optimisation de systèmes énergétiques intégrés pour des ... - EPFL

OPTIMISATION DE SYSTÈMES ÉNERGÉTIQUES INTÉGRÉS POUR
DES SITES ISOLES EN CONSIDÉRANT LES PARAMETRES
ÉCONOMIQUES, D'ÉMISSIONS GAZEUSES,
DE BRUIT ET DE CYCLE DE VIE
PRESENTEE À LA FACULTE SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNEUR
Institut de physique de l'énergie
SECTION DE MECANIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Xavier PELET
ingénieur mécanicien diplômé EPF
de nationalité suisse et originaire d'Orbe (VD)
acceptée sur proposition du jury:
Prof. D. Favrat, directeur de thèse
M. J:C. Hadom, rapporteur
Prof. J.-J. Simond, rapporteur
Prof. B. Spinner. rapporteur
Lausanne, EPFL
2004

7 Résumé
Résumé
Actuellement les méthodologies de conception, de planification et de
gestion de sites énergétiquement intégrés permettant d'avoir une vue
d'ensemble de toutes les possibilités sont encore embryonnaires.
Pourtant cette première phase de la conception est cruciale pour
envisager une meilleure gestion des ressources et des diminutions de
consommation d'énergie et de pollution. Imaginer des sites
énergétiquement intégrés, implique la prise en compte de systèmes
complexes afin d'exploiter au mieux la synergie entre les composants
(par exemple l'énergie thermique d'un moteur fonctionnant la nuit
étant valorisée par le cycle de Rankine d'une installation solaire). Le
contexte du site isolé accroît encore les difficultés et les besoins de
rationaiisation compte tenu du fait que les ressources fossiles doivent
être transportées sur de longues distances. Ces sites sont souvent
situés dans des milieux très précaires, dans un environnement avec
des ressources limitées et/ou inexistantes, nécessitant souvent du
dessalement (zone aride).
Ce travail a comme but de montrer qu'il est possible de faciliter la
conception de sites énergétiquemen< intégré; sur la base d'une
approche holistique d'optimisation par superstructure (ensemble de
toutes les technologies envisagées) de type mono et/ou multiattributs
(ressources, exigences eau-énergie, émissions, coûts, qualité et
acceptabilité). L'approche proposée dans cette thèse permet d'identifier
de façon plus complète et cohérente les configurations intégrées les
plus prometteuses (dimensionnement, et prise en compte des aspects
temporels). Elle permet également de mieux structurer l'information
en vue d'approches de décision participative.
La superstructure considérée comprend les technologies suivantes:
des capteurs a concentration avec cycle de Rankine à fluide
organique, des moteurs utilisés en cogénération, des unités de
stockage thermique, des unités de refroidissement, des capteurs
photovoltaïques, des unités de dessalement. Chaque technologie est
caractérisée par un modèle physique de performances et d'émission et
par un modèle de coût spécifique. La superstructure est optimisée par
une méthode employant un algorithme évolutif (QMOO) permettant
d'optimiser plusieurs objectifs à la fois.
Les optimisations effectuées sont basées sur le critère économique
aussi bien que sur d'autres critères: les nuisances sonores engendrées
par les moteurs diesel, les émissions polluantes (CO2 et analyse de
cycle de vie) et les aspects liés à l'utilisation des ressources en eau. Le
critère mesurant la gêne due au bruit prend en considération la
répartition spatiale et temporelle de la population concernée. Son
utilisation permet de quantifier la nuisance engendrée par les moteurs

