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Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Expérimentation et optimisation d’un prototype de centrale hybride solaire PV/Diesel sans batteries de stockage / Daniel YAMEGUEU NGUEWO
Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Expérimentation et optimisation d’un prototype de centrale hybride solaire PV/Diesel sans batteries de stockage : validation du concept « Flexy Energy » Type de document : texte imprimé Auteurs : Daniel YAMEGUEU NGUEWO Année de publication : 184p. Langues : Français (fre) Résumé : L’accès à l’énergie électrique reste une préoccupation majeure pour les pays de l’Afrique subsaharienne. En effet, près de 70% de la population de cette région n’ont toujours pas accès à l’électricité. La situation est plus préoccupante en zones rurales où on note pour la plupart des villages un taux d’électrification inférieur à 5 %. Par ailleurs, l’électrification rurale des pays au sud du Sahara est essentiellement basée sur des technologies telles que les générateurs Diesels, les systèmes photovoltaïques (PV) avec stockage dans des batteries d’accumulateurs ou même les systèmes hybrides PV/diesel avec stockage dans des batteries. Ces différentes technologies ne permettent pas à ce jour à l’électrification rurale d’être rentable.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la validation du concept « Flexy Energy » développé par le Laboratoire Energie Solaire et Economie d’Energie (LESEE) de la fondation 2iE. Ce concept consiste en la production décentralisée d’électricité via les centrales hybrides PV/diesel (gasoil et biocarburant) sans stockage d’énergie dans les batteries d’accumulateurs et avec une gestion intelligente de la production et des charges à alimenter. Les générateurs Diesel sont ainsi alimentés au gasoil ou au biocarburant dépendamment de la disponibilité de chaque type de carburant.
En particulier, la thèse étudie la faisabilité technique et économique de la production d’électricité à partir de ce genre de système. Une installation pilote, basée sur ce concept, constituée d’un groupe électrogène de 11,5 kVA couplé à un champ solaire PV de 2,85 kWc via un onduleur monophasé de 3,3 kW, a été mise en place dans le cadre de cette thèse.
L’étude expérimentale du prototype « Flexy Energy » (en fonctionnement au gasoil et par la suite à un biocarburant) a montré en premier lieu qu’une meilleure efficacité de ce type de système est atteinte en période d’ensoleillement important et en présence de charges élevées.
Cette situation permet en effet à chaque générateur (PV et Diesel) de fonctionner à son optimum. Cette partie de l’étude a fait ressortir la nécessité d’une gestion intelligente de la production et des charges au sein du système afin de toujours lui garantir une meilleure efficacité quelles que soient les conditions de charge. Ensuite, l’étude expérimentale a porté sur l’impact du générateur PV sur les paramètres électriques du réseau local (harmoniques en tension et en courant, déséquilibre de tension, surtension, etc.). Cette étude a montré que le générateur PV crée des surtensions localisées au niveau de sa ligne d’injection sur le réseau.
Toutefois, on a noté que même pour des pénétrations PV élevées l’onduleur ici utilisé n’engendre pas de pollutions harmoniques dans le réseau en dehors des valeurs permises.
Cette thèse s’est également intéressée à la modélisation des systèmes hybrides PV/Diesel sans stockage. Le travail réalisé ici se positionne comme un premier pas vers des applications numériques (solutions logicielles ou progicielles) en mesure de dimensionner et d’optimiser les systèmes hybrides PV/Diesel sans stockage avec une gestion intelligente de la production et des charges.
Abstract : Access to electricity remains a key issue for sub-Saharan African countries. Indeed, nearly 70% of the population of this part of the world doesn’t have access to the existing electricity grids. The situation is more catastrophic in rural areas where less than 5% of their population has access to electricity in most of the cases. Besides, the supply of electricity in these rural areas, far from any existing grids, is achieved using : diesel generators, solar PV systems with batteries or PV/Diesel systems with batteries. However, these options don’t yet make costeffective the rural electrification.
An original ‘‘Flexy Energy’’ concept of hybrid solar PV/Diesel power plant, without battery storage has been developed by the Solar Energy and Energy Saving laboratory (SEESL) of 2iE foundation. This concept consists of decentralized electricity generation trough hybrid solar PV/Diesel generators systems without energy storage in batteries and with a smart management of the energy production and loads in the system. The Diesel generators are eventually fueled either with gasoil or biofuel depending of the availabilty of each fuel.
The aim of this work is to study the technical and economical feasibility of the “Flexy Energy” concept. In this sense, an experimental prototype based on this concept has been set up. This facility consists of a PV array of 2.85 kWp coupled with a diesel generator rated at 9.2 kW via a single phase inverter of 3.3 kW.
First, the experimental study of the “Flexy Energy” prototype (fueled with diesel oil and afterwards with biofuel) shows that the system is efficient for periods of higher solar radiations and for higher loads. Indeed, this situation allows each generator (PV and Diesel) to operate in optimal way. This part of the study has pointed out the importance of a smart management of the energy production and loads in such a facility, in order to enhance its efficiency whatever are load conditions.
A second aspect of the experimental study has concerned the impact of the PV generator on the grid electrical parameters (voltage and current harmonic distortions, voltage unbalance, voltage rise,). Results of this study reveal that the PV generation causes the distribution feeder to shift toward higher voltages. However, it has been found that “well designed” inverters enable very small harmonic voltage and current distortions, which are in the range allowed by the standards, even for high levels of the PV penetration.
Finally, this work concerns the modeling of hybrid PV/Diesel systems without storage. The model developed is a first stage for numerical applications (software or software package), useful in the sizing and the optimization of such systems with a smart management of energy production and loads.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Expérimentation et optimisation d’un prototype de centrale hybride solaire PV/Diesel sans batteries de stockage : validation du concept « Flexy Energy » [texte imprimé] / Daniel YAMEGUEU NGUEWO . - 184p.
Langues : Français (fre)
Résumé : L’accès à l’énergie électrique reste une préoccupation majeure pour les pays de l’Afrique subsaharienne. En effet, près de 70% de la population de cette région n’ont toujours pas accès à l’électricité. La situation est plus préoccupante en zones rurales où on note pour la plupart des villages un taux d’électrification inférieur à 5 %. Par ailleurs, l’électrification rurale des pays au sud du Sahara est essentiellement basée sur des technologies telles que les générateurs Diesels, les systèmes photovoltaïques (PV) avec stockage dans des batteries d’accumulateurs ou même les systèmes hybrides PV/diesel avec stockage dans des batteries. Ces différentes technologies ne permettent pas à ce jour à l’électrification rurale d’être rentable.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la validation du concept « Flexy Energy » développé par le Laboratoire Energie Solaire et Economie d’Energie (LESEE) de la fondation 2iE. Ce concept consiste en la production décentralisée d’électricité via les centrales hybrides PV/diesel (gasoil et biocarburant) sans stockage d’énergie dans les batteries d’accumulateurs et avec une gestion intelligente de la production et des charges à alimenter. Les générateurs Diesel sont ainsi alimentés au gasoil ou au biocarburant dépendamment de la disponibilité de chaque type de carburant.
En particulier, la thèse étudie la faisabilité technique et économique de la production d’électricité à partir de ce genre de système. Une installation pilote, basée sur ce concept, constituée d’un groupe électrogène de 11,5 kVA couplé à un champ solaire PV de 2,85 kWc via un onduleur monophasé de 3,3 kW, a été mise en place dans le cadre de cette thèse.
L’étude expérimentale du prototype « Flexy Energy » (en fonctionnement au gasoil et par la suite à un biocarburant) a montré en premier lieu qu’une meilleure efficacité de ce type de système est atteinte en période d’ensoleillement important et en présence de charges élevées.
Cette situation permet en effet à chaque générateur (PV et Diesel) de fonctionner à son optimum. Cette partie de l’étude a fait ressortir la nécessité d’une gestion intelligente de la production et des charges au sein du système afin de toujours lui garantir une meilleure efficacité quelles que soient les conditions de charge. Ensuite, l’étude expérimentale a porté sur l’impact du générateur PV sur les paramètres électriques du réseau local (harmoniques en tension et en courant, déséquilibre de tension, surtension, etc.). Cette étude a montré que le générateur PV crée des surtensions localisées au niveau de sa ligne d’injection sur le réseau.
