A l’inverse du modèle traditionnel du réseau électrique, les microgrids se définissent par leur capacité à produire de l’électricité de manière indépendante, à proximité du lieu de consommation. Les microgrids sont des réseaux locaux, pilotables, capables de fonctionner en autonomie en étant déconnectés du réseau électrique traditionnel. Ils peuvent combiner diverses sources d’énergie : des générateurs diesel et à gaz, mais également des sources renouvelables – photovoltaïque ou éolien – et des dispositifs de stockage. Le marché des microgrids est en pleine émergence, boosté notamment par le fait que ces systèmes intègrent avantageusement les énergies renouvelables. Estimé à 29 milliards de dollars annuels en 2020, le marché devrait approcher les 50 milliards de dollars d’ici 2025.
Les microgrids et leurs applications
Les microgrids sont particulièrement intéressants pour l’électrification de sites isolés, sans accès à un réseau électrique national. Aujourd’hui, 840 millions de personnes dans le monde vivent sans avoir accès à l’électricité. L’extension des réseaux électriques est souvent très onéreuse, lente, et pas toujours faisable dans les zones rurales isolées. Dans de telles situations, la mise en place de réseaux locaux peut alimenter des communautés, mais trouve également des applications dans l’industrie : exploitations minières ou agricoles, usines en sites isolés…
Si l’investissement initial de la mise en place d’un microgrid alimenté par un générateur diesel est modéré, les coûts d’exploitation sont assujettis à la consommation en carburant. Ces coûts sont élevés, d’autant qu’il convient de prendre en compte les surcoûts liés à l’approvisionnement sur site, souvent compliqué voire risqué. En parallèle les coûts d’investissement des énergies renouvelables baissent drastiquement ; les solutions hybrides solaire/diesel ont dans de nombreux cas atteint la parité économique par rapport au diesel seul. En fonction de la consommation journalière d’un site, du profil-type de consommation et des conditions climatiques locales, il est possible de dimensionner au mieux les différents composants (groupes diesels, système photovoltaïque, batterie) pour choisir la solution la plus rentable.
Energie solaire et systèmes off-grid pour les mines
Les exploitations minières, situées dans des sites isolés, sont souvent non-connectés au réseau. Elles sont de très gros consommateurs d’énergie ; l’industrie minière dans son ensemble compte pour plus de 6% de la consommation énergétique globale. L’utilisation d’énergie renouvelable en complément du fuel représente une importante opportunité de réduction des coûts et des émissions de CO2. Une mine a une consommation typique de 5 à 50 MW d’énergie, avec un profil uniforme tout au long de la journée. La production d’énergie se fait généralement via des groupes thermiques fonctionnant au fioul lourd (HFO), qui sont plus économiques que le diesel pour des systèmes de cette puissance, mais également moins flexibles.
Afin d’assurer la fiabilité de la fourniture d’énergie, des batteries de stockage sont nécessaires dès lors qu’on vise une pénétration d’énergie solaire typiquement supérieure à 15%. Les batteries vont absorber les fluctuations du solaire, pour éviter de contraindre les groupes à des variations rapides de puissance. Une partie de la réserve tournante de la centrale doit donc être fournie par la batterie, dimensionnée à partir des variations maximales de la ressource solaire sur le site. L’utilisation de prévisions d’énergie solaire par le contrôleur hybride permet en outre de réduire la capacité de batterie nécessaire. Dans ce cas le contrôleur est en mesure de décider s’il faut ou non allumer ou éteindre un genset, en fonction de la production PV attendue et de l’incertitude associée à cette prévision. La prévision permet également d’annoncer à l’horizon de quelques minutes l’arrivée de passages nuageux non anticipés, afin de prendre des actions correctives rapides, et d’augmenter ainsi la résilience du système. Des imageurs du ciel (sky imagers), qui permettent une observation locale à très haute fréquence, et donc une précision accrue, sont utilisés dans ce cas.
Solaire off-grid pour électrification rurale
L’hybridation de centrales photovoltaïques et de groupes électrogènes trouve également des applications pour l’électrification rurale, et ce à différentes échelles en fonction du nombre d’habitations à électrifier. L’une des premières centrales de ce type a été réalisée à Oiapoque au Brésil, une communauté de 24 000 personnes dans la forêt amazonienne. Le site combine une centrale thermique de 12 MW avec une centrale solaire de 4 MW en exploitation depuis 2017. Une centrale hydroélectrique sera également raccordée d’ici 2021, faisant de ce site le premier système hybride au monde à inclure trois sources d’énergie et permettant d’atteindre 90% de pénétration d’énergie renouvelable. Pour tirer le meilleur parti de l’installation solaire, l’exploitant Voltalia s’appuie sur des prévisions de production photovoltaïque très court-terme à partir de sky imagers fournis par Reuniwatt. L’objectif est de limiter la quantité de générateurs diesel formant la réserve tournante et de réduire l’écrêtage de la centrale solaire, tout en évitant les risques de blackout.
La transition énergétique des microgrids amène de nouveaux défis, et en particulier celui du maintien de la stabilité du réseau. Si l’utilisation des énergies renouvelables ne s’y est pas encore démocratisée, elle est à présent bien souvent considérée en raison de son attractivité économique tant pour des applications industrielles que résidentielles. Le succès des récents projets pionniers montre que des solutions technologiques sont disponibles dès à présent.
Article initialement publié par pv magazine le 3 septembre 2020.
