Plate Forme Technologique Energies Réparties Philippe DEGOBERT – Gérard BOIS

Descriptif de la thématique Ce projet s’inscrit dans le cadre de la thématique Efficience Énergétique et Environnement (Réseau 3E ParisTech) et dans le cadre de l’appel à projet Plate Forme Technologique (PFT) « Gestion des Systèmes Énergétiques et Réseaux électriques » soutenue par la Région Nord Pas-de-Calais. Cette PFT portée par le Pôle de Recherche Technologique Maîtrise Énergétique et Entraînement Électriques (MEDEE) est inscrite dans le Contrat de Plan État Région (CPER 2007-2013). Les industriels ci-dessous sont impliqués dans le montage de cette PFT au travers de projets appelés FUTURELEC (9 projets en cours).

Contexte : renouveau du réseau de distribution HTB HTA Turbines hydrauliques Piles à combustible Panneaux photovoltaïques Eoliennes Stockage µ-turbines gaz Compensation (D-FACTS)

Réseau de demain Réseau de distribution Compteurs Communicants Stockage à grande échelle (air comprimé ou électrochimique) Centrales de production d’énergie renouvelable Centrales de production classiques Liaisons HVDC Réseau de demain Réseau de distribution Compteurs Communicants bidirectionnels Centre de conduite distribution Parcs éoliens avec stockage inertiel Unités industrielles Transports ferroviaires et transports urbains Super condensateurs Quartiers résidentiels batteries Chaudières électrogènes photovoltaïques CHP Zone urbaine Micro turbines Photovoltaïque intégré en façade Éoliennes urbaines Pile à combustible et turbine Électrolyseur – stockage d’hydrogène Pile à combustible

Configuration actuelle de la Plate forme énergies réparties Centrales de production classiques Alternateur 15 kW Production d’énergie renouvelable MS PV Bancs 3kW MAS Charges Processus industriels Profil de charge Stockage Grande échelle EMULATEURS (production – charges – stockage) Réseau 15kV Y D Réseau de communication Contrôle déporté Centre de contrôle Réseau 400V Mini réseau alternatif Recopie de profil de production Ampli 15 kW Simulateur de réseau temps réel batteries Super Condensateurs 14,8F-390V Stockage inertiel Systèmes de stockage Éolienne urbaine 6kW Centrale PV 18kWc Production EnR Mini réseau alternatif Charges réelles 15kW

EMULATEURS (production – charges – stockage) Réseau 15kV Charges Processus industriels Stockage Grande échelle Production d’énergie renouvelable Centrales de production classiques Y D Profil de charge Bancs 3kW Réseau 400V MAS MS PV MS Alternateur 15 kW Contrôle déporté Mini réseau alternatif Ampli 15 kW Simulateur de réseau temps réel Centre de contrôle Réseau de communication Recopie de profil de production Stockage inertiel Super Condensateurs 14,8F-390V batteries Éolienne urbaine 6kW Centrale PV 18kWc Systèmes de stockage Production EnR Mini réseau alternatif Réseau de communication Charges réelles 15kW

Projet UniverSol : 5ème PCRD Partenariat : EDF, Iberdrola et 24 écoles et Universités Européennes Objectif : Montrer l’impact du photovoltaïque connecté au réseau dans les pays du Nord.

SIMULATEUR HYBRIDE TEMPS-REEL Interface de puissance Simulation Hybride SIMULATEUR HYBRIDE TEMPS-REEL Simulateur numérique Temps-Réel G Réseau modélisé Interface de puissance PARTIE ANALOGIQUE Equipement de puissance Tension réseau Capteur de courant CNA Boucle Temps-Réel Injecteur de courant piloté Courant mesuré CAN INTERETS : Test en puissance (2x15kWe) Créer des perturbations sur le réseau simulé Déterminer l'impact d'un équipement sur le réseau Tester cet équipement comme une "boite noire"

EMULATEURS (production – charges – stockage) Éolienne urbaine 6kW Réseau de communication Mini réseau alternatif Simulateur de réseau temps réel Centrale PV 18kWc batteries Charges réelles 15kW Y D Réseau 15kV Réseau 400V Recopie de profil de production Contrôle déporté Centre de contrôle Super Condensateurs 14,8F-390V Réseau de chaleur Moteur à Combustion externe (stirling) 4,5kWe Moteur à combustion interne 44kWe Micro turbines 30kWe échangeur de chaleur cogénération Ampli 15 kW Centrales de production classiques Alternateur 15 kW Production d’énergie renouvelable MS PV Bancs 3kW MAS Charges Processus industriels Profil de charge EMULATEURS (production – charges – stockage) Stockage Grande échelle inertiel Mini réseau alternatif Réseau de chaleur Systèmes de stockage Production EnR

