La remise en question du mode de développement des sociétés humaines a, sur ces 40 dernières années, profondément transformé le contexte énergétique mondial, instaurant alors un nouveau cadre politique permettant l’essor spectaculaire des énergies renouvelables. Par ailleurs, si l’électricité apparaît comme un vecteur fondamental du développement humain, le contexte des populations majoritairement rurales d’Afrique subsaharienne incite à la recherche d’alternatives énergétiques adaptées. En substance, si les ressources renouvelables peuvent répondre de manière pertinente au défi de l’électrification décentralisée des zones rurales de la région, elles doivent également représenter une solution technique et économique crédible, avant d’être politique.La République de Djibouti, petit pays situé dans la corne de l’Afrique, symbolise parfaitement le défi socio-énergétique de l’ensemble de la région, et des populations rurales en particulier. Avec un pays pauvre en ressources traditionnelles mais présentant a priori un gisement solaire intéressant, nous avons alors privilégié l’étude des systèmes photovoltaïques (PV) dans le cadre de l’électrification décentralisée des populations rurales du pays. Comme d’autres ressources, ces systèmes, bien que reposant sur une technologie relativement ancienne, ont réellement pris leur essor au début des années 2000 avec les mesures incitatives du Protocole de Kyoto.Évaluer la pertinence de la technologie photovoltaïque nécessitait, dans un premier temps, d’estimer le niveau et la répartition de la ressource solaire au sein du pays. Pour cela, nous avons construit un atlas de l’irradiation solaire horaire incidente sur le territoire, pour la période 2008-2011, à partir d’un modèle satellitaire de rayonnement. Afin de valider les estimations issues de cet atlas, nous les avons comparées aux mesures in situ relevées par deux stations météorologiques temporaires déployées, entre 2010 et 2013, sur quatre sites présentant des caractéristiques distinctes. Finalement, la carte annuelle extraite de l’atlas a confirmé que le gisement solaire du pays, avec une irradiation moyenne de 5,87kWh/m² par jour, constituait l’un des plus importants au monde.Si les modèles utilisant des données satellitaires permettent de retrouver le flux solaire incident au sol, ils ne tiennent en revanche pas compte des effets du relief local sur ce dernier. Ainsi, afin de tenir compte des effets d’ombrage engendré par le terrain, nous avons développé une procédure dite de désagrégation, couplant l’utilisation d’un maillage numérique d’altitude aux cartes de rayonnement issues du modèle satellite. Pour ce faire, nous avons élaboré un modèle théorique pour retrouver l’horizon autour d’un point donné, et validé celui-ci à l’aide d’une campagne de mesures topographiques en Corse. En corrigeant ensuite le rayonnement à l’aide de cet horizon pour chaque pixel du maillage d’altitude, nous avons pu enrichir le niveau de l’information fournie par la cartographie de l’irradiation globale.Bien que le gisement solaire soit l’indicateur principal du potentiel photovoltaïque, il est également nécessaire de considérer des paramètres secondaires, éléments de technologie et caractéristiques environnementales, qui permettent d’évaluer avec précision l’énergie électrique produite par un système PV quelconque. En combinant l’utilisation de différents modèles, nous avons ainsi pu intégrer à l’estimation finale du productible l’influence du rayonnement et de la température sur le rendement de conversion d’un module photovoltaïque. Nous avons ainsi construit une cartographie du productible PV qui, couplée à une évaluation multicritère de la pertinence de la technologie PV vis-à-vis des alternatives énergétiques classiques en matière d’électrification rurale, est destinée à faciliter la prise de décision pour les différents acteurs, publics ou privés, du domaine de l’énergie. / Over the 40 past years, growth of renewable energies benefited of the new world energy frame, which resulted of the questioning about what development of human societies had to be. Furthermore, although human development comes with electricity, the rural condition of many populations of sub-Saharan Africa incites us to look for suitable power supply alternatives. Eventually, in this specific context, renewable energies can represent a reliable solution to the off-grid electrification of rural peoples. However, this solution has to be economical and technical, and not only political.The Republic of Djibouti is a little developing country located in the Horn of Africa which perfectly symbolizes the social and energy challenges of rural populations in Sub-Saharan Africa. Instability and limitation of the existing electrical grid, fuel cost and lack of fossil resources point to the geographically diffused solar resource as probably the best way to improve human development and reduce poverty of Djiboutian rural peoples. Therefore, we have considered the study of photovoltaic (PV) systems within the rural off-grid electrification frame.Firstly, in order to evaluate relevance of these systems, it was necessary to estimate level and repartition of the solar resource across the country. So we developed a solar atlas, i.e. cartography of the hourly solar irradiation reaching the ground, based on satellite-derived irradiance estimates retrieved between 2008 and 2011. For assessing the atlas quality, we compared irradiation estimates with ground measures retrieved on 4 different sites by 2 temporary weather stations deployed between 2010 and 2013. Finally, yearly map extracted