8 Résumé
en fonction de la localisation des moteurs et des autres technologies
choisies pour satisfaire la demande électrique du site. Les résultats
obtenus en considérant la gêne due au bruit, mettent en relation la
réduction de la gêne avec le surcoût engendré par des modifications
de configuration. Les autres optimisations réalisées tiennent compte
en particulier des principales émissions gazeuses. Ces dernières sont
agrégées par une analyse de cycle de vie (ACV) avec une agrégation et
une évaluation des dommages basée sur la méthode "Critical Surface
Time" (CST). L'ACV permet de considérer les émissions liées à la
fabrication, à l'utilisation et au démantèlement des technologies,
sachant que le premier et le dernier aspect peuvent être déterminants
pour les énergies renouvelables. Une adaptation de la méthode d'ACV
a été proposée pour mieux correspondre aux spécificités propres aux
sites isolés (faible population, etc...). L'adaptation proposée tient
compte de la spécificité de l'écosystème du site étudié et de la portée
géographique d'un polluant émis à un endroit donné. Les résultats de
l'ACV sont comparés a des optimisations prenant en considération
seulement le CO2 émis lors de l'utilisation des moteurs comme cela est
fait de façon plus classique et moins complète dans d'autres études.
Une extension de la problématique au-delà de l'approvisionnement
électrique a été réalisée en prenant en compte les besoins en eau des
sites isolés. Le problème auquel devait répondre cette nouvelle
optimisation était de connaître la relation qui existe entre une eau de
qualité, une solution acceptable pour les utilisateurs, la préservation
des ressources en eau de la région et le coût engendré par de telles
solutions. Pour tenir compte de ces aspects, un modèle de
dessalement par osmose inverse et un modèle de dessalement
thermique ont été rajoutés a la superstructure et quatre fonctions
objectifs mettant en avant des critères de qualité, de santé,
d0Ütilisation des ressources et d'acceptabilité ont été formulées.
Les optimisations réalisées ont été complétées par des analyses de
sensibilité et appliquées a un site isolé situé dans le Sahara tunisien.
Ce dernier comprend un village et des hôtels avec une demande
électrique et en eau journalière et mensuelle très fluctuante. Il est
éloigné à plus de 150 kilomètres de toute autre communauté. Deux
situations ont été étudiées à savoir la rénovation des systèmes
existants avec délocalisation possible de la (ou les) centrale(s) et un
cas de planification à neuf faisant abstraction des équipements
existants.
L'étude de cas réalisée avec une demande électrique fortement
variable met en évidence les difficultés économiques d'implantation de
systèmes de conversion d'énergie solaire et donne les seuils
économiques permettant leur implantation.

Abstract
Optimisation of integrated energy systems for remote
communities considering economic and LCA factors as weii as
gaseous and noise emissions.
Nowadays the methods of design, planning and management of
integrated energetic systems which dow an overaii view of aii
possibilities are still embryonic. However, this fust phase of the design
is crucial if we want to aim at a better resources management and at
the decrease of energy consumption together with reduced pollution.
Dealing with integrated energy systems implies dealing with complex
systems exploiting the synergy between the various components (for
example the thermal energy of a diesel engine produced during the
night is valonsed by the Rankine Organic Cycle of a solar thermal
plant). The context of isolated communities further increases the
difficulties and the needs for a more rational energy use considering
the long distance of transportation linked to the supply of fossil fuels.
These sites are often located in very precarious environments, with
limited or inexistent resources, and with additional requirements for
desalination (arid zones).
The aim of this work is to prove that it is possible to rationalize the
design of energy integrated systems with a holistic approach based on
a superstructure (collection of models of aii envisaged technologies)
and a mono or multi-objective optimisation (resources, demand, water
- energy, emission, costs, quality and acceptability). The approach
proposed in this thesis allows the identification of more complete and
more coherent integrated configurations characterizing the most
promising designs (also taking into account the time dependency
aspects). It also allows to better structure the information in view of a
participative decision approach.
The considered superstructure includes the following technologies:
parabolic troughs with Organic Rankine Cycle, diesel engine used in
cogeneration, photovoltaic, heat storage, cooiing tower, reverse
osmosis and thermal desalination. These modules mode1 the most
siFrsUf1cant parameters: thermodynamic behaviour, economic trends,
gaseous and noise emissions. Optimising such a superstructure while
simultaneouslv accounüng for cost, noise, pollution and time
availability is performed byva new evolutionq algorithm (QMOO) that
allows the simultaneous optimisation of several objectives.
The optimisations made, are based upon the economic critena as well
as upon other cnteria, such as: the noise disturbance due to the
diesel engines, the gaseous emissions (CO2 and Life Cycle Assessment)
and aspects linked to the use of water resources. The noise critena

