique que des unités de production dénergie de type solaire thermique et photovoltaïque.
Au niveau du réseau de capteurs, lautonomie, axe important de ce projet, passe logiquement par une diminution de la consommation des noeuds du réseau et lutilisation dappoints énergétiques : la récupération dénergie électromagnétique ambiante est voie détude. 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 dénergie. Le projet proposé se construit sur 3 niveaux imbriqués :
- niveau 1 : lobjectif est de veiller à la minimisation de la consommation énergétique de ces nuds par le choix des technologies adéquates pour appréhender les grandeurs physiques. Idéalement, il serait souhaitable davoir une autonomie énergétique de ces nuds. Pour cela, nous développons des modules de récupération dénergie ambiante RF que lon souhaite coupler à des cellules photovoltaïques. Ces travaux sappuient sur lexpérience du laboratoire dans le domaine du transport de lénergie sans fil (TESF). La source RF est considérée comme un système dappoint pour minimiser la taille du système de stockage de lénergie au niveau dun noeud.
- niveau 2 : au niveau dun réseau, lobjectif est de veiller à ladéquation entre protocole de communication ayant une qualité de service acceptable tout en assurant une faible consommation du réseau. Laccent 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 dune salle ou dun bâtiment, le but est de centraliser et de traiter les données physiques afin de modéliser et doptimiser les flux énergétiques. Ces informations permettront de dimensionner les sources dénergies renouvelables (photovoltaïques, ) et le stockage (pile à combustible, ) adéquats pour assurer lautonomie énergétique du bâtiment. Nous démarrerons le projet détude de la gestion et de la maîtrise des flux énergétiques dune salle informatique.