EMULATEURS (production – charges – stockage) Réseau 15kV Charges Processus industriels Stockage Grande échelle Production d’énergie renouvelable Centrales de production classiques Y D Profil de charge Bancs 3kW Réseau 400V MAS MS PV MS Alternateur 15 kW Contrôle déporté Mini réseau alternatif Ampli 15 kW Simulateur de réseau temps réel Centre de contrôle Mini réseau continu Réseau de communication Recopie de profil de production Stockage inertiel Test de structures d’électronique de puissance Super Condensateurs 14,8F-390V Micro turbines 30kWe batteries Moteur à Combustion externe (stirling) 4,5kWe Éolienne urbaine 6kW Centrale PV 18kWc Moteur à combustion interne 44kWe Systèmes de stockage Production EnR Mini réseau cogénération Mini réseau alternatif échangeur de chaleur Mini réseau continu Réseau de communication Réseau de chaleur Réseau de chaleur Charges réelles 15kW

Plate forme régionale petite cogénération : Réseau de chaleur Moteur à Combustion externe (stirling) 4,5kWe/15kWth Moteur à combustion interne 44kWe/68kWth Micro turbines 30kWe/54kWth échangeur de chaleur Mini réseau cogénération Objectifs : - Supervision multi énergies - Minimisation des pollutions et de la consommation EIfER EIfER

Formations adossées à la recherche Mastère spécialisé Master de Recherche Energie Electrique et Développement Durable philippe.degobert@ensam.eu

Petite Cogénération Couplée Philippe DEGOBERT - Gérard BOIS Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS 2006 – 2009 Projet Recherche 09 Petite Cogénération Couplée au Photovoltaïque Philippe DEGOBERT - Gérard BOIS

Objectif général du projet Ce projet consiste à concevoir et superviser un système hybride multi sources de Générateurs d’Énergie Répartie (GER) associant une centrale photovoltaïque existante avec une centrale de petite cogénération multi machines afin d’une part, de pallier l’intermittence des sources photovoltaïques en journée, et d’autre part, de participer au service système lors des pointes journalières grâce à une gestion appropriée. Les résultats escomptés devraient participer au développement de systèmes hybrides combinant la petite cogénération à une centrale photovoltaïque au sein de l’habitat individuel et collectif sur le territoire National, et ainsi permettre de réduire la pointe d’appel de courant de 19h-21h. Une réflexion globale sur l’efficacité énergétique est menée actuellement au sein de Pas de Calais habitat afin de s’orienter vers des logements «  bâtiment basse consommation ou à énergie positive ». Le site pilote d’Equhien plage équipé d’une micro turbine instrumentée pouvant fonctionner en post-combustion servira de support au projet. 

Equipe Ecoulements tournants et turbulents Expertise du LML Equipe Ecoulements tournants et turbulents Les expertises de cette équipe concernent : Les modélisations des écoulements en compresseurs et turbines en régimes dégradés. Ces approches tendent à modéliser le comportement global d’une turbomachine sur la base de considérations physiques permettant de modéliser, par exemple, la courbe caractéristique d’une machine et d’en prévoir éventuellement son évolution dans le temps. Les études sur les instabilités de fonctionnement en régime hors nominal Les études concernant les phases transitoires de démarrage de machines.

Equipe Réseaux et Systèmes énergétiques Expertise du L2EP Equipe Réseaux et Systèmes énergétiques Les expertises de cette équipe concernent : Le développement de méthodologies de supervision intégrant des outils d’optimisation implicite et explicite dans le but d’augmenter l’efficacité énergétique, d’améliorer la qualité de la puissance générée et de fournir des services aux réseaux afin de contribuer à leur fiabilité. l’apport du stockage de l’énergie aux objectifs d’efficacité, de qualité et de services fournis aux réseaux suivant les technologies considérées et le type de gestion mis en œuvre. le développement de méthodologies d’expérimentation qui nécessite des moyens expérimentaux comprenant des systèmes multi sources - multi stockages.

