Soutenance mémoire
Ces dernières années, la part des énergies renouvelables dans l’offre énergétique mondiale ne cesse de croitre. Compte tenu de ces orientations, l’union européenne veut être un acteur majeur en finançant des projets dans les pays membres, pour développer ces énergies alternatives. Pour le cas de la France, la région Normandie est bien placée pour le développement de ces énergies nouvelles.
Le projet NEPTUNE (Nouvelles Energies pour la Transition Energétique) financé par la région Normandie avec un co-financement FEDER (Fonds européen de développement régional), et dans le cadre duquel ces travaux de thèse ont été effectués, s’inscrit dans le développement de la recherche académique normande au profit du développement économique régional dans le domaine des énergies renouvelables marines. Ce projet est présenté en deux phases (voir Figure 1) pour des raisons d’enveloppe financière. Une première phase NEPTUNE 1 qui concerne la réalisation de trois plateformes (Eolien, Hydro et Génération Electrique), et la phase 2 NEPTUNE2 concernera une plateforme mécanique, et un complément de la plateforme numérique ainsi qu’un volet pour l’aide à la métrologie et à l’instrumentation.
Cette thèse s’inscrit dans le projet Neptune1. Ce dernier est scindé en 4 tâches principales :
• Tâche 1 : Energie marine (LOMC-CORIA) [1], [2].
• Tâche 2 : Energie éolienne (CORIA).
• Tâche 3 : Génération d’électricité à partir de sources d’énergies renouvelables marines (GREAH) [3].
• Tâche 4 : Coordination et gestion du projet (CORIA).
Notre laboratoire GREAH s’occupe de la tâche 3. Cette tâche est composée à son tour en 3 sous tâches qui sont : définitions d’outils d’aide à la décision, le système de génération électrique, et la plateforme expérimentale modulaire. Cette thèse est particulièrement focalisée sur la sous tâche système de génération électrique. Le convertisseur électromécanique est l’un des composants le plus important de la chaine de conversion d’un houlogénérateur. La machine proposée pour cette application est une machine linéaire tubulaire à commutation de flux à aimants permanents. Cette structure est particulièrement intéressante dans le cas d’application houlogénrateur offshore. En effet, la partie mobile est entièrement passive, sans aimants, ni bobines, car ces derniers sont installés sur la partie fixe. Ce choix a pour objectif d’augmenter la maintenabilité et la fiabilité de la machine. De plus, les machines à aimants permanents ont une forte densité de puissance et une source d’excitation autonome.
ETAT DE L’ART SUR LES ENERGIES MARINES RENOUVELABLES ET SUR LES MACHINES LINEAIRES
Les énergies marines renouvelables EMR sont une alternative aux énergies fossiles. Ces dernières constituent actuellement 80% de la consommation énergétique mondiale, et représentent la première source d’émission de gaz à effet de serre, qui est responsable du réchauffement climatique et de ses conséquences (élévation du niveau de la mer, inondations et sécheresses, disparition de certaines espèces, etc.). En plus, les gisements se raréfient, et on tend vers l’épuisement du pétrole et du gaz naturel dans les années à venir [4]. Parmi les énergies marines renouvelables, l’énergie de la houle est la moins exploitée. Pourtant cette énergie est de 15 à 20 fois plus dense au mètre carré par rapport à l’énergie éolienne ou l’énergie solaire [5]. Selon le Conseil Mondiale de l’Energie (CME), environ 10% de la consommation mondiale pourrait être satisfaite via l’énergie des houlogénérateurs, mais hélas, la majorité des systèmes houlogénérateurs sont encore à l’étape de développement et ou de test.
Etat de l’art sur les énergies marines (les houlogénérateurs)
Énergies marines renouvelables
Par définition, les énergies marines renouvelables sont des énergies pouvant être extraites du milieu marin. Cette forme d’énergie est généralement utilisée pour la production de l’électricité. On distingue principalement les typologies suivantes [6] :
• L’énergie marémotrice due aux mouvements de flux et de reflux des marées ;
• L’énergie hydrolienne exploitant les courants marins ;
• L’énergie houlomotrice produite par le mouvement des vagues ;
• L’énergie thermique des mers exploitant les gradients de température entre les eaux de surface et les eaux profondes ;
• L’énergie osmotique basée sur les différences de salinité des eaux douces et salées ;
• L’éolien off-shore : éolien situé en mer sur des plateformes ancrées ou flottantes ;
• L’énergie de la biomasse marine.
