jeudi 15 septembre 2016

Le photovoltaïque (PV) résidentiel

Préambule

Cet article donne des informations sur le choix, l'installation et l'utilisation d'un système de génération d'énergie électrique à base de panneaux photovoltaïques installés chez le particulier.
Il s'appuie sur une situation vécue et personnelle. Un calcul du coût d’amortissement de l'installation est donné, par rapport aux prix pratiqués en Algérie.

Introduction

A l'heure où tout le monde parle d'énergie renouvelable; solaire et éolienne, il me parait intéressant, en tant qu'enseignant-chercheur, de me faire ma propre idée sur l'utilisation, au quotidien, d'un système PV de génération d'énergie.
Il existe des solutions actuellement en test par l'opérateur national SONELGAZ sur des centrales au sud et quelques expérimentations au CDER et dans quelques universités mais pas chez le particulier.

Choix technologique

Le choix du PV par rapport à l'éolien pour une installation résidentielle est d'abord fondé sur la simplicité de l'installation mais aussi par rapport à la disponibilité de la ressource d'énergie; le vent étant rarement disponible dans ma région.
Le soleil par contre est disponible en abondance sur tout le territoire.

Il existe plusieurs type de panneaux photovoltaïques, du monocristalin, polycrystalin et mêmes de nouvelles technologies très prometteuses comme les perovskite qui ont connu ces derniers mois des progrès considérables en terme de rendement et de procédé de fabrication.
La disponibilité des PV localement a restreint notre choix entre le mono et le polycristalin. Le nombre de cellules par panneau, la dimension et donc la tension de sortie l'ont finalement fixé. C'est du 60 cellules en poly, que fabrique ALPV dans la Z.I. de Tlemcen.
Le PV sort environ 37 V 8A pour une puissance maximale de 230 W. Ceci nous amène au mode d'utilisation de cette énergie électrique.
Elle va être continue (donc pas alternative), de faible tension, intermittente et disponible environ 10h par jour, au plus.

Si on n'était pas raccordé au réseau électrique ou si la fiabilité du réseau était déplorable, il serait judicieux de penser à un système de stockage d'énergie sous forme continue (dans une batterie) et de l'utiliser avec un onduleur autonome (non assisté) pour générer une tension alternative et alimenter une partie de la puissance installée à la maison.

Il existe un autre mode pour le résidentiel qui utilise un onduleur assisté (par le réseau). Son nom est le GTI (Grid Tie Inverter). Cet onduleur se synchronise sur le réseau pour adapter la fréquence et la tension et venir puiser l'énergie du PV par un algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking) et la renvoyer sur le réseau.
Cela permet de diminuer la puissance totale absorbée par la maison du réseau, puisque une partie est fournie par le système PV-Onduleur GTI et ainsi réduire la consommation et la facture d'électricité.
On peut même fournir de la puissance nette au réseau si la puissance générée devient supérieure à la puissance consommée par la maison.
Nous avons choisi le mode assisté et donc un GTI.

Dimensionnement

Quel est alors la puissance à installer ?
Pour prendre cette décision, on peut déjà commencer à regarder quels sont les besoins en électricité en pointe et en moyenne sur 24h tout au long de l'année.
Nous utilisons, depuis plusieurs années, sans modification de l'installation électrique, un système de mesure et d'information de la puissance instantanée consommée par la maison et de l'énergie consommée par 24h (environ 10 kWh).
La puissance instantanée fluctue grandement en fonction du temps. La nuit, elle peut descendre même en dessous de 100 W. Seuls restent alimentés les réfrigérateur et congélateur et les quelques circuits de veille des TV, démos et chargeurs de téléphone.

Je précise que le domicile est à 95% en lampe éco et que le renouvellement des lampes se fait depuis quelques mois en lampes LED (10 W à 450 DA/unité). Je conseille d'ailleurs à tout ceux qui sont encore équipés en lampes à incandescence de passer directement aux lampes LED qui supplantent en avantages les lampes éco (allumage instantané avec le maximum d'éclairement, durée de vie supérieure et absence de mercure).

Pendant la journée, des utilisations temporaires d'appareils gros consommateur d'énergie électrique, font grimper la puissance maximale demandée. Par exemple, le micro ondes requiert 900 W mais ne les consomme que pendant sa courte utilisation (1 min), le grille pain 1000 W, la résistance de la machine à laver 2000 W de même que le sèche cheveux...

Faut-il alors dimensionner l'onduleur et les PV par rapport au pic maximal de consommation ou par rapport à la puissance moyenne sur 24h.
En fait, le choix d'un GTI nous permet de faire ce qu'on veut. En effet, contrairement au système PV autonome qui doit assurer tout seul toute la consommation de l'énergie, à tout moment, le système GTI quand à lui n'est là que pour réduire les besoins du réseau.

On peut ainsi annuler complètement sa consommation sur 24h, si on produit les 10 kWh journalier. Avec 10h de soleil, il faudrait donc 1 kW installé et cela en supposant que le PV donnerait le maximum de puissance durant toute la journée.

J'ai choisis pour ma part de m'équiper de 2 panneaux PV, chacun de 230 W. Cela donne 460 W de puissance au maximum.



Afin de maximiser l'extraction de puissance, il faut disposer d'une connexion indépendante pour chacun des PV et pilotée par un algorithme de MPPT.
Notre choix s'est porté sur le micro onduleur YC-500 d'AP Systems.

Il supporte jusqu'à 500 W nominal avec 2 entrées de PV. La sortie doit être branchée sur le réseau domestique 230V AC.
La connectique DC est la nouvelle norme MC4 qu'il convient de faire correspondre avec celle des PV. Ces derniers sont aussi protégés avec une diode contre les retours de courant dans le cas de branchement en parallèle de PV, ce qui n'est pas notre cas.
La connectique AC de l'onduleur est propriétaire et il faut acheter le connecteur. Ce système de micro onduleur est fait pour qu'ils se branchent en parallèles l'un derrière l'autre, sur une ligne au sol, dans le cas d'une installation multiple, jusqu'à 16 PV mais toujours en nombre pair, donc jusqu'à 8 micro onduleurs YC-500.
Le système sera monitoré par une boîte (box) qui, relié à internet et au réseau 230V domestique, récupère les informations par courant porteur (CPL) des micro onduleurs et donc des PV. Elle permet un suivi de la production de sa mini station solaire :-)


Notre installation minimaliste comporte, un micro onduleur YC-500 et sa connectique (chez AlmaSolar France à 250 €).

Les 2 PV 230W 60 cellules (18 kDA/unité), leurs 2 supports inclinables, un disjoncteur magnétothermique bipolaire (qui permet de complètement isoler le micro onduleur de mon réseau, sauf la terre qui est en permanence connecté à l'ensemble), ont coûté 50 kDA.

Installation

L'installation se fait obligatoirement sur le toit de manière à éviter l'ombre portée par les murs voisins. Sur les conseils du vendeur des chevilles métalliques sont utilisées pour fixer les supports des PV directement dans la dalle de la terrasse. J'espère que l'on n'aura pas d’infiltration d'eau cet hiver via ces interstices même si du FlintCoat a été mis à posteriori.


Il vaut mieux aligner les PV de manière à ce qu'ils ne fassent pas d'ombre l'un sur l'autre quand ils sont inclinés et que le soleil n''est pas très haut dans le ciel.
Pour ma part, je n'ai pas pu suivre cette configuration afin d'éviter les poutres horizontales de la structure porteuse de la dalle.


Mesures

Le système de mesure basique comporte une pince à effet hall ou transformateur de courant qui transmet, par liaison RF 433 MHz, la mesure de courant AC vers un afficheur déporté. Ce dernier calcule la puissance qui passe donc par ce câble et l'affiche. Il fait aussi le calcul de l'énergie cumulée sur 24h et permet aussi de calculer des coûts moyens.


J'ai disposé 2 mesures, l'une à la sortie de l'onduleur GTI (YC-500) et l'autre sur l'entrée du disjoncteur différentiel de la maison.
Cela me permet de connaitre la production d'énergie électrique AC du système PV+Onduleur et aussi la puissance consommée par la maison.


A droite, la puissance générée en plein soleil
A gauche, la puissance nette consommée par la maison


L'ennui de ce système c'est qu'il n'informe pas si la puissance est générée ou consommée car il ne mesure pas la tension (qu'il suppose de 230 V) et surtout son déphasage par rapport à celle du courant.
Des appareils plus appropriés peuvent être utilisés pour ce faire. Exemple : Fluke 43B
qui permet de mesurer la puissance active, réactive et les harmoniques.
On peut aussi construire un système de mesure et de log. Un futur projet ;-)

A vide (pas de soleil), l'onduleur consomme entre 32 et 48 W. Je ne sais pas si c'est de l'actif ou du réactif vu que je n'ai pas encore appareillé par le système adéquat, mais dans le doute, j'ai placé un programmateur d'allumage rotatif qui raccorde l'onduleur au réseau uniquement entre 7 h et 19 h. Comme à ces heures là la puissance produite est celle de la consommation de l'onduleur, je n'ai pas de problème de pouvoir de coupure sur le programmateur journalier.
Le maximum de puissance que j'ai pu avoir au zénith, quand les panneaux sont super propres et inclinés de 15° (une explication sur l'inclinaison avec programme Matlab est prévue sur un prochain post) est de 400 W AC.

En moyenne, par jour j'ai 2.6 kWh. On est donc loin du calcul rapide 400 W*10h.

Sur le moniteur de droite, le système PV+onduleur produit 370 W à 12h22 et une moyenne journalière de 2.65 kWh
La maison consomme 579 W dont seulement 209 W (moniteur de gauche) du réseau SONELGAZ

Si on regarde l’ensoleillement prévu en moyenne sur notre région (2600 heures par an, suivant le MEM), cela fait 400 W *2600 h = 1040 kWh par an.
Dans la réalité, je calculerai plutôt 2.6 kWh*300 jours d'ensoleillement annuel = 780 kWh par an.
Seule une étude rigoureuse sur plusieurs années, nous permettrai de juger, mais on a déjà une idée sur la production de ce système.
Alors, si on veut calculer l’amortissement de l'installation, on est vite refroidit.
En effet, avec le prix actuel du kWh en Algérie : 
Voir site du MEM, de la CREG et de la presse donnant les prix des différentes tranches :
4.179 DA/kWh pour une consommation entre 125 et 250 kWh/trimestre
4.812 DA/kWh pour une consommation entre 250 et 1000 kWh/trimestre
5.480 DA/kWh pour une consommation >1000 kWh/trimestre

Donc même dans le cas le plus défavorable, pour amortir les 50 kDA+250*180 DA = 95 kDA de l'installation, il faudrait 95000 / 5.48 = 17336 kWh de produit par le système.
Ce qui correspond, si le système ne vieillit pas, à 17336 / 780 = 22 ans. Les PV seront surement H.S. avant !

Conclusion

Il est clair qu'au prix du kWh de l'électricité résidentiel en Algérie, il n'est pas du tout intéressant pour le particulier d'installer un système PV du type GTI.

Il peut être intéressant pour l'industriel producteur d'énergie de le faire car il vendrait à SONELGAZ pour un prix bien plus supérieur à 5 DA; entre 11 et 22 DA/kWh fixé par la CREG.

L'intérêt pour le particulier de disposer d'un système PV est l'indépendance énergétique. Ce qui n'a pas de prix, mais il faudrait qu'il investisse en un système d'onduleur autonome avec la possibilité de se raccorder ou non au réseau.

Le dernier intérêt d'installer un PV GTI est dans le but de l'étudier, la curiosité scientifique n'a évidement pas de prix.

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