Caractérisation, modélisation et fonctionnements d’une centrale solaire connectée à un réseau de 33 kV

Introduction

 La demande mondiale en énergie demeure en forte croissance et a peu de chances de diminuer, à moyen terme, compte-tenu du développement souhaitable et nécessaire des pays les moins riches. Les deux plus sensibles exigences concernent l’électricité, dans les mégapoles, et les carburants, pour les transports. Actuellement, les combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) fournissent 90 % de l’énergie primaire, tandis que les hydrocarbures (pétrole et gaz) sont considérés en énergies de bouclage, permettant de répondre à tout niveau de la demande. Or le lien, entre la consommation d’énergies fossiles depuis un siècle et demi et le changement climatique, est maintenant tenu pour hautement probable. De plus, les réserves de pétrole et de gaz, aussi importantes soient-elles, restent limitées. La moitié des réserves prouvées de pétrole et le tiers de celles de gaz seront déjà consommés en 2020. Les réserves de gaz permettront à peine d’atteindre 2050, celles du pétrole seront insuffisantes. Seul, le charbon, au demeurant le plus gros émetteur de CO2 et de polluants, offre des réserves pour plusieurs siècles

 Répartition de la consommation mondiale d’énergie 

La figure ci-dessous illustre l’évolution de la consommation mondiale d’énergie primaire répartie entre les différentes énergies, avec, superposée, la courbe des émissions énergétiques de CO2, à échelle adaptée. Les unités sont le million de tonne équivalent pétrole (Mtep) et le million de tonnes (Mt) de CO2 [1]. Chapitre 1 : Etat de l’art sur les énergies renouvelables Caractérisation, modélisation et fonctionnements d’une centrale solaire connectée au réseau de 33 kV 11 Figure 1. 1: l’évolution de la consommation mondiale d’énergie primaire répartie. Les émissions de CO2 sont calculées par BP, à partir des consommations d’énergies fossiles déclarées par les pays. Comme ces énergies sont très prépondérantes dans le « mix énergétique », il y a quasi-coïncidence entre la courbe des émissions de CO2 et le total de la consommation d’énergie (aux échelles près, évidemment). Toutefois un décrochement est observable, à partir de 2013, en raison du recours accru aux nouvelles énergies non-fossiles, notamment les énergies intermittentes éolienne et solaire. En complément, voici le détail de l’évolution des énergies non-fossiles (donc réputées non-émettrices de CO2), utilisées, en quasi-totalité, pour produire de l’électricité (voir figure 1.2). Figure 1. 2: évolution de la consommation mondiale d’énergies non fossiles. La répartition entre les différentes énergies s’est progressivement modifiée au fil des années. L’année 1990 étant habituellement citée en référence (figure 1.3), il est intéressant de comparer la répartition des énergies de 1990 avec celle de 2017. Pendant ces vingt-sept années, la consommation d’énergie est passée de 8 100 Mtep à 13 500 Mtep, soit une multiplication par 1,66. Figure 1. 3 : évolutions de la consommation mondiale en énergies en 1990. Figure 1. 4: évolutions de la consommation mondiale en énergies en 2017. L’augmentation importante de la consommation n’a pas entraîné de bouleversement dans la répartition entre les types d’énergies. La différence entre ces deux graphiques ne saute pas aux yeux : le charbon a conservé sa part de marché et l’ensemble pétrole-gaz n’a perdu que 3 points (de 61% à 58%). Tout se passe comme si les énergies intermittentes avaient surtout grignoté la part de l’hydraulique et du nucléaire. Dans le même temps, les émissions de CO² sont passées de 21,3 à 33,4 millions de tonnes, soit une multiplication par 1,57 ; un peu moins, donc, que la consommation d’énergie. Relevons, à ce sujet, deux ratios utiles, concernant les émissions de CO2 (chiffres pour 2017) : – CO²/consommation d’énergie fossile (toutes confondues avec la répartition actuelle) : # 2,9 tonnes/tep. – CO²/consommation d’énergie totale : # 2,5 tonnes/tep, en légère diminution tendancielle (on avait # 2,6 en 1990). En 2017, les énergies fossiles représentent 85,2% du total (les agro-carburants, soient 0,6%, sont comptés dans la rubrique pétrole), les énergies non-fossiles classiques (nucléaire, hydraulique, biomasse) 12,2%, et les énergies intermittentes 2,6% (dont 1,9% pour l’éolien et 0,7% pour le solaire). Répartition de la consommation d’énergie entre les régions du monde. La figure ci-dessous (figure 1.5) illustre l’évolution, entre 1990 et 2017, de la répartition de la consommation entre les principaux pays ou grandes régions (les pays restants se trouvent essentiellement en Europe hors UE et en Asie du Sud-est). On constate notamment que la Chine, les USA et l’Union européenne totalisent, en 1990 comme en 2017, environ la moitié de la consommation mondiale ; mais la répartition entre ces trois entités a été bouleversée : la Chine occupe désormais le premier rang, avec le quart de la consommation mondiale. L’Inde est encore très loin derrière. Figure 1. 5: Répartitions des consommations d’énergie par pays. 

 Ressources des énergies renouvelables

 Le soleil, le vent, les chutes d’eau et la biomasse sont autant de ressources naturelles utilisables pour générer de l’énergie électrique, grâce aux différentes technologies qu’on peut regrouper par filières économiques, en fonction de la ressource considérée. Disponibles en quantité supérieure aux besoins énergétiques actuels de l’humanité, les ressources d’énergie renouvelable n’augmentent pas la quantité de gaz à effet de serre de l’atmosphère lors de leur exploitation. Elles présentent, par ailleurs, une chance, pour plus d’un milliard d’habitants en régions isolées, d’accéder à l’électricité. Ces atouts, alliés à des filières de plus en plus performantes, plaident pour un puissant développement des énergies renouvelables. Dites « propres », elles constituent une alternative crédible aux énergies fossiles sur plusieurs points :  Propres, elles respectent l’environnement et ne dégagent pas de gaz à effet de serre ni de déchets toxiques.  Elles sont, comme leur nom l’indique, « inépuisables ».  Elles permettent une production décentralisée, finement adaptée aux besoins locaux. Citons, ici, six d’entre elles : l’éolien, le solaire thermique et photovoltaïque, la biomasse, la géothermie et l’hydraulique. Cette description de l’évolution de la consommation mondiale d’énergie primaire, de la consommation mondiale d’énergie non-fossile et de la répartition des consommations d’énergie par pays, doit être reliée aux applications concrètes des énergies renouvelables ; tout particulièrement dans le cas de la Mauritanie. Ce pays affiche, depuis quelques années, de véritables ambitions en matière pétrolière et entend en augmenter sa production. La politique nationale en matière d’énergie affirme le rôle de l’Etat, dans l’élaboration des stratégies économiques et le contrôle de leur mise en œuvre, tout en se désengageant des fonctions opérationnelles. Elle contribue à établir un cadre incitatif, pour encourager l’émergence d’entreprises privées, en ce qui concerne la fabrication, l’installation et la gestion des moyens de production d’électricité. Voici les principaux acteurs du secteur : – Ministère du Pétrole de l’Energie et des Mines (MPEM), – Société Mauritanienne d’Electricité (SOMELEC), – Ministère de l’Hydraulique et de l’Assainissement (MHA), – Agence de Développement de l’Electrification Rurale (ADER), – Autorité de Régulation Multisectorielle (ARM), Chapitre 1 : Etat de l’art sur les énergies renouvelables Caractérisation, modélisation et fonctionnements d’une centrale solaire connectée au réseau de 33 kV 15 – Collectivités Locales (CL), – Entreprises privées. Pour pallier à l’impact négatif du prix des énergies fossiles et les tensions au niveau de leur approvisionnement, il est proposé, dans ce travail, une centrale solaire (pilote) de 15 MW. Cet équipement entre bien dans la politique des structures d’Etat citées tantôt. Aussi paraît-il utile, pour en aborder la thématique, de présenter, dès le début de chapitre, les techniques existantes dans la littérature. On prendra toujours en compte les sources d’énergie renouvelable (éolienne, photovoltaïque ou petite centrale hydroélectrique) qui peuvent constituer un complément ou une alternative aux centrales diesel. 

Centrale énergie renouvelable autonomes 

Les systèmes autonomes liés à une source énergie renouvelable sont le plus souvent utilisés, dans les sites isolés, en secours d’un groupe électrogène. Voici quelques exemples de telles centrales autonomes en Mauritanie (Source MPEM, rapport 2012) :  Centrale électrique solaire photovoltaïque – diesel de 115 KWc, avec en réseau de 23 Km (MT et BT) Financement : 425 846 263 UM, Etat Mauritanien Construction: Anthea (France) / Tout Electrique (France) Emplacement: Hodh El Gharbi  Centrale électrique de Chami d’une puissance de 1 MW PV & éolien avec 250 kW diesel Financement : 549 435 935 UM / Etat Mauritanien Construction : COMACA SA (Mauritanie) / EIGRA Emplacement : Dakhlet-Nouadhibou  Centrale électrique de Birette (60 kWc Solaire, 40 kW thermique) avec un réseau (MT&BT) Financement : 150.000.000 UM / Etat Mauritanien Technologie : Monocristallin Emplacement : Trarza Dans les configurations récemment citées dans la littérature, la solution couramment employée consiste à associer des groupes électrogènes, souvent diesel, à des sources d’énergies supplémentaires (solaires, éoliennes et autres). Cette solution réduit le nombre de démarrage du groupe électrogène. Pour assurer les transitions, des batteries électrochimiques, voire des accumulateurs inertiels, peuvent également être associés, via un convertisseur électronique [5]. Les éléments constitutifs du système sont, de plus en plus souvent, reliés entre eux, par l’intermédiaire d’un bus continu, en particulier dans le cas des systèmes à vitesse variable. Les systèmes autonomes de petite puissance, en site isolé, utilisent le bus continu. Celui-ci peut être utilisé directement ou par l’intermédiaire d’un convertisseur CC-CC, pour le chargement des batteries, mais ne convient pas aux charges qui nécessitent du courant alternatif. Dans ce cas, on a besoin d’un onduleur pour convertir le courant continu en courant alternatif .

 Systèmes énergies renouvelables connectée au réseau 

Lorsque le système le permet, des énergies renouvelables connectées au réseau sont utilisées dans des zones à proximité du réseau électrique. Il est vrai qu’on fait généralement allusion aux systèmes de génération d’énergie électrique utilisant plusieurs types de sources, avec option de réseau. En Mauritanie, il est possible de rencontrer quelques exemples de tels systèmes (Source MPEM, rapport 2012).  Centrale solaire sur toiture du MPEM de 40 kWc, connectée au réseau Financement : 178.000 €, Etat Mauritanien Construction : Photalia (France) GIE Actif (Mauritanie) Technologie : Monocristallin Emplacement : Toit Ministère du Pétrole de l’Energie et des Mines  Centrale éolienne Nouakchott 30 MW, connecté au réseau Production annuelle : 122 Gwh Financement : 37M€ FADES, 6 M€ Etat Construction : Elecnor (Espagne)  Centrale Eolienne Boulenouar 100 MW, connecté au réseau Financement : FADES et Etat Construction : en cours Emplacement : Boulnoir-Dakhlet Nouadhibou  Centrale 6 MW Thermique (HFO/DO) + 3 MWc Solaire de Nema et d’Adel Bagrou connecté au réseau Financement : Etat RIM pour les études, coût prévisionnel 68 M$ USD. L’existence de centrales à caractère énergie renouvelable connectées au réseau permet de : – Diminuer le prix de l’exploitation pour les entreprises locales ; – Constituer complément ou alternative aux groupes électrogènes diesel ; – Obtenir une production électrique continue ; – Économiser du carburant, la diminution du coût couvrant, au minimum, l’investissement réalisé pour la partie énergie renouvelable et les autres composants auxiliaires du système.

Composants des sources de production

La répartition des consommations d’énergie par pays présentée plus haut est inéluctablement liée au mode de production par pays. Voici les systèmes les plus connus et les plus fréquemment utilisés, en Afrique, notamment en Mauritanie : • Thermique : L’électricité est produite à partir de sources d’énergies fossiles, c’est-àdire des éléments contenus dans le sous-sol de la Terre : charbon, fioul (issu du pétrole) et gaz ; • Renouvelable : L’électricité est produite à partir de sources d’énergies renouvelables, c’est-à-dire que la nature produit en permanence : eau, vent, soleil, chaleur du sous-sol, matière organique (bois, déchets, etc.) 

Systèmes thermiques de production d’électricité 

Les groupes électrogènes sont généralement utilisés dans des situations où l’interruption de l’alimentation électrique entraîne des conséquences graves ou des pertes financières : hôpitaux, industrie, notamment agro-alimentaire, aéroports, centres informatiques, pompiers, etc. [9]. Donnons, ici, un aperçu sur les groupes électrogènes et leurs accessoires : Groupe électrogène et ses accessoires : Un groupe électrogène est un dispositif autonome capable de produire de l’électricité. La plupart des groupes sont constitués d’un moteur thermique qui actionne un alternateur. Leur taille et leurs poids peuvent varier de quelques kilogrammes à plusieurs dizaines de tonnes. La puissance d’un groupe électrogène s’exprime en VA, kVA ou mVA, selon la puissance. Les unités les plus puissantes sont mues par des turbines à gaz ou de gros moteurs diesel. .