Optimisation photovoltaïque #1 : le raisonnement

L’énergie solaire photovoltaïque c’est chouette ! Malheureusement la technologie n’est pas bien adaptée à nos modes de consommation, si bien qu’elle reste chère à mettre en place en comparaison de l’énergie délivrée par les fournisseurs d’électricité “classiques”.

Dans cette série d’articles, je vais détailler les raisons du désalignement entre cette énergie fabuleuse et nos besoins, puis je vous proposerai une solution technique permettant de combler en partie le fossé qui les sépare, avant d’exposer en détail la mise en œuvre technique.

Il est important de noter que cette solution cible les habitations à usage résidentiel, dans un contexte d’auto-consommation sans revente. Le coût du matériel (panneaux, onduleurs, etc.) et sa facilité de mise en œuvre atteignent aujourd’hui un seuil tel qu’il devient possible à tout un chacun, ou presque, de poser seul ses panneaux solaires, à condition de rester dans un cadre bien défini.

Finalement, l’objectif que l’on souhaite atteindre dans cette série d’articles c’est l’économie d’un maximum d’énergie au meilleur coût.

Sommaire

Cet article fait partie d’une série de posts ayant pour objectif de rendre rentable l’utilisation de panneaux solaires photovoltaïque dans un contexte domestique. Pour bien comprendre ce dont il s’agit, il est recommandé de lire les articles dans l’ordre. En voici la liste :

• 1. Le raisonnement : ce qui motive la rédaction de ces articles.
• 2. Principe et survol de la solution technique : comment exploiter à 100% l’énergie des panneaux solaires.
• 3. Contrôle numérique du variateur de puissance : pilotage de la puissance fournie en temps réel par un système informatique.
• 4. Mesurer l’énergie produite et l’énergie consommée : à l’aide de modules PZEM-004t et de microcontroleurs WiFi ESP8266 (ESP-01).
• 5. Le système de régulation : on rassemble toute les briques !
• 6. Dimensionnement : choisir de façon optimale sa capacité de production solaire photo voltaïque.
• 7. Et pour aller plus loin : améliorations et idées diverses.

Petit avertissement avant de continuer

Chacun est différent. Nos modes de vie sont différents, nos compétences sont différentes, nos façons de faire sont différentes. En rédigeant cet article, je n’entends pas en faire une référence. Erreurs ou imprécisions s’y sont sans doute d’ailleurs glissées, n’hésitez pas à les signaler. Ce que je souhaite, c’est partager mon cheminement dans l’espoir de véhiculer un peu d’inspiration et participer à la naissance ou l’amélioration d’autres projets.

La proposition technique exposée ici est une solution parmi d’autre, avec ses avantages et inconvénients. Libre à chacun de se l’approprier, de l’adapter, de l’améliorer et de la partager à nouveau.

Une chose est certaine, il est urgent de changer nos modes de consommation et en particulier celui de l’énergie. Alors retroussons nous les manches !

Pourquoi l’énergie solaire PV c’est chouette ?

Parce que ça transforme directement des rayons du soleil en électricité, pardi ! Ce qui est quand même très appréciable puisque l’électricité est une énergie propre, polyvalente et bien maitrisée.

Songez qu’en moyenne le soleil déverse sur la terre une quantité d’environ 1kW par mètre carré. Un kW c’est 1000 watts, soit de quoi faire briller 100 ampoules LED, faire chauffer une petite plaque de cuisson ou faire tourner 4 vélos électriques. En une heure, la terre reçoit du soleil autant d’énergie que ce que nous, humains, consommons en… un an ! Rien que ça. L’intuition nous ordonne de ne pas laisser cette manne tombée du ciel inexploitée.

Mais alors pourquoi l’énergie PV n’est elle pas plus utilisée ?