from the atlas showed that, with a daily mean irradiation of 5,87kWh/m².day, the solar potential of Djibouti is one of the most significant in the world.Satellite models are useful for determining solar irradiance at ground level but they don’t take into account local topography effects. In order to incorporate these shading effects to the satellite-derived irradiance maps, and so improve irradiance accuracy and spatial resolution, we used a Digital Elevation Model (DEM). Firstly, this disaggregation process was based on the development of a new fast horizon algorithm which was assessed by means of topographic measures in Corsica Island. Then, by correcting irradiance with this horizon for each pixel of the DEM, we improved geographic information of the solar irradiation atlas.Although solar resource is the first indicator of the photovoltaic potential, other elements, as environmental parameters or endogenous characteristics of photovoltaic modules, also have to be taken into consideration for precisely estimating energy produced by a PV system. Hence, by means of different models, we evaluated influence of irradiance and temperature onto the conversion efficiency of a PV generator to finally retrieve the atlas of the PV potential across the country. In conclusion, by combining this cartography to a multi-criteria approach comparing relevance between PV systems and classical power supply systems within the rural electrification scheme, we developed the first photovoltaic decision making tool of the country intended for all officials who are acting in the energy field.

L'objectif principal de la thèse a donc été d'étudier les architectures (topologie de réseaux, mode de distribution, fonctionnement des sources d'énergie, etc) de réseaux de distribution possibles et adaptés au problème de l'électrification rurale. Le chapitre I expose le contexte de l'électrification rurale en détaillant tout d'abord les enjeux de l'électrification rurale pour un développement économique durable puis les ressources énergétiques de ces pays ainsi que les différentes architectures de réseaux existant. Un cahier des charges général de l'étude est enfin défini. Le chapitre II décrit la méthode de dimensionnement développée afin de comparer le coût de différentes architectures et de choisir la mieux adaptée. Le chapitre III montre une méthode permettant de dimensionner les systèmes d'Electrification Rurale Décentralisée comportant des groupes électrogènes, des batteries et des éoliennes. Le chapitre IV décrit les résultats d'une étude de fiabilité qui a été réalisée sur les différentes solutions développées. Le chapitre V décrit le travail réalisé pour analyser le fonctionnement d'un centre de production constitué par un groupe électrogène et une éolienne.

Le but de cette thèse est de développer une méthodologie permettant d’évaluer les performances et la durabilité des systèmes de production d’électricité par gazéification de biomasse en milieu rural en pays en développement. Cette thèse propose un cadre méthodologique général qui décrit les démarches visant: (1) à définir les critères d’évaluation de performance, (2) à choisir les méthodes ou modèles d’évaluation des critères et (3) à choisir la méthode permettant d’analyser la fiabilité de l’évaluation. A partir de ce cadre méthodologique, une méthodologie d’évaluation des systèmes de production d’électricité par gazéification de biomasse en Afrique de l’Ouest est développée. Quatorze (14) critères d’évaluation sont définis en prenant en compte les quatre dimensions de la durabilité (technique, économique, environnemental, social). Des modèles sont élaborés pour l’estimation de chacun des critères considérés. Le modèle d’évaluation global est appliqué sur un projet de système de production d’électricité par gazéification de biomasse au Burkina Faso. Douze (12) configurations de système sont évaluées pour satisfaire les mêmes profils de charge. Les résultats de simulation ont permis d’identifier d’un point de vue de l’opérateur et des consommateurs, la configuration qui permet de valoriser au mieux la ressource en biomasse locale disponible avec un coût d’électricité abordable et qui offre à l’opérateur une flexibilité relative pour s’adapter aux évolutions de la demande en énergie électrique / This thesis aims to develop a performance assessment methodology of power generation systems based on biomass gasification in a rural area case in developing countries. The general methodological framework of this thesis is described in the approaches as follow: (i) defining performance assessment criteria, (ii) selecting methods or models for assessing the criteria, and (iii) choosing the method of analyzing the reliability of the assessment. Based on this methodological framework, a methodology for the assessment of electricity generation by biomass gasification systems in West Africa is developed. Fourteen assessment criteria are defined by taking in account technical, economic, environmental and social aspects. Models are developed for the calculation of each criterion considered. The models are then applied to carry out a performance assessment of the electricity generation by biomass gasification project in Burkina Faso. Twelve (12) system configurations are studied to satisfy the same load profiles. Simulation results allowed identifying from the point of view of the operator and the consumers the configurations which give better valorization of biomass available with an affordable electricity cost and which offer to operator a relative flexibility to adapt to changes in electricity demand.

