Au-delà du diesel : sauvegarde hybride solaire et batterie sur les sites africains hors réseau

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8 octobre 2019

Les sites hors réseau du nord du Nigeria, du Niger, du Mali, du Burkina Faso, de l’Éthiopie et du Turkana fonctionnent au diesel, les coûts de carburant, de transport et de vol consommant une grande partie des OPEX. Cet article couvre les trois topologies et, lorsque chacune s'applique, la durée de vie réelle de la batterie sous un cycle quotidien, la variable sous-estimée de la poussière et une formule de récupération avec quatre entrées que vous pouvez mesurer sur site.

Une journée sur un site hors réseau

Autour de Kano et Kaduna, au nord du Nigeria, dans les zones rurales du Niger, du Mali et du Burkina Faso, sur les hauts plateaux éthiopiens, dans la région aride du Turkana au Kenya et dans les provinces périphériques de la Zambie, une journée typique se déroule comme ceci : le générateur diesel démarre avant le crépuscule et fonctionne jusque tard dans la nuit avec une charge d'environ 1 à 3 kW ; il s'éteint pendant la nuit et la batterie transporte la bande de base et la transmission ; le jour, la batterie continue d'alimenter le site jusqu'au soir, se chargeant uniquement si l'alimentation du réseau apparaît pendant quelques heures. Le problème ne vient pas du générateur lui-même mais de trois coûts cachés : la livraison du carburant sur le site, qui, lorsqu'un transport à moto ou à dos de chameau est nécessaire, peut dépasser le double du prix à la pompe ; le vol de carburant, qui dans certaines régions représente 10 à 30 % du volume acheté ; et entretien et révision amortis par heure de fonctionnement. L’objectif de l’énergie solaire n’est pas environnemental : il s’agit de retirer la charge diurne du générateur et de réduire directement les trois coûts.

Choisir parmi trois topologies

L’hybride solaire n’est pas un modèle mais trois, et un mauvais choix double le retour sur investissement. Le premier est l'énergie solaire plus batterie et diesel de secours, également appelé priorité solaire : le photovoltaïque sert de charge et charge la batterie pendant la journée, s'arrête une fois que la batterie est pleine et le diesel ne démarre qu'après un ciel couvert prolongé ou un épuisement de la batterie. Il minimise les heures d’utilisation du générateur et convient aux sites présentant un bon rayonnement annuel et une charge concentrée pendant la journée – le choix le plus courant en Afrique subsaharienne. Le second est à moteur diesel primaire avec assistance solaire, où le photovoltaïque ne supporte qu'une partie de la charge, généralement 30 à 50 %, et le générateur fonctionne comme avant avec une consommation de carburant inférieure. Le plus simple à moderniser et le moins cher en capital, il convient aux charges plus importantes ou aux sites dotés d'un générateur relativement nouveau. Le troisième est un système solaire pur plus une batterie sans aucun générateur, viable uniquement lorsque la charge est inférieure à 500 W et que trois jours de risque couvert sont acceptables. Le facteur décisif pour les trois n’est pas la ressource d’irradiation mais la manière dont la courbe de charge chevauche la courbe solaire : un chevauchement élevé favorise le premier, un faible chevauchement rend la seconde plus sûre.

Autonomie réelle de la batterie en cyclisme quotidien

Dans un hybride solaire, la batterie effectue un cycle complet chaque jour, ce qui n'a rien à voir avec la veille flottante et c'est là que de nombreux projets échouent : ils spécifient une batterie flottante et la remplacent en deux ans. La sélection dépend de trois chiffres et non de la capacité indiquée sur la plaque signalétique. Premièrement, la durée de vie cyclique, et plus particulièrement la durée de vie cyclique à une profondeur de décharge donnée ; les systèmes solaires fonctionnent généralement entre 50 et 70 % de DOD, alors demandez des données dans cette bande. Deuxièmement, l'acceptation de la charge : la puissance de charge photovoltaïque varie en fonction de l'irradiation, le courant est faible le matin et en fin d'après-midi, et la capacité d'absorption efficace de la batterie à faible courant détermine la récupération d'énergie quotidienne. La série plomb-carbone (LLC, 300 à 1 000 Ah, six modèles) offre une durée de vie quatre à cinq fois supérieure à celle d'un produit conventionnel en service PSoC avec une acceptation de charge environ 30 % supérieure, et est conçue exactement pour cela. Troisièmement, le comportement à haute température : les températures d'armoire supérieures à 40°C sont monnaie courante en Afrique, la durée de vie doit donc être corrigée en fonction de la température. La série à cycle profond (FTC, 100-170 Ah, 1 500 cycles ou plus) constitue également un choix judicieux pour les petites et moyennes capacités.

