Stockage de l’énergie solaire pour l’usage nocturne

Les modules photovoltaïques produisent de l’électricité lorsque l’irradiance solaire est suffisante. Après le coucher du soleil, un champ PV classique cesse d’être une source active : les charges nocturnes doivent donc être alimentées par une autre source, comme le réseau public, une batterie, un groupe électrogène ou une combinaison de ces solutions.

Le stockage modifie le moment où l’énergie d’origine solaire peut être utilisée, et non la façon dont les modules la produisent. Lorsque la production PV dépasse la demande immédiate du site, une partie de cette énergie peut être dirigée vers une batterie, si l’architecture du système, les règles d’exploitation et l’état de la batterie le permettent. L’énergie stockée peut ensuite être restituée plus tard, quand la production PV est plus faible ou nulle.

La question de conception importante n’est donc pas seulement la quantité d’électricité produite par le champ PV pendant la journée. Le système doit tenir compte du moment où l’énergie est produite, du moment où elle est consommée, de la quantité réellement stockable et des pertes entre la charge et l’utilisation ultérieure.

Une batterie n’est pas non plus nécessaire pour toute installation PV. Un site raccordé au réseau peut consommer la production solaire pendant la journée et soutirer l’électricité du réseau la nuit, lorsque le raccordement et les règles locales autorisent ce mode de fonctionnement.

Pour un site raccordé au réseau, la consommation nocturne peut normalement rester une question d’alimentation par le réseau, sauf si le propriétaire a une raison de déplacer l’énergie d’une période à l’autre ou de maintenir certaines charges lors d’une coupure. Ajouter des batteries uniquement parce que le site dispose du PV peut introduire des équipements, des commandes, de la maintenance, des pertes de conversion et des contraintes d’exploitation qui ne sont pas forcément nécessaires à l’objectif réel.

Le point de départ doit être le profil de charge du site. Un logement à faible demande nocturne pose un problème de stockage différent de celui d’une installation commerciale avec réfrigération, pompes, serveurs, équipements de process ou autres charges qui se poursuivent toute la nuit. La seule consommation d’énergie mensuelle ne permet pas de décrire ces différences.

Le moment de la consommation compte aussi. Deux sites peuvent consommer le même nombre de kilowattheures par jour tout en exigeant des systèmes de batteries très différents : l’un concentre sa demande sur une courte période en soirée, l’autre a une charge stable pendant toute la nuit.

Les arrangements avec le réseau doivent aussi entrer dans l’analyse. Les règles d’injection et de soutirage, la capacité de raccordement disponible, la structure tarifaire, les dispositions de comptage et les exigences techniques locales peuvent modifier l’intérêt opérationnel du stockage. Ces questions dépendent de la juridiction réelle et du contrat d’électricité, et non d’une règle universelle du solaire avec stockage.

Avant de choisir l’équipement, l’exploitant doit donc séparer trois questions : quelle quantité d’énergie nocturne est nécessaire, quelle puissance instantanée doit être fournie, et le réseau reste-t-il disponible pendant cette période.

La capacité d’une batterie et sa puissance sont deux grandeurs différentes. La capacité énergétique s’exprime normalement en kilowattheures et indique la quantité d’énergie pouvant être stockée ou fournie dans la plage d’utilisation. La puissance, exprimée en kilowatts, indique la rapidité avec laquelle la batterie et son électronique de puissance peuvent fournir ou absorber de l’énergie.

Une batterie peut donc disposer de suffisamment d’énergie pour un besoin nocturne tout en étant incapable d’alimenter une forte charge instantanée. L’inverse est également possible : un système peut délivrer une puissance élevée pendant une courte période sans disposer d’assez d’énergie utilisable pour couvrir plusieurs heures de consommation.

La part utilisable de la capacité nominale dépend du système de batteries, des limites de fonctionnement, des commandes d’état de charge, de la température, de l’état de dégradation et de la profondeur de décharge autorisée. Utilisez les informations du fabricant pour le produit réel, plutôt que de supposer que toute la capacité de la plaque signalétique peut être déchargée chaque nuit.

Les pertes de conversion doivent aussi être prises en compte. L’énergie peut traverser un chargeur, un onduleur, une batterie, des câbles et des équipements de commande entre la production PV et la charge finale en courant alternatif. L’énergie récupérée la nuit ne sera donc pas identique à celle initialement disponible au niveau du champ.

Idéalement, le profil de charge pertinent inclut les pointes de courte durée en plus de l’énergie totale. Les moteurs, les pompes, les équipements de CVC ou d’autres appareils peuvent créer des conditions de démarrage ou de charges simultanées qui influencent la puissance requise de l’onduleur et de la batterie, même si leur consommation nocturne totale est modérée.

Un calcul de stockage utile commence par la consommation mesurée dans le temps. Des données horaires ou plus fines peuvent montrer comment la demande évolue après le coucher du soleil, à quel moment surviennent les charges les plus élevées et quelle quantité d’énergie doit être fournie avant la reprise de la production solaire ou le retour de l’alimentation par le réseau.

La variation saisonnière doit également être prise en compte. Les nuits d’hiver peuvent être plus longues alors que la production PV de la journée précédente peut être plus faible, et certains bâtiments ont des charges de chauffage, de refroidissement, d’irrigation ou de process qui varient au fil de l’année. Une batterie dimensionnée sur une journée favorable peut se comporter différemment à une autre saison.