Toutefois, on a noté que même pour des pénétrations PV élevées l’onduleur ici utilisé n’engendre pas de pollutions harmoniques dans le réseau en dehors des valeurs permises.
Cette thèse s’est également intéressée à la modélisation des systèmes hybrides PV/Diesel sans stockage. Le travail réalisé ici se positionne comme un premier pas vers des applications numériques (solutions logicielles ou progicielles) en mesure de dimensionner et d’optimiser les systèmes hybrides PV/Diesel sans stockage avec une gestion intelligente de la production et des charges.
Abstract : Access to electricity remains a key issue for sub-Saharan African countries. Indeed, nearly 70% of the population of this part of the world doesn’t have access to the existing electricity grids. The situation is more catastrophic in rural areas where less than 5% of their population has access to electricity in most of the cases. Besides, the supply of electricity in these rural areas, far from any existing grids, is achieved using : diesel generators, solar PV systems with batteries or PV/Diesel systems with batteries. However, these options don’t yet make costeffective the rural electrification.
An original ‘‘Flexy Energy’’ concept of hybrid solar PV/Diesel power plant, without battery storage has been developed by the Solar Energy and Energy Saving laboratory (SEESL) of 2iE foundation. This concept consists of decentralized electricity generation trough hybrid solar PV/Diesel generators systems without energy storage in batteries and with a smart management of the energy production and loads in the system. The Diesel generators are eventually fueled either with gasoil or biofuel depending of the availabilty of each fuel.
The aim of this work is to study the technical and economical feasibility of the “Flexy Energy” concept. In this sense, an experimental prototype based on this concept has been set up. This facility consists of a PV array of 2.85 kWp coupled with a diesel generator rated at 9.2 kW via a single phase inverter of 3.3 kW.
First, the experimental study of the “Flexy Energy” prototype (fueled with diesel oil and afterwards with biofuel) shows that the system is efficient for periods of higher solar radiations and for higher loads. Indeed, this situation allows each generator (PV and Diesel) to operate in optimal way. This part of the study has pointed out the importance of a smart management of the energy production and loads in such a facility, in order to enhance its efficiency whatever are load conditions.
A second aspect of the experimental study has concerned the impact of the PV generator on the grid electrical parameters (voltage and current harmonic distortions, voltage unbalance, voltage rise,). Results of this study reveal that the PV generation causes the distribution feeder to shift toward higher voltages. However, it has been found that “well designed” inverters enable very small harmonic voltage and current distortions, which are in the range allowed by the standards, even for high levels of the PV penetration.
Finally, this work concerns the modeling of hybrid PV/Diesel systems without storage. The model developed is a first stage for numerical applications (software or software package), useful in the sizing and the optimization of such systems with a smart management of energy production and loads.Exemplaires(0)
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DanielAdobe Acrobat PDF Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Exploration of Non-Linear and Non-Stationary Approaches to Statistical Seasonal Forecasting in the Sahel / Abdouramane GADO DJIBO
Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Exploration of Non-Linear and Non-Stationary Approaches to Statistical Seasonal Forecasting in the Sahel Type de document : texte imprimé Auteurs : Abdouramane GADO DJIBO Année de publication : 2016 Importance : 303p. Langues : Français (fre) Résumé : La gestion des ressources en eau dans la région du Sahel, en Afrique de l'Ouest, est extrêmement difficile en raison de la forte variabilité interannuelle des précipitations ainsi que de la dégradation générale de la disponibilité de l'eau dans la région. Les changements observés dans les débits perturbent directement les activités socio-économiques clés telles que l'agriculture, une des principales sources de subsistance pour la population ouest-africaine. La prévision saisonnière des précipitations offre la possibilité d'accroître la résilience à la variabilité climatique en fournissant des informations à l'avance sur la quantité de pluie qu'on peut espérer pour la saison des pluies à venir. De plus, la disponibilité d'informations fiables sur la quantité des écoulements quelques mois avant la saison des pluies serait immensément bénéfiques pour les utilisateurs de l'eau qui pourront ainsi planifier leurs activités. Depuis les années 90, plusieurs études ont tenté d'évaluer la prévisibilité des caractéristiques de la pluviométrie sahélienne, et de développer des modèles de prévision saisonnière de précipitations et de débits pour aider les parties prenantes à prendre de meilleures décisions. Malheureusement, deux décennies plus tard, les méthodes de prévision saisonnière sont encore peu fiables et les prévisions ont une valeur pratique limitée pour la prise de décision. La faible performance dans la prévision saisonnière serait partiellement due aux limitations des prédicteurs et des approches de prévisions couramment utilisées pour cette région. Dans cette thèse, des nouvelles approches de prévision saisonnière ont été développées et des nouveaux prédicteurs sont testés avec pour objectif de prédire la quantité de précipitations saisonnières sur le bassin versant de la Sirba, un cours d'eau situé à cheval entre le Niger et le Burkina Faso, en Afrique occidentale. Un groupe de 84 prédicteurs ayant des liens physiques avec la mousson ouest-africaine et avec sa dynamique ont été sélectionnés. Le chopix de ces prédicteurs est aussi basé sur le temps de latence optimal entre leur observation et la saison des pluies estimé en utilisant une combinaison de méthodes statistiques. La dimension des vecteurs de prédicteurs a d'abord été réduite grâce à une analyse de corrélation linéaire avec des précipitations estimées par satellite sur la région ouest-africaine. L'analyse de corrélation et l‘analyse en composantes principales ont été utilisées pour ne retenir que les composantes principales prédictives élevées. Un modèle de régression linéaire a été utilisé pour obtenir des prévisions saisonnières et le modèle a été évalué afin de classer les prédicteurs par ordre de performance. Les trois meilleurs prédicteurs, soient la température de l'air (du Pacifique tropical Nord), la pression du niveau de la mer (de l'Atlantique tropical sud) et l'humidité relative (à partir de la Méditerranée orientale) ont été retenus et utilisés ensemble comme entrées pour les modèles de prévision des précipitations saisonnières.
Dans cette thèse, des hypothèses de stationnarité et de linéarité ne sont pas émises comme c'est le cas dans la plupart des méthodes de prévision saisonnière:
1. Deux méthodes probabilistes non stationnaires basées sur la détection de ruptures ont été développées et ensuite testées. Chaque méthode utilise un des trois prédicteurs sélectionnés. Le modèle M1 permet un changement de valeur des paramètres du modèle linéaire en fonction de l'amplitude des précipitations annuelles, tandis que M2 permet des changements de valeurs des paramètres du modèle linéaire avec le temps. M1 et M2 ont été comparés au modèle linéaire classique avec paramètres constants (M3) et à la climatologie (M4). Le modèle qui permet un changement dans la relation pluie-prédicteur selon l‘amplitude des précipitations (M1), et utilisant AirTemp comme prédicteur a obtenu le meilleur score pour la prévision saisonnière des précipitations dans la zone d'étude.
2. Des modèles non-linéaires, y compris les arbres de régression, le réseau de neurones, et l‘analyse en composantes principales non-linéaire ont été mises en oeuvre et testées pour prévoir les précipitations saisonnières en utilisant les mêmes prédicteurs. Les performances en prévision ont été comparées en utilisant le coefficient de détermination, le coefficient de Nash-Sutcliffe et le score de taux de succès. L'analyse en composantes principales non-linéaire était le meilleur modèle non-linéaire (R2: 0,46; Nash: 0,45; HIT: 60,7), tandis que le réseau de neurones et les modèles d'arbres de régression ont de résultats médiocres.
Toutes les méthodes de prévision des précipitations développées ont ensuite été utilisées pour la prévision des débits annuels moyens saisonniers et des débits maximum mensuels en introduisant les précipitations prédites dans un modèle SWAT du bassin versant de la Sirba. Les résultats sont résumés comme suit:
1. Modèles non stationnaires: Les modèles M1 et M2 ont été comparés aux modèles M3 et M4. Les résultats obtenus ont révélé que le modèle M3 en utilisant RHUM comme prédicteur avec un temps de latence de 8 mois a obtenu le meilleur score pour les prévisions des débits annuels moyens saisonniers. Le modèle M1 en utilisant AirTemp comme prédicteur à un temps de latence de 4 mois est le meilleur modèle pour prédire les débits mensuels maximaux dans le bassin versant de la Sirba. En outre, le modèle SWAT calibré atteint une valeur NASH de 0,83.