Poussière : la variable sous-estimée

Dans l’ensemble du Sahel et de l’Afrique de l’Est aride, la poussière est largement sous-estimée. Premièrement, la saleté : chaque couche de poussière sur le verre réduit la transmission de plusieurs points de pourcentage, et après une tempête de poussière, le réseau peut être recouvert d'une épaisseur suffisamment épaisse pour réduire de moitié la production. Au Niger, au Mali et au Tchad, sauter le nettoyage peut coûter plus de 20 % du rendement annuel. Deuxièmement, thermique : la poussière sur la feuille de support empêche le rejet de chaleur, augmentant la température des cellules et l'efficacité de la coupe, aggravant ainsi la perte. Troisièmement, mécanique et électrique : la poussière pénétrant dans les boîtes de jonction et les connecteurs entraîne un mauvais contact et un risque d'arc, et la poussière présente dans les chemins d'air de l'onduleur bloque le refroidissement. Quatre réponses de conception s'ensuivent : augmenter l'inclinaison du réseau afin que la poussière soit soufflée ou lavée plus facilement ; spécifier des boîtes de jonction et des connecteurs avec un indice de pénétration plus élevé ; utilisez des onduleurs refroidis naturellement ou installez des filtres à poussière et ajoutez-les à l'itinéraire d'inspection ; et inscrire le nettoyage dans le contrat d'exploitation et d'entretien avec une fréquence définie – mensuellement pendant la saison des poussières, trimestrielle autrement – ​​plutôt que « selon les besoins ».

Calculer le retour sur investissement

La récupération ne nécessite aucun modèle complexe, seulement quatre entrées, et toutes les quatre peuvent être mesurées sur site. Premièrement, le coût annuel actuel du diesel : consommation quotidienne moyenne en litres × 365 × prix du carburant livré, transport compris. Utilisez le prix livré, pas le prix à la jetée. Deuxièmement, le coût du diesel post-rénovation : échelonné en fonction de la réduction des heures de fonctionnement du générateur, qui pour les conceptions à priorité solaire représente généralement 20 à 40 % de l'original. Troisièmement, le rendement photovoltaïque annuel : capacité du générateur en kWc × heures d'ensoleillement de pointe équivalentes locales × 365 × efficacité du système de 0,75 à 0,8 × facteur de salissure et de dégradation de 0,85 à 0,9. Quatrièmement, l'investissement total comprenant les modules, le montage, le contrôleur, la batterie, le transport et l'installation. Retour sur investissement = investissement ÷ (coût annuel du diesel avant rénovation − coût annuel du diesel après rénovation − coût d'entretien annuel). L’apport le plus souvent surestimé est le troisième : les gens profitent d’heures d’ensoleillement idéales et oublient la saleté et la dégradation. Prenez les coefficients conservateurs et le retour sur investissement que vous calculez est celui qui peut réellement être réalisé.

Dimensionnement de la baie et de la batterie ensemble

Les deux erreurs les plus courantes dans la conception d’un système hybride solaire sont un générateur sous-dimensionné et une batterie sous-dimensionnée, et elles se produisent généralement ensemble. Le principe est de traiter la période couverte comme la contrainte et le bilan énergétique quotidien comme l'objectif, en trois étapes. Premièrement, la consommation quotidienne : charge en kW × 24 heures, calculée séparément lorsque les charges diurnes et nocturnes diffèrent. Deuxièmement, le rendement photovoltaïque quotidien moyen : capacité du générateur en kWc × heures d'ensoleillement maximales équivalentes × efficacité du système de 0,75 à 0,8 × facteur de salissure de 0,85. Ce résultat doit dépasser la consommation quotidienne, avec normalement une marge de 20 à 30 % pour couvrir les variations saisonnières, la dégradation des modules et les ombrages occasionnels. Troisièmement, la capacité de la batterie : consommation quotidienne × jours couverts ÷ profondeur de décharge, avec des jours couverts tirés des relevés météorologiques locaux : deux à trois au Sahel, un de plus sur les hauts plateaux d'Afrique de l'Est. Après les trois étapes, effectuez une contre-vérification : à la fin de la période de ciel couvert la plus longue, la capacité résiduelle de la batterie ne doit pas descendre en dessous de 20 %, sinon les démarrages du générateur augmenteront sensiblement et la rentabilité de l'hybride disparaîtra. Cette vérification est fréquemment ignorée, mais c’est le seul indicateur concret de la solidité du ratio. Un autre détail souvent négligé est l'inclinaison du réseau : dans les régions poussiéreuses, ajouter 5 à 10 degrés au-delà de l'inclinaison de génération optimale permet à la poussière de s'envoler plus facilement et d'obtenir plus de rendement au fil du temps. View Telecom Backup Power Selection