2G08 PRODUCTION D'ENERGIE ALTERNATIVE - GED

Les finalités de l'UE

Cette Unité d'Enseignement (UE) s'attache à fournir aux étudiant.e.s des connaissances techniques, environnementales et économiques, dans les domaines de la production énergétique de type solaire, éolienne et thermique. Elle vise parallèlement à introduire les notions et les concepts généraux, ainsi que diverses méthodes relatives à l'optimisation numérique (principalement de type métaheuristique) en vue de familiariser l'étudiant.e avec les nombreux domaines d'application de l'optimisation, tant dans la sphères de l'ingénierie (avec un focus particulier sur l'énergie) que de la recherche opérationnelle.

Les compétences du profil cadre ciblées par cette UE sont les suivantes : 

• servir les enjeux de la transition socio-écologique (SA3) ; 
• gérer une collaboration professionnelle (SA4) ;
• développer un projet interdisciplinaire (SA5) ;
• assurer une expertise critique de recherche (SA6).

Le niveau de développement attendu relève du "renfort de la polyvalence" car cette UE se base sur plusieurs mises en situation réelle, complexe et liée aux contraintes du métier. Au travers d'un projet de groupe, cette UE vise à renforcer la capacité des étudiant.e.s à articuler les sciences technologiques, les sciences commerciales et la gestion de projet interdisciplinaire.

Les activités d’apprentissage visent à mobiliser des savoirs, savoir-faire et savoir-être avec les qualités suivantes (SA3, SA4, SA5 et SA6 du profil cadre) :

• en situant les différentes technologies de cogénération dans le contexte énergétique belge en argumentant et critiquant leur pertinence (SA3.1) ;
• en dimensionnant une unité de cogénération en prenant en compte les aspects environnementaux et économiques (SA3.5) ;   
• en s'impliquant dans les tâches d'une équipe (SA4.2) ; 
• en analysant les articulations entre l'ensemble des disciplines impliquées (optimisation numérique, sciences de l'ingénieur, finance, etc.) (SA5.1);
• en définissant les étapes, les méthodes et les objectifs du projet interdisciplinaire (SA5.2) ;
• en justifiant les choix posés à l'aide de connaissances scientifiques (S5.4) ;
• en documentant et en communiquant l’évolution du projet et les résultats obtenus (SA5.5) ;
• en définissant une problématique polytechnique (SA6.1) ;
• en se documentant via des références scientifiques valides (SA6.2) ;
• en proposant une méthodologie rigoureuse et adaptée à la problématique (SA6.3) ;
• en posant un regard critique sur les techniques et leurs impacts sur base de résultats probants, de théories et d'algorithmes pertinents (SA6.4). 

Les contenus de l'UE

Les enseignements dispensés dans cette UE se situent dans la continuité de ceux de la Thermodynamique, du Transfert de chaleur, et des Turbomachines. 

L'AA Energie solaire aborde les thématiques suivantes : 

• Impact environnemental de l’énergie.
• Evaluation économique des projets en énergie.
• Mécanisme de support aux énergies renouvelables.
• Calcul de l’irradiation solaire et estimation du potentiel solaire.
• Captation de l’énergie solaire.
• Les centrales solaires photovoltaïques.
  • Principes fondamentaux.
  • Etude de la photopile idéale.
  • Fonctionnement d’une cellule réelle.
  • Technologies photovoltaïques.
  • Exemple de calcul complet d’avant projet d’une photovoltaïque.
• Les récepteurs solaire plans.
  • Température d’équilibre.
  • Rendement d’un récepteur plan.
  • Technologie des récepteurs plans.
  • Exemple d’avant projet.
• Les centrales solaires thermodynamiques.
  • La concentration solaire.
  • Les récepteurs cylindro-paraboliques.
  • Les récepteurs paraboliques.
  • Les centrales à tour.
  • Exemple de calcul d’avant projet d’une centrale à tour.

L'AA Energie éolienne traite quant à elle les points suivants :

• Rappel historique de l'éolienne.
• Le potentiel énergétique éolien dans le contexte énergétique mondial.
• Le vent.
• Les différents types d'éoliennes (axe horizontal et vertical).
• Les constituants d’une éolienne.
• Les éoliennes domestiques.
• Les éoliennes de puissance (on-shore et off-shore).
• Approche numérique et logiciels, simulation, modélisation.
• Viste d'un site de production et/ou d'un fabricant d'éoliennes.

L'AA Cogeneration regroupe les contenus suivants :

• Rappels, notions de base et ordres de grandeur :
  • Grandeurs et unités principales liées à l’énergie.
  • Ordres de grandeurs liés à la consommation d’énergie.
  • Utilisation d’énergie finale et primaire.
• Contexte et enjeux :
  • Emissions de gaz à effet de serre et leur impact sur le climat.
  • Parts des systèmes de production d’énergies fossiles et durables et autres dans le système énergétique belge.
  • Marché de l’électricité, énergies renouvelables et certificats verts.
  • Enjeux climatiques et transition énergétique nécessaire suite à la COP 21.
• Cogénération :
  • Principe de base, modèle.
  • Fonctionnement et composants principaux.
  • Principaux types de cogénération.
  • Intégration hydraulique et éléments de dimensionnement des équipements.
  • Intégration électrique et autres aspects d’intégration.
  • Dimensionnement d’une unité de cogénération.
  • Permis, impact sur l’environnement et certificats verts.

L'AA Optimisation numérique se structure autour des objets suivants : 

• Introduction à l'optimisation.
• Historique et intérêt de l'optimisation dans l'ingénierie.
• Formulation mathématique d'un problème d'optimisation.
• Notions de fonction objectif, variable de conception, contrainte, optimum local et optimum global.
• Classification des problèmes : linéaire/non linéaire, quadratique, contraint/non contraint, dérivable/non dérivable,variable(s) continue(s) et/ou discrète(s), mono-objectif/multi-objectifs.
• Aperçu des méthodes déterministes : méthodes directes de programmation mathématiques (technique du gradient), méthodes d'approximation convexes (SQP, ConLin, etc.).
• Aperçu des méthodes métaheuristiques : algorithme génétique, recuit simulé, colonie de fourmis, etc.
• Exercices et projet de groupe.

Les acquis d'apprentissage visés par l'UE

Au terme de l'activité d'apprentissage (AA) Energie solaire, l'étudiant.e sera capable : 

• de comprendre et appliquer les différentes méthodes de calcul du potentiel énergétique solaire ;
• de maîtriser les différentes techniques de conversion en énergie thermique et électrique (photovoltaïque, solaire thermique, concentration solaire,…) et de dimenssionner ces installations en fonction des besoins et du potentiel énergétique disponible dans le cadre d’une étude d’avant projet ;
• d’estimer la rentabilité économique d’un projet spécifique et de quantifier son impact environnemental ;
• de comprendre les enjeux de l’intégration de l’énergie solaire dans un système énergétique complexe ;
• d'organiser un projet collectif de manière collaborative en respectant les contraintes opérationnelles ;
• documenter la réalisation du projet sous des formes attendues (notes de calculs, rapport scientifique) ; 
• présenter les résultats du projet sous des formes attendues (pitch, communication orale).

Au terme de l'AA Energie éolienne, l'étudiant.e sera capable : 

• de décrire les lois qui régissent le phénomène du vent ;
• de distinguer et d'analyser les différents types de technologie d’éolienne ;
• de discerner les paramètres aérodynamiques intervenant dans le dimensionnement des pales d’éolienne à axe horizontal ;
• de décrire les différentes technologies utilisées dans les éoliennes productrices d’électricité (constitution et déterminations des organes principaux) ;
• d'analyser les parcs on-shore et off-shore ;
• de simuler et étudier les performances de petites éoliennes disponibles au laboratoire.

Au terme de l'AA Cogeneration, l'étudiant.e sera capable : 

• de situer les différentes technologies de cogénération dans le contexte énergétique belge en argumentant et critiquant leur pertinence ;
• de dimensionner une unité de cogénération en prenant en compte les aspects environnementaux et économiques ;
• d'intégrer une unité de cogénération en dimensionnant et en mettant en plan les équipements hydrauliques et électriques ; 
• de rédiger et défendre oralement un rapport argumenté et sourcé rendant compte de la démarche, des différentes étapes et des résultats utiles du projet.

Au terme de l'AA Optimisation numérique, l'étudiant.e sera capable de :

• de formuler et de modéliser un problème d'optimisation en termes de variables de conception, de fonctions objectifs, et de contraintes ;
• de résoudre ce problème au moyen d'une implémentation algorithmique adéquate ;
• de discuter les hypothèses de modélisation et les résultats de calcul ; 
• d'organiser un projet collectif de manière collaborative en respectant les contraintes opérationnelles ;
• documenter la réalisation du projet sous des formes attendues (notes de calculs, rapport scientifique) ; 
• présenter les résultats du projet sous des formes attendues (pitch, communication orale).

Ces acquis d’apprentissage seront observés via les épreuves suivantes (dont les modalités sont détaillées ci-dessous) : 

• présentations intermédiaires de l'état d'avancement des projets ; 
• rapport scientifique final pour chaque projet ; 
• défenses orales des projets. 

Les méthodes d'enseignement-apprentissage

L'AA Energie solaire prend la forme d'exposés oraux (avec support sous forme de slides) et de questions/réponses avec l'auditoire. Un projet est prévu ; ce dernier permettra aux étudiant.e.s d’intégrer la complexité de la problématique liée au mix énergétique en combinant les connaissances acquises dans les 4 activités d’apprentissage. Ce projet concerne l’étude, le dimenssionnement et l’optimisation d’un système d’approvisionnement énergétique renouvelable sur un bâtiment spécifique existant.

L'AA Energie éolienne prend la forme d'exposés oraux (avec support sous forme de slides) et de questions/réponses avec l'auditoire. Au cours de ces séances, quelques exercices d'applications sont également abordés, ainsi que l'utilisation de logiciels en lien avec l'éolien. Certaines séances pourraient être consacrées aux présentations - par des intervenants extérieurs - de divers projets éoliens. En outre, la visite d'une éolienne en activité et/ou la visite d'un fabriquant belge d'éoliennes sont au programme (sous réserve de la possibilité d'intégrer ces visites à l'horaire).

L'AA Cogénération prend la forme d'un projet de dimensionnement et d'intégration d'une unité de cogénération. Des exposés oraux (en anglais) avec support sous forme de slides (en anglais) servent de ressource au projet. Durant ces séances, quelques exercices de dimensionnement de base d'une installation de cogénération sont également abordés. Enfin, la visite d'une installation de cogénération figure également au programme.

L'AA Otimisation numérique prend la forme d'exposés oraux (avec support sous forme de slides) et de questions/réponses avec l'auditoire. Durant ces sécances, une pédagogie de type problem based learning est mise en place : au moyen des problèmes réels, les enjeux de l'optimisation mathématique sont illustrés. Au cours des séances ex cathedra, divers exercices sont également proposés. Ceux-ci permettent à l'étudiant de fixer les notions théoriques précédemment enseignées. Le degré de complexité de ces exercices est croissant, de manière à les résoudre analytiquement dans un premier temps, puis à l'aide de logiciels informatiques. Ces séances offrent ainsi la possibilité d'approfondir des matières transversales telles que les mathématiques et l'informatique. Enfin, un important projet de groupe, dans lequel l'environnement MATLAB/OCTAVE (et le langage PYTHON) est utilisé de façon intensive, vient conclure le dispositif d'apprentissage. Ce projet constitue l'occasion de mettre en pratique un très grand nombre des notions abordées dans cette Unité d'Enseignement. 

Epreuve intégrée Energie solaire et Optimisation (NES&NOPT)

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'une présentation. Cette épreuve est individuelle et en équipe. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite, une formulation orale. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule à cours ouvert, avec un support (à projeter). La correction de cette épreuve est assurée par délibération d'une équipe d’enseignant.es.

Examen oral Cogénération (NCG)

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation écrite, une formulation orale. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule à cours fermé, avec des documents autorisés. La correction de cette épreuve est assurée par validation d'un.e enseignant.e.

Examen oral Energie éolienne (NEE)

Cette épreuve présente des modalités similaires pour toutes les sessions. Elle est organisée durant la session. Il s'agit d'un examen. Cette épreuve est individuelle. Concrètement, l'épreuve repose sur une formulation orale. L'épreuve repose sur des réponses longues, réponses courtes, réponses choisies parmi des propositions, formulations personnelles. Elle se déroule avec un support (à projeter). La correction de cette épreuve est assurée par validation d'un.e enseignant.e.