Programme Energies Durables (P.E.D.) - Usages Productifs - Capitalisation Technique

Capitalisation des Experiences Techniques Tirées des Projets Pilotes d'Usages Productifs de l'Energie Solaire

Introduction

Depuis 2017, le Programme Energies Durables (P.E.D.) développe des projets pilotes dans les usages productifs de l’énergie solaire, dans des secteurs très variés (transformation agricole, conservation, services, artisanat, aide à la production agricole), avec des minicentrales entre 1 KWc et 20 KWc et machines productives aux profils de consommation et d’utilisation très variés.

Ces projets pilotes ont pour but de tester la faisabilité technique et la rentabilité économique des usages productifs de l’énergie solaire. Pour la mise en œuvre de ces projets, le P.E.D. collabore avec plusieurs partenaires tels que l’ANER, les ONG, les communes…

A travers les difficultés rencontrées lors de la conception et réalisation des pilotes, le P.E.D. a pu capitaliser une expertise technique dans la mise en œuvre de projets d’usage productif en zone rurale.

En effet, il est important de bien prendre en considération les aspects techniques d’un projet d’UP solaire, qui sont la clé initiale de réussite du projet. Les investissements dans les équipements techniques représentent la majeure partie de l’investissement total. Il est alors important de bien dimensionner pour optimiser ces investissements et arriver à un modèle économique rentable.

Dans son rôle d’appui technique au secteur énergétique du Sénégal, le P.E.D. a tenu à rédiger un document afin de partager quelques expériences techniques rencontrées lors de la mise en œuvre de ses activités.

Le plan sera divisé en quatre parties :

• L’étude technique
• Rédaction d’un dossier d’appel d’offres
• Exécution ou réalisation
• Suivi

Dans chacune de ces parties, nous donnerons des recommandations qui serviront à prévenir certains obstacles nuisibles pour la pérennisation technique d’un projet.

I. Étude Technique

L’étude technique est la première phase à réaliser lors de l’élaboration d’un projet d’usage productif de l’énergie solaire. Il est nécessaire de prendre en considération tous les facteurs afin d’optimiser son système au maximum. Cela permettrait éventuellement de réduire le coût d’investissement. La marge de manœuvre au niveau des coûts des ventes de services ou de produits finis est très petite. Donc le plus souvent, c’est au niveau des équipements qu’il faut ajuster afin de parvenir à un meilleur taux de profitabilité.

L’étude technique peut être divisée en deux parties :

• Cas où l’investisseur effectue l’étude complète du projet, à savoir le dimensionnement de la centrale et de l’usage productif avant l’acquisition d’équipements.
• Cas d’un achat de système clés en main (kit solaire ou bien dimensionnement effectué par le fournisseur).

1) Dimensionnement d'Un Projet d'Usage Productif de l'Énergie Solaire

La partie dimensionnement est très importante lors de l’élaboration d’un projet d’usage productif de l’énergie solaire. Il ne suffit pas simplement à satisfaire le besoin en énergie. Il faut en plus de cela s’assurer que le système est bien optimisé autrement dit éviter de surdimensionner le système solaire.

Plus le système solaire est surdimensionné, plus le coût du projet est élevé et cela va éventuellement impacter la rentabilité économique du projet.

Pour avoir un système d’usage productif rentable il faut impérativement limiter les coûts d’investissements comme dans chaque projet d’ailleurs. Il faut alors faire de tel sorte que la quasi-totalité de l’énergie solaire soit utilisée. Grâce à notre expérience dans le secteur des usages productifs au Sénégal obtenu de par la mise en œuvre de projets pilotes, nous avons pu tirer énormément d’expériences qui nous permettent aujourd’hui d’optimiser au maximum nos systèmes solaires afin d’arriver à un taux d’utilisation correct. Pour cela, il y’a de nombreux éléments à prendre en compte.

a) Estimation de la Demande

Il faut bien estimer le besoin d’utilisation journalier des équipements d’usages productifs. Lors des enquêtes, les bénéficiaires ont tendances à surestimer les besoins de productions. Cela peut induire en erreur lors du dimensionnement. De ce fait il faut faire un benchmarking afin de s’assurer de la cohérence des données collectées. La prise en compte des heures de pause et de maintenance est également très importante.

