AEROVOLT

Depuis plusieurs années, les conséquences du changement climatique se manifestent de manière extrême à travers le monde entier. Ses impacts se font ressentir, et s’accentuent, au travers des sécheresses, des inondations, des canicules, des tempêtes et des tremblements de terre à répétition dans plusieurs pays du monde. Afin de minimiser le réchauffement climatique, plusieurs gouvernements ont pris des engagements de réduction d’émissions de CO2 et des gaz à effet de serre. En conséquence, la construction de sources de production électrique et thermique renouvelables fait l’objet de nombreux investissements. La production photovoltaïque mondiale est passée de 32 TWh en 2010 à 1322 TWh en 2022, avec un prix divisé par 10 sur la période. Sur la même période, le nombre d'installations solaires thermiques dans le monde a doublé. Dans ce contexte, en Europe, la production de chaleur et de froid représente 50% de l’énergie globale nécessaire mais seulement 13 % de cette énergie est décarbonée. Ainsi il est encore nécessaire d’augmenter la production d’énergie électrique et thermique décarbonée tout en minimisant l’occupation des sols. Parmi les solutions techniques existantes, les panneaux photovoltaïques-thermiques (PVT) offrent des possibilités très prometteuses.

Porté par l’essor des technologies photovoltaïques les PVT ont connus un déploiement rapide et font depuis peu l’objet de recherche importante. En date du 8 juin 2024, l'Europe est la région leader mondiale pour la technologie PVT, avec 64 % des 1,6 million de m² de collecteurs PVT installés dans le monde. Les panneaux PVT sont des sources multiples d’énergie décarbonée sur un espace réduit. Ils sont constitués d’un panneau électrique superposé à un panneau thermique. Ils peuvent utiliser différents fluides pour transporter la chaleur. En mode de fonctionnement nominal, les performances électriques des PVT sont très bonnes. Cependant, elles se dégradent proportionnellement à l’augmentation de la température des cellules photovoltaïques. Le pilotage de ces panneaux hybrides, en particulier le contrôle du débit de fluide dans le panneau, s’avère alors nécessaire. Il reste malgré tout encore assez délicat. Le pilotage efficient des panneaux PVT permettant de réguler le refroidissement, la puissance thermique délivrée et le rendement en fonction de différentes contraintes et objectifs constitue un verrou scientifique important à relever. Par ailleurs, cette solution de production d’énergie est tout à la fois décentralisée et intrinsèquement intermittente. Le déploiement à large échelle de cette technologie peut avoir un impact important sur les réseaux, qu’ils soient électriques ou thermiques, et nécessite des mécanismes de stockage à différents horizons de temps ainsi qu’une stratégie de contrôle des productions. L’intégration dans les réseaux et le passage à l’échelle de cette solution doivent également être considérés et optimisés. Par ailleurs la diversité des compétences requises (expertise électrique, hydraulique/aéraulique) est encore un frein au large déploiement de cette solution.

De nombreux verrous scientifiques, technologiques et économiques sont à lever concernant l’intermittence des sources d’énergie renouvelable solaire et la grande variabilité des usages. Les équipements thermiques (capteurs solaires, systèmes de récupération d’énergie) disponibles sur le marché ont des rendements souvent faibles et leur utilisation plus large est liée à un coût de production qui doit rester maîtrisé. De plus, leur dimensionnement ne prend pas en compte les éventuels couplages et la variabilité des sources énergétiques et/ou des usages. Afin d’être géré de manière efficace en fonction de l’ensemble de ces paramètres opératoires difficiles à maîtriser, nous devons envisager l’association d’un équipement thermique avec une intelligence associée, débouchant ainsi sur un capteur doté de capacités d’autonomie, mais aussi d’interaction avec son environnement.

 Les verrous scientifiques identifiés à lever sont les suivants :

• Comment modéliser un champ de PVT en intégrant les dynamiques thermique et électrique des panneaux et composants associés ?

Comment contrôler un champ de PVT multi-énergies et répondre optimalement aux besoins des réseaux (électrique et thermique) locaux et nationaux tout en ayant le meilleur rendement énergétique ?

Un système PVT typique permet de convertir environ 15-20% de l’énergie solaire incidente en énergie électrique et jusqu’à 60% en énergie thermique valorisable. L’énergie électrique (Pelectrical) généré par le PVT dépend pour une très grande part du flux incident (Qsolar) mais aussi de la température du panneau (Tcell).  La température du panneau est le résultat des transferts thermiques entre les conditions atmosphériques extérieures mais également de la circulation du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur permet également de récupérer la chaleur du panneau (Qfluid) et de la rendre disponible à une température qui peut être contrôlée en sortie du PVT. Cette chaleur qui va être transporté à la sortie du panneau sera à une température dépendante des conditions de transferts thermiques à l’intérieur du canal hydraulique/aéraulique du panneau (conditions elles-mêmes fonction du débit du fluide caloporteur) et pourra être utilisé directement (chauffage ou application industrielle) ou stocké (Qstored).

