ISGE-BF/IC3/2022 Projet seh Système d’Energie Hybride Projet de conception d’un système d’énergie hybride à Dassouri Prof : Dr. TSUYANO PROJET SEH 0 Etape de conception 1. Zone géographique Le projet de conception du système d’énergie hybride sera réalisé à Dassouri localisé par les coordonnées (120 16’ 08’ nord, 10 43’ 19’ ouest) qui est un village située dans le département de Tanghin-Dassouri de la province du Kadiogo dans la région Centre au Burkina Faso. Il comptait en 2006 1 500 habitants. Le centre de soins le plus proche de Dassouri est le centre médical (CM) de Tanghin-Dassouri. Le village possède un Centre d'éducation de base non formelle (CEBNF) et bien sûr une partie de la population mène des activités commerciales. Figure 1 : Localisation de Dassouri PROJET SEH 1 2. Consommation électrique totale La consommation électrique journalière de Dassouri d’après Rural Africain Household Load Profiles est représentée dans le tableau suivant. Tableau 1 : Consommation électrique journalière de Dassouri LOAD PROFILE OUTPUT TABLE (kW) Total Total Total Household Household Commercial + Load Load Commercial Load 00:00 13,57 0,93 14,50 01:00 9,51 0,93 10,44 02:00 7,27 0,93 8,21 03:00 6,23 1,13 7,35 04:00 6,26 1,82 8,07 05:00 6,79 3,00 9,79 06:00 8,24 5,42 13,65 07:00 10,58 7,00 17,58 08:00 17,61 8,24 25,85 09:00 19,62 9,33 28,95 10:00 20,13 11,30 31,43 11:00 19,88 11,10 30,98 12:00 15,15 8,93 24,08 13:00 13,87 8,93 22,80 14:00 13,43 11,10 24,53 15:00 12,48 10,11 22,59 16:00 16,10 9,22 25,32 17:00 28,26 7,79 36,06 PROJET SEH 2 18:00 42,60 6,29 48,89 19:00 64,17 4,14 68,32 20:00 82,68 1,78 84,46 21:00 77,71 1,58 79,29 22:00 49,85 1,01 50,86 23:00 24,36 0,93 25,30 586 133 719 kWh/year 214 024 48 522 262 545 Max kW/day 82,68 11,30 84,46 Min kW/day 6,23 0,93 7,35 Total kWh/day Total Il s’en suit donc une courbe de charge journalière. Courbes de charge 100 90 80 70 kW 60 50 40 30 20 10 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 09:00 08:00 07:00 06:00 05:00 04:00 03:00 02:00 01:00 00:00 0 Heure Total Household Load Total Commercial Load Total Household + Commercial Load Figure 2 : Courbes de charge journalière de Dassouri PROJET SEH 3 La courbe de charge de la consommation totale de la population celle en gris a extremum local supérieur, extremum local inférieur, un maximum et un minimum en prenant pour origine 06:00, car les besoins en électricité de la population commencent à augmenter le matin, ensuite diminuent pendant la journée, puis augmentent progressivement dans la soirée et diminuent tard la nuit. En effet : Les habitants de Dassouri se reveuillent tôt le matin et commence à consommer de l’électricité pour leurs différentes activités ; Mais dans l’après-midi, leurs consommations baissent ; Par contre soir, ils rentrent à la maison et leurs consommations d’électricité augmentent, alors la courbe de charge croit jusqu’à son maximum ; Cependant, la nuit ils se couchent diminuant ainsi leurs consommations et la courbe de charge décroit jusqu’à son minimum. 3. Évaluation de la ressource Ressource solaire PROJET SEH 4 Tableau 2 : Ensoleillement de Dassouri Source : Global Solar Atlas. Ce tableau réveille un potentiel de ressource solaire pouvant couvrir une grande partie des besoins énergétiques de la population de Dassouri. Ressource en biomasse Les ressources en biomasse de Dassouri sont essentiellement les effluents d'élevage (fumiers, lisiers), les résidus agricoles, les déchets organiques des ménages qui à travers un digesteur produisent du biogaz et du digestat. Le biogaz sera brulé comme carburant dans un générateur à biogaz pour produire de l’électricité et de la chaleur. 