takes into account the spatial and temporal distribution of the
concerned population. It calculates the noise disturbance according to
the localisation of the engines and of the other technologies used to
supply the electrical dem&d of the communiîy. The resdts obtained
taking into consideration the noise disturbance, link the noise
disturbance reduction with the supplementary cost due to the
modification of the configuration. The other optimisations take into
account in particular the main gaseous emissions. These are
aggregated with a life cycle assessment (LCA) based on the CST
method. The LCA aiiows to extend the considerations to the emissions
due to the construction, the use and the dismantling of the
equipment, knowing that the fwst and the last aspects can be decisive
for renewable technologies. An adaptation of the LCA method is also
proposed to better fit with the specific environment of remote
communities (smaii population, etc.. .). The proposed adaptation takes
into account the specifics regarding the site and of thege~gra~hical
range of the emitted poiiutants. The results of the LCA are compared
to other optimisations considering only the CO2 emitted when the
motors are actually in use; these studies being of a more classicai and
incomplete character.
An extension of the problematic beyond the power supply has been
reaüsed taking into account the water needs of some remote and
isolated sites. The problem to be faced by this new optimisation is to
know the relation between quality water, an acceptable solution for
the users, the preservation of the water resources of the region and
the costs. To take into account aii of these aspects, models of
desalination by reverse osmosis and MSF have been added to the
superstructure, and four objective functions (quality, health,
acceptability, resources) have been established.
The realized optimisations have been completed by a sensitivity
analysis and applied to a remote site in the Tunisian Sahara. This site
is made up of a village and hotels with strongly fluctuating electrical
and water demand. It is located some 150 kilometres from the closest
other community. Two situations have been studied: the retrofit of the
actual system with the possibility to move the diesel engines away
from the users and a study with a complete new design not
considering the existing equipment.
The case study in presence of a strongly variable electrical demand
highlights the economic difficulties to implant solar energy systems,
and give the economic threshold which would dow the
irnplementation.

11 Table des matières
NOMENCLATURE ............................................................................................................................... 15
1 . INTRODUCTION ...................................................................................................................... 22
1.1 DU GLOBAL AUX SïïES INTEGRES EN MILIEU SEMI-ARiDE ............................................................. 24
1.1. I Ressources en eau .......................................................................................................... 24
L'eau dans le monde ...................................................................................................................................... 24
Les ressources en eau dans le Maghre
Les ressources en eau d'un site isolé
1.1.2 L'énergie ......... . .... .
L'énergie dans le monde ........................ . ............................................................................................ 30
L'énergie dons le Maghreb ........................................................................................................................ 32
1.1.3 L'énergie d'rrii site isolé corilnie Ksar Ghilane .............. . ........................................ 33
1.2 ESQUSSE DE SOLUTIONS .............................................................................................................. 33
2 . METHODES ET OUTILS ......................................................................................................... 35
2.1 LA METHODOLOGE GLOBALE .............................. . ................................................................... 35
2.2 OUTILS METHOWLOGIQUES DANS CETTE THESE ........................................................ ........... 3 7
2.2.1 Modélisation des technologies retenires ......................................................................... 37
2.2.2 Approche indépendante de In structrire: la inéthode dir pinceii~ent ................................ 38
2.2.3 Méthodes d'opriinisorion 2 base de superstructure .... . ................................... 40
2.3 S~UATION DE CETIE RECHERCHE PAR RAPPORT A L'ETAT DE L'ART ............................................. 45
2.3.1 Niiaart.r d'optiniisatioii ................................................................................................... 45
2.3.2 Déconipositiori teniporelle .............................................................................................. 47
2.3.3 Travau'i réalisés et oirtils rrtilisés pour I'ol)tinrisatio~i par algorithnies évolutifs ........... 48
2.4 OFTIMISATION
................... ........................................
ADOPiEE DANS LE CADRE DE CE THESE . 51
3 . MODELISATION THERMOECONOMIQUE ....................................................................... 56
3.1 MOTEUR DESEI ............. . .......................................................................................... . ........... 56
3.1.1 Modèle ther~nodynaiiiiqrre .............................................................................................. 57
Camcréristiques au point nominal ................................................................................................................ 57
Caractéristiques 3 charge panielle ................................................................................................................ 61
Emissions son
3.1.2 Dispor
3.1.3 Modèle écoiioniiqrte: Coîrts d'investissement ................................................................. 63
Coûts des composants annexes ..................................................................................................................... 65
Coûts d'installation des moteurs diesel sans cogénémtion ................... . .................................................. 65
Coûts d'installation des nioteurs diesel employés en cogénération ............................................................. 65
Coûts d'installation des moteurs à gaz
65
Synthèse des coflts ............... . ..................................................................................................................... 66
3.1.4 Modèle économique: cofits d'opération et rrtainteitance ................................................. 67
3.2 PHOTOVOLTAIQUE ..................................................................................................................... 69
3.2.1 Modèle therniodynflrniqiie .............................................................................................. 69
3.2.2 Modèle écortoniique ................... . ............................................................................. 70
3.3 CYCLES DE RANKINE ........................ . ............................................................................ 73
3.3.1 Modèle tlier~~iodyriaiiiique .............................................................................................. 73
3.3.2 Modèle économiqire ....................................................................................................... 75
3.4 CAPTEURS CYLINDRO-PARABOLIQUES ....................................................................................... 76
3.4.1 Modèle theniiodynamique .............................................................................................. 77
..........................................................................................................

