Îles et sites isolés : faire des calculs lorsque le diesel ne parvient pas à gravir les échelons

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16 juin 2020

Sur les sites isolés des Moluques, Palawan et Sabah, le diesel livré peut coûter plusieurs fois le prix à la pompe. Une fois inclus le transport, la manutention, les pertes, le vol et la maintenance du générateur, le coût par kWh de charge desservie par an produit une réponse contre-intuitive – et montre exactement où le plomb-carbone et le lithium gagnent chacun.

Combien coûte réellement un groupe électrogène diesel sur une île

Les sites isolés des îles extérieures des Moluques, de Papouasie et de Sulawesi en Indonésie, de Palawan et des hauts plateaux de Mindanao aux Philippines, ainsi que de l'intérieur du Sabah et du Sarawak partagent une propriété : le réseau soit n'existe pas, soit n'arrive que quelques heures par jour. La sauvegarde sur ces sites n'est pas du tout une sauvegarde : c'est l'approvisionnement principal et le générateur diesel fonctionne huit à vingt heures par jour. À ce stade, le prix d’une chaîne de batteries n’a plus d’importance ; ce qui compte, c'est le coût par kWh de charge desservie par an. Le coût du diesel livré comprend cinq éléments : le prix à la pompe, le fret jusqu'à la jetée, le transport secondaire de la jetée au site (bateau, moto, portage humain), les pertes et vols de stockage, ainsi que l'entretien et la révision du générateur amortis par heure de fonctionnement. Sur les sites en montagne nécessitant un portage, le deuxième tronçon à lui seul peut coûter une à deux fois le prix du carburant ; ajoutez un entretien toutes les 500 heures et une révision toutes les 5 000 heures et le trajet diesel coûte généralement deux à quatre fois la production de diesel urbain par kWh. Et ce chiffre évolue avec le prix du carburant et la capacité logistique – des variables qu’aucun opérateur ne contrôle.

Conversion du prix de la batterie en coût par kWh-an

Les comparaisons de batteries n'ont aucun sens à moins d'être converties en une base commune. Le calcul correct additionne le prix d'achat, le nombre de remplacements tout au long de la durée de vie, le transport et la main d'œuvre pour chaque remplacement, ainsi que le coût énergétique des pertes de charge/décharge, puis divise par la capacité nominale × la profondeur de décharge utilisable × les années de cyclage, ce qui donne le coût par kWh-an. Prenez une chaîne 48 V/100 Ah d'une capacité de 4,8 kWh : à une profondeur de décharge de 50 %, seuls 2,4 kWh sont utilisables, et sur un cycle quotidien, ces 2,4 kWh doivent transporter 365 jours. Si la chaîne est remplacée tous les trois ans, les trois achats comptent, pas seulement le premier. Cette seule étape expose deux erreurs courantes : traiter la capacité nominale comme une capacité utilisable et traiter la durée de vie nominale comme une durée de vie cyclique. En cycle quotidien, une batterie d'une durée de service de douze ans peut fournir seulement 300 à 500 cycles – épuisée en un an.

Pourquoi le plomb-carbone convient au cyclisme quotidien

Sous un cycle de charge-décharge par jour avec de longues périodes à l'état de charge partielle, l'AGM ordinaire échoue de manière flagrante : la plaque négative sulfate rapidement dans le PSoC, formant des cristaux denses de sulfate de plomb que la tension de charge normale ne peut pas réduire, de sorte que la capacité est définitivement perdue. Le plomb-carbone résout ce problème directement en ajoutant du charbon actif à la plaque négative, créant ainsi un mécanisme de stockage combiné capacitif et électrochimique afin que le courant de charge emprunte préférentiellement le chemin capacitif et que le sulfate ne s'accumule pas sur la surface de la plaque. La série LLC (300 à 1 000 Ah, six modèles, 2 V) utilise une technologie de capacité plomb-carbone avec une durée de vie quatre à cinq fois supérieure aux produits conventionnels en service PSoC, une acceptation de charge environ 30 % meilleure et une durée de vie nominale de vingt ans. Pour les sites insulaires, la recharge 30 % plus rapide peut avoir plus d’importance que la durée de vie : le générateur ne fonctionne que quelques heures par jour, la fenêtre de recharge est courte et l’acceptation de la charge détermine la quantité d’énergie récupérée chaque jour – et donc si le site survit jusqu’à la prochaine période de génération.