L’énergie éolienne en mer
C’est l’exploitation de l’énergie du vent soufflant sur les étendues marines par des éoliennes qui sont capables de produire de l’énergie électrique. Cette dernière est exportée à terre via des câbles sous-marins. Selon l’agence internationale de l’énergie, une étude menée en 2000, montre que le potentiel européen techniquement exploitable est d’environ 313 TWh/an pour les sites qui sont à moins de 20 km de côtes, et de moins de 20 m de profondeur. Il faut ajouter la possibilité d’utiliser des éoliennes flottantes qui seraient ancrées sur le fond et pour lesquelles la limitation de profondeur est moins contraignante, ce qui augmente la quantité des ressources techniquement exploitables [9].
L’énergie thermique des mers (ETM)
Il s’agit d’utiliser une différence de température d’au moins 20°C entre l’eau de profondeur (6°C en seuil haut) et la surface (26 °C en seuil bas) pour produire de l’électricité, mais aussi de l’eau douce, du froid pour la climatisation, et des produits dérivés pour l’aquaculture suivant le type de processus (cycle ouvert ou fermé). Dans la zone intertropicale, la ressource mondiale théorique est estimée à 80000 TWh/an, en se basant sur un gradient de température de 20° C. Malheureusement, cette énergie théorique est très peu exploitée à cause de l’absence de consommateurs notamment dans la zone intertropicale pacifique. Un stockage à l’hydrogène est possible. En zones tempérées, cette énergie thermique peut être utilisée comme source de chaleur pour des installations de chauffage /climatisation [9]. Pour le cas de la France, l’énergie thermique des mers est une technique particulièrement adaptée dans les départements d’Outre-mer, où les gradients de températures entre les eaux de surface chaudes et les eaux froides en profondeur sont plus importants qu’en métropole [10]. Le principal projet français était le projet NEMO en Martinique, mais il a malheureusement été suspendu par un vote à l’assemblée de Martinique, les 3 et 4 avril 2018, avec une motion en défaveur de la poursuite du projet en raison de son coût, de sa faible production potentielle, et de son risque environnemental [11].
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART SUR LES ENERGIES MARINES RENOUVELABLES ET SUR LES MACHINES LINEAIRES
I.1. Introduction
I.2. Etat de l’art sur les énergies marines (les houlogénérateurs)
I.2.1. Énergies marines renouvelables
I.2.1.1. L’énergie éolienne en mer
I.2.1.2. L’énergie thermique des mers (ETM)
I.2.1.3. L’énergie des courants marins (hydrolienne)
I.2.1.4. L’énergie marémotrice
I.2.1.5. L’énergie des vagues
I.2.1.6. La biomasse marine
I.2.1.7. L’énergie des gradients de salinité (pression osmotique)
I.2.2. Théorie de la houle
I.2.2.1. Origine et définition de la houle
I.2.2.2. Caractéristiques de la houle
I.2.3. Les houlogénérateurs
I.2.3.1. Classification des houlogénérateurs
I.3. État de l’art des machines linéaires
I.3.1. Machines linéaires et systèmes mécaniques à mouvement de translation
I.3.2. Classification des machines linéaires
I.3.3. Effets 3D dans les machines linéaires
I.4. Conclusion
CHAPITRE II : MODELISATION MAGNETIQUE DE LA MACHINE LINEAIRE TUBULAIRE
II.1 Introduction
II.2 Etat de l’art sur la modélisation électromagnétique analytique
II.2.1 Modélisation analytique par la résolution formelle des équations de Maxwell
II.3 Modélisation semi-analytique par réseau de perméances
II.3.1 Présentation du réseau de perméances
II.3.2 Etat de l’art sur les réseaux de perméances issus de l’expertise
II.3.3 Etat de l’art sur réseau de perméances approche maillée
II.3.4 Prise en compte du mouvement dans le réseau de perméances
II.4 Modèles hybride d’une machine linéaire tubulaire