12 Table des matières
3.4.2 Modèle économiqire .................................................................................................. 78
3.5 STOCKS T~IERMIQUES ............................................................................................................... 82
3.5.1 Modèle thermodynaniiquc ........................................................................................... 82
3.5.2 Modèle écouomiqrre ....................................................................................................... 83
3.5.3 Modèle appliqué à la superstructure de Ksar Ghilane ............ . ................................ 84
3.6 TOURS DE RE~IDISSEM EM. ................................................................................................... 85
3.7 DESSALEMENT PAR OSMOSE INVERSE .................... . ............................................................... 89
3.7.1 Modélisation thennodynarniqire de I'osniose iwerse .......... . .............................. 90
3.7.2 Modélisation économique .............................................................................................. 94
Coût d'investissement des petites install;i

13 Table des matières
5.3.8 Optirnisariori avec normes de bruit di~éretites dans le village et les hôtels ................. 156
5.3.9 Optimisatiori avec des dernandes électriques identiques en pointe et moyennée .......... 157
5.3.10 Optin~isatiort avec des coûts de stockage thermique diminué de nioitié .................. 158
6 . ANALYSE DE CAS: CO2 ......................................................................................................... 160
6.1 SMULATION AVEC NOUVEAU DESIGN ...................................................................................... 160
6.2 O~ISATION RETROFiT DU SïïE ACTUEL .................................................................................. 164
6.3 INTERPRÉTATION DES R~SULTATS
........................ . ............................................................... 164
7 . ANALYSE DE CAS: ANALYSE DE CYCLE DE VIE ........................................................ 168
7.1 ACV PAR LA MCTHODE CST ........................................................................ . ................... 168
7.2 ACV ADAPTÉE ............................................................ . ................................................. 175
7.3 CONCLUSIONS SUR L'ACV ......................................................................................................... 178
8 . ANALYSE DE CAS: L'EAU ................................................................................................... 179
9 . CONCLUSIONS ....................................................................................................................... 189
ANNEXES
A ANNEXE: SITES INTEGRES EN MILlEU SEMI-ARIDE .............................................. 196
A.l SITUATION GEOGRAPHIQUE ET SOCIALE DU SITE DE KSAR GHILANE ................... 196
A.? METEO ................................................................................................................................ 197
A.3 SOURCES EN EAU DE KSAR GHILANE ................... . .......................................... 299
A.4 BESOINS ET EQUIPEMENT ELECTRIQUES DE KSAR GHILANE .............. . ............ 203
............................................................................
B : ANNEXE: FONCTIONS OBJECTIFS ,
206
H 1 I.AMESUKE DU HKUiT(HliKTIG . FAI.I.OTETA1 .. 1099) .................................... 700
R.2 hfETHOIX

