Le rôle du groupe électrogène dans le nouveau cadre des micro-grids

Le mix énergétique doit être recomposé pour faire place aux énergies plus propres, sans compromettre la stabilité de l'approvisionnement dont nous profitons à l'heure actuelle. C'est sur ce dernier point que le groupe électrogène joue un rôle crucial.


La demande en énergie primaire, à savoir l'énergie de première nécessité de la population pour le chauffage, le transport et la consommation d'électricité, n'a cessé de croître au cours des dernières décennies. Depuis 2010, elle a été multipliée par 1,5 et les estimations de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) prévoient une augmentation de 32 % à l'horizon 2040. Comment rendre cette croissance durable à long terme ? Le mix énergétique doit être recomposé pour faire place aux énergies plus propres, sans compromettre la stabilité de l'approvisionnement dont nous profitons à l'heure actuelle. C'est sur ce dernier point que le groupe électrogène joue un rôle crucial. Ces équipements confèrent une certaine fiabilité à ce nouveau mix qui se doit de remplir plusieurs conditions à la fois : il doit être efficace et compatible avec l'infrastructure existante à chaque endroit, s'adapter à la demande instantanée et réduire l'impact sur l'environnement provoqué par l'inévitable hausse des besoins en énergie à l'échelle mondiale. 



Une énergie décentralisée pour répondre à la demande énergétique à long terme

L'élan pris par la consommation dans des pays comme l'Inde ou la Chine, la croissance de la population mondiale et l'essor industriel important que nous connaissons aujourd'hui ont une influence énorme sur une tendance à la hausse de la demande en ressources énergétiques. Mais le cap de cette croissance est déjà fixé : le processus doit être durable. 

La dernière conférence des Nations unies sur le changement climatique, qui s'est tenue à Paris en 2015, a entériné la voie vers une économie à faibles émissions, avec l'engagement des 195 États signataires de l'accord. La plupart des pays en ont pris note et ont commencé à appliquer des solutions visant à réduire leur dépendance au carbone. 

La technologie apporte déjà des réponses concrètes en accord avec ces exigences. Ce que l'on appelle la production décentralisée permet de produire de l'énergie là où elle existe, avec des unités capables de produire en continu et de manière durable, en fonctionnant de façon autonome sans aucune dépendance vis-à-vis du réseau électrique. 

Jusqu'à présent, les micro-grids se positionnent comme le modèle de production décentralisée le plus développé : des systèmes raccordés ou non au réseau, qui peuvent conjuguer plusieurs technologies conventionnelles et renouvelables. Outre la production d'énergie, les micro-grids possèdent deux éléments caractéristiques : le système de contrôle, la partie la plus intelligente, qui prédit les consommations et les cycles de travail, et les dispositifs de stockage, le cœur même d'un micro-grid qui, associés à l'électronique de puissance, permettent de compenser les variations de charge des énergies renouvelables et de rendre la production d'énergie du système beaucoup plus efficace.


Pour mettre ce rouage en mouvement, un système de télésurveillance (télégestion) collectant et transmettant toutes les données s'avère nécessaire, qu'il s'agisse des données du réseau ou de celles des sources qui entrent en jeu, le tout dans un environnement de réseaux intelligents ou smart grids. 


Actuellement, un tiers de l'énergie délivrée par les micro-grids provient de groupes électrogènes, un autre tiers est couvert par l'énergie éolienne et l'énergie restante est fournie par des microturbines, des panneaux solaires ou des piles à combustible.

Mais la tendance générale cherche de toute évidence à allier les différentes technologies pour éliminer les aspects négatifs rencontrés dans l'utilisation individuelle de chacune d'elles et pour réduire la dépendance vis-à-vis des ressources fossiles. La chute des prix des panneaux solaires actuellement constatée rend la transition plus fluide et des pays comme les Émirats Arabes Unis, l'Arabie saoudite, le Qatar, l'Allemagne ou le Chili ont déjà commencé à encourager le lancement de projets d'énergie renouvelable dans cette optique. 

L'attrait de l'hybridation entre l'énergie fossile et les énergies renouvelables, mais aussi sa réussite, dépend dans une large mesure de facteurs extérieurs comme le cadre législatif, la distance du réseau électrique national, et le coût ou encore la rentabilité de l'électrification d'une zone, avec prise en compte de sa densité de population et de son niveau d'industrialisation. Un bon rythme de croissance de ce marché est toutefois escompté, avec une hausse estimée à 17,1 % par an au cours des cinq prochaines années. Par ailleurs, l'électrification rurale et en îlotage devrait être à la tête de l'ensemble du processus, avec des croissances de 23 % en glissement annuel.

Avantages de l'intégration du groupe électrogène dans la centrale de production hybride

L'intégration de groupes électrogènes dans ces unités d'hybridation garantit la fiabilité du système : elle certifie en effet la disponibilité permanente de l'énergie. Les groupes électrogènes sont la composante du mix énergétique qui permet de pallier considérablement à l'instabilité intrinsèque des énergies renouvelables car, contrairement à ces dernières, leurs performances ne dépendent pas des conditions naturelles souvent imprévisibles. 