Par exemple dans certains de nos projets de moulin solaire ou décorticage, nous avions considérés initialement 6h de fonctionnement par jour alors qu’en réalité la machine ne fonctionne que pendant 2h. Il y’a d’autre cas ou les équipements fonctionnent pendant 4h mais ce qu’il faut retenir est qu’il faut être très vigilant sur cet aspect. Mieux vaut avoir un système utilisé à 100% mais qui ne satisfait pas la demande plutôt que d’avoir un système sous-utilisé et qui satisfait la demande. Les projets d’usages productifs peuvent répondre à des besoins sociaux mais sont avant tout des projets économiques et doivent avoir une valeur ajoutée pour être profitables.

b) Calcul du Besoin Énergétique

Le dimensionnement doit se faire suivant la puissance consommée par les équipements et non pas la puissance sur la plaque signalétique des équipements. La puissance affichée sur les fiches techniques est souvent la puissance apparente (somme puissance active et réactive) et peut induire en erreur le concepteur du projet.

Nous avons constaté que les fournisseurs proposent des moteurs qui ne sont quelquefois pas adaptés à l’usage. Le plus souvent les capacités des moteurs proposés sont largement supérieures au besoin. Le principe de « qui peut le plus peut le moins » est souvent utilisé. Il faut alors faire des tests à l’aide d’un Voltcraft, analyseur de réseau ou compteur d’énergie pour connaitre la vraie puissance consommée par la machine.

En faisant ces tests en charge, il faut tenir compte de la matière première utilisée. Par exemple dans le cadre de notre projet d’extraction d’huile à travers une presse , nous avions eu les données suivantes suite au différents test effectués :

• Puissance nominale presse (cf plaque signalétique) : 2200W
• Puissance consommée pour l’extraction d’huile d’arachide : 300W
• Puissance consommée pour l’extraction d’huile de moringa : 100W

Donc à la suite de ces tests nous remarquons clairement l’importance de bien caractériser électriquement ces équipements. Si nous avions dimensionné notre projet suivant les 2200Wc, notre puissance crête serait alors dix fois supérieure à la normale. Cela est aussi valable pour la capacité des batteries, l’onduleur, le régulateur...

c) Quelques Cas Spécifiques

Certains équipements doivent faire l’objet d’une analyse plus poussée notamment les équipements frigorifiques. Ce genre de système, disposant d’un thermostat, ne fonctionne pas en continu toute la journée. Pour les systèmes de chambre froide solaire par exemple, entre 3h du matin et 6h le système est souvent au repos. La consommation énergétique dans la journée dépend de la fréquence d’ouverture (taux d’utilisation) de la chambre car cela entraine des échanges de chaleur avec le milieu extérieur. Concernant les machines à glace par exemple pour être efficace énergétiquement il faut s’assurer d’une bonne température de l’eau à l’entrée de l’unité de production.

d) Prise en Compte du Courant de Démarrage

Le courant au démarrage d’un moteur vaut 5 à 7 fois le courant nominal. Nous avons constaté dans le secteur de l’énergie solaire qu’il arrive parfois que l’on surdimensionne l’onduleur afin de supporter le courant de démarrage. Cette technique peut certes fonctionner mais il peut être plus pertinent d’utiliser des variateurs de vitesse pour les systèmes triphasés et des démarreurs électroniques pour les systèmes en monophasés. Pour ce dernier cas de figure, une légère modification se fera pour l’adaptation au système monophasé. En effet il faudra faire un câblage en amont. Certains démarreurs peuvent être configurés en monophasé à travers un câblage. En utilisant ces convertisseurs de fréquences, nous n’aurions plus à nous soucier de ces problèmes liés aux courants de démarrage (qui peuvent abimer l’onduleur dans le long terme voire entraîner un shut down du système solaire).

Ainsi il est possible de dimensionner librement l’onduleur suivant la charge. Nous précisons aussi que le rendement des onduleurs est proportionnel à la température ambiante. Le choix de l’onduleur se fera donc suivant le climat de la zone (cf. fiches techniques onduleur)

e) Optimisation de la Capacité des Batteries

Parmi les composantes d’un système solaire photovoltaïque, les batteries figurent parmi les éléments les plus coûteux et avec une durée de vie très courte comparé aux panneaux solaires par exemple.

