Études de cas pratique

EGC

Évaluation de la production solaire

Évaluation de la Production Solaire (Énergies Renouvelables)

Évaluation de la Production d’une Ferme Solaire

Comprendre l'Évaluation de la Production Solaire

L'évaluation de la production énergétique d'une ferme solaire photovoltaïque (PV) est une étape déterminante pour la faisabilité technique et économique d'un tel projet. Une ferme solaire convertit l'énergie lumineuse du soleil en électricité grâce à un grand nombre de panneaux PV. La quantité d'électricité produite annuellement dépend de plusieurs facteurs clés : la puissance crête totale de l'installation (somme des puissances crêtes de tous les panneaux), l'irradiation solaire reçue sur le site (qui varie selon la géographie, l'orientation et l'inclinaison des panneaux), et le "Performance Ratio" (PR) du système. Le PR est un indicateur global de l'efficacité de la centrale, qui prend en compte toutes les pertes survenant entre la captation de l'énergie solaire par les panneaux et l'injection de l'électricité sur le réseau (pertes dues à la température, aux ombrages, à la salissure des panneaux, aux câbles, à l'efficacité de l'onduleur, aux transformateurs, et à la disponibilité du système). Une estimation précise de la production annuelle permet d'évaluer la rentabilité, l'impact environnemental (CO2 évité) et la contribution de la ferme à la production d'énergie renouvelable.

Données de l'étude

On étudie un projet de ferme solaire photovoltaïque au sol.

Caractéristiques de la ferme solaire :

  • Puissance crête totale installée (\(P_{\text{crête,ferme}}\)) : \(10 \, \text{MWc}\) (Mégawatts-crête)
  • Localisation : Région Occitanie, France.
  • Irradiation solaire annuelle moyenne reçue sur le plan des modules (optimisés en inclinaison et orientation) (\(G_{\text{annuel,plan}}\)) : \(1750 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Puissance crête de référence pour l'irradiation STC (Conditions de Test Standard) (\(G_{\text{STC,irrad}}\)) : \(1 \, \text{kW/m}^2\)
  • Performance Ratio (PR) global du système : \(82\%\) (soit 0.82)

Informations complémentaires :

  • Consommation électrique annuelle moyenne d'un foyer (hors chauffage électrique lourd et eau chaude sanitaire électrique) : \(2500 \, \text{kWh/an/foyer}\)
  • Facteur d'émission de CO2 du mix électrique moyen français évité : \(0.06 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Schéma : Ferme Solaire Photovoltaïque et Connexion au Réseau
Ferme Solaire Photovoltaïque {/* Sol */} {/* Panneaux PV (plusieurs rangées) */} Champ de panneaux PV {/* Soleil */} Rayonnement Solaire {/* Poste de transformation / Onduleurs centraux */} Poste de Transformation {/* Lignes de collecte (symbolique) */} {/* Vers réseau */} Réseau Électrique

Schéma simplifié d'une ferme solaire photovoltaïque avec ses principaux composants et son raccordement au réseau.

Questions à traiter

  1. Calculer le nombre d'heures d'ensoleillement équivalent à pleine puissance (\(H_{\text{eq,STC}}\)) sur une base annuelle, en utilisant l'irradiation sur le plan des modules et l'irradiance de référence STC.
  2. Calculer la production énergétique annuelle brute théorique (\(E_{\text{brute,th}}\)) du système PV (avant application du PR), en utilisant la puissance crête et les heures équivalentes STC.
  3. Calculer la production énergétique annuelle nette de la ferme solaire (\(E_{\text{nette,ferme}}\)) en kWh/an et en GWh/an, en appliquant le Performance Ratio.
  4. Estimer le nombre de foyers (\(N_{\text{foyers}}\)) dont la consommation électrique annuelle pourrait être couverte par cette production.
  5. Calculer la quantité d'émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette ferme solaire.