Par ailleurs, les groupes électrogènes fonctionnent comme une alternative de stockage particulièrement précieuse qui permet d'apporter une réponse rapide lors des variations de charge. Leur association à un système de gestion intelligente permet de planifier à la perfection les heures de fonctionnement et d'augmenter considérablement l'efficacité du micro-grid. Une centrale conventionnelle de production d'énergie fossile associée à une unité d'énergie 100 % renouvelable présente des avantages importants. 

D'une part, l'ensemble fournit un approvisionnement ininterrompu en énergie, confort qu'une unité d'énergie renouvelable est incapable de garantir à elle seule. D'autre part, le système conduit à une réduction significative des coûts d'exploitation. Le diagramme de charge typique de ces centrales permet d'observer la façon dont l'utilisation combinée de groupes électrogènes et d'énergies renouvelables se traduit non seulement par une économie appréciable de carburant, mais également par une réduction de l'ensemble des coûts d'exploitation et de maintenance. Les heures de fonctionnement seront toujours moins importantes et les opérations de maintenance, d'appoint de lubrifiant, de remplacement des filtres ou de changement des injecteurs seront moins fréquentes. 



Conditions idéales pour l'installation d'une centrale hybride 

Les solutions hybrides s'avèrent particulièrement intéressantes pour certains marchés industriels comme le secteur minier et celui des télécommunications, pour tenir le rôle d'énergie de soutien au réseau dans des villages et sur des îles, mais aussi pour être utilisées comme source unique d'énergie continue pour les commerces, les fermes ou les foyers. Toutes ces applications réunissent une série de caractéristiques communes : 



Elles sont déployées dans des régions qui ne sont pas raccordées au réseau ou dont les tarifs d'électricité sont excessivement élevés. 

Leur demande atteint les 5 MW, avec près de 4 000 heures de fonctionnement à l'année. Pour une centrale hybride, la situation idéale se présente lorsque la majeure partie de la demande a lieu pendant la journée, à savoir lorsque les sources d'énergie solaire sont disponibles. 

Leurs niveaux d'exposition au soleil ou au vent sont élevés. Pour rentabiliser l'investissement, le rayonnement solaire doit être supérieur à 1 300 kWh/kWp ou, lorsque le choix se porte sur les sources d'énergie éolienne, l'exposition au vent doit au moins s'élever à 4 m/s. Des pays comme le Chili, le Pérou et l'Inde ou des régions comme les Caraïbes, l'Asie-Pacifique, le Moyen-Orient et le nord de l'Afrique sont quelques-unes des zones géographiques qui réunissent toutes ces conditions naturelles optimales pour l'exploitation maximale de l'installation.

L'espace disponible pour l'installation des panneaux solaires est suffisant. Lorsque l'installation se fait en toiture, le rapport doit avoisiner les 10 m2 pour chaque kW produit. Au sol, 20 km2 sont nécessaires pour chaque MW.

Exemple-type : fonctionnement réel de l'intégration d'énergies renouvelables à un groupe électrogène



Partons du principe que l'on souhaite installer une centrale hybride au Chili, dans une région où le rayonnement solaire est de 2 312 kWh/m2 et où la consommation électrique annuelle est d'environ 17 520 MWh/an. Pour une consommation quotidienne et constante de 4 MW pendant 12 heures, la quantité de diesel estimée serait de 4 800 000 litres.

En installant trois groupes électrogènes HIMOINSA HTW- 2030 T5 délivrant une puissance totale de 4,85 MW, quel serait le nombre d'heures qui doit s'écouler pour amortir un tel investissement ? À quelle hauteur s'élèverait les économies en carburant ?

Les systèmes de télésurveillance se chargent de définir la source d'énergie optimale à chaque instant. Ainsi, pendant 

les heures où le rayonnement solaire est le plus élevé, les groupes électrogènes tournent à bas régime. Ceci permet donc d'accroître la durée de vie utile du moteur et, de ce fait, de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance de l'équipement, tout en diminuant considérablement la consommation de carburant. Dans ce cas de figure précis, les économies annuelles s'élèveraient à 1 600 000 litres de diesel, soit plus du tiers de la consommation de départ.

Au vu de ces chiffres et en fonction du prix du diesel et du rayonnement solaire, le retour sur investissement d'une centrale utilisant des groupes électrogènes et des panneaux photovoltaïques serait compris entre trois et cinq ans. 


Conclusiones

Dans la transition de la production conventionnelle d'énergie vers des formules reposant davantage sur les énergies renouvelables, le rôle des groupes électrogènes au cours des prochaines années est désormais incontestable. Leur capacité à garantir la disponibilité de l'énergie pour répondre à une demande sans cesse croissante et de plus en plus exigeante sur le plan environnemental en fait une solution indéniable 

à l'instabilité intrinsèque des énergies renouvelables ainsi qu'une alternative de stockage précieuse. Les groupes électrogènes apportent une réponse rapide aux variations de charge et, intégrés à la gestion d'un smart grid ou réseau intelligent, ils permettent de planifier le fonctionnement et d'augmenter l'efficacité de l'ensemble du système.