Remerciements
Cette thèse sera jugée par certains pour ses qualités scientifiques, ses
recherches, son approche rigoureuse, les nouveautés qu'elle apporte à la
science. Pour ceux-ci j'ai écrit près de trois cents pages de texte avec
des équations, des graphes, des schémas expliquant le travail que j'ai
effectué durant toutes ces années. Je remercie le professeur Favrat
pour sa confiance, son appui et toute l'aide qu'il m'a apportés et la DDC qui
a soutenu ce projet. Je remercie également mes experts Spinner, Simond,
Hadorn, Giovanola de leur lecture critique, de leurs commentaires et
suggestions.
François, Anne, Roger, PA, Win, Janine, Diego ont lu et corrigé en partie
ce texte et je les en remercie également.
Mais pour d'autres, cette thèse représente autre chose parce qu'ils se
sont liés d'amitié avec son auteur durant son élaboration et sa rédaction
Je vais leur consacrer seulement deux pages. C'est peu pour des amis qui
ont été présents derrière chaque mot de ce travail. Si je devais faire
figurer une bibliographie des visages, des sourires, des pensées, des
paroles, des gestes qui m'ont été offerts durant toutes ces années de
recherche, cette thèse ne serait pas de 300 pages mais serait une
encyclopédie de l'amitié reçue. Sans leur présence chaleureuse, cette
thèse n'aurait jamais pu se terminer et n'aurait pas pris sa petite saveur
si particulière.
Cette thèse a débuté un peu par hasard. D'abord dans mon bureau au
LENI, un endroit où beaucoup de visages ont défilé durant ces années:
Nuria, puis Fred, Catherine, Fred, Carina, enfin Aline. Cet endroit restera
pour moi peuplé de discussions, d'entraide, de rires. Dans les bureaux
voisins, j'ai rencontré des personnes tout aussi sympathiques: Jordi, PA,
Sam, Diego, Brigitte, Felipe, Sébastien, Geoff, Adam, Yacine, Win,
Michele, Jurg, Roméo, Benoît, Francesca, Anne, Ahmed, Li, Nordhal, Marc,
Roger, Meinrad, Malick, Pierre, ... et certains étudiants dont j'étais
l'assistant ..., des collaborateurs devenus des amis. Que de discussions,
verrées mythiques et, pour les plus endurants, sorties by night et pour les
très résistants, sorties sport, gravées dans mon souvenir.
Puis un jour le professeur Favrat surgit dans mon bureau et me dit: "j'ai
un projet en Tunisie, ça vous intéresse?" Ainsi, d'autres horizons se sont
ouverts. Au cours de mes nombreux séjours dans ce pays, j'ai rencontré

Alex, Magaly, Roland, dont le regard neuf sur cette partie du monde m'a
beaucoup enrichi.
A leur tour, ils m'ont fait découvrir d'autres amis tout aussi précieux:
Anne, Amadou, Bettina, Janine, Anne, Bernard, Iris, Léonie, ...
Un grand merci à ma famille: mes parents, Fabienne, Odile, Serge,
Isabelle. Daniel, Mathieu, Sophie, Marie et ... sans oublier ces omis qui
étaient régulièrement à mes côtés: Sylvain, Isabelle, Sylvie, Cécile,
Marianne, Jérôme, Etienne, Micaël, Katia, LN, Marie-Claire, Nicole,
Renée, ...
Quiero también agradecer a mis amigos de Almeria con quien he pasado
tanto tiempo y en especial a Amelia, el sonreir de Andalucia, Bella como
parte de mi familia en Espafia, Mingo por sus historias, Cristobal por un
simpbtico compaKero de despacho, Pablo su dulzura sevillana, José por su
simpatia, Jorge por su ayuda en mis busquedas bibliogrhficas ...
Si un outre titre devait être donné à cette thèse, ce serait :
"Des années d'amitié et de rencontres, des années de découvertes ".