Le développement des systèmes énergétiques renouvelables et/ou conventionnels pour l’alimentation des zones décentralisées est confronté à de multiples barrières techniques, institutionnelles, socioculturelles et surtout financières. La solution défendue dans cette thèse est de rechercher des approches pour concevoir des systèmes durables et rentables, conditions requises pour le développement de l’électrification rurale par le secteur privé. L’analyse des différents critères économiques permet tout d’abord de définir plusieurs types d’équivalence entre critères économiques : équivalence décisionnelle, équivalence pour le dimensionnement optimal et équivalence pour le classement des solutions techniques. Cette première étude permet de démontrer que les 3 critères économiques habituellement utilisés (le LCOE, le taux de rentabilité interne, et le temps de retour sur investissement) aboutiront à des solutions techniques optimales différentes. Un modèle technico-économique est alors développé pour les systèmes hybrides PV/Diesel sans batteries de stockage en site isolé. Une application au site 2iE-K1 (Ouagadougou) permet de valider la conformité des modèles par comparaison au logiciel HOMER. On montre que les critères de taux de rentabilité interne maximum ou de temps de retour sur investissement minimum limitent l’investissement et le montant de la dette maximale. Plusieurs solutions optimales, dépendant du critère économique considéré, sont alors proposées pour un cas d’application réel : l’électrification de la localité rurale de Bilgo. Le travail réalisé au cours de cette thèse se situe donc dans la branche des outils de dimensionnement optimal et d’optimisation technico-économique des systèmes de production décentralisée d’énergie. / The development of renewable and / or conventional energy systems for power supply to decentralized areas faces many technical, institutional, socio-cultural and financial barriers. The solution recommended in this thesis is to look for approaches to design sustainable and cost-effective systems for the development of rural electrification by the private sector. An analysis of various economic criteria allows first to define several types of equivalence inter-linking them: equivalence for investment decision, equivalence for the optimal sizing and equivalence for ranking technical solutions. This first study shows that the three economic criteria usually used (levelized cost of energy, internal rate of return and discounted payback period) lead to different optimal technical solutions. A techno-economic model is then developed for off-grid batteryless PV/Diesel hybrid systems. An application to 2iE-K1 campus (Ouagadougou) has been done to validate the compliance of models compared to HOMER software. It shows that the maximum internal rate of return criteria or minimum discounted payback period criteria reduces the initial investment and the amount of the maximum debt. Several optimal solutions are then obtained, depending on economic criteria under consideration. The electrification of the rural community of Bilgo has been chosen for a real case study. The work carried out, through this thesis, could be classified in the category of optimal design and techno-economic optimization tools for off-grid energy production systems.

A Madagascar, la politique d’électrification rurale repose sur le partenariat entre les acteurs public et privé. Le modèle d’électrification y est essentiellement basé sur des systèmes décentralisés. De nos jours, ce secteur n’a pas encore prouvé sa pleine réussite. Le taux d’accès à l’électricité en zone rurale malgache demeure très faible. La plupart des recherches concernant l’efficacité des projets d’électrification porte sur les performances techniques et financières des systèmes de production. Très peu d’études s’intéressent aux questions relatives à l’impact socio-économique. La thèse vise à apporter une meilleure connaissance des mécanismes par lesquels l’électrification rurale joue sur le bien-être humain, dans le cadre d’une évaluation d’impact. L’analyse est abordée du point de vue de l’approche par les capabilités. L’exigence de ce cadre en termes de mesure des réalisations, et des réalisables qui ne sont pas supposés observables directement, demande une démarche méthodologique plus rigoureuse. Aussi, la thèse propose une combinaison d’approches différentes, qualitatives, quantitatives ainsi que de dynamique temporelle sur la base d’événements décrits par des enquêtes biographiques. La thèse met en évidence l’intérêt de resituer l’électrification rurale sur une trajectoire de vie autrement qu’un simple événement ponctuel. Les résultats révèlent que la hausse des capabilités constitue une condition nécessaire pour accéder à l’électricité. Cette source d’énergie renforce les capabilités des ménages ruraux en s’insérant dans une trajectoire de vie préétablie. Dans une moindre mesure, l’électrification rurale permet aux ménages pauvres d’initier une trajectoire ascendante. / In Madagascar, rural electrification policy is focused on the partnership between public and private actors. Decentralized system is mainly the model used to serve rural electricity needs. However, this sector hasn’t shown its full success. The rate of access to electricity remains very low in Malagasy rural area. Most research on the effectiveness of electrification projects concerns the technical and financial performances of production systems. Studies related to socio-economic impact are very few. The thesis aims to provide a better understanding on the mechanisms by which rural electrification influences human well-being, through an impact assessment. Evaluation is based on Sen’s capabilities framework. The empirical applications of this framework should provide more rigorous methodological approach. Therefore, a combination of different approaches, qualitative, quantitative and temporal dynamics is proposed. The thesis highlights the interest to place rural electrification on a life trajectory other than a one-time event. Results reveal that, the rise of capabilities is a condition for access to electricity. This energy enhances households’ capabilities by inserting in a predetermined trajectory. Findings demonstrate, to a lesser extent, that rural electrification allows poor households to initiate an upward trajectory.

