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Know-How 111 112 Know-How Les problèmes d'approvisionnement en énergie rencontr

Know-How 111 112 Know-How Les problèmes d'approvisionnement en énergie rencontrés à l'échelle mon- diale ne sont pas uniquement dus à la destruction de l'environnement et aux changements climatiques qui en dé- coulent mais bien aussi à une crois- sance de la consommation et à la ra- rification des ressources fossiles. Une consommation mondiale en hausse, en particulier en ce qui concerne l'é- nergie électrique, et une tendance à la libéralisation sont à l’origine de changements considérables, tant dans le domaine des réseaux d'ali- mentation que pour le remplacement du parc des centrales électriques. Les conséquences, pour le moins préoc- cupantes, se répercutent sur la dispo- nibilité et la qualité de l'énergie. C'est pourquoi les solutions recherchées doivent être réalisables techniquement parlant tout en satisfaisant aux exi- gences en matière de durabilité. Le recours aux énergies renouvelables au cours de cette dernière décennie a montré que ces dernières pouvaient contribuer dans une grande mesure à trouver une solution aux problèmes évoqués ci-dessus, non seulement au regard de critères écologiques, mais aussi en raison de leur structure dé- centralisée. En s'appuyant sur l'exemple de l'ingénierie des systèmes photovoltaïques, cet article montre les possibilités d'intégration dans des systèmes d'alimentation existants ou encore non existants, convenant aussi à l'électrification de régions re- culées. Systèmes PV Niveau de développement actuel et tendances de l'électrification décentralisée Auteurs : Prof. Dr.-Ing. Werner Kleinkauf de l'IEE-EVS (Institut de technologie des énergies électriques), Universität Kassel Wilhelmshöher Allee 73 34121 Kassel, Germany E-mail: kleinkauf@uni-kassel.de Günther Cramer SMA Technologie AG Hannoversche Strasse 1-5 34266 Niestetal, Germany E-mail : guenther.cramer@SMA.de Dr. Mohamed Ibrahim SMA Technologie AG Hannoversche Strasse 1-5 34266 Niestetal, Germany E-mail: mohamed.ibrahim@SMA.de 113 Know-How A l'heure actuelle, les consommateurs électriques sont surtout alimentés par des centrales électriques situées à de grandes distances. Ceci nécessite de longues lignes de transmission et ré- seaux de distribution. Ces réseaux d'a- limentation fournissent au consomma- teur final un courant alternatif présen- tant une fréquence et une tension pra- tiquement constantes (p. ex. 230 / 400 V pour 50 Hz). Il est concevable de compléter ces infrastructures par des systèmes décentralisés de généra- tion de chaleur et d'électricité. Cette ali- mentation en énergie décentralisée se caractérise par des unités d'alimenta- tion relativement petites et situées à proximité immédiate du consomma- teur. Ceci permet de faire une exploi- tation plus intense de l'électricité et de la chaleur ainsi que d'améliorer l'utili- sation de sources d'énergie sur le ter- rain (en particulier les énergies renou- velables d'origine solaire, éolienne ou hydraulique ou encore celle issue de la biomasse). De plus, les pertes d'éner- gie résultant de la transformation de tension, de la longueur des lignes de transmission et des pertes dans les lig- nes s’en trouvent réduites. En résumé, on peut parler d'une augmentation de l'efficacité globale allant de pair avec une amélioration de la situation éco- nomique qui répond aux critères de du- rabilité. Cette structure décentralisée de l'ali- mentation en énergie correspond au caractère décentralisé des énergies re- nouvelables. En fonction des condi- tions régionales, le concept peut être mis en application soit par le raccor- dement d'une installation photo- voltaïque (domaine du kW voire MW) au réseau public, soit par le montage d'un système autonome ou en îlotage servant à alimenter les consommateurs éloignés non raccordés à un réseau d'alimentation. Ainsi, on peut opérer la classification suivante des configura- tions de systèmes photovoltaïques dé- centralisés pour l'alimentation en cou- rant alternatif : 1. Le photovoltaïque dans les systèmes énergétiques décentralisés - concept 1. Photovoltaïque dans les réseaux d'alimentation • Photovoltaïque seul • Photovoltaïque avec accumulateurs électriques 2. Photovoltaïque dans des appli- cations éloignées du réseau • Systèmes photovoltaïque-batterie • Systèmes hybrides photovoltaïques Les configurations d'alimentation re- présentées à la figure 1 ont une struc- ture modulaire. La structure couplée au réseau (à droite de la figure 1) est l'application photovoltaïque qui pré- domine actuellement dans les nations industrialisées que sont l'Europe, le Ja- pon et les Etats-Unis. Si l'on intègre à l'installation PV un accumulateur (gé- néralement une batterie) doté " d’une unité de production d'énergie " correspondante intégrée, la sécurité de l'alimentation électrique dans les Fig. 1 : Représentation de l'ingénierie des systèmes hybrides, modulaires et à compatibilité AC avec panneaux standardisés et capa- bles tant d'alimenter des consommateurs individuels que