La conception dépend aussi de l’objectif. Déplacer l’énergie dans le temps, réduire les soutirages sur le réseau pendant certaines périodes, alimenter une charge hors réseau et assurer un secours en cas de coupure sont des besoins différents. Chacun peut conduire à une capacité, une puissance, une commande et un onduleur différents, même pour le même site.

Surdimensionner n’est pas automatiquement plus sûr ni plus économique. Une capacité de batterie supplémentaire peut rester sous-utilisée si le système PV ne produit pas assez de surplus pour la charger ou si la charge nocturne du site est faible. Sous-dimensionner peut de même laisser une partie de la charge prévue dépendante d’une autre source.

Le calcul doit donc énoncer explicitement ses hypothèses : charge attendue, capacité utilisable, pertes de conversion, possibilités de charge, conditions environnementales, réserve d’exploitation et autonomie requise le cas échéant. Une taille de batterie générique ne peut pas s’appliquer à des installations sans rapport entre elles.

Les systèmes photovoltaïques-thermiques, ou PV/T, combinent la production d’électricité photovoltaïque et la récupération d’énergie thermique utile. Selon la conception, la chaleur peut être transférée à l’air ou à un liquide pour des usages comme le chauffage de l’eau ou d’autres charges thermiques. Cette technologie traite à la fois les flux d’énergie électrique et thermique issus de la ressource solaire disponible.

Le PV/T ne doit pas être confondu avec le stockage électrique par batterie. Capter de la chaleur pendant la journée ne fournit pas, en soi, d’énergie électrique stockée pour les appareils classiques la nuit. Si des charges électriques doivent fonctionner après l’arrêt de la production solaire, le système a toujours besoin d’une source électrique adaptée, comme le réseau, une batterie ou un autre générateur.

Le stockage thermique peut être utile lorsque le besoin nocturne est lui-même thermique. De l’eau chauffée ou un autre fluide thermique peuvent parfois être stockés pour un usage ultérieur, mais il s’agit d’un problème d’ingénierie différent de l’alimentation de charges électriques par une batterie.

D’autres approches peuvent aussi réduire le stockage électrique nécessaire. Certaines charges peuvent être déplacées vers les heures de jour, pilotées en fonction de la production PV disponible ou alimentées directement pendant que le champ produit. La faisabilité dépend du process et des besoins de l’utilisateur.

La conception doit donc commencer par le service requis la nuit. L’énergie électrique, l’énergie thermique, le secours sans interruption et le simple déplacement de charges ne doivent pas être traités comme des objectifs interchangeables.

Ajouter une batterie ne garantit pas automatiquement à un bâtiment une alimentation sans interruption lors d’une coupure du réseau. De nombreux systèmes PV et de stockage raccordés au réseau sont conçus pour se déconnecter de l’alimentation publique lorsque cela est nécessaire, et le fonctionnement en secours dépend de l’onduleur, des équipements de commutation, des commandes, de l’organisation des charges protégées et de la configuration du système.

Le concepteur doit décider quelles charges nécessitent un secours. Alimenter l’éclairage, les communications ou certains équipements critiques est différent de vouloir faire fonctionner tout le site. La puissance de pointe, les courants de démarrage, la durée attendue de la coupure et l’énergie stockée disponible influencent tous cette décision.

La transition vers le mode secours compte également. Certaines applications tolèrent une courte interruption, d’autres exigent un autre niveau de continuité. L’équipement choisi et l’architecture électrique doivent permettre le comportement visé, au lieu de se reposer sur la seule présence d’une batterie.

La production PV pendant une coupure peut parfois fournir de l’énergie à un système de secours correctement configuré, mais cela dépend de l’architecture de l’onduleur et du stockage. Des modules solaires raccordés à un système ne garantissent pas que leur production reste disponible lorsque le réseau est hors service.

Le secours doit donc être spécifié indépendamment du déplacement ordinaire de l’énergie nocturne. Un système peut convenir pour utiliser l’énergie solaire stockée après le coucher du soleil tout en étant inadapté au scénario de coupure requis.

Le choix d’une batterie doit reposer sur des conditions de fonctionnement documentées, et non sur une simple comparaison de kilowattheures nominaux. La profondeur de décharge utilisable, la puissance de charge et de décharge, les limites de température, le comportement en cycles, les réglages de commande, la compatibilité avec l’onduleur et l’environnement d’installation peuvent tous influencer le fonctionnement pratique.

Lisez les conditions de garantie directement dans la documentation du fabricant ou du fournisseur pour le système envisagé. Elles peuvent comporter des conditions d’exploitation, des limites de débit d’énergie, des limites de durée, des exigences de température ou d’autres dispositions, et ne doivent pas être généralisées à toutes les technologies ou marques de batteries.

Les règles locales du réseau comptent aussi. Les exigences de raccordement, les limites d’injection, les réglages de protection, le comptage et les procédures d’approbation varient selon la juridiction et le type de système. Une configuration de stockage techniquement possible peut exiger un autre arrangement de raccordement dans un autre lieu.

Les hypothèses financières exigent la même prudence. Les prix de l’électricité, les périodes tarifaires, l’utilisation de la batterie, la charge future, la dégradation, la maintenance, le financement et le surplus PV disponible influencent tous le résultat économique. Une durée de retour sur investissement fixe ne peut pas être annoncée de façon responsable sans ces données.

La planification du stockage doit donc commencer par des charges mesurées et un objectif d’exploitation défini. La batterie n’est qu’une partie du système : le comportement de l’onduleur, le raccordement au réseau, la logique de commande, la protection électrique, les conditions environnementales et le profil de consommation réel déterminent si la conception proposée peut répondre au besoin nocturne.