Quand le lithium est la bonne réponse

Le lithium n’est pas un plomb-carbone amélioré ; c'est une limite d'applicabilité différente. Les systèmes LiFePO4 48 V (série SDA10, 50 à 200 Ah, quatre modèles) offrent une décharge continue 1C et une très longue durée de vie, soit un tiers à la moitié du volume et du poids d'une capacité équivalente au plomb. Trois situations favorisent le lithium : les sites avec un espace ou une charge au sol limités, tels que de petites armoires montées sur une plate-forme de tour où l'acide au plomb ne rentre tout simplement pas ; les applications nécessitant un courant instantané élevé, où 1C signifie qu'une chaîne de 100 Ah peut fournir 100 A en continu, ce que l'acide au plomb ne peut pas faire dans le même volume ; et les sites avec une durée de vie supérieure à dix ans et un coût de transport très élevé, où le premier coût élevé est compensé par deux remplacements évités. À l’inverse, sur les sites où la température ambiante reste supérieure à 45 °C sans gestion thermique, l’avantage de durée de vie du lithium s’érode fortement et la tolérance thermique du plomb-carbone est plus fiable. Le test n’est pas de savoir quelle technologie est la plus avancée, mais laquelle des trois – profil de température, fréquence des cycles, coût de transport – est la plus chère sur ce site.

Trois topologies hybrides

Les sites insulaires ne fonctionnent presque jamais avec une seule source, et le choix de la topologie détermine l'efficacité globale. Le premier est à moteur diesel avec batterie tampon : le générateur fonctionne contre charge et la batterie couvre les intervalles de commutation et les arrêts nocturnes. Coût de modernisation le plus bas, adapté aux petites charges où l’approvisionnement en carburant est réalisable mais où le réseau est totalement absent. La seconde est l'énergie solaire plus batterie plus diesel en veille : le PV sert de charge et charge la batterie le jour, la batterie se décharge la nuit et le diesel ne démarre qu'après un ciel couvert prolongé ou un épuisement de la batterie. Les heures de fonctionnement du diesel peuvent tomber en dessous de deux par jour avec la plus grande économie de carburant, mais cela nécessite une zone de réseau adéquate et une protection contre la poussière. La troisième est une configuration solaire entièrement renouvelable, plus une batterie et une petite configuration éolienne, viable uniquement là où la vitesse annuelle du vent est stable et la charge est faible – d’une utilité limitée dans la ceinture de mousson d’Asie du Sud-Est. Ce que les trois partagent, c'est que la batterie passe du mode veille au moteur principal à cycle quotidien, de sorte que la durée de vie, l'acceptation de la charge et le comportement à haute température déterminent l'économie du système, et non l'efficacité du générateur.

Dimensionnement de la batterie dans un système hybride

La capacité de la batterie d’un système hybride doit être dimensionnée en fonction de la période la plus longue sans recharge, et non en fonction des heures de sauvegarde – et les deux réponses peuvent différer d’un facteur deux. Le calcul comporte quatre étapes. Premièrement, la consommation d'énergie quotidienne : charge en kW × 24 heures, en notant que les charges diurnes et nocturnes diffèrent généralement et doivent être calculées séparément puis additionnées. Deuxièmement, la période nuageuse consécutive la plus longue : deux à trois jours dans la ceinture de mousson d'Asie du Sud-Est, dont trois jours conservateurs ; Les hauts plateaux d'Afrique de l'Est présentent une couverture nuageuse plus variable, alors ajoutez un jour. Troisièmement, capacité utilisable = consommation quotidienne × jours couverts ÷ profondeur de décharge autorisée, en prenant DOD à 70 %. Quatrièmement, appliquez une correction de température et de vieillissement, généralement ×1,15 à ×1,25. Pour un site consommant 24 kWh par jour, trois jours d'autonomie à 70 % DOD nécessitent environ 103 kWh utilisables, soit environ 124 kWh après une correction de 20 %. Ce chiffre est généralement bien supérieur à celui produit par un calcul de « sauvegarde de quatre heures », car les deux répondent à des questions différentes : l'une est que faire lorsque le soleil n'apparaît pas pendant trois jours, l'autre est que faire pendant une panne de quatre heures. Sur un site hors réseau, seul le premier est significatif. Sous-dimensionnez-le et le système s’effondre dès la première période nuageuse – généralement au moment où les communications comptent le plus ; surdimensionnez-le et le retour sur investissement s'étend jusqu'à ce que le projet échoue au comité du budget. Prenons le chiffre conservateur du ciel couvert ; ne réduisez pas la capacité à deux jours pour économiser du capital. View Telecom Backup Power Selection