C’est vrai, les panneaux solaires ne font pas vraiment partie du paysage, il faut bien le reconnaitre.
Et bien… Il y a plusieurs raisons à celà mais je vais aller droit au but : le problème principal est le stockage. Il y en a d’autres, et nous en discuterons aussi, mais vraiment le stockage est le frein majeur au déploiement massif d’installations solaires.

Revenons au fonctionnement de base du solaire PV : les panneaux produisent de l’énergie lorsqu’il y a du soleil. Et forcément, lorsqu’il n’y a pas de soleil il n’y a pas d’énergie. Ça, pas besoin d’être un génie pour le comprendre. On peut calculer avec précision la durée du jour, la quantité d’énergie reçue selon la latitude, les caractéristiques des panneaux, leur inclinaison, etc. mais on ne peut pas prévoir avec exactitude la position et la forme des nuages. En résumé la production d’énergie PV reste avant tout intermittente du fait des alternances jour/nuit et aléatoire du fait de la météo (en tout cas à l’échelle locale).

Pour autant, nous n’avons pas l’habitude de nous soucier du temps qu’il fait lorsque nous consommons de l’électricité. Quand il fait nuit on allume la lumière (en général avec des ampoules électriques, les chandelles c’est un peu “has been”). A midi on prépare à manger, même quand il pleut (on a bien de la chance). Enfin, regarder un bon film le soir dans le canapé exige aussi un flux d’électron bien continu. Bref, inutile de multiplier les exemples, on comprend bien que la production d’électricité PV et la consommation ne sont pas en phase. Bien rares sont les occasions où nous agissons pour différer l’utilisation de l’énergie. Il existe les contrats du type heures creuses/pleines qui nous permettent de bénéficier d’avantages tarifaires en consommant la nuit, mais à part ça on a tendance à considérer que l’énergie électrique coule de source.

Pour illustrer ceci je vous propose de jeter un coup d’oeil au graphique suivant. C’est un relevé typique de la consommation EDF de ma maison, à l’époque non équippée de panneaux solaires. En surimpression, la courbe jaune montre la production solaire telle qu’elle l’aurait été par un jour sans nuage.

Le graphique en barre fournit la consommation EDF en W, heure par heure, relevée grace à la Télé Information Client (TIC). La courbe jaune est une représentation théorique de la production PV. Il ne s’agit pas d’une mesure mais d’un ordre d’idée. L’origine des pics est mentionnée en dessous du graphique.

Certaines constatations s’imposent d’elles même:

• La production d’électricité PV est principalement perdue. Tout au plus permet-elle d’effacer le pic d’énergie utilisée pour la préparation du déjeuner. Visuellement c’est flagrant !
• Dans ce contexte en particulier, le chauffage de l’eau utilise en moyenne la moitié de l’énergie totale quotidienne consommée par la maison.

Les conclusions à en tirer semblent également évidentes:

• Il faut décaler le chauffage de l’eau, et par extension l’utilisation de l’énergie en général, au moment où la production solaire est la plus importante. Il faut changer nos habitudes !
• Une part importante de la consommation d’énergie restera toujours en dehors des zones de production PV.

Voilà, on aborde enfin le sujet du stockage ! Car chauffer l’eau c’est en réalité du stockage d’énergie à relativement court terme (1 à 3 jours maximum). Et si l’on veut exploiter l’énergie solaire la nuit ou les journées nuageuses, alors il faut stocker l’électricité dans des batteries.

On peut raisonner de la façon suivante : si on achète un panneau solaire, et qu’on ne l’utilise qu’à moitié alors on mettra deux fois plus de temps pour amortir son achat. Pour rendre une installation rentable en un minimum de temps, il faut qu’elle travaille à 100%.

Conclusion: pour bien utiliser l’énergie solaire PV, il faut pouvoir la stocker au moment de sa production et la restituer plus tard.

L’optimisation du système photovoltaïque via le stockage

Reprenons : l’énergie solaire PV semble être une énergie presque parfaite mais pour être bien exploitée elle doit pouvoir être stockée. Or ce n’est pas si simple que ça !

Car des deux modes de stockage évoqués ci-dessus, seul le chauffage de l’eau est économique, même s’il n’est pas réversible. En effet l’énergie stockée dans l’eau ne se retransformera jamais en électricité. C’est techniquement possible en utilisant des modules Peltier mais le rendement est faible. Laissons donc ça de côté.

Quand au stockage dans des batteries… Eh bien il vaut mieux l’oublier pour le moment. Sur le papier c’est très bien fonctionnellement. Par contre lorsqu’il s’agit de mettre cette solution en œuvre alors on se rend vite compte que ce n’est économiquement pas rentable du tout ! Le coût initial des batteries est élevé et en plus il faut prévoir de les remplacer au bout de quelques années seulement. Pour ne rien arranger il faut prévoir du matériel supplémentaire (onduleur, régulation, sécurité) dont le coût alourdit encore la facture. Et pas qu’un peu.

Bien sur il existe d’autres formes de stockage de l’énergie. C’est d’ailleurs un sujet d’actualité et un domaine ou les idées foisonnent. Ceci étant, si certaines méthodes sont très prometteuses à l’échelle industrielle (exemple), bien peu sont applicables à l’échelle domestique à un coût abordable.

On va donc se concentrer sur le stockage d’énergie par chauffage de l’eau car cette méthode est très économique. Beaucoup d’habitations chauffent déjà leur eau électriquement : dans ce cas l’investissement pour bénéficier d’un stockage d’énergie est très faible. Et puis même si c’est une énergie qu’on ne peut pas retransformer en électricité, nous utilisons beaucoup d’eau chaude de toute manière. En tout cas dans notre région du globe.

En résumé, pour qu’une installation solaire photovoltaïque devienne économiquement rentable, il faut s’assurer que chaque Watt produit soit un Watt utilisé.Il faut donc stocker l’énergie au moment ou elle est produite. Et un mode de stockage très économique est le chauffage de l’eau.

Mais pour chauffer l’eau, il existe mieux que le photovoltaïque, non ?

C’est une question pertinente quand on sait que le rendement (40%) d’un panneau solaire thermique est environ le double de celui d’un pannneau solaire photovoltaïque (maximum 20%).

Alors oui c’est plus performant… mais c’est aussi plus cher car l’infrastructure à mettre en place est bien plus complexe. Elle ne devient économique qu’à grande échelle, où là elle devient carrément imbattable.

Par contre, à l’échelle locale, le photovoltaïque est plus simple, moins couteux et a l’énorme avantage d’être extrêmement polyvalent. En quelque sorte on fait d’une pierre deux coups. Il faut bien garder en tête que chauffer l’eau par du PV n’est pas une fin en soi, c’est seulement une façon d’utiliser le surplus d’énergie qui serait autrement perdu.

Les deux technologies ne sont d’ailleurs pas opposées : elles sont complémentaires ! Il existe même des panneaux solaire hybrides thermique/photovoltaïque.

Thermique, batteries : d’autres objectifs

Oui le stockage dans des batteries est possible, oui chauffer l’eau par du solaire thermique est plus performant. Malgré tout, ces solutions conviennent à des contextes bien particuliers : par exemple c’est le cas d’un site isolé où l’on ne peut compter sur un fournisseur d’électricité. C’est cher et passablement complexe.

Il faut bien garder ceci en tête. Ne comptez pas sur le solaire PV seul pour devenir énergétiquement autonome. En revanche vous pouvez vous appuyez dessus pour réduire fortement votre facture d’énergie.

J’ai compris ! Mais comment faire ?

Il est temps de conclure cette longue introduction et de rentrer dans les détails techniques. Passons au principe et survol de la solution technique proposée, qui décrit précisément comment maximiser l’utilisation de l’énergie solaire dans un contexte d’auto-consommation.