La commande dépend beaucoup des conditions météorologiques (vitesse du vent, température, radiation...) qui sont très aléatoires. Le pilotage doit prendre en compte ces modifications à l'aide d'une commande adaptative et prédictive. Par ailleurs, la production électrique doit être gérée en fonction du profil de charge requis. Il y a donc besoin de piloter cette énergie électrique soit pour être stockée dans des batteries ou transformé en chaleur (pompe à chaleur/résistance à effet Joule) pour stockage thermique ou utilisation directe. Par ailleurs la qualité de la chaleur produite (niveau de température) impose des contraintes sur la commande. Les performances du panneau seul et a fortiori dans un environnement complexe (avec diverses contraintes de productions) sont très fortement dépendantes d’un pilotage précis. Le capteur PVT ne dois pas être considéré seul mais conjointement avec son algorithme de pilotage qui tous deux forment une technologie nouvelle.

 Tous ces impératifs antagoniques rendent le pilotage du système complexe et invite à considérer le couple PVT et son pilotage comme une technologie nouvelle.

Le projet vise l’étude d’un champ de capteurs solaires hybrides PVT à même de pouvoir réaliser une partie ou la totalité de la production d’un réseau de chaleur tout en respectant certaines contraintes opérationnelles liées au réseau électrique. Par exemple, la figure 4 présente un micro réseau électrique et thermique reliée au réseau électrique. Ce micro réseau est composé d’un champ de capteur PVT (électrique et thermique) équipé d’une solution de stockage thermique et raccordé à un réseau de chaleur. Le pilotage intelligent des productions thermique et électrique du micro-réseau permet une flexibilité importante permettant de s’adapter plus efficacement aux contraintes du réseaux électrique. En particulier en agissant sur des leviers tels que la puissance de refroidissement des panneaux (par ventilation/pompage de fluide caloporteur) ou la mise en marche de système de transformation de l’énergie électrique excédentaire (résistance électrique ou/et pompe à chaleur) et de solutions de stockage (thermique et électrique), le pilotage intelligent du système permet d’améliorer la performance et la flexibilité du réseau multi-énergie.

Le projet proposé s’inscrit dans un programme de recherche interdisciplinaire liant notamment les sciences de l’automatique et de l’énergétique visant à développer des outils d’analyse, de pilotage et d’optimisation de systèmes multi-énergies auto-adaptatifs intelligents et à haute performance environnementale. L’objectif scientifique général est de modéliser les micro-réseaux multi-Énergies à base d’énergie solaire afin d’optimiser leur fonctionnement et leur intégration au sein des réseaux électriques et les réseaux de chaleur. Le projet réunit trois laboratoires de trois établissements des hauts de France dans un projet multidisciplinaire : sciences du numérique, sciences de l’énergétique et génie électrique. La complémentarité des trois laboratoires permet de bénéficier de moyens numériques importants (cluster de calcul CHAPO IMTNE) et de plusieurs plateformes expérimentales à différents niveaux TRL (plateforme ALHEX IMTNE, plateforme SOLLAB UPJV, plateforme multisources ICAM) ainsi que de données réelles de réseaux multi-énergies (projet Interreg). Ainsi Les modèles développés (au niveau du panneau PVT) seront validés sur l’installation pilote SOLLAB du LTI à partir des données expérimentales collectées.

Cette étape de validation permettra également de quantifier les performances de l’intelligence de pilotage (algorithme de prédiction). La plateforme expérimentale de l’ICAM complétera cette étape de validation et de paramétrage des modèles pour l’optimisation de la modélisation et du pilotage. Enfin La problématique de la mise à l’échelle sur un champ de PVT sera abordée via l’utilisation de données issues de l’installation hybride PVT prévue à Fourmies dans le cadre du projet interreg NWE ACCU (ACcelerate energy CommUnities in cities via local solar electric and heat) qui démarre en janvier 2025 pour une durée de 4 années et dont l’UPJV et la ville de Fourmies sont partenaires. Soulignons que dans le cadre d’ACCU, et avec la collaboration de l’UPJV, il est envisagé l’installation à Fourmies d’une centrale PVT dont les données techniques et opérationnelles serviront au projet AEROVOLT.

La contribution de l'ICAM consiste à développer un jumeau numérique (digital twin) de  SOLLAB avec l'approche multiphysique REM sur le système PVT air et/ou PVT eau, convertisseurs, stockage et charges thermique et électrique.  L'objectif est de faire fonctionner SOLLAB en temps réel avec sa réplique virtuelle.