Production et consommation d’énergie électrique

Introduction

La mise en place de systèmes réels est généralement précédée d’un ensemble d’études de faisabilité technique et économique. La création d’outils de modélisation rend possible la simulation du fonctionnement de ces systèmes pour l’application considérée.
Trois cas de configurations vont être évalués à travers le logiciel HOMER afin de déterminer selon un certain nombre de critères techniques, la performance de notre système réellement envisageable pour ce type de production. Nous allons analyser ce système pour voir les paramètres de fonctionnement de ce dernier.

Présentation de HOMER

Le logiciel HOMER (Hybrid Optimisation Model for Electric Renewables) développé par NREL (National Renewable Energy Laboratory) aux Etats-Unis [17], permet la conception de différents systèmes d’alimentation électrique hors réseau et relié au réseau pour une variété d’applications. Il permet d’analyser et de combiner différentes sources d’énergie afin d’arriver à obtenir une configuration optimale.
Pour simuler une installation donnée, il faut définir tous les éléments de cette dernière, en utilisant les composants prédéfinis dans la bibliothèque du logiciel. Par la commande Add/Remove, les potentiels renouvelables sont introduits soit manuellement, soit importés via Internet ou encore d’un fichier texte. Les charges sont définies par leur nature (AC ou DC) et leur distribution horaire.

Simulation

Dans l’environnement HOMER, nous avons défini chaque élément de notre système, en nous basant sur les caractéristiques fournies au chapitre précédent. Des données telles que, les coordonnées du site, la durée de vie des composants ainsi que leur coût, la durée de vie du projet, le maximum de charges non satisfaites admis par la demande, qui est de 0 car il faut fournir les 100% des charges durant toute l’année, dans le cas d’un système autonome.
Le modèle du système étant introduit dans le logiciel, des calculs d’équilibre énergétique sont exécutés pour chaque configuration considérée. Les configurations obtenues sont sélectionnées en fonction de leur faisabilité, du coût d’installation. La rentabilité du fonctionnement est évaluée sur la vie du projet, estimée à 25ans. Les calculs du coût du système prennent en compte des coûts tels que le capital et l’intérêt, l’amortissement, les frais de fonctionnement, l’entretient et le carburant.

Résultats de la simulation et discussions

HOMER produit des résultats que nous pouvons afficher sous forme de liste de configurations possibles triés par coût du cycle de vie (Net Present Cost). Il affiche également les résultats dans des tableaux et des graphiques. Les résultats des différentes configurations des systèmes étudiés vont être analysés dans ce qui suit.

Configuration du système en fonction du coût net actuel

Les résultats de simulation sous HOMER sont donnés sous forme de combinaisons (configurations) réalisables (techniquement et économiquement) des éléments définis de l’installation, ces configurations sont classées par ordre de la Valeur Actuelle Nette (NPC). Le NPC est un outil nous permettant de faire une analyse financière à long terme pour montrer les avantages et les inconvénients de systèmes pour une installation future. Le premier résultat obtenu est remis avec des tailles supérieures et inférieures pour obtenir la solution la plus optimale. Pour chacune des configurations possibles, les paramètres de fonctionnement des composants et de l’ensemble de l’installation seront donnés (la fraction de l’énergie renouvelable, les émissions de gaz, le coût spécifique de l’énergie, l’énergie totale produite, consommée, l’excès d’énergie …). Dans le cas de notre étude, HOMER nous donne dans l’ordre les configurations de la plus rentable à la moins rentable. La configuration PV/diésel/batteries est la plus rentable en fonction du Net Present Cost et du coût de l’énergie. Ainsi, l’architecture du système hybride optimal est la suivante : Champ PV.