de former des réseaux en îlotage et d'alimenter le réseau public. SM Gen. = a = = ~ Éolienne Générateur Pile à combustible Consom- mateur ou réseau en îlotage Réseau triphasé Bus énergétique: mono ou triphasé, 230/400 V~, 50Hz PV avec Sunny Boy Batteries Bus pour la communication 114 A l'heure actuelle, les installations PV d'alimentation du réseau sont l'exploi- tation de la photovoltaïque la plus im- portante. Il existe pour ces installa- tions des approches différentes au ni- veau de leur conception. Elles ont cependant toutes en commun de dis- poser d'un générateur PV directement relié au réseau par le biais d'un on- duleur que le générateur alimente en énergie solaire. C'est pourquoi les on- duleurs jouent un rôle clé au regard de l'efficacité énergétique et de la fiabilité. Leur rôle ne se limite pas à transformer le courant continu (DC) généré par le panneau PV en courant alternatif (AC) de tension et de fré- quence souhaitées (par ex. 230 V et 50 Hz), mais consiste également à exploiter le champ PV à son point de puissance maximal (Maximum Power Point MPP). De plus, les onduleurs doivent assurer une surveillance fiable du réseau pour le protéger contre les défaillances et interrompre l'alimenta- tion en cas d'erreurs du réseau. A l'heure actuelle, il existe principale- ment trois topologies d'onduleurs et configurations d'installation qui four- nissent différentes solutions techniques valables, à choisir en fonction des conditions locales : Onduleurs Centraux La majorité des panneaux PV d'une installation importante (> 10 kW) est montée en série pour former des Strings, eux-mêmes montées en paral- lèle au moyen de diodes string. Le gé- nérateur PV ainsi structuré est relié du côté DC à un seul onduleur central (à ce propos, voir la fig. 2a). Les ondu- leurs centraux présentent une grande efficacité à des coûts spéci- fiques faibles. Un panneau mal adap- té ou encore un ombrage partiel por- tent cependant préjudice à une ex- ploitation optimale de chaque string PV, entraînant une baisse du rende- ment énergétique possible. De plus, la fiabilité de l'installation est limitée en ceci qu'elle dépend d'un seul ondu- leur. Une panne de l'onduleur central entraîne l'immobilisation de toute l'ins- tallation. Onduleur string De même que pour l'onduleur central, le champ PV est, ici aussi, sous divisé en strings. Chaque rangée est toute- fois reliée à son propre onduleur string (à ce propos, voir la fig. 2b). Ainsi, chaque string est exploité à son point de puissance maximal (Maxi- mum Power Point, MPP). La technique string minimise le risque de problèmes d'adaptation, réduit les pertes dues aux ombrages et contourne celles occasionnées par les diodes de string et par un câblage très long du côté du générateur DC. Ces propriétés tech- niques supérieures entraînent une ré- duction des coûts du système et amé- liorent le rendement énergétique et la fiabilité de l'installation. Les onduleurs string de type " Sunny Boy " ont été les premiers à établir de nouveaux stan- dards dans l'ingénierie des systèmes PV pour les installations couplées au réseau. Onduleurs Multi-String L'onduleur Multi-String permet le rac- cordement et le fonctionnement au MPP de plusieurs strings raccordées à une unité de puissance commune par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC. Il offre ainsi une solution compacte et économique tout en joui- ssant de tous les avantages de la technique string. Un rendement opti- réseaux faibles s'en voit augmentée (fonction de soutien). Dans les appli- cations photovoltaïques servant à la réalisation de solutions en îlotage pour l'alimentation de consommateurs éloignés non raccordés à un réseau public, l'installation PV est équipée de batteries afin d'augmenter la disponi- bilité de l'alimentation. Avec les ap- plications relevant d'un domaine de puissance plus important, l'installation PV peut être combinée à d'autres con- vertisseurs d'énergie (par ex. conver- tisseurs éoliens, générateurs diesel) ou à des unités de stockage pour for- mer un système hybride (voir fig. 1). Actuellement, les différents modèles de batteries au plomb sont le moyen d'accumulation qui prédomine dans les applications PV en îlotage. En rai- son des coûts élevés (100 euros/kWh), on n'a recours à une batterie que pour l'accumulation d'é- nergie à court et moyen terme. En guise de soutien, on intègre des gé- nérateurs supplémentaires, par ex. diesel ou micro turbines. Ils ont une fonction de soutien et ont pour rôle d'augmenter la disponibilité de l'ali- mentation de ces systèmes photovol- taïques autonomes. A l'avenir, les piles à combustibles vont gagner en im- portance en tant qu'unités de soutien. 2. Technologies des onduleurs pour les systèmes couplés au réseau Know-How 115 Know-How mal peut ainsi être obtenu avec des in- stallations PV, constituées de strings avec des orientations géographiques différentes (sud, ouest, est) fournissant ainsi des puissances en décalage. On a recours aux onduleurs multi-strings dans les installations PV d'une uploads/Ingenierie_Lourd/ onduleurs.pdf