4. Le type de système à installer PROJET SEH 5 Le type de système hybride d’énergie à installer est la configuration à bus AC/DC. Figure 3 : Schéma synoptique du système hybride 5. Les puissances requises pour l'installation a. Proportion en énergie du champ photovoltaïque PV Le besoin journalier de la population de Dassouri est de 719 kWh. La proportion du champ PV est prise à 82% de la charge soit un besoin journalier 𝑩𝒋𝑷𝑽 = 𝟓𝟖𝟖 𝒌𝑾𝒉. Les composants à utilisés : PROJET SEH 6 Les batteries seront du type accumulateurs au plomb générant chacune une tension de 2V. L’autonomie doit être de 5 jours en cas de mauvais temps. Les panneaux seront du type BP Solar 3125. PROJET SEH 7 Tableau 3 : Fiche technique des panneaux PV Estimation du rayonnement solaire de Dassouri : PROJET SEH 8 Tableau 4 : Ensoleillement global Source : Global Solar Atlas Estimation de la courbe de production du champ PV à partir de Global Solar Atlas : PROJET SEH 9 Tableau 5 : Production photovoltaïque horaire PROJET SEH 10 Tableau 6 : Consommation et productions Total Household + Commercial Total Load biogas Total PV 00:00 14,5 5,46 0 01:00 10,44 5,46 0 02:00 8,21 5,46 0 03:00 7,35 5,46 0 04:00 8,07 5,46 0 05:00 9,79 5,46 0 06:00 13,65 5,46 0 07:00 17,58 5,46 15 08:00 25,85 5,46 41 09:00 28,95 5,46 65 10:00 31,43 5,46 81 11:00 30,98 5,46 90 12:00 24,08 5,46 90 13:00 22,8 5,46 81 14:00 24,53 5,46 65 15:00 22,59 5,46 42 16:00 25,32 5,46 17 17:00 36,06 5,46 1 18:00 48,89 5,46 0 19:00 68,32 5,46 0 20:00 84,46 5,46 0 21:00 79,29 5,46 0 22:00 50,86 5,46 0 23:00 Total kWh/day Total kWh/year Max kW/day Min kW/day 25 5,46 0 131 588 719 262 435 47 815 214 620 84,46 5,46 90 7,35 5,46 0 %PV 82% %Biogaz 18% PROJET SEH 11 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 kW Courbes de consomation-production PV, Biogaz Heure Total Household + Commercial Load Total biogas Total PV Figure 4 : Courbes consommation-production biogaz-production PV Figure 5 : Simulation sur HOMER La puissance nominale crête minimale 𝑃𝐶𝑚𝑖𝑛 du champ PV : PROJET SEH 12 𝑃𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝑃𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝐵𝑗 𝐻𝑖 ∗ 𝑅𝑏𝑎𝑡 ∗ 𝑅𝑔𝑒𝑛 588 5.873 ∗ 0.8 ∗ 0.8 𝑷𝑪𝒎𝒊𝒏 ≈ 𝟏𝟓𝟔 𝒌𝑾𝑪 A partir de la puissance crête des panneaux BP Solar 3125U déterminons le nombre de panneaux solaire nécessaires à l’installation. La puissance crête d’un panneau BP 3125U est 125 W. Le nombre de panneaux à installer 𝑁: 𝑁= 𝑁= 𝑃𝐶𝑚𝑖𝑛 𝑃𝑚𝑎𝑥 156 000 120 𝑁 = 1 252 panneaux. Estimation de la capacité de la batterie d’accumulateurs (Ah) et leur nombre : La capacité minimale du parc de batteries 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑚𝑖𝑛 : 𝑩𝒋𝑷𝑽 [kWh/j] Besoin journalière PV (588) 𝑱𝒓𝒂𝒖𝒕 Nombre de jours d’autonomie (5) 𝑽𝒔𝒚𝒔 [V] Tension du système (24) 𝑹𝒃𝒂𝒕 Rendement batterie (80%) 𝑫𝑴 Profondeur de décharge (70%) PROJET SEH 13 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑚𝑖𝑛 = BjPV ∗ 𝐽𝑟𝑎𝑢𝑡 𝑉𝑠𝑦𝑠 ∗ 𝑅𝑏𝑎𝑡 ∗ 𝐷𝑀 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑚𝑖𝑛 = 588 000 ∗ 5 24 ∗ 0.8 ∗ 0.7 𝒄𝒃𝒂𝒕𝒎𝒊𝒏 = 43 750 Ah. Le parc batterie sera constitué d’accumulateur de 2 V chacun, le système fonctionnant sous 24 V les accumulateurs seront couplés en série. Le nombre d’accumulateurs est alors Nbre = 24 / 2 = 12. b. Proportion en énergie du biogaz Pour une la continuité du service et satisfaire à la demande de la population de Dassouri un générateur à biogaz sera utilisé pour la production de l’électricité à hauteur de 18% de la charge soit un besoin journalier 𝑩𝒋𝑩𝒊𝒐𝒈𝒂𝒛 = 𝟏𝟑𝟏 𝒌𝑾𝒉. Utilisons le tableau suivant pour effectuer nos estimations énergétiques. Tableau 7 : Estimations énergétiques Matière Fumier de bovins Rendement en biogaz Rendement en électricité par tonne humide de par tonne humide de matière (m3/t) matière* (kWh/t) 23 48 180 335 laitiers Maïs à ensilage PROJET SEH 14 Déchets de 265 490 boulangerie (moyenne) Source : Böhni Energie & Umwelt, Systemoptimierungen Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen Umsetzung. Rendement énergétique des effluents d'élevage : À l'aide du tableau 3, il est possible de se faire une idée du rendement en biogaz et en énergie qu'on peut espérer des matières organiques. Voici comment procéder pour calculer le rendement qu'on peut espérer obtenir dans le cas d’une ferme laitière