La stockabilité de l’énergie a toujours été une grosse problématique. Néanmoins, on commence à voir une évolution. Il existe deux types d’installations solaires : critique et non critique. Pour le premier cas, il s’agit d’une installation où l’énergie doit être constamment disponible 24h/24. L’exemple parfait est un hôpital ou village électrifié ou l’absence d’alimentation en énergie peut causer beaucoup de dommages.

Pour le second cas il s’agit du contraire. En outre, le système n’est pas obligé de fournir énormément d’énergie durant la nuit.

Les usages productifs orientés « conservation » tels que congélateur et chambre froide solaire peuvent figurer dans le premier cas tandis que les unités de transformation comme les moulins, presses à huile et décortiqueuses figurent dans le second cas.

Pour limiter le coût d’investissement des batteries dans le second cas, nous recommandons de dimensionner les batteries comme back-up. Les batteries serviront d’appoint en cas d’intempéries. Ainsi les variateurs limiteront les appels de courant. Nous avions remarqué que les unités de transformations fonctionnent la journée. Pour le cas de la mouture par exemple où habituellement les populations viennent le soir, il faudra les sensibiliser lors du démarrage du projet.

Par exemple pour illustrer, on a constaté que le taux de charge des batteries de certains de nos projets pilotes est constamment au-dessus des 80% au cours de l’année. Cela signifie Programme Energies Durables qu’elles sont quasi inutilisés. En tenant compte de toutes ces analyses, l’idéal serait de dimensionner son parc batterie pour un besoin d’une demi-journée de fonctionnement. Le taux de décharge impacte également sur la capacité à choisir. Faudra tenir compte de cet aspect également.

2) Cas d'Une Solarisation d'Un Système d'Usage Productif Existant

Il s’agit ici d’un cas où l’investisseur souhaite substituer la source d’énergie d’un système usage productif existant par de l’énergie solaire afin de mieux rentabiliser le système ou bien pour diminuer les besoins en fond de roulement. L’énergie solaire peut être dans certains cas une alternative intéressante en mobilisant l’investissement au départ, puis en lissant les charges tout au long du projet : les frais de maintenance. L’amortissement des équipements se fera au-delà de la 5ème année. Ainsi pour une solarisation le P.E.D. recommande d’être vigilant sur les différents points qui suivent.

a) Mesures Pour Estimer la Consommation Énergétique

Les informations renseignéessur les plaques signalétiques peuvent souvent induire en erreur. Pour avoir des valeurs exactes, il faut faire des mesures précises sur la consommation énergétique des équipements. Si possible les faire en régime transitoire et permanent. Ces mesures permettront de bien dimensionner le système solaire ainsi que le variateur de fréquence à installer pour limiter les courants de démarrage. S’il s’agit de machine monophasée énergivore et que le système solaire à installer sera du triphasé faudra bien tenir compte de l’équilibre au niveau des phases. Il est alors recommandé d’acheter des machines triphasées lorsqu’il s’agit d’un système solaire avec trois phases d’alimentation.

b)Durée d'Utilisation des Équipements

Il faut se renseigner sur la durée d’utilisation des équipements afin de savoir comment optimiser le parc batterie. Par exemple si le système fonctionne uniquement la journée, il ne faudra pas dimensionner le parc batterie pour un besoin d’une journée de fonctionnement. Utiliser les batteries comme back-up serait très intéressant du point de vue financier.

c) Diagnostic État de Fonctionnement des Machines et de l’Installation Électrique

Le diagnostic de l’état des équipements existants avant la solarisation est très déterminant car certains moteurs peuvent être très énergivores lorsqu’ils sont d’une qualité inférieure à la normale. De ce fait, substituer ces équipements permettra de réduire la consommation énergétique et ainsi le coût d’investissement. L’aspect efficacité énergétique est très important pour la rentabilisation d’un système d’usage productif.

L’installation électrique doit également faire l’objet d’un diagnostic au préalable. La section de câble joue un rôle essentiel dans la performance et la sécurité d’une installation électrique. Une section de câble sous-dimensionnée peut en effet causer des chutes de tension, voire une surchauffe de l’installation, synonyme de danger. Il faut également vérifier si les dispositifs de sécurité (disjoncteur, …) sont bien calibrés.

II. Rédaction Dossier d'Appel d'Offres

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