Le générateur diesel

Le générateur diésel (GD) est appelé à fonctionner à n’importe quel heure de la journée, du moment que la ressource solaire n’est pas disponible. Son état de marche ou d’arrêt est conditionné par la production du solaire et de l’état de charge des batteries. Ces paramètres sont les suivants (tableau III-5) :

Emissions

Les émissions de gaz proviennent de la partie classique de l’installation (le générateur diésel), le CO2 le principal gaz dégagé par la combustion du fuel. Les émissions annuelles rejetées sont répertoriées dans le tableau qui suit.
Le diagramme qui suit représente le coût de chaque composant de l’installation, et on remarque que le coût le plus élevé est celui du groupe diésel due au prix élevé du fuel et des coûts d’entretien et de maintenance qui nécessite la présence d’un technicien qualifié. Le coût du PV est inférieur à celui des batteries du au développement des sociétés productrices des modules et des recherches sur l’amélioration des rendements ; au même moment le coût du plomb augmente et la plupart des batteries qui existent de nos jours sont faites à partir du plomb.

Configuration du système PV seul

Dans cette partie, nous allons étudier le cas de la configuration composée uniquement d’un champ PV et de batteries. Cette étude va nous permettre de voir l’intérêt qu’a la configuration hybride par rapport à celle-ci sur le plan technique, économique et environnemental. Son architecture est la suivante :
A la figure III-14 ci-dessus, nous voyons que les batteries ont un état de charge très bas qui n’atteint les 60% qu’au mois de Janvier, pour les autres mois il est inférieur à 50%. Ceci est dû à une utilisation très forte des batteries et l’énergie fournie par le champ PV sert à satisfaire les charges et seulement l’excédent permet de recharger les batteries.
Il n’y a évidemment pas d’émissions de gaz polluants pour un système dont la fraction renouvelable est de 100%.

Configuration d’une installation classique

Dans cette partie, on va étudier la configuration ou l’installation est composée uniquement d’un générateur diésel, sans stockage. Cette étude est importante car, ça nous permet de justifier l’utilisation des systèmes hybrides.
La couverture de la charge par le système PV seul requiert un champ PV de [6 kWc], avec deux rangée de 24 batteries chacune, la puissance de l’onduleur étant la même pour les deux systèmes. On note une augmentation de taille du champ PV avec [7 kWc], par contre une rangée de 24 batteries est suffisante, montrant que l’apport du générateur diésel permet de réduire la taille des batteries.
Pour le système PV seul, les batteries fonctionnent beaucoup plus, induisant un nombre élevé du cyclage et donc la réduction de leur durée de vie.
La différence notée entre le dimensionnement manuel et la simulation pour le système PV hybride réside dans le fait que, le but de ce travail est d’avoir un système optimisé avec une part du solaire plus importante puisse que le potentiel solaire de cette région est importante et il est plus intéressant de l’exploiter. Le premier résultat donné par la simulation (champ PV 6kW, GD 7,75 kW) montre un NPC de 66.201.500 FCFA, avec un COE de 479,5 FCFA.
Une réduction de la taille du générateur diésel permet de réduire autant que possible les émissions de gaz polluants d’une part. Et d’autre part une taille plus importante du GD entraine une augmentation du coût net actualisé par une consommation plus grande de carburant avec les hausses permanent de ce dernier et du coût de l’énergie. De plus, une utilisation plus longtemps du GD entraine la réduction de sa durée de vie car elle fonctionne plus longtemps et nécessite beaucoup plus d’entretien. Ainsi, un groupe électrogène de capacité 6,5 kVA est suffisant pour notre système.
Sur le plan investissement, le système diésel est plus rentable mais avec un coût de l’énergie très élevé par rapport à celui du système hybride. Sur le Coût Net Actualisé (coût à la fin du projet), celui du système classique est doublé par rapport au système hybride. On voit aussi que le système à un coût d’investissement plus élevé, mais avec une utilisation de plus de batteries et un coût de l’énergie assez élevé par rapport à celui du système hybride. Dans une vue générale de l’ensemble, après une étude des caractéristiques techniques et économiques, un compromis est en faveur du PV/Diesel/Stockage avec un coût d’investissement moyen et un coût raisonnable de l’énergie. Ce système représente une solution économique optimale.

Conclusion

Dans cette partie, nous avons pu voir tous les paramètres des trois systèmes aussi bien sur le plan technique qu’économique. Les avantages et les inconvénients de chacun ont été établis afin de dégager lequel est le plus apte pour une installation dans une localité donnée. Le choix le plus judicieux s’est porté sur le système hybride.