de Dassouri comptant 25 vaches. Estimation : La production annuelle de fumier de 140 vaches et des génisses de remplacement : environ 5 600 tonnes (selon les données du logiciel MSTOR du MAAARO) Dans notre cas elle est de : 25∗5600 140 = 1 000 tonnes. Rendement en électricité : 1 000 tonnes/an x 48 kWh/tonne = 48 000 kWh/an soit 131,51 kWh/jour. Choix du générateur : Nous optons pour un générateur générique à biogaz de capacité 131 kW. 6. La puissance de l’onduleur PROJET SEH 15 Choix de l’onduleur : L’onduleur sera de type onduleur-chargeur (type Studer Inno Compact); compte tenu de la puissance mise en jeu l’ensemble batteries, panneaux et onduleur fonctionnera en 24 V CC avec une puissance nominale 𝑃𝑛𝑜𝑚 = 700 kW. 7. Le câblage et les protections Choix de câbles : C’est sur la partie courant continu de l’installation que les intensités sont les plus importantes, c’est donc dans cette partie que se pose le problème des pertes joules et des chutes de tensions dans les câbles. Déterminons ainsi les sections des câbles entraînant le moins de chute de tension possible entre les panneaux et l’onduleur-chargeur, mais aussi entre les batteries et l’onduleur-chargeur. Utilisons les données : o Chute de tension maximale entre panneaux –→ boîte de raccordement ; boîte de raccordement –→ onduleur et batterie –→ onduleur = ∆U = 2%. o Puissance nominale de l’onduleur 𝑃𝑛𝑜𝑚 = 700 kW. o Conducteurs en cuivre (ρ = 1,6. 10−8Ω.m). Figure 6 : Raccordement des équipements Le courant de sortie d’un panneau à sa puissance nominale : PROJET SEH 16 𝑃 125 I = 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 24 = 5,2 A. 𝑠𝑦𝑠 La section des conducteurs entre les panneaux et le boîtier de raccordement : ∆𝑈 = 24 𝑥 0,02 = 0,48 𝑉 Donc la résistance maximale de la ligne est : ∆𝑈 0.48 𝑅 = 𝐼 = 5.2 = 0,092 Ω. La section est : ρ.L 𝑆= 𝑅 = 1.6∗10−8 ∗14 0.092 = 2. 10−6m² soit un câble d’une section de 2 mm², on prendra donc des câbles de 2,5 mm². Le courant circulant entre le boîtier de raccordement et l’onduleur : La puissance crête du champ PV est : 𝑃𝐶 = 𝑁 ∗ 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑃𝐶 = 12 ∗ 125 𝑷𝑪 = 1,5 kW. Le courant est alors : 𝑃 1 500 𝑠𝑦𝑠 24 𝐼=𝑉𝐶 = = 62,5 A. PROJET SEH 17 La section des conducteurs entre le boîtier de raccordement et l’onduleur : ∆𝑈 = 24 𝑥 0,02 = 0,48 𝑉 Donc la résistance maximale de la ligne est : ∆𝑈 0.48 𝑅′ = 𝐼 = 62.5 = 0,00768 Ω. La section est : ρ.L" 𝑆′ = 𝑅′ = 1.6∗10−8 ∗20 0,00768 = 42. 10−6m² soit un câble d’une section minimale de 42 mm². On prendra 50 mm² (section normalisée). Le courant circulant entre les batteries et l’onduleur lorsque celui-ci débite sa puissance nominale : 𝐼𝑚𝑎𝑥𝑏𝑎𝑡 = 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑜𝑛𝑑 𝑉𝑠𝑦𝑠 = 2 300 24 = 95,33 A. La section des conducteurs entre le parc batterie et l’onduleur : ∆𝑈 = 24 𝑥 0,02 = 0,48 𝑉 Donc la résistance maximale de la ligne est : 𝑅′′ = 𝐼 ∆𝑈 0.48 𝑚𝑎𝑥𝑏𝑎𝑡 = 95 = 0,00505 Ω. La section est : ρ.L" 𝑆′′ = 𝑅′′ = 1.6∗10−8 ∗20 0,00505 = 25. 10−6 m², soit un câble d’une section minimale de 25 mm². PROJET SEH 18 Schéma électrique : Branchements des panneaux. Couplage des batteries et raccordement à l’onduleur. Figure 7 : Schéma électriquez 8. Les pertes réelles de l’ensemble du système 9. L’étude faisabilité socio-économique Devis estimatif des principaux composants de l’installation PV : PROJET SEH 19 Tableau 8 : Estimation de devis de l'installation Désignation Nombre Prix Total € unitairé Panneaux photovoltaïques 1 252 656,3 821 687,6 Accumulateurs 12 264,18 3 170,16 Onduleur - chargeur 1 1 596,8 1 596,8 Câbles 2x 2,5 mm² 12x7=84 m 0,74 62,16 Câbles unipolaire 25 mm² 2x4 = 8 m 3 24 Câbles unipolaire 50 mm2 2x10=20 m 4 80 Articles de connexions et de pontage des batteries 1 150 150 Boite de raccordement des panneaux et cosses 1 75 75 Presses étoupes panneaux et boite de raccordement 14 3 42 Total Total FCFA 1 156,22 822 120,76 755 011,66 536 844 856 10. Les critères de mise en fonctionnement PROJET SEH 20