II.4.1 Introduction
II.4.2 Présentation du dispositif pour la modélisation
II.4.3 Modélisation analytique de la machine linéaire tubulaire en vue de couplage avec le réseau de perméances
II.4.3.1 Solution pour une « région i » air
II.4.4 Modélisation par réseau de perméances de la machine linéaire tubulaire en vue de couplage avec le modèle analytique
II.4.5 Couplage modélisation analytique et réseau de perméances
II.4.5.1 Principe de couplage
II.4.5.2 Couplage entre la région I et la région II
II.4.5.3 Couplage entre la région II et la région III : Pour r = R2
II.4.5.4 Couplage entre la région IV et la région V : Pour r = R3
II.4.6 Calcul de la force de détente
II.4.7 Prise en compte de la saturation magnétique
II.4.8 Résumé des expressions
II.4.8.1 Couplage région I et le circuit de perméances du translator
II.4.8.2 Couplage région III et le circuit de perméances du translator
II.4.8.3 Couplage région III et le circuit de perméances du stator
II.4.8.4 Couplage région V et le circuit de perméances du stator
II.5 Présentation du cas d’étude : Cas d’une machine linéaire tubulaire à commutation de flux 6/5
II.5.1 Calcul des performances de la machine linéaire à commutation de flux à aimants permanents en utilisant le modèle hybride
II.5.1.1 Détermination des inductions normales et tangentielles dans l’entrefer
II.5.1.2 Détermination de la force de détente
II.6 Etude de performances de la machine linéaire réelle
II.6.1 Réduction de la force de détente et étude des effets de bords de la machine linéaire à commutation de flux 6/5
II.6.1.1 Réduction de la force de détente
II.6.1.2 Effet de bords des machines linéaires
II.7 Etude du générateur linéaire tubulaire pour application houlo-génerateur
II.7.1 Validation du modèle 3D de la machine avec un maillage extrudé
II.7.2 Etude de l’effet de l’excentricité mécanique sur les performances électromagnétiques et mécaniques de la machine linéaire tubulaire
II.7.2.1 Effet de l’excentricité sur la force de détente
II.7.2.2 Effet de l’excentricité sur la FEM
II.7.2.3 Etude de l’effet des sections vides (amagnétiques) sur la FEM
II.8 Conclusion
CHAPITRE III : MODELISATION THERMIQUE DE LA MACHINE LINEAIRE TUBULAIRE
III.1 Introduction
III.2 Généralités sur les transferts thermiques
III.1.1 Conduction
III.1.1.1 La loi de Fourier
III.1.1.2 Chaleur et enthalpie
III.1.1.3 Équation de la chaleur
III.1.2 Convection
III.1.2.1 La convection forcée
III.1.2.2 La convection libre ou naturelle
III.1.2.3 La loi de Newton
III.1.2.4 Transfert de chaleur par circulation de fluide
III.1.3 Rayonnement
III.1.3.1 La loi de Stefan-Boltzmann
III.3 Etat de l’art sur l’étude thermique des machines électriques
III.3.1 Sources de chaleur dans les machines électriques
III.3.1.1 Les pertes dans les conducteurs électriques
III.3.1.2 Les pertes fer
III.3.1.3 Les pertes mécaniques
III.3.1.4 Effets de la température sur la machine électrique
III.4 Les méthodes numériques pour la modélisation thermique des machines électriques
III.4.1 Les méthodes numériques
III.4.2 La méthode nodale
III.4.2.1 La méthode nodale conventionnelle
III.4.2.2 Quelques variantes de la méthode nodale
III.5 Etude thermique d’un dispositif simple à mouvement de translation pour l’estimation de ses coefficients d’échanges thermiques convectives
III.5.1 Présentation du dispositif
III.5.2 Les campagnes de mesures
III.5.2.1 La première campagne de mesure : partie mobile fixe
III.5.2.2 La seconde campagne de mesure : partie mobile en translation
III.5.3 Modélisation thermique du dispositif d’étude
III.5.3.1 La méthode par éléments finis
III.5.3.2 La méthode analytique
III.5.3.3 Modèle par réseau nodal
III.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