Expertise commune du L2EP et du LML Objectifs Scientifiques: Modélisation dynamique multi physique des composants et interfaces en vue d'une représentation numérique - Supervision de centrale multi sources en vue d’une optimisation technico-économique de la production (système multi machines et couplage avec les EnR) Objectifs Pédagogiques: Donner accès aux étudiants à une plateforme technologique moderne et performante permettant de garantir des enseignements transversaux et développer parallèlement nos Masters - Renforcer les collaborations entre plusieurs laboratoires de l’Ecole et montrer l’ouverture vers d’autres partenaires

Les différentes phases du projet 1/3 Phase 1 : Équipement de la salle « cogénération » Analyse bibliographique concernant les micro-turbines de cogénération Problèmes d’échelle. Analyse des grandeurs significatives pour la prise en compte du problème Aspects monodimensionnels et tridimensionnels permettant une description correcte du comportement thermodynamique des turbines Pendant cette phase, l’équipement de la salle devant recevoir les matériels sera mis en œuvre. Cette phase sera essentiellement assurée par des prestataires extérieurs. Les techniciens et ingénieurs en poste au sein des deux laboratoires assureront une assistance technique et le suivi du chantier.

Les différentes phases du projet 2/3 Phase 2 : Installation des machines de petite cogénération Analyse fine des écoulements et des transferts thermiques Modélisation numérique puis analytique permettant de rentrer dans le cadre général de la supervision des systèmes multi sources La première machine sera le moteur à gaz, la micro turbine à gaz sera installée dans un second temps. Ces machines sont toutes deux des matériels industriels, il est nécessaire de les adapter pour en faire des équipements expérimentaux en y adjoignant nombre de capteurs (températures, débit …) non prévus dans la configuration d’origine. Toutes les informations issues de ces capteurs seront rapatriées sur une Centrale d’acquisition qui permettra de concentrer les données et de les mettre à disposition sur le réseau informatique interne de la PFT. Réciproquement, des points de consigne et, des ordres logiques de marche/arrêt pourront être fournis par le système de supervision de la PFT.

Les différentes phases du projet 3/3 Phase 3 : Phase opérationnelle Mise en place d’un logiciel capable de prédire les caractéristiques aéro- thermodynamique d’une petite turbine à gaz. Ce point sera une contribution importante pour réaliser la supervision du mini réseau ainsi créé en développant un dispositif de suivi et de régulation des systèmes énergétiques répartis combinés à la centrale photovoltaïque. Le personnel technique de l’ENSAM sera chargé d’assurer la maintenance et le suivi de l’installation. Un Ingénieur de Recherche a été recruté fin 2008 pour animer cette PFT en liaison avec les enseignants chercheurs et doctorants impliqués dans le projet.

Retombées attendues Obtention d’un système de démonstration pluri énergétique à échelle réelle et transposition des résultats obtenus en laboratoire sur un site de dimension industrielle (Pas de Calais Habitat). Participer au développement de systèmes hybrides combinant la petite cogénération à une centrale photovoltaïque au sein de l’habitat individuel et collectif sur le territoire National Jouer un rôle dans les programmes Européens sur les micros réseaux mettant en œuvre des systèmes hybrides de production dispersés et des systèmes de stockage

Bouygues signe un bâtiment à énergie positive à Lille Une filiale de Bouygues Construction va édifier à Lille un bâtiment à énergie positive qui abritera les Archives départementales du Nord. Un bâtiment qui sera «l’un des tout premiers à énergie positive de France». Ce projet d’un montant de 30 millions d’euros, sera mené par Norpac, filiale du groupe dans le Nord de la France. Il sera édifié à Lille, s’étendra sur 13.000 m² sur sept niveaux. Parmi les critères pris en compte pour diminuer les consommations énergétiques du futur bâtiment, l'isolation l'enveloppe du bâtiment sera renforcée et celle-ci sera étanche à l'air et à l'eau. Il sera aussi doté d’équipements et de technologies innovants et économes en énergie. L'isolation et les systèmes mis en œuvre devraient permettre d'atteindre un niveau de consommation d'énergie primaire de 12,9 kWh/m2/an. La chaleur et l'électricité seront produites par une unité de cogénération à l'huile végétale et 350 m2 de panneaux solaires photovoltaïques.

Simulation temps réel de la mini centrale Hybride

Deux scénarios étudiés

Production des microturbines

Production des éléments de stockage