2. Modèles non-linéaires: Les précipitations saisonnières obtenues à partir du modèle d'analyse en composantes principales non-linéaire ont été désagrégées au pas de temps journalier en utilisant la méthode du fragment, puis introduites dans le modèle hydrologique SWAT pour générer des débits. Cette prévision était assez acceptable avec une valeur Nash de 0,58.
L'évaluation du niveau de risque associé à chaque prévision saisonnière a été réalisée en utilisant une mesure simple de risque: la probabilité de débordement des digues de protection contre les inondations à Niamey, au Niger. Un modèle hydro-dynamique HEC-RAS du fleuve Niger de part et d'autre de Niamey a été développé en utilisant les données de débit de la période 1980-2014; une analyse de copules a été utilisée pour modéliser la structure de dépendance entre les débits et de prédire la répartition des débits à Niamey compte tenu de l'écoulement prévu sur le bassin versant de la Sirba. Finalement, les probabilités de déversement au-dessus des digues ont été estimées pour chaque année de la période 1980-2014. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés comme un moyen d'évaluer et d'améliorer la performance de la prévision saisonnière au Sahel. Les travaux ont confirmé clairement la possibilité d‘améliorer la prévision des précipitations et débits dans le bassin versant de la Sirba à l'échelle de temps saisonnière en utilisant des prédicteurs autres que les températures à la surface des mers.
Abstract : Water resources management in the Sahel region, West Africa, is extremely difficult because of high inter-annual rainfall variability as well as a general degradation of water availability in the region. Observed changes in streamflow directly disturb key socioeconomic activities such as agriculture sector which constitutes one of the main survival pillars of West African population. Seasonal rainfall forecasting is considered as one possible way to increase resilience to climate variability by providing information in advance about the amount of rainfall expected in each upcoming rainy season. Moreover, availability of reliable information about streamflow magnitude a few months before a rainy season will immensely benefit water users who want to plan their activities. However, since the 90s, several studies attempted to evaluate the predictability of Sahelian characteristics and develop seasonal rainfall and streamflow forecasts models to help stakeholders take better decisions. Unfortunately, two decades later, forecasting skills are still low and forecasts have a limited value for decision making. It is believed that the low performance in seasonal forecasting is due to the limit of commonly used predictors and forecast approaches for this region. In this study, new seasonal forecasting approaches were developed and new predictors tested in an attempt to predict the upcoming seasonal rainfall amount over the Sirba watershed located in between Niger and Burkina Faso, West Africa. A pool of 84 predictors having physical link with the West African monsoon and its dynamics were selected with their optimal lag time using combined statistical methods. They were first reduced through a screening using linear correlation with satellite rainfall over the West African region. Correlation analysis, principal component analysis were used to keep the high predictive principal components. A linear regression was used to get synthetic forecasts and the model was assessed to rank the tested predictors. The three best predictors, air temperature (from Pacific Tropical North), sea level pressure (from Atlantic Tropical South) and relative humidity (from Mediterranean East) were retained and tested as inputs for seasonal rainfall forecasting models. In this thesis it is chosen to depart from the stationarity and linearity assumptions used in most seasonal forecasting methods:
1. Two probabilistic non stationary methods based on change point detection were then developed and tested. Each method uses one of the three best predictors. Model M1 allows for change in model parameters according to annual rainfall magnitude, while M2 allows for changes in model parameters with time. M1 and M2 were compared to the classical linear model with constant parameters (M3) and to the climatology (M4). The model that allows a change in the predictand-predictor relationship according to rainfall amplitude (M1) and using AirTemp as predictor was the best model for seasonal rainfall forecasting in the study area.
2. Non-linear models including regression trees, feedforward neural network and non-linear principal component analysis were implemented and tested to forecast seasonal rainfall using the same predictors. Forecast performances were compared using coefficient of determination, Nash-Sutcliffe coefficient and hit rate score. The non-linear principal component analysis was the best non-linear model (R2: 0.46; Nash: 0.45; HIT: 60.7) while feedforward neural network and the regression tree models performed poorly.
All the developed rainfall forecasting methods were subsequently used to forecast seasonal annual mean streamflow and maximum monthly streamflow by feeding the rainfall forecasted in a SWAT model of the Sirba watershed. The results are summarized as follow:
1. Non-stationary models: Models M1 and M2 were compared to models M3 and M4. The obtained results revealed that model M3 using RHUM as predictor at a lag time of 8 months was the best method for seasonal annual mean streamflow forecast. Whereas, model M1 using air temperature as predictor at a lag time of 4 months is the best model to predict maximum monthly streamflow in the Sirba watershed. Moreover, the calibrated SWAT model achieved a NASH value of 0.83.
2. Non-linear models: The seasonal rainfall obtained from the non-linear principal component analysis model was disaggregated into daily rainfall using the method of fragment, and then fed into the SWAT hydrological model to produce streamflow. This forecast was fairly acceptable with a Nash value of 0.58.
The evaluation of the level of risk associated with each seasonal forecast was carried out using a simple risk measure: the probability of overtopping of the flood protection dykes in Niamey, Niger. A HEC-RAS hydro-dynamical model of the Niger River around Niamey was developed for the 1980-2014 period; a copula analysis was used to model the dependence structure of streamflows and predict the distribution of streamflow in Niamey given the predicted streamflow on the Sirba watershed. Finally, the probabilities of overtopping of the flood protection dykes were estimated for each year in the 1980-2014 period. The finding of this study can be used as a guideline to improve the performance of seasonal forecasting in the Sahel. This research clearly confirmed the possibility of rainfall and streamflows forecasting in the Sirba watershed at seasonal time scale using other potential predictors rather than sea surface temperature.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Exploration of Non-Linear and Non-Stationary Approaches to Statistical Seasonal Forecasting in the Sahel [texte imprimé] / Abdouramane GADO DJIBO . - 2016 . - 303p.
Langues : Français (fre)
Résumé : La gestion des ressources en eau dans la région du Sahel, en Afrique de l'Ouest, est extrêmement difficile en raison de la forte variabilité interannuelle des précipitations ainsi que de la dégradation générale de la disponibilité de l'eau dans la région. Les changements observés dans les débits perturbent directement les activités socio-économiques clés telles que l'agriculture, une des principales sources de subsistance pour la population ouest-africaine. La prévision saisonnière des précipitations offre la possibilité d'accroître la résilience à la variabilité climatique en fournissant des informations à l'avance sur la quantité de pluie qu'on peut espérer pour la saison des pluies à venir. De plus, la disponibilité d'informations fiables sur la quantité des écoulements quelques mois avant la saison des pluies serait immensément bénéfiques pour les utilisateurs de l'eau qui pourront ainsi planifier leurs activités. Depuis les années 90, plusieurs études ont tenté d'évaluer la prévisibilité des caractéristiques de la pluviométrie sahélienne, et de développer des modèles de prévision saisonnière de précipitations et de débits pour aider les parties prenantes à prendre de meilleures décisions. Malheureusement, deux décennies plus tard, les méthodes de prévision saisonnière sont encore peu fiables et les prévisions ont une valeur pratique limitée pour la prise de décision. La faible performance dans la prévision saisonnière serait partiellement due aux limitations des prédicteurs et des approches de prévisions couramment utilisées pour cette région. Dans cette thèse, des nouvelles approches de prévision saisonnière ont été développées et des nouveaux prédicteurs sont testés avec pour objectif de prédire la quantité de précipitations saisonnières sur le bassin versant de la Sirba, un cours d'eau situé à cheval entre le Niger et le Burkina Faso, en Afrique occidentale. Un groupe de 84 prédicteurs ayant des liens physiques avec la mousson ouest-africaine et avec sa dynamique ont été sélectionnés. Le chopix de ces prédicteurs est aussi basé sur le temps de latence optimal entre leur observation et la saison des pluies estimé en utilisant une combinaison de méthodes statistiques. La dimension des vecteurs de prédicteurs a d'abord été réduite grâce à une analyse de corrélation linéaire avec des précipitations estimées par satellite sur la région ouest-africaine. L'analyse de corrélation et l‘analyse en composantes principales ont été utilisées pour ne retenir que les composantes principales prédictives élevées. Un modèle de régression linéaire a été utilisé pour obtenir des prévisions saisonnières et le modèle a été évalué afin de classer les prédicteurs par ordre de performance. Les trois meilleurs prédicteurs, soient la température de l'air (du Pacifique tropical Nord), la pression du niveau de la mer (de l'Atlantique tropical sud) et l'humidité relative (à partir de la Méditerranée orientale) ont été retenus et utilisés ensemble comme entrées pour les modèles de prévision des précipitations saisonnières.