Correction : Analyse d’une Ferme Solaire

Question 1 : Heures d'Ensoleillement Équivalent à Pleine Puissance (\(H_{\text{eq,STC}}\))

Principe :

Les heures d'ensoleillement équivalent à pleine puissance (ou heures équivalentes STC) représentent le nombre d'heures pendant lesquelles le soleil devrait briller à une irradiance constante de \(1 \, \text{kW/m}^2\) (conditions STC) pour fournir la même quantité d'énergie solaire totale reçue par les panneaux sur une année. On les obtient en divisant l'irradiation solaire annuelle sur le plan des capteurs (\(G_{\text{capteur,annuel}}\)) par l'irradiance de référence STC (\(G_{\text{STC,irrad}}\)).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ H_{\text{eq,STC}} = \frac{G_{\text{capteur,annuel}}}{G_{\text{STC,irrad}}} \]
Données spécifiques :
  • Irradiation annuelle sur plan capteur (\(G_{\text{capteur,annuel}}\)) : \(1750 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Irradiance de référence STC (\(G_{\text{STC,irrad}}\)) : \(1 \, \text{kW/m}^2\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} H_{\text{eq,STC}} &= \frac{1750 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}}{1 \, \text{kW/m}^2} \\ &= 1750 \, \text{h/an} \end{aligned} \]

Cela signifie que l'énergie solaire reçue annuellement équivaut à 1750 heures d'ensoleillement à une puissance de \(1 \, \text{kW/m}^2\).

Résultat Question 1 : Le nombre d'heures d'ensoleillement équivalent à pleine puissance est de \(1750 \, \text{h/an}\).

Question 2 : Production Énergétique Annuelle Brute Théorique (\(E_{\text{brute,th}}\))

Principe :

La production énergétique annuelle brute théorique est l'énergie que la ferme solaire produirait si elle convertissait toute l'énergie solaire incidente (équivalente aux heures STC) avec une efficacité de 100% de ses panneaux (c'est-à-dire si les panneaux fonctionnaient à leur puissance crête pendant toutes ces heures équivalentes). Ce calcul ne tient pas encore compte du Performance Ratio.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{brute,th}} = P_{\text{crête,ferme}} \times H_{\text{eq,STC}} \]
Données spécifiques :
  • Puissance crête ferme (\(P_{\text{crête,ferme}}\)) : \(10 \, \text{MWc} = 10000 \, \text{kWc}\)
  • Heures équivalentes STC (\(H_{\text{eq,STC}}\)) : \(1750 \, \text{h/an}\) (résultat Q1)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{brute,th}} &= 10000 \, \text{kWc} \times 1750 \, \text{h/an} \\ &= 17500000 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La production énergétique annuelle brute théorique du système PV est de \(17\,500\,000 \, \text{kWh/an}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si l'irradiation solaire annuelle sur le plan des capteurs était plus élevée, les heures équivalentes STC seraient :

Question 3 : Production Énergétique Annuelle Nette (\(E_{\text{nette,ferme}}\))

Principe :

La production énergétique annuelle nette est l'énergie électrique réellement injectée au réseau ou consommée. Elle est obtenue en multipliant la production énergétique annuelle brute théorique (ou plus directement la puissance crête par le productible spécifique qui intègre déjà l'irradiation et le PR) par le Performance Ratio (PR) global du système. Le PR tient compte de toutes les pertes réelles du système (température, ombrage, salissure, onduleur, câbles, transformateur, etc.) par rapport à une production idéale aux conditions STC.