Le Cambodge est un pays situé en Asie du Sud-Est, avec grand potentiel de ressources en énergies renouvelables. Même fort de ce potentiel, la puissance électrique actuellement installée n'est pas suffisante pour tout le pays. Environ 80% de la population vit dans les zones rurales et 75% des ménages sont sans réseau électrique. Ils utilisent une batterie, le moteur diesel, des bougies ou du kérosène pour l'éclairage, la télévision, les multimédia et autres appareils ménagers. Une minorité des citoyens, dans la partie nord utilise des modules pico hydro électriques acheté dans les pays voisins pour éclairage. Mais la tension de sortie et la fréquence ne sont pas vraiment stables en cas de modification de la charge ou de la vitesse de rotation de la turbine. La durée de vie des appareils électroménagers peut ainsi être réduite et des réparations locales sont nécessaires. Des millions de Cambodgiens ne peuvent pas accéder à l'énergie électrique en raison de deux facteurs principaux : les barrières technologiques et les coûts d'investissement élevés. Nos activités de recherche visent à éliminer ces barrières technologiques en concevant des systèmes de production d'énergie pico-hydroélectrique avec une installation rapide et peu coûteuse, simple et adaptée à une application locale tout en gardant une qualité de l'alimentation électrique satisfaisante. La première partie de cet ouvrage décrit la situation de l'énergie dans les zones rurales du Cambodge où les gens sont confrontés à un manque d'alimentation électrique. En conséquence, ils ne peuvent ni améliorer leur niveau de vie, ni développer leur communauté. Les villageois riches utilisent une batterie de voiture, des systèmes photovoltaïques ou pico-hydroélectriques alors que les villageois pauvres utilisent des bougies ou du kérosène pour l'éclairage. Des entreprises locales fournissent des solutions électriques basées sur des énergies renouvelables, mais les prix sont inabordables et loin de leurs attentes. Par conséquent, une solution originale est proposée dans cette thèse avec la récupération de composants électriques d'occasion en vue de la mise en œuvre d'un nouveau système de génération d'électricité pour les zones rurales isolées. Il s'agit ici d'innovation frugale pour le bas de la pyramide sociale. Les composants utilisés sont : machine asynchrone, alimentation sans interruption (UPS), alimentation de PC et d'autres équipements électroniques, etc. Ces composants recyclés peuvent être rassemblés pour former ainsi une solution technologique intéressante permettant de délivrer la puissance de sortie nécessaire. La deuxième partie de ce mémoire présente la modélisation de l'étage de puissance de la machine asynchrone triphasée utilisée comme un générateur asynchrone monophasé avec une phase d'excitation et les deux autres phases connectées en série pour alimenter la charge. Cette configuration est nommée 'Excited Induction Generator (EIG)'. / Cambodia is a country located in Southeast Asia, with its high potential of renewable energy resource. Even if this country has a high potential for renewable, the installed power is still not high enough to cover the whole country. About 80% of population living in rural areas and 75% of the households live without electricity. They survive by using battery, diesel engine, candle, kerosene for lighting, TV, multimedia and some other household appliances. A few of residents in northern part of the country use pico-hydro power units bought from neighbor countries in order to electrify their houses. In these systems, the output voltage and frequency are not really stable while the load under load or speed variations. Consequently, the lifetime of household appliances could be reduced or the items damaged and local repairs are needed. Moreover, millions of Cambodian people cannot access neither take an advantage from the available energy resources due to two main factors: technology barriers and high investment cost. This research aims to remove technology barriers by designing simple systems for pico-hydro power generation with fast and simple installation, suitable for local applications with high quality of electrical supply. The first part of this work briefly describes the energy situation in rural areas of Cambodia where people are facing the lack of electrical supply which. They cannot neither improve their living standard nor develop their community. Rich villagers use car battery, solar PV applications, pico-hydro power while poor villagers use candle/kerosene for lighting. Local enterprises can provide renewable energy solutions but the prices are