ANALYSE TECHNICO-ECONOMIQUE D’UN
SYSTEME HYBRIDE PV/DIESEL/STOCKAGE

 Les systèmes PV hybrides

Définition et régime de fonctionnement 

Définition Le problème de la puissance variable et non garantie produite par les sources d’énergie renouvelables peut être résolu par un couplage des sources d’approvisionnement et la formation d’un système dit hybride (SH). Un système hybride à sources d’énergies renouvelables est un système électrique, comprenant plus d’une source d’énergie, parmi lesquelles une au moins est renouvelable. Le système hybride peut comprendre un dispositif de stockage. D’un point de vue plus global, le système énergétique d’un pays donné peut être considère comme un système hybride [5].  Régime de fonctionnement Les systèmes hybrides peuvent être divisés en deux groupes. Dans le premier groupe, on trouve les systèmes hybrides travaillant en parallèle avec le réseau électrique, appelés aussi connectés réseau. Ces systèmes contribuent à satisfaire la charge du système électrique du pays. Les systèmes hybrides du deuxième groupe fonctionnent en régime isolé ou en mode autonome. Ils doivent répondre aux besoins des consommateurs situés dans des sites éloignés du réseau électrique : refuges de montagne, îles, villages isolés, panneaux de signalisation routière, lampadaires, service de télécommunication etc. 

Etat des lieux des systèmes de production photovoltaïque hybride en milieu rural

L’électrification rurale est un processus qui consiste à fournir l’énergie électrique aux zones rurales. En Afrique subsaharienne ces dernières sont généralement éloignées des réseaux électriques existants et par conséquent ne bénéficient pas généralement des avantages liés à l’électricité. Au Sénégal, plus de 60% de la population vivent en milieu rural. Toutefois, l’extension des réseaux électriques rencontre des contraintes économiques importantes. Tout d’abord, la demande d’électricité dans les zones rurales est relativement faible: usages essentiellement domestiques ou de petites industries. L’électrification rurale doit ainsi être conçue et optimisée en termes de coûts de la production et de la distribution d’électricité. Cela implique l’association de techniques efficaces de consommation d’électricité et des technologies de production adaptées à la ressource locale et à la taille des besoins. Le Sénégal, par le biais de l’ASER a été divisé en 10 concessions pour assurer une électrification de toutes les zones rurales. Une concession est définie comme l’ensemble des localités rurales non électrifiées jusqu’au 31 décembre 2000 d’un ou de plusieurs départements d’une région considérée [6]. Six de ces concessions sont déjà attribuées à des concessionnaires avec une partie du capital financée par l’état pour la réalisation des travaux. Ainsi, 850kWc ont été installés en 2000, 2000kWc en 2007, 3MWc en 2010 et 4MWc jusqu’en 2013 [3]. La région de Fatick en a bénéficié avec un taux d’électrification de 24, 7% avec le solaire contre 5,7% sans en 2004 [4]. Le Sénégal est l’un des pays africains les plus actifs dans le déploiement de la technologie hybride. Avec l’entreprise espagnole Isofoton, un programme de 13 milliards de FCFA (20 millions EUR) a permis d’installer neuf centrales hybrides dans des régions isolées et dans les îles du delta de Saloum, afin d’assurer un approvisionnement en électricité à 5000 ménages et à plusieurs activités productives. Aussi, avec l’aide de la GIZ et de DGIS des Pays-Bas, un programme d’un budget de 685 millions de FCFA (1 million EUR) a permis d’installer 16 centrales hybrides (5 kWc PV et 11 kVA diesel par centrale). Une extension de ce programme comprend l’ajout de 50 systèmes hybrides. Deux systèmes hybrides de plus grande puissance sont prévus sur des îles situées en Casamance (30 kWc PV et 50 kVA diesel) [7]. Dans ce cadre du programme PERACOD, un système hybride a été installé dans le village isolé de Sine Moussa Abdou, dans la région de Thiès, pour alimenter en électricité ses 900  habitants. Le système est composé d’un champ photovoltaïque de 5,2 kWc (complété par une turbine éolienne de 5 kW), d’un parc de batteries de 120 kWh et d’un groupe électrogène diesel de 8,5 kVA.

Etude de structure de système PV hybride

Système PV/ Stockage

Pour une installation d’un système photovoltaïque sur un site isolé, il est indispensable de stocker l’énergie produite et ainsi, la délivrer la nuit et quand l’ensoleillement ne sera pas suffisant pour alimenter les consommateurs électriques. Ce système de stockage représente une part très importante du coût de l’installation, et ces conditions de fonctionnement sont très contraignantes [8]. La gestion de l’énergie dans les systèmes PV autonomes est encore un thème de recherche très présent dans le domaine du photovoltaïque. Le stockage idéal peut être constitué, d’un banc de batteries, d’un électrolyseur avec réservoir d’hydrogène ou d’une combinaison de deux dispositifs de stockage différents comme électrolyseur et batterie ou électrolyseur et super condensateur. Dans le cas d’une installation connecté au réseau, il peut y’avoir la présence d’un parc batteries, pour le cas où il y’aurait délestage ou panne de courant sur le réseau, les charges seraient alors alimentés par l’énergie stockée dans les batteries. Ici l’énergie produite permet d’alimenter directement les charges et recharger les batteries; s’il y’a surplus de production, il est directement injecté dans le réseau.

Système hybride PV/diésel/ stockage

Il s’agit de mini-réseaux destinés à la production d’énergie, utilisés dans des sites isolés, avec pour objectifs :  alimenter les charges électriques sans interruption, avec une bonne qualité de tension au moindre coût.  maximiser l’utilisation des énergies renouvelables (utiliser au mieux la ressource solaire)  minimiser la consommation en combustibles fossiles.  pouvoir être connectés facilement au réseau national. Les systèmes autonomes contiennent souvent des batteries mais aussi d’autres dispositifs de stockage. Les batteries et le champ photovoltaïque produisent du courant continu. Par contre, les moteurs diesel peuvent entrainer des générateurs continus ou alternatifs. Le plus souvent les consommateurs demandent du courant alternatif ; on distingue alors différentes structures de systèmes selon le type de la machine électrique couplée avec le moteur diesel. 

Les différentes configurations des systèmes hybrides PV/diesel/stockage

L’ensemble des composantes d’une centrale hybride peuvent être connectées selon différentes configurations. Elles peuvent être connectées soit en série (connexion DC), soit commutées (connexion AC), soit parallèle (mixte DC-AC). a) la configuration série DC Dans cette configuration, le générateur diesel peut être directement connecté sur le bus DC (dans le cas d’un générateur de courant continu) ou d’abord redressée (cas d’un générateur à courant alternatif) et puis convertie de nouveau en alternatif pour être fournie à la charge, ce qui implique des pertes de conversion significatives. Le générateur diésel ainsi que le PV sont connectés sur le bus DC de la batterie, l’onduleur transforme toute la puissance continue fournie par l’ensemble des sources d’énergie en puissance alternative. Le groupe diésel peut servir à recharger les batteries, il est déconnecté lorsque la charge est terminée. Il peut aussi alimenter directement les charges à travers des convertisseurs électroniques. Les avantages sont :  un dimensionnement facile du générateur diesel ;  un schéma électrique simplifie à cause d’une absence de commutation des sources d’énergie en courant alternatif ;  la mise en marche du générateur diesel n’est pas liée à une interruption de l’alimentation électrique ;  grâce à l’onduleur, le consommateur peut être alimenté avec une tension, dont la forme du signal, la valeur et la fréquence sont convenables. Les inconvénients sont :  l’inconvénient majeur de cette configuration est que le rendement global est diminué à cause de la conversion de l’énergie produite par le groupe électrogène (cas d’un générateur continu) qui ne peut pas la fournir directement à la charge.  l’onduleur ne peut pas travailler en parallèle avec le générateur diésel et donc, doit être dimensionné pour satisfaire la puissance de pointe de la charge  la durée de vie de la batterie est diminuée à cause de l’augmentation du nombre des cycles charge-décharge.  Figure I- 1: Schéma de la configuration série DC b) la configuration commutée AC Le générateur diésel fournit une puissance en alternatif qui peut alimenter directement la charge et donc l’élimination des pertes dues à la conversion. Dans ce type de configuration, la charge peut être alimentée soit par le groupe soit par l’onduleur. L’alimentation par les deux simultanément n’est pas possible. Le générateur diesel peut charger la batterie par l’intermédiaire d’un redresseur. La gestion du système doit être automatique à cause de la complexité du système hybride. Les avantages de cette configuration sont :  le système possède un rendement plus haut, parce que le générateur diesel peut alimenter directement la charge, d’où une baisse de la consommation de fuel ;  l’onduleur peut assurer au consommateur la tension demandée en forme et en valeur ; une avarie de l’onduleur n’engendrera pas l’arrêt complet de l’alimentation électrique, parce que la charge peut être satisfaite par le générateur diesel. Les inconvénients sont :  l’onduleur et le groupe électrogène fonctionnent en parallèle, entrainant une coupure lors de la commutation des deux sources ;  le générateur et l’onduleur doivent être dimensionnés pour la consommation maximale du système.  de cette façon, ils fonctionnent avec un moindre rendement lors les périodes de faible charge ; une construction complexe.