Alternativement, et plus directement avec les données de l'énoncé, on peut utiliser :
\(E_{\text{nette,ferme}} = P_{\text{crête,ferme}} \times P_{\text{roductible}}\) si le productible est donné en kWh/kWc/an.
Dans cet exercice, nous avons \(P_{\text{crête,ferme}}\), \(H_{\text{eq,STC}}\) et le PR. Donc, \(E_{\text{nette,ferme}} = E_{\text{brute,th}} \times \text{PR}\) ou \(E_{\text{nette,ferme}} = P_{\text{crête,ferme}} \times H_{\text{eq,STC}} \times \text{PR}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{nette,ferme}} = E_{\text{brute,th}} \times \text{PR} \] \[ \text{ou} \] \[ E_{\text{nette,ferme}} = P_{\text{crête,ferme}} \times H_{\text{eq,STC}} \times \text{PR} \]
Données spécifiques :
  • \(E_{\text{brute,th}} = 17500000 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q2)
  • Performance Ratio (PR) : \(0.82\)
  • Ou : \(P_{\text{crête,ferme}} = 10000 \, \text{kWc}\), \(H_{\text{eq,STC}} = 1750 \, \text{h/an}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{nette,ferme}} &= 17500000 \, \text{kWh/an} \times 0.82 \\ &= 14350000 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

Conversion en GWh/an :

\[ E_{\text{nette,ferme}} = 14350000 \, \text{kWh/an} \times \frac{1 \, \text{GWh}}{10^6 \, \text{kWh}} = 14.35 \, \text{GWh/an} \]
Résultat Question 3 : La production énergétique annuelle nette de la ferme solaire est de \(14\,350\,000 \, \text{kWh/an}\) (soit \(14.35 \, \text{GWh/an}\)).

Question 4 : Nombre de Foyers Alimentés (\(N_{\text{foyers}}\))

Principe :

Pour estimer le nombre de foyers dont la consommation électrique annuelle (hors usages thermiques lourds) 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 (\(E_{\text{nette,ferme}}\)) : \(14350000 \, \text{kWh/an}\)
  • Consommation moyenne par foyer (\(C_{\text{foyer}}\)) : \(2500 \, \text{kWh/an/foyer}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} N_{\text{foyers}} &= \frac{14350000 \, \text{kWh/an}}{2500 \, \text{kWh/an/foyer}} \\ &= 5740 \, \text{foyers} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La ferme solaire pourrait couvrir la consommation électrique (hors chauffage lourd et ECS électrique) d'environ 5740 foyers.

Question 5 : Émissions de CO2 Évitées Annuellement

Principe :

L'électricité produite par la ferme solaire est une source d'énergie renouvelable qui 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 de gaz à effet de serre (GES) 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 calculées en multipliant la production annuelle nette de la ferme par le 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 (\(E_{\text{nette,ferme}}\)) : \(14350000 \, \text{kWh/an}\)
  • Facteur d'émission GES du mix évité (\(f_{\text{GES,elec,évité}}\)) : \(0.08 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{CO}_{2,\text{évitées}} &= 14350000 \, \text{kWh/an} \times 0.08 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &= 1148000 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]

Soit \(1148 \, \text{tonnes de CO}_2\text{eq/an}\).

Résultat Question 5 : Les émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette ferme solaire sont d'environ \(1\,148\,000 \, \text{kgCO}_2\text{eq}\) (soit \(1148 \, \text{tonnes de CO}_2\text{eq}\)).

Quiz Intermédiaire 2 : Si le Performance Ratio (PR) de la ferme solaire était plus faible (par exemple, 75% au lieu de 82%), 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.
Conditions de Test Standard (STC)
Conditions de laboratoire définies pour tester et comparer les performances des modules photovoltaïques : irradiance de \(1000 \, \text{W/m}^2\), température de cellule de \(25^\circ \text{C}\), et spectre solaire de référence AM1.5.
Heures d'Ensoleillement Équivalent à Pleine Puissance (\(H_{\text{eq,STC}}\))
Nombre d'heures fictives pendant lesquelles le soleil devrait briller à une irradiance de \(1 \, \text{kW/m}^2\) (STC) pour fournir la même quantité d'énergie solaire totale reçue par les panneaux sur une année. C'est égal à \(G_{\text{capteur,annuel}} / (1 \, \text{kW/m}^2)\).
Analyse d’une Ferme Solaire - Exercice d'Application

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