Études de cas pratique

EGC

Analyse d’une Ferme Solaire

Analyse d’une Ferme Solaire (Énergies Renouvelables)

Analyse d’une Ferme Solaire

Comprendre l'Analyse d'une Ferme Solaire

Une ferme solaire, ou centrale solaire photovoltaïque au sol, est une installation de grande envergure conçue pour produire de l'électricité à partir du rayonnement solaire. Elle est composée de milliers de panneaux photovoltaïques (PV) montés sur des structures fixes ou des suiveurs solaires (trackers), d'onduleurs pour convertir le courant continu produit par les panneaux en courant alternatif, et d'un poste de transformation pour élever la tension en vue de l'injection sur le réseau électrique de transport ou de distribution. L'analyse d'une ferme solaire implique l'évaluation de sa capacité de production énergétique annuelle, qui dépend de facteurs tels que la puissance crête installée, l'irradiation solaire du site, l'orientation et l'inclinaison des panneaux, les pertes du système (température, ombrage, salissure, câblage, onduleur, transformateur), et la disponibilité des équipements. Cette analyse est cruciale pour la planification, le financement et l'exploitation de projets d'énergie renouvelable à grande échelle.

Données de l'étude

On étudie un projet de ferme solaire photovoltaïque.

Caractéristiques de la ferme solaire :

  • Puissance crête totale installée (\(P_{\text{crête,ferme}}\)) : \(5 \, \text{MWc}\) (Mégawatts-crête)
  • Type de panneaux : Silicium monocristallin
  • Localisation : Sud de la France
  • Irradiation solaire annuelle horizontale globale sur le site (\(GHI_{\text{annuel}}\)) : \(1650 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Irradiation solaire annuelle sur le plan des capteurs (inclinés et orientés de manière optimale) (\(G_{\text{capteur,annuel}}\)) : \(1800 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Performance Ratio (PR) global du système : \(80\%\) (0.80). Ce ratio prend en compte toutes les pertes du système (pertes thermiques des modules, pertes de câblage CC et CA, pertes de l'onduleur, pertes du transformateur, salissure, indisponibilité, etc.).

Informations complémentaires :

  • Surface spécifique requise pour l'installation (incluant espacement entre rangées, chemins d'accès, etc.) : \(2 \, \text{hectares/MWc}\) (1 hectare = \(10000 \, \text{m}^2\))
  • Consommation électrique moyenne d'un foyer (hors chauffage électrique important) : \(3500 \, \text{kWh/an/foyer}\)
  • Facteur d'émission de CO2 du mix électrique moyen évité (réseau national) : \(0.08 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Schéma : Ferme Solaire Photovoltaïque
Ferme Solaire Photovoltaïque {/* Sol */} {/* Panneaux PV (plusieurs rangées) */} Champ de panneaux PV {/* Soleil */} Rayonnement {/* Poste de transformation / Onduleurs centraux */} Poste Onduleurs {/* Lignes de collecte (symbolique) */} {/* Vers réseau */} Réseau Électrique

Schéma simplifié d'une ferme solaire photovoltaïque avec ses principaux composants.

Questions à traiter

  1. Calculer la production énergétique annuelle nette de la ferme solaire (\(E_{\text{nette,ferme}}\)) en kWh/an et en GWh/an.
  2. Calculer la surface totale de terrain (\(A_{\text{terrain}}\)) requise pour cette ferme solaire en hectares et en \(m^2\).
  3. Calculer le nombre de foyers dont la consommation électrique pourrait être couverte par la production annuelle nette de cette ferme.
  4. Estimer la quantité d'émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette ferme solaire.

Correction : Analyse d’une Ferme Solaire

Question 1 : Production Énergétique Annuelle Nette (\(E_{\text{nette,ferme}}\))

Principe :

La production énergétique annuelle nette d'une ferme solaire est calculée en multipliant sa puissance crête totale par le nombre d'heures d'ensoleillement équivalentes (basées sur l'irradiation annuelle sur le plan des capteurs) et par le Performance Ratio (PR) global du système. Le PR tient compte de toutes les pertes de conversion et de système.

Les heures d'ensoleillement équivalentes à l'irradiation STC (\(1 \, \text{kW/m}^2\)) sont obtenues en divisant l'irradiation annuelle sur le plan des capteurs (\(G_{\text{capteur,annuel}}\) en \(\text{kWh/m}^2\text{/an}\)) par l'irradiance STC (\(1 \, \text{kW/m}^2\)).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Heures équivalentes STC} = \frac{G_{\text{capteur,annuel}}}{1 \, \text{kW/m}^2} \] \[ E_{\text{nette,ferme}} = P_{\text{crête,ferme}} \times \text{Heures équivalentes STC} \times \text{PR} \]
Données spécifiques :
  • Puissance crête ferme (\(P_{\text{crête,ferme}}\)) : \(5 \, \text{MWc} = 5000 \, \text{kWc}\)
  • Irradiation annuelle sur plan capteur (\(G_{\text{capteur,annuel}}\)) : \(1800 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Performance Ratio (PR) : \(0.80\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Heures équivalentes STC} &= \frac{1800 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}}{1 \, \text{kW/m}^2} = 1800 \, \text{h/an} \\ E_{\text{nette,ferme}} &= 5000 \, \text{kWc} \times 1800 \, \text{h/an} \times 0.80 \\ &= 9000000 \, \text{kWh/an} \times 0.80 \\ &= 7200000 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

Conversion en GWh/an :

\[ E_{\text{nette,ferme}} = 7200000 \, \text{kWh/an} \times \frac{1 \, \text{GWh}}{10^6 \, \text{kWh}} = 7.2 \, \text{GWh/an} \]
Résultat Question 1 : La production énergétique annuelle nette de la ferme solaire est de \(7\,200\,000 \, \text{kWh/an}\) (soit \(7.2 \, \text{GWh/an}\)).

Question 2 : Surface Totale de Terrain Requise (\(A_{\text{terrain}}\))

Principe :

La surface de terrain nécessaire pour une ferme solaire est estimée en multipliant la puissance crête totale de la ferme par une surface spécifique requise par unité de puissance crête. Ce ratio tient compte non seulement de la surface des panneaux eux-mêmes, mais aussi des espacements nécessaires entre les rangées pour éviter l'ombrage, des chemins d'accès, des postes techniques, etc.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{terrain}} = P_{\text{crête,ferme}} \times \text{Surface spécifique requise par MWc} \]
Données spécifiques :
  • Puissance crête ferme (\(P_{\text{crête,ferme}}\)) : \(5 \, \text{MWc}\)
  • Surface spécifique requise : \(2 \, \text{hectares/MWc}\)
  • Conversion : \(1 \, \text{hectare} = 10000 \, \text{m}^2\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{terrain}} (\text{en hectares}) &= 5 \, \text{MWc} \times 2 \, \frac{\text{hectares}}{\text{MWc}} \\ &= 10 \, \text{hectares} \\ A_{\text{terrain}} (\text{en m}^2) &= 10 \, \text{hectares} \times 10000 \, \frac{\text{m}^2}{\text{hectare}} \\ &= 100000 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La surface totale de terrain requise pour la ferme solaire est de \(10 \, \text{hectares}\) (soit \(100\,000 \, \text{m}^2\)).

Quiz Intermédiaire 1 : Si la densité de puissance des panneaux augmentait (plus de Wc par \(m^2\) de panneau), la surface de terrain requise pour une même puissance crête totale de la ferme (en supposant que l'espacement relatif reste similaire) :

Question 3 : Nombre de Foyers Alimentés

Principe :

Pour estimer le nombre de foyers dont la consommation électrique (hors usages thermiques importants comme le chauffage électrique) peut être couverte par la production de la ferme solaire, on divise la production énergétique annuelle nette de la ferme par la consommation électrique moyenne annuelle d'un foyer.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ N_{\text{foyers}} = \frac{E_{\text{nette,ferme}}}{C_{\text{foyer}}} \]
Données spécifiques :
  • Production annuelle nette (\(E_{\text{nette,ferme}}\)) : \(7200000 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q1)
  • Consommation moyenne par foyer (\(C_{\text{foyer}}\)) : \(3500 \, \text{kWh/an/foyer}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} N_{\text{foyers}} &= \frac{7200000 \, \text{kWh/an}}{3500 \, \text{kWh/an/foyer}} \\ &\approx 2057.14 \, \text{foyers} \end{aligned} \]

On arrondit généralement à l'entier inférieur car on ne peut pas alimenter une fraction de foyer de manière garantie. Donc, environ 2057 foyers.

Résultat Question 3 : La ferme solaire pourrait couvrir la consommation électrique (hors chauffage) d'environ 2057 foyers.

Question 4 : Émissions de CO2 Évitées Annuellement

Principe :

L'électricité produite par la ferme solaire, étant une source d'énergie renouvelable, se substitue à de l'électricité qui aurait été produite par le mix énergétique du réseau électrique. Ce mix a un facteur d'émission de CO2 moyen. En produisant de l'électricité solaire, on évite donc les émissions qui auraient été générées par la production de cette même quantité d'électricité par les sources (souvent fossiles en partie) du réseau. Les émissions évitées sont le produit de l'énergie nette produite par la ferme et du facteur d'émission du mix électrique évité.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{CO}_{2,\text{évitées}} = E_{\text{nette,ferme}} \times f_{\text{GES,elec,évité}} \]
Données spécifiques :
  • Production annuelle nette (\(E_{\text{nette,ferme}}\)) : \(7200000 \, \text{kWh/an}\)
  • Facteur d'émission GES du mix évité (\(f_{\text{GES,elec,évité}}\)) : \(0.08 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{CO}_{2,\text{évitées}} &= 7200000 \, \text{kWh/an} \times 0.08 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &= 576000 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]

Soit \(576 \, \text{tonnes de CO}_2\text{eq/an}\).

Résultat Question 4 : Les émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette ferme solaire sont d'environ \(576\,000 \, \text{kgCO}_2\text{eq}\) (soit \(576 \, \text{tonnes de CO}_2\text{eq}\)).

Quiz Intermédiaire 2 : Si le Performance Ratio (PR) de la ferme solaire était de 75% au lieu de 80%, la production énergétique annuelle nette serait :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La puissance crête d'une ferme solaire (\(\text{MWc}\)) représente :

2. Le Performance Ratio (PR) d'une ferme solaire :

3. L'énergie électrique annuelle produite par une ferme solaire est typiquement calculée comme :

Glossaire

Ferme Solaire (Centrale Photovoltaïque au Sol)
Installation de grande taille composée de nombreux panneaux photovoltaïques montés au sol pour produire de l'électricité à l'échelle industrielle ou pour alimenter un réseau.
Puissance Crête (\(\text{Wc}\) ou \(\text{kWc}\), \(\text{MWc}\))
Puissance électrique maximale qu'un module ou un système photovoltaïque peut produire dans des Conditions de Test Standard (STC).
Irradiation Solaire (\(G\) ou \(H\))
Quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface. L'irradiation globale sur un plan est la somme du rayonnement direct, diffus et réfléchi. Unité : \(\text{kWh/m}^2\text{/an}\) ou \(\text{W/m}^2\) (pour l'irradiance instantanée).
Performance Ratio (PR)
Rapport entre l'énergie électrique réellement produite par le système PV et l'énergie qui serait produite si le système fonctionnait à son rendement nominal (basé sur la puissance crête et l'irradiation incidente sur les modules) sans aucune perte. C'est un indicateur clé de la qualité de conception, d'installation et de maintenance d'un système PV.
Productible Annuel
Estimation de la quantité d'énergie électrique (en kWh) qu'un système photovoltaïque d'une certaine puissance crête (kWc) peut produire en une année sur un site donné, en tenant compte de l'irradiation, de l'orientation, de l'inclinaison et des pertes globales du système. Souvent exprimé en \(\text{kWh/kWc/an}\).
Hectare (ha)
Unité de mesure de surface égale à \(10\,000\) mètres carrés.
Analyse d’une Ferme Solaire - Exercice d'Application

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