Dans cette thèse, des hypothèses de stationnarité et de linéarité ne sont pas émises comme c'est le cas dans la plupart des méthodes de prévision saisonnière:
1. Deux méthodes probabilistes non stationnaires basées sur la détection de ruptures ont été développées et ensuite testées. Chaque méthode utilise un des trois prédicteurs sélectionnés. Le modèle M1 permet un changement de valeur des paramètres du modèle linéaire en fonction de l'amplitude des précipitations annuelles, tandis que M2 permet des changements de valeurs des paramètres du modèle linéaire avec le temps. M1 et M2 ont été comparés au modèle linéaire classique avec paramètres constants (M3) et à la climatologie (M4). Le modèle qui permet un changement dans la relation pluie-prédicteur selon l‘amplitude des précipitations (M1), et utilisant AirTemp comme prédicteur a obtenu le meilleur score pour la prévision saisonnière des précipitations dans la zone d'étude.
2. Des modèles non-linéaires, y compris les arbres de régression, le réseau de neurones, et l‘analyse en composantes principales non-linéaire ont été mises en oeuvre et testées pour prévoir les précipitations saisonnières en utilisant les mêmes prédicteurs. Les performances en prévision ont été comparées en utilisant le coefficient de détermination, le coefficient de Nash-Sutcliffe et le score de taux de succès. L'analyse en composantes principales non-linéaire était le meilleur modèle non-linéaire (R2: 0,46; Nash: 0,45; HIT: 60,7), tandis que le réseau de neurones et les modèles d'arbres de régression ont de résultats médiocres.
Toutes les méthodes de prévision des précipitations développées ont ensuite été utilisées pour la prévision des débits annuels moyens saisonniers et des débits maximum mensuels en introduisant les précipitations prédites dans un modèle SWAT du bassin versant de la Sirba. Les résultats sont résumés comme suit:
1. Modèles non stationnaires: Les modèles M1 et M2 ont été comparés aux modèles M3 et M4. Les résultats obtenus ont révélé que le modèle M3 en utilisant RHUM comme prédicteur avec un temps de latence de 8 mois a obtenu le meilleur score pour les prévisions des débits annuels moyens saisonniers. Le modèle M1 en utilisant AirTemp comme prédicteur à un temps de latence de 4 mois est le meilleur modèle pour prédire les débits mensuels maximaux dans le bassin versant de la Sirba. En outre, le modèle SWAT calibré atteint une valeur NASH de 0,83.
2. Modèles non-linéaires: Les précipitations saisonnières obtenues à partir du modèle d'analyse en composantes principales non-linéaire ont été désagrégées au pas de temps journalier en utilisant la méthode du fragment, puis introduites dans le modèle hydrologique SWAT pour générer des débits. Cette prévision était assez acceptable avec une valeur Nash de 0,58.
L'évaluation du niveau de risque associé à chaque prévision saisonnière a été réalisée en utilisant une mesure simple de risque: la probabilité de débordement des digues de protection contre les inondations à Niamey, au Niger. Un modèle hydro-dynamique HEC-RAS du fleuve Niger de part et d'autre de Niamey a été développé en utilisant les données de débit de la période 1980-2014; une analyse de copules a été utilisée pour modéliser la structure de dépendance entre les débits et de prédire la répartition des débits à Niamey compte tenu de l'écoulement prévu sur le bassin versant de la Sirba. Finalement, les probabilités de déversement au-dessus des digues ont été estimées pour chaque année de la période 1980-2014. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés comme un moyen d'évaluer et d'améliorer la performance de la prévision saisonnière au Sahel. Les travaux ont confirmé clairement la possibilité d‘améliorer la prévision des précipitations et débits dans le bassin versant de la Sirba à l'échelle de temps saisonnière en utilisant des prédicteurs autres que les températures à la surface des mers.
Abstract : Water resources management in the Sahel region, West Africa, is extremely difficult because of high inter-annual rainfall variability as well as a general degradation of water availability in the region. Observed changes in streamflow directly disturb key socioeconomic activities such as agriculture sector which constitutes one of the main survival pillars of West African population. Seasonal rainfall forecasting is considered as one possible way to increase resilience to climate variability by providing information in advance about the amount of rainfall expected in each upcoming rainy season. Moreover, availability of reliable information about streamflow magnitude a few months before a rainy season will immensely benefit water users who want to plan their activities. However, since the 90s, several studies attempted to evaluate the predictability of Sahelian characteristics and develop seasonal rainfall and streamflow forecasts models to help stakeholders take better decisions. Unfortunately, two decades later, forecasting skills are still low and forecasts have a limited value for decision making. It is believed that the low performance in seasonal forecasting is due to the limit of commonly used predictors and forecast approaches for this region. In this study, new seasonal forecasting approaches were developed and new predictors tested in an attempt to predict the upcoming seasonal rainfall amount over the Sirba watershed located in between Niger and Burkina Faso, West Africa. A pool of 84 predictors having physical link with the West African monsoon and its dynamics were selected with their optimal lag time using combined statistical methods. They were first reduced through a screening using linear correlation with satellite rainfall over the West African region. Correlation analysis, principal component analysis were used to keep the high predictive principal components. A linear regression was used to get synthetic forecasts and the model was assessed to rank the tested predictors. The three best predictors, air temperature (from Pacific Tropical North), sea level pressure (from Atlantic Tropical South) and relative humidity (from Mediterranean East) were retained and tested as inputs for seasonal rainfall forecasting models. In this thesis it is chosen to depart from the stationarity and linearity assumptions used in most seasonal forecasting methods:
1. Two probabilistic non stationary methods based on change point detection were then developed and tested. Each method uses one of the three best predictors. Model M1 allows for change in model parameters according to annual rainfall magnitude, while M2 allows for changes in model parameters with time. M1 and M2 were compared to the classical linear model with constant parameters (M3) and to the climatology (M4). The model that allows a change in the predictand-predictor relationship according to rainfall amplitude (M1) and using AirTemp as predictor was the best model for seasonal rainfall forecasting in the study area.
2. Non-linear models including regression trees, feedforward neural network and non-linear principal component analysis were implemented and tested to forecast seasonal rainfall using the same predictors. Forecast performances were compared using coefficient of determination, Nash-Sutcliffe coefficient and hit rate score. The non-linear principal component analysis was the best non-linear model (R2: 0.46; Nash: 0.45; HIT: 60.7) while feedforward neural network and the regression tree models performed poorly.
All the developed rainfall forecasting methods were subsequently used to forecast seasonal annual mean streamflow and maximum monthly streamflow by feeding the rainfall forecasted in a SWAT model of the Sirba watershed. The results are summarized as follow:
1. Non-stationary models: Models M1 and M2 were compared to models M3 and M4. The obtained results revealed that model M3 using RHUM as predictor at a lag time of 8 months was the best method for seasonal annual mean streamflow forecast. Whereas, model M1 using air temperature as predictor at a lag time of 4 months is the best model to predict maximum monthly streamflow in the Sirba watershed. Moreover, the calibrated SWAT model achieved a NASH value of 0.83.
2. Non-linear models: The seasonal rainfall obtained from the non-linear principal component analysis model was disaggregated into daily rainfall using the method of fragment, and then fed into the SWAT hydrological model to produce streamflow. This forecast was fairly acceptable with a Nash value of 0.58.
The evaluation of the level of risk associated with each seasonal forecast was carried out using a simple risk measure: the probability of overtopping of the flood protection dykes in Niamey, Niger. A HEC-RAS hydro-dynamical model of the Niger River around Niamey was developed for the 1980-2014 period; a copula analysis was used to model the dependence structure of streamflows and predict the distribution of streamflow in Niamey given the predicted streamflow on the Sirba watershed. Finally, the probabilities of overtopping of the flood protection dykes were estimated for each year in the 1980-2014 period. The finding of this study can be used as a guideline to improve the performance of seasonal forecasting in the Sahel. This research clearly confirmed the possibility of rainfall and streamflows forecasting in the Sirba watershed at seasonal time scale using other potential predictors rather than sea surface temperature.Exemplaires(0)
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GadoAdobe Acrobat PDF Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. A field-based modelling framework of the ecohydrology of schistosomiasis / Francisco Javier PEREZ-SAEZ
Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : A field-based modelling framework of the ecohydrology of schistosomiasis Type de document : texte imprimé Auteurs : Francisco Javier PEREZ-SAEZ Année de publication : 2017 Importance : 203 p. Langues : Français (fre) Résumé : Le succès du contrôle de la schistosomiase, une maladie d’origine hydrique, dépend de la capacité a agir sur la complexité du cycle de vie du parasite qui dépend d’escargots aquatiques comme hôtes intermédiaires, et implique des facteurs environnementaux, écologiques et socio-économiques. Les stratégies actuelles reposent l’administration de masse de médicaments qui, cependant, ne protègent pas contre la réinfection. Il est reconnu qu’une approches multisectorielles sera nécessaire pour éliminer la maladie, mais nécessitera une attention renouvelée sur ses aspects socio-écologiques. Misant sur le lien entre l’hydrologie et la transmission de la maladie, cette thèse vise à développer une approche écohydrologique de la schistosomiase en vue d’identifier et d’exploiter les levier pour interrompre sa transmission.
La schistosomiase est une maladie affectant plus de 150 millions de personnes en Afrique subsaharienne.
Cependant, la morbidité qui en découle a été sous-évaluée dans le passé. De plus, le développement des ressources en eau exacerbe souvent la transmission, ce qui pose des défis scientifiques et éthiques dans l’arbitrage qui s’ensuit entre le développement économique et la santé publique. Cette thèse vies donc aux développement d’outils pour dépasser ce compromis en comprenant mieux les facteurs socioécologiques de la transmission.
Une combinaison de travail de terrain au Burkina Faso (Afrique de l’Ouest) et d’outils théoriques a été utilisée pour atteindre ce but. Cette thèse établit l’utilisation de modèles mathématiques spatialement explicites de la schistosomiase à l’échelle nationale, permettant d’étudier l’effet de la mobilité humaine et de l’hétérogénéité spatiale des paramètres de transmission. Des échantillonnages écologiques de l’abondance des escargots ont été faits sur trois sites le long du gradient climatique du pays, mis à profit par la modélisation écologique. Une méthodologie novatrice pour la prédiction à grande échelle de l’éphéméralité du réseau fluvial a permis d’améliorer des modèles spatiaux de répartition des espèces d’escargots, et l’analyse de la géographie de la maladie en lien avec des facteurs socio-économiques.
Enfin, des enquêtes et des ateliers participatifs ont permis d’appréhender les schémas de contact avec l’eau à l’échelle locale.
Les résultats obtenus justifient l’hypothèse selon laquelle l’hydrologie est un facteur crucial dans la transmission de la maladie. L’analyse de la stabilité du modèle spatialement explicite a permis de mieux comprendre l’impact de l’expansion de l’habitat des escargots du au développement des ressources en eau, soulignant l’interaction entre les liés à la mobilité humaine. Les modèles de l’écologie des escargots ont mis en évidence des oscillations différées de la population des escargots entre les habitats permanents et éphémères, correctement reproduits par les modèles à l’échelle nationale. Les prédictions de d'éphéméralité ont permis de mieux prédire les zones de présence des escargots, reflétant la géographie de la maladie. Enfin, une association à l’échelle nationale avec le risque de la maladie a été observée, probablement en raison de l’agrégation des contacts avec l’eau, comme le prouvent les résultats obtenus au niveau des villages. L’incorporation future de ces résultats écohydrologiques dans des modèles spatialement explicites de la schistosomiase est considérée comme prometteuse pour optimiser les stratégies de lutte et parvenir à son élimination.
Abstract : Successful control of schistosomiasis, a waterborne parasitic disease, is challenged by the intricacy of the worm’s lifecyclewhich depends on aquatic snail intermediate hosts, and involves environmental, ecologic, and socio-economic factors. Current strategies rely on deworming through mass drug administration which however do not protect against reinfection and the persistence of hotspots. It is recognized that multifaceted approaches will be necessary to reach elimination, whose development will require a renewed focus on the disease’s socio-ecological drivers. Taking cue from the hydrological underpinning of these drivers, this Thesis aims at developing an ecohydrological approach to schistosomiasis with a view to identifying and exploiting the points in which its cycle can be broken.
Schistosomiasis is a poverty-reinforcing disease affecting more than 150million people in sub-Saharan Africa, being the parasitic disease causing the largest health burden after malaria. However, the impairing morbidity it causes has been undervalued in the past, qualifying it as a neglected tropical disease.
Moreover, water resources development often exacerbates transmission, posing scientific and ethical challenges in addressing the ensuing trade-off between economic development and public health. The relevance of this Thesis’ work lies in furthering tools to offset this trade-off by unlocking the predictive appraisal of the socio-ecological drivers of transmission.
An integration of fieldwork applied in Burkina Faso (West Africa) and theoretical methods are employed to address this aim. This Thesis establishes the use of spatially-explicit mathematical models of schistosomiasis at the national-scale, allowing to study the effect of human mobility and spatial heterogeneity of transmission parameters. Weekly ecological samplings of snail abundance and continuous environmental monitoring were preformed at three sites along the country’s climatic gradient, leveraged through ecological modeling. A novel methodology for the large-scale prediction of river network ephemerality allowed for refined snail species distributions models, and the analysis of the disease’s geography in link with socio-economic covariates. Finally, surveys and participatory workshops shed light on local-scale water contact patterns.
The obtained results substantiate the stance that hydrology is a first-order control of disease transmission.
Stability analysis of the spatially-explicit model generated additional insight into the impact of the expansion of suitable snail habitat due to water resources development, highlighting the interplay between local and country-wide effects driven by human mobility. Models of snail ecology highlighted key hydrological drivers, along with disputed density feedbacks. Uncovered phase shifts between permanent and ephemeral habitats were adequately reproduced at the national scale through model regionalization.
Characterization and predictions of hydrological ephemerality improved the estimation of the snails’ ecological range, mirroring the disease’s geography. Finally a national-scale association between ephemerality and disease risk was observed, possibly due to human-water contacts aggregation, as supported by preliminary results at village-level. The future incorporation of these eco-hydrological findings into spatially-explicitmodels of schistosomiasis is considered promising for optimizing control strategies and attaining its elimination.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. A field-based modelling framework of the ecohydrology of schistosomiasis [texte imprimé] / Francisco Javier PEREZ-SAEZ . - 2017 . - 203 p.
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Résumé : Le succès du contrôle de la schistosomiase, une maladie d’origine hydrique, dépend de la capacité a agir sur la complexité du cycle de vie du parasite qui dépend d’escargots aquatiques comme hôtes intermédiaires, et implique des facteurs environnementaux, écologiques et socio-économiques. Les stratégies actuelles reposent l’administration de masse de médicaments qui, cependant, ne protègent pas contre la réinfection. Il est reconnu qu’une approches multisectorielles sera nécessaire pour éliminer la maladie, mais nécessitera une attention renouvelée sur ses aspects socio-écologiques. Misant sur le lien entre l’hydrologie et la transmission de la maladie, cette thèse vise à développer une approche écohydrologique de la schistosomiase en vue d’identifier et d’exploiter les levier pour interrompre sa transmission.
La schistosomiase est une maladie affectant plus de 150 millions de personnes en Afrique subsaharienne.
Cependant, la morbidité qui en découle a été sous-évaluée dans le passé. De plus, le développement des ressources en eau exacerbe souvent la transmission, ce qui pose des défis scientifiques et éthiques dans l’arbitrage qui s’ensuit entre le développement économique et la santé publique. Cette thèse vies donc aux développement d’outils pour dépasser ce compromis en comprenant mieux les facteurs socioécologiques de la transmission.
Une combinaison de travail de terrain au Burkina Faso (Afrique de l’Ouest) et d’outils théoriques a été utilisée pour atteindre ce but. Cette thèse établit l’utilisation de modèles mathématiques spatialement explicites de la schistosomiase à l’échelle nationale, permettant d’étudier l’effet de la mobilité humaine et de l’hétérogénéité spatiale des paramètres de transmission. Des échantillonnages écologiques de l’abondance des escargots ont été faits sur trois sites le long du gradient climatique du pays, mis à profit par la modélisation écologique. Une méthodologie novatrice pour la prédiction à grande échelle de l’éphéméralité du réseau fluvial a permis d’améliorer des modèles spatiaux de répartition des espèces d’escargots, et l’analyse de la géographie de la maladie en lien avec des facteurs socio-économiques.
Enfin, des enquêtes et des ateliers participatifs ont permis d’appréhender les schémas de contact avec l’eau à l’échelle locale.
Les résultats obtenus justifient l’hypothèse selon laquelle l’hydrologie est un facteur crucial dans la transmission de la maladie. L’analyse de la stabilité du modèle spatialement explicite a permis de mieux comprendre l’impact de l’expansion de l’habitat des escargots du au développement des ressources en eau, soulignant l’interaction entre les liés à la mobilité humaine. Les modèles de l’écologie des escargots ont mis en évidence des oscillations différées de la population des escargots entre les habitats permanents et éphémères, correctement reproduits par les modèles à l’échelle nationale. Les prédictions de d'éphéméralité ont permis de mieux prédire les zones de présence des escargots, reflétant la géographie de la maladie. Enfin, une association à l’échelle nationale avec le risque de la maladie a été observée, probablement en raison de l’agrégation des contacts avec l’eau, comme le prouvent les résultats obtenus au niveau des villages. L’incorporation future de ces résultats écohydrologiques dans des modèles spatialement explicites de la schistosomiase est considérée comme prometteuse pour optimiser les stratégies de lutte et parvenir à son élimination.
Abstract : Successful control of schistosomiasis, a waterborne parasitic disease, is challenged by the intricacy of the worm’s lifecyclewhich depends on aquatic snail intermediate hosts, and involves environmental, ecologic, and socio-economic factors. Current strategies rely on deworming through mass drug administration which however do not protect against reinfection and the persistence of hotspots. It is recognized that multifaceted approaches will be necessary to reach elimination, whose development will require a renewed focus on the disease’s socio-ecological drivers. Taking cue from the hydrological underpinning of these drivers, this Thesis aims at developing an ecohydrological approach to schistosomiasis with a view to identifying and exploiting the points in which its cycle can be broken.
Schistosomiasis is a poverty-reinforcing disease affecting more than 150million people in sub-Saharan Africa, being the parasitic disease causing the largest health burden after malaria. However, the impairing morbidity it causes has been undervalued in the past, qualifying it as a neglected tropical disease.
Moreover, water resources development often exacerbates transmission, posing scientific and ethical challenges in addressing the ensuing trade-off between economic development and public health. The relevance of this Thesis’ work lies in furthering tools to offset this trade-off by unlocking the predictive appraisal of the socio-ecological drivers of transmission.
An integration of fieldwork applied in Burkina Faso (West Africa) and theoretical methods are employed to address this aim. This Thesis establishes the use of spatially-explicit mathematical models of schistosomiasis at the national-scale, allowing to study the effect of human mobility and spatial heterogeneity of transmission parameters. Weekly ecological samplings of snail abundance and continuous environmental monitoring were preformed at three sites along the country’s climatic gradient, leveraged through ecological modeling. A novel methodology for the large-scale prediction of river network ephemerality allowed for refined snail species distributions models, and the analysis of the disease’s geography in link with socio-economic covariates. Finally, surveys and participatory workshops shed light on local-scale water contact patterns.
The obtained results substantiate the stance that hydrology is a first-order control of disease transmission.
Stability analysis of the spatially-explicit model generated additional insight into the impact of the expansion of suitable snail habitat due to water resources development, highlighting the interplay between local and country-wide effects driven by human mobility. Models of snail ecology highlighted key hydrological drivers, along with disputed density feedbacks. Uncovered phase shifts between permanent and ephemeral habitats were adequately reproduced at the national scale through model regionalization.
Characterization and predictions of hydrological ephemerality improved the estimation of the snails’ ecological range, mirroring the disease’s geography. Finally a national-scale association between ephemerality and disease risk was observed, possibly due to human-water contacts aggregation, as supported by preliminary results at village-level. The future incorporation of these eco-hydrological findings into spatially-explicitmodels of schistosomiasis is considered promising for optimizing control strategies and attaining its elimination.Exemplaires(0)
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SaezAdobe Acrobat PDF Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Gestion d’énergie dans les systèmes hybrides PV/DIESEL pour zones isolées et rurales / Gabin Adantchédé KOUCOÏ
Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Gestion d’énergie dans les systèmes hybrides PV/DIESEL pour zones isolées et rurales : optimisation et expérimentation Type de document : texte imprimé Auteurs : Gabin Adantchédé KOUCOÏ Année de publication : 2017 Importance : 200p. Langues : Français (fre) Mots-clés : Électrification rurale, Système hybride PV Diesel, Gestion d’énergie, Coût du kWh, Optimisation, Expérimentation.
Rural Electrification, Hybrid PV Diesel, Energy management, Cost of energy,Optimization, Experimental analysisRésumé : Pour une alimentation électrique fiable et rentable des zones rurales et isolées en Afrique subsaharienne en général et celles de pays de la zone CEDEAO en particulier, les systèmes hybrides photovoltaïques (PV)/Diesel constituent une alternative de plus en plus intéressante aux solutions classiques (Groupes électrogènes et PV purs). Pour ces localités, le coût d’une extension du réseau électrique reste prohibitif. Aujourd’hui, elles sont pour la plupart alimentées soit par des générateurs Diesel ou par des systèmes solaires PV autonomes en fonctionnement individuel et dont les coûts de production restent encore élevés. Au-delà d’un dimensionnement optimal, la fiabilité de l’hybridation de ces sources d’énergie n’est garantie qu’à condition de pouvoir gérer de façon optimale leur flux d’énergie surtout en conditions réelles de fonctionnement.
L’objectif de cette thèse est donc de développer des approches de gestion qui permettent d’optimiser la gestion d’énergie dans ces systèmes hybrides PV/Diesel mais également de valider l’opérationnalité de leur mise en œuvre expérimentale. Deux approches de gestion ont été proposées dans le cadre de cette thèse : une approche basée sur des règles prédéfinies et l’autre basée sur l’optimisation par programmation dynamique. Ces deux approches ont été par la suite appliquées pour les différentes configurations de systèmes hybrides PV/Diesel avec et sans batterie de stockage. D’une part, les résultats de simulation issus des analyses comparatives de ces deux approches de gestion appliquées à la localité de Bilgo, située en zone rurale au Burkina Faso ont montré que l’optimisation par programmation dynamique avec comme fonction objectif la minimisation du coût d’opération journalier propose les meilleurs résultats comparée à l’approche basée sur des règles prédéfinies. En effet, une réduction de la quantité de carburant consommée, du coût d’opération journalier, du coût actualisé de l’énergie produite sur la durée de vie du système (LCOE), de la quantité de CO2 émise ainsi qu’une maximisation de l’autoconsommation solaire ont été notées avec l’approche de gestion optimisée. D’autre part, les expérimentations effectuées pour différents scénarii de pénétration PV, grâce à un mini réseau hybride isolé mis en place ont permis de montrer que l’approche de gestion optimisée qui inclut une gestion prédictive et corrective permet d’assurer en temps réel une meilleure répartition des flux de puissances et de garantir une stabilité électrique au système hybride.
Abstract : For a reliable and cost-effective electricity supply to rural and remote areas in sub-Saharan Africa in general and especially in ECOWAS region, hybrid photovoltaic (PV)/ Diesel energy systems are an increasingly attractive solution to conventional system (Diesel generator and PV/Battery in standalone). For these areas, the cost of the electricity grid extension remains prohibitive. Nowadays, most of the remote areas are supplied either by diesel generators or by autonomous and standalone solar PV systems whose production costs are still high. Beyond an optimal sizing, the reliability of the hybridization of these energy resources is guaranteed only if they can be optimally managed, especially in real operating conditions. The aim of this thesis is therefore to develop energy management approaches that optimize the power flow dispatch in the hybrid PV/Diesel systems but also to validate the operational capability of their experimental implementation. Two management approaches have been proposed in this thesis: On is rules based strategy and another is developed with dynamic programming method. These approaches were subsequently applied to different configurations of hybrid PV/Diesel systems. The simulation results obtained from the comparative analysis of these two management approaches applied to Bilgo, a rural village located in Burkina Faso, showed that the optimization by dynamic programming considering the minimization of the daily operation cost as objective function offers the best results as compared to the approach with rules based strategy and also to standalone diesel generator. A reduction of the amount of fuel consumed, the daily operating cost, the levelized cost of energy generated over the system’s lifetime (LCOE), the amount of CO2 emitted and a maximizing of solar energy integration were noticed with the optimized management approach. The experiments carried out with various levels of PV penetration, using an experimental hybrid platform, have showed the operational efficiency of the optimized approach. This approach that includes a predictive and corrective control could ensure in real time a good dispatch of power flows and ensure a stability of the hybrid system.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Gestion d’énergie dans les systèmes hybrides PV/DIESEL pour zones isolées et rurales : optimisation et expérimentation [texte imprimé] / Gabin Adantchédé KOUCOÏ . - 2017 . - 200p.
Langues : Français (fre)
Mots-clés : Électrification rurale, Système hybride PV Diesel, Gestion d’énergie, Coût du kWh, Optimisation, Expérimentation.
Rural Electrification, Hybrid PV Diesel, Energy management, Cost of energy,Optimization, Experimental analysisRésumé : Pour une alimentation électrique fiable et rentable des zones rurales et isolées en Afrique subsaharienne en général et celles de pays de la zone CEDEAO en particulier, les systèmes hybrides photovoltaïques (PV)/Diesel constituent une alternative de plus en plus intéressante aux solutions classiques (Groupes électrogènes et PV purs). Pour ces localités, le coût d’une extension du réseau électrique reste prohibitif. Aujourd’hui, elles sont pour la plupart alimentées soit par des générateurs Diesel ou par des systèmes solaires PV autonomes en fonctionnement individuel et dont les coûts de production restent encore élevés. Au-delà d’un dimensionnement optimal, la fiabilité de l’hybridation de ces sources d’énergie n’est garantie qu’à condition de pouvoir gérer de façon optimale leur flux d’énergie surtout en conditions réelles de fonctionnement.
L’objectif de cette thèse est donc de développer des approches de gestion qui permettent d’optimiser la gestion d’énergie dans ces systèmes hybrides PV/Diesel mais également de valider l’opérationnalité de leur mise en œuvre expérimentale. Deux approches de gestion ont été proposées dans le cadre de cette thèse : une approche basée sur des règles prédéfinies et l’autre basée sur l’optimisation par programmation dynamique. Ces deux approches ont été par la suite appliquées pour les différentes configurations de systèmes hybrides PV/Diesel avec et sans batterie de stockage. D’une part, les résultats de simulation issus des analyses comparatives de ces deux approches de gestion appliquées à la localité de Bilgo, située en zone rurale au Burkina Faso ont montré que l’optimisation par programmation dynamique avec comme fonction objectif la minimisation du coût d’opération journalier propose les meilleurs résultats comparée à l’approche basée sur des règles prédéfinies. En effet, une réduction de la quantité de carburant consommée, du coût d’opération journalier, du coût actualisé de l’énergie produite sur la durée de vie du système (LCOE), de la quantité de CO2 émise ainsi qu’une maximisation de l’autoconsommation solaire ont été notées avec l’approche de gestion optimisée. D’autre part, les expérimentations effectuées pour différents scénarii de pénétration PV, grâce à un mini réseau hybride isolé mis en place ont permis de montrer que l’approche de gestion optimisée qui inclut une gestion prédictive et corrective permet d’assurer en temps réel une meilleure répartition des flux de puissances et de garantir une stabilité électrique au système hybride.
Abstract : For a reliable and cost-effective electricity supply to rural and remote areas in sub-Saharan Africa in general and especially in ECOWAS region, hybrid photovoltaic (PV)/ Diesel energy systems are an increasingly attractive solution to conventional system (Diesel generator and PV/Battery in standalone). For these areas, the cost of the electricity grid extension remains prohibitive. Nowadays, most of the remote areas are supplied either by diesel generators or by autonomous and standalone solar PV systems whose production costs are still high. Beyond an optimal sizing, the reliability of the hybridization of these energy resources is guaranteed only if they can be optimally managed, especially in real operating conditions. The aim of this thesis is therefore to develop energy management approaches that optimize the power flow dispatch in the hybrid PV/Diesel systems but also to validate the operational capability of their experimental implementation. Two management approaches have been proposed in this thesis: On is rules based strategy and another is developed with dynamic programming method. These approaches were subsequently applied to different configurations of hybrid PV/Diesel systems. The simulation results obtained from the comparative analysis of these two management approaches applied to Bilgo, a rural village located in Burkina Faso, showed that the optimization by dynamic programming considering the minimization of the daily operation cost as objective function offers the best results as compared to the approach with rules based strategy and also to standalone diesel generator. A reduction of the amount of fuel consumed, the daily operating cost, the levelized cost of energy generated over the system’s lifetime (LCOE), the amount of CO2 emitted and a maximizing of solar energy integration were noticed with the optimized management approach. The experiments carried out with various levels of PV penetration, using an experimental hybrid platform, have showed the operational efficiency of the optimized approach. This approach that includes a predictive and corrective control could ensure in real time a good dispatch of power flows and ensure a stability of the hybrid system.Exemplaires(0)
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GabinAdobe Acrobat PDF Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Impacts du changement climatique sur les crues en milieu urbain dans le Sahel / Gnenakantanhan COULIBALY
Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Impacts du changement climatique sur les crues en milieu urbain dans le Sahel : cas du petit bassin semi-urbanisé de Rayongo (Ouagadougou), Burkina Faso Type de document : texte imprimé Auteurs : Gnenakantanhan COULIBALY Année de publication : 2022 Importance : 253 p. Langues : Français (fre) Résumé : Les effets du changement climatique et de diverses activités anthropiques telles que le changement d'affectation des terres, l'implantation humaine et l'urbanisation rapide ont exacerbé l'intensité et la fréquence des sécheresses, des tempêtes, de l'élévation du niveau des mers et des inondations dans le monde entier. Récurrentes et dévastatrices, les inondations constituent une menace sérieuse pour de nombreuses villes à travers le monde. Ces événements climatiques représentent un défi majeur pour les grandes villes du Sahel en général, et particulièrement celles du Burkina Faso. C’est-à-dire que les inondations et les impacts négatifs qui les accompagnent sur les individus et les biens ralentissent fortement les efforts de développement du Burkina Faso, un pays qui fait déjà face à d’énormes difficultés économiques. Il est donc essentiel de comprendre les inondations urbaines et leurs dynamiques afin de mieux développer des stratégies robustes pour faire face à ces phénomènes. Ainsi, les répercussions des inondations sur les personnes et les propriétés (ex., maisons, magasins et usines) peuvent être réduites en milieu urbain.
Par conséquent, l’objectif de la présente thèse de doctorat est de proposer une meilleure méthode d’évaluation des risques liés aux inondations dans un contexte urbain subsaharien. Pour atteindre cet objectif, le bassin versant semi-urbain de Rayongo au sud-est de Ouagadougou a été choisi pour cette étude. Ainsi, pour comprendre le contexte dans lequel les inondations se produisent, la zone d'étude a été caractérisée puis les équations mathématiques bidimensionnelles proposées par Barré Saint-Venant ont été numériquement résolus et utilisées pour simuler les écoulement et les hauteurs d’eau en milieu urbain. La méthode des volumes finis a permis de résoudre ces équations en considérant un maillage structuré (maille carrée). Le modèle a été validé par le test de sensibilité et les données de sortie ont ensuite été utilisées pour tester la stabilité et la robustesse du calcul hydraulique. Enfin, le modèle mathématique développé a été appliqué à des cas réels d'inondations. De même, le modèle a été utilisé avec succès pour prédire les inondations futures dans diverses conditions climatiques d'ici 2050.
La caractérisation de la zone d’étude à permit de mettre en évidence que la survenance des inondations est due a une combinaison des facteurs climatiques, de l’occupation du sol et de l’accroissement de la population. Les simulations fournissent des résultats satisfaisants pour les cas réels d'événements pluvieux observés pendant les saisons des pluies 2016 et 2017. Les performances du modèle basé sur NSE, R2, PBIAIS et RMSE étaient acceptables malgré la qualité limitée des données d'entrée. Les données de la projection climatique CP4A ont montré que la dégradation du climat aura un impact sur les pics de l'hydrogramme à la sortie du bassin versant d'ici 2050, qui augmenteront de 50% par rapport à la période de référence actuelle. Cette recherche fournit donc un aperçu de la gestion opérationnelle des inondations. En outre, il est recommandé d’améliorer le modèle pour son utilisation à une plus grande échelle à Ouagadougou, et surtout pour les zones urbaines de la région du Sahel.
Abstract : The impacts of climate change along with various anthropogenic activities such as land-use change, human settlement and rapid urbanization have exacerbated the intensity and frequency of droughts, storms, rising sea levels and flooding worldwide. Recurrent and devastating floods pose a serious threat to many cities around the world. These climatic events represent a major challenge for the large cities of the Sahel in general, and especially those in Burkina Faso. That is, flooding and its accompanying negative impacts on individuals and properties strongly slow-down the development efforts of Burkina Faso, a country that is already facing enormous economic difficulties.
It is therefore essential to understand the urban flooding and its dynamics in order to better develop robust strategies to face these phenomena . Hence, the impacts of flooding on people and properties (e.g., houses, shops and factories) can be reduced in urban settings. Therefore, the objective of the present doctoral thesis is to propose a better assessment method of flooding related risks in a sub-Saharan urban setting. To achieve this objective, the semi-urban catchment area of Rayongo in the south-east of Ouagadougou was chosen for this study. Thus, to understand the context in which flooding occur the study area was characterised then two-dimensional mathematical equations proposed by Barré Saint-Venant was numerically solved and used to simulate flow patterns and depths in urban setting. The finite volume method allowed these equations to be solved by considering a structured mesh (square mesh). The model was validated through the sensitivity test and the output data were subsequently used to test the stability and robustness of the hydraulic calculation. Finally, the developed mathematical model was applied on the real case flood events. Likewise, the model was successfully used to predict future flooding under various climatic conditions by 2050.
The characterization of the study area has allowed to highlight that the occurrence of floods is due to a combination of climatic factors, land use and population growth. The simulations provide satisfied results for the real cases of rain events observed during the 2016 and 2017 rainy seasons. The model performance based on NSE, R2, PBIAIS and RMSE was acceptable despite the limited quality of the input data. The CP4A climate projection data has shown that climate degradation will have an impact on the hydrograph’s peaks at the outlet of the watershed by 2050, which will increase by 50% compared to the current reference period. This research therefore provides an insight for operational flood management. Moreover, it is recommended that the model should be improved for it usage on a greater scale in Ouagadougou, and most importantly for urban areas within the Sahel region.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Impacts du changement climatique sur les crues en milieu urbain dans le Sahel : cas du petit bassin semi-urbanisé de Rayongo (Ouagadougou), Burkina Faso [texte imprimé] / Gnenakantanhan COULIBALY . - 2022 . - 253 p.
Langues : Français (fre)
Résumé : Les effets du changement climatique et de diverses activités anthropiques telles que le changement d'affectation des terres, l'implantation humaine et l'urbanisation rapide ont exacerbé l'intensité et la fréquence des sécheresses, des tempêtes, de l'élévation du niveau des mers et des inondations dans le monde entier. Récurrentes et dévastatrices, les inondations constituent une menace sérieuse pour de nombreuses villes à travers le monde. Ces événements climatiques représentent un défi majeur pour les grandes villes du Sahel en général, et particulièrement celles du Burkina Faso. C’est-à-dire que les inondations et les impacts négatifs qui les accompagnent sur les individus et les biens ralentissent fortement les efforts de développement du Burkina Faso, un pays qui fait déjà face à d’énormes difficultés économiques. Il est donc essentiel de comprendre les inondations urbaines et leurs dynamiques afin de mieux développer des stratégies robustes pour faire face à ces phénomènes. Ainsi, les répercussions des inondations sur les personnes et les propriétés (ex., maisons, magasins et usines) peuvent être réduites en milieu urbain.
Par conséquent, l’objectif de la présente thèse de doctorat est de proposer une meilleure méthode d’évaluation des risques liés aux inondations dans un contexte urbain subsaharien. Pour atteindre cet objectif, le bassin versant semi-urbain de Rayongo au sud-est de Ouagadougou a été choisi pour cette étude. Ainsi, pour comprendre le contexte dans lequel les inondations se produisent, la zone d'étude a été caractérisée puis les équations mathématiques bidimensionnelles proposées par Barré Saint-Venant ont été numériquement résolus et utilisées pour simuler les écoulement et les hauteurs d’eau en milieu urbain. La méthode des volumes finis a permis de résoudre ces équations en considérant un maillage structuré (maille carrée). Le modèle a été validé par le test de sensibilité et les données de sortie ont ensuite été utilisées pour tester la stabilité et la robustesse du calcul hydraulique. Enfin, le modèle mathématique développé a été appliqué à des cas réels d'inondations. De même, le modèle a été utilisé avec succès pour prédire les inondations futures dans diverses conditions climatiques d'ici 2050.
La caractérisation de la zone d’étude à permit de mettre en évidence que la survenance des inondations est due a une combinaison des facteurs climatiques, de l’occupation du sol et de l’accroissement de la population. Les simulations fournissent des résultats satisfaisants pour les cas réels d'événements pluvieux observés pendant les saisons des pluies 2016 et 2017. Les performances du modèle basé sur NSE, R2, PBIAIS et RMSE étaient acceptables malgré la qualité limitée des données d'entrée. Les données de la projection climatique CP4A ont montré que la dégradation du climat aura un impact sur les pics de l'hydrogramme à la sortie du bassin versant d'ici 2050, qui augmenteront de 50% par rapport à la période de référence actuelle. Cette recherche fournit donc un aperçu de la gestion opérationnelle des inondations. En outre, il est recommandé d’améliorer le modèle pour son utilisation à une plus grande échelle à Ouagadougou, et surtout pour les zones urbaines de la région du Sahel.
Abstract : The impacts of climate change along with various anthropogenic activities such as land-use change, human settlement and rapid urbanization have exacerbated the intensity and frequency of droughts, storms, rising sea levels and flooding worldwide. Recurrent and devastating floods pose a serious threat to many cities around the world. These climatic events represent a major challenge for the large cities of the Sahel in general, and especially those in Burkina Faso. That is, flooding and its accompanying negative impacts on individuals and properties strongly slow-down the development efforts of Burkina Faso, a country that is already facing enormous economic difficulties.
It is therefore essential to understand the urban flooding and its dynamics in order to better develop robust strategies to face these phenomena . Hence, the impacts of flooding on people and properties (e.g., houses, shops and factories) can be reduced in urban settings. Therefore, the objective of the present doctoral thesis is to propose a better assessment method of flooding related risks in a sub-Saharan urban setting. To achieve this objective, the semi-urban catchment area of Rayongo in the south-east of Ouagadougou was chosen for this study. Thus, to understand the context in which flooding occur the study area was characterised then two-dimensional mathematical equations proposed by Barré Saint-Venant was numerically solved and used to simulate flow patterns and depths in urban setting. The finite volume method allowed these equations to be solved by considering a structured mesh (square mesh). The model was validated through the sensitivity test and the output data were subsequently used to test the stability and robustness of the hydraulic calculation. Finally, the developed mathematical model was applied on the real case flood events. Likewise, the model was successfully used to predict future flooding under various climatic conditions by 2050.
The characterization of the study area has allowed to highlight that the occurrence of floods is due to a combination of climatic factors, land use and population growth. The simulations provide satisfied results for the real cases of rain events observed during the 2016 and 2017 rainy seasons. The model performance based on NSE, R2, PBIAIS and RMSE was acceptable despite the limited quality of the input data. The CP4A climate projection data has shown that climate degradation will have an impact on the hydrograph’s peaks at the outlet of the watershed by 2050, which will increase by 50% compared to the current reference period. This research therefore provides an insight for operational flood management. Moreover, it is recommended that the model should be improved for it usage on a greater scale in Ouagadougou, and most importantly for urban areas within the Sahel region.Exemplaires(0)
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