unaffordable and far from their expectations. Therefore, an original solution is proposed in this thesis by using wasted electric and electronic equipment (second-life components) to form the new power generation systems for remote rural areas. This is frugal innovation to serve the bottom of the social pyramid. The used components are: induction machine, Uninterrupted Power Supply (UPS), power supply of a computer and other electronic equipment, etc. These wasted components can be arranged together to form a good solution with an interesting output power. The second part of this thesis presents the modelling of the power stage of three-phase induction machine as a single-phase induction generator by using one phase for excitation while the other two phases are connected in series to supply load, named "Excited Induction Generator (EIG)". Capacitor banks are added to EIG for compensating the reactive power. Capacitor values influence poles and zeros locations which are described and analyzed in the root locus according to the parameter variations. The third part of this thesis is devoted to onsite modelling of losses in induction machine. The method should achieve results simply, rapidly, without any prior information on the machine, in order to further integrate this model into energy optimization algorithms. Design of experiments is a good candidate. Experimental models of the total loss (iron loss and rotor copper losses) are proposed for motor operation and generator mode for different machines of different powers. The last part of this thesis describes output voltage/current response for both simulation results and experimental results of the induction generators. Proportional-integral and proportional-resonant controllers are tested. The implementation of closed loop controller is first achieved in an analog circuit and then, with dSPACE/MATLAB Simulink environment.

La R.D. Congo possède l’un de taux de desserte en électricité le plus faible au monde (moins de 1 % en zones rurales) malgré son important potentiel hydroélectrique estimé à 100.000 MW. Pour accroitre le taux de desserte en électricité en construisant des microcentrales hydroélectrique, il est impérieux d’utiliser une technologie simple, fiable, robuste et peu coûteuse. La turbine à vis d’Archimède apparait comme une solution appropriée à ces exigences. Nous avons ainsi conçu et fabriqué localement (à Lubumbashi) un banc d’essai d’une turbine à vis d’Archimède possédant seulement deux hélices et des pas larges (β = 30° et β = 45°). L’objectif étant de simplifier la fabrication et réduire la quantité d’acier utilisé pour la vis par rapport aux vis utilisées en Europe et aux U.S.A. Le banc d’essais nous a permis d’obtenir six configurations combinant la pente de la vis (α = 22,5°, 30° et 37,5°) et les pas. La combinaison la plus optimale est la configuration de la vis inclinée de α = 22,5° par rapport à l’horizontale et dont l’hélice est orientée de β = 45° sur le moyeu (p45H22).<p>En second lieu, vient la configuration de la vis inclinée de α = 30° et dont l’hélice est orientée de β = 45° sur le moyeu (p45H30). Ces deux configurations ont respectivement un rendement à débit nominal de 89 et 86 %./D.R. Congo has an electricity service rate that ranks as the lowest in the world (less than 1% in rural areas) despite its large hydroelectric potential estimated at 100,000 MW. To increase the rate of access to electricity by constructing small hydropower plant, it is imperative to use simple technology, reliable, robust and inexpensive. The Archimedean screw turbine appears to be an appropriate solution to these requirements. We have designed and manufactured locally (in Lubumbashi) a test bench for Archimedean’s screw turbines having two blades only and a large pitch p function of β ( β = 30 ° and β = 45 °, β being the orientation angle of the blade on the screw cylinder). The goal is to simplify manufacturing and reduce the amount of steel used for the screw relative to the screws used in Europe or in USA. The test bench has allowed the experiments with six configurations combining the slope of the screw (α = 22.5 °, 30 ° and 37.5 °) and the pitch p (with varying rotation speed). The optimal combination appeared to be the configuration of the screw inclined at α = 22.5 ° relative to the horizon and with an helix β = 45 ° on the cylinder of the screw. The second best configuration has an inclined screw α = 30 ° and the helix which is oriented β = 45 °. These two configurations each have a global efficiency of 89% and 86%, respectively. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished