Vers un site autonome en électricité
Objectif de l'étude
Cette étude de cas a pour objectif de comparer un certain nombre de technologies et d'architectures de systèmes énergétiques permettant l'alimentation en électricité d'un site non raccordé au réseau électrique principal. Les applications ciblées peuvent être multiples : pylône de télécommunications, station météorologique autonome, site industriel ou encore, comme traité dans le cas présent, un bâtiment tertiaire.
Les solutions technologiques comparées dans cette étude sont:
- Un système de production et de stockage d’électricité constitué d'un champ photovoltaïque, d'un générateur diesel et de batteries Li-ion (PV-Bat-Genset);
- Un système de production et de stockage d’électricité constitué d'un champ photovoltaïque et de batteries Li-ion (PV-Bat);
- Un système de production et de stockage d’électricité constitué d'un champ photovoltaïque et d'une solution de stockage hybridant des batteries Li-ion et une chaîne hydrogène incluant la production d'hydrogène, le stockage et la production d’électricité à partir d'hydrogène (PV-Bat-H2).
Exemple d'architecture - Système PV-Bat-H2
La figure ci-contre illustre un exemple d'architecture modélisée à l'aide du logiciel ODYSSEY. Cette solution est constituée des composants suivants:
- La charge électrique à alimenter
- La centrale solaire photovoltaïque
- Le banc de batteries
- L’électrolyseur
- La pile à combustible
- Le réservoir d’hydrogène
Le principe de fonctionnement consiste à produire de l’électricité à partir de la centrale solaire photovoltaïque pour alimenter les besoins en électricité du site. Lorsqu'il y a un surplus de production photovoltaïque, celle-ci est utilisée pour recharger les batteries et/ou alimenter l'électrolyseur pour produire de l’hydrogène qui sera stocké dans le réservoir. Inversement, lorsque la production photovoltaïque est insuffisante pour alimenter les besoins en électricité du site, les batteries et/ou la pile à combustible complète cette production.
L'arbitrage entre la sollicitation des batteries et la chaîne hydrogène est porté par la stratégie de gestion de l'énergie. Plusieurs stratégies ont ainsi pu être testées et optimisées grâce au logiciel ODYSSEY.
Exemples de résultats
Focus sur la solution PV-Bat-H2
A l'aide la plateforme ODYSSEY, le dimensionnement de la solution PV-Bat-H2 a pu être optimisé dans l'objectif de garantir une autonomie complète du site en électricité. Le dimensionnement obtenu, illustré ci-contre, montre qu'une chaîne hydrogène de "petite" taille est suffisante pour compléter les batteries. La chaîne hydrogène est ainsi utilisée ici comme un "prolongateur d'autonomie" des batteries.
La figure ci-contre illustre le coût de fourniture de l'énergie à la charge (actualisé sur une durée d'exploitation de 20 ans et exprimé en €/MWh) pour différents taux de défaillance (taux de non-satisfaction des besoins en électricité). Chaque point bleu correspond au dimensionnement optimal de la solution PV-Bat-H2 pour un taux de défaillance donné, c'est à dire le dimensionnement permettant de minimiser le coût de fourniture de l'énergie pour un taux de défaillance donné.
On constate ainsi que pour un taux de défaillance de 10% (i.e une autonomie du site de 90%), le coût de fourniture de l'énergie est réduit de moitié. Ceci souligne à quel point atteindre l'autonomie complète d'un site nécessite un surcoût important par rapport à une autonomie partielle. On constate par ailleurs des variations importantes dans le dimensionnement optimal de la solution (PV, batteries, électrolyseur, etc.) en fonction du niveau de défaillance que l'on s'autorise. Ceci souligne l'importance de l'étape du dimensionnement dans la conception d'un système énergétique pour garantir le respect du cahier des charges. En effet, il est nécessaire de dimensionner suffisamment les composants du système afin de respecter le taux de défaillance maximal autorisé tout en évitant le surdimensionnement qui aboutira à une solution plus coûteuse.
Comparaison des différentes solutions
La figure ci-contre compare les trois solutions examinées dans le cadre de cette étude. De manière similaire à la figure précédente, chaque point correspond au dimensionnement optimal de la solution concernée et permettant d'aboutir à un taux de défaillance donné. On peut constater que pour garantir un taux de défaillance inférieur à 20% (autonomie du site supérieure à 80%), la solution PV-Bat-Genset reste la plus compétitive (pour un coût du diesel pris ici à 1.0€/l).
On constate également que pour un taux de défaillance supérieur à 3% (autonomie du site inférieure à 97%), les solutions PV-Bat et PV-Bat-H2 sont équivalentes. Cependant, dès lors que l'on vise une autonomie supérieure à 97%, la solution PV-Bat-H2 devient économiquement plus intéressante.
Principales conclusions
La solution combinant une centrale photovoltaïque, des batteries et un générateur diesel constitue aujourd'hui la solution la plus compétitive économiquement pour garantir l'autonomie totale en électricité du site (pour un coût du diesel pris ici à 1.0€/l). Cependant, l'évaluation de cette solution ne comptabilise pas les émissions de CO2 et autres impacts environnementaux liés à l'utilisation du générateur diesel.
Parmi les deux autres solutions exclusivement à base d'énergie renouvelable, la solution intégrant une centrale photovoltaïque, des batteries et une chaîne hydrogène complète constitue aujourd'hui une alternative économiquement plus avantageuse qu'une solution constituée uniquement d'une centrale photovoltaïque et de batteries. En effet, l'investissement supplémentaire dans une chaîne hydrogène permet de diminuer considérablement la taille du banc de batteries nécessaire à l'autonomie du site résultant en une solution ayant un coût complet moindre sur 20 ans.