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La stratégie nationnale du développement de l’électrification ruralle
Même si le pays vit une périodee de croissance depuis une dizaine d’années (entre 3 et 9% suivant les années), elle n’a pas permis de combler le retard accumulé, notamment au niveaau de ses infrastructures (eau et électricité), qui restent trrès limitées, surtout en zone rurale.
Pour combler ce retard, l’Etat malgache a engagé depuis quelques années unne profonde réforme: la libéralisation du secteur électrique.
Une nouvelle loi permet et séccurise l’investissement de nouveaux opérateurs de service électrique, publics ou privés, locaux ou étrangers :
elle instaure un régime d’octroi d’Autorisations et de Concessions par voie d’appels d’offres ou de candidatures spontanées ;
elle reconnaît le statut de propriétaire des installations aux Permissionnaaires ou Concessionnaires ; elle institue un organe de réglementation du secteur dénommé « Office de Régulation de l’Electricité », l’ORE qui assure la régulation, le contrôle et le suivi des activités relatives au secteur (normes, qualité, tarifs…).
ENSOLEILLEMENT ET ETAT DE L’ART SUR LE SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUES
Ensoleillement
Le rayonnement solaire
Une énergie renouvelable, inépuisable à l’échelle humaine
Le soleil est un réacteur à fusion nucléaire qui fonctionne depuis 5 milliards d’années.
Par un processus de transformation d’hydrogène en hélium, il émet ainsi d’énormes quantités d’énergie dans l’espace (sa puissance est estimée à 63 500 kW/m²). Ces radiations s’échappent dans toutes les directions et voyagent à travers l’espace à la vitesse constante de 300 000 km à la seconde, dénommée vitesse de la lumière.
Après avoir parcouru une distance d’environ 150 millions de kilomètres, l’irradiation solaire arrive à l’extérieur de l’atmosphère de la Terre avec une puissance d’environ 1 367 W/m². C’est ce qu’on appelle la constante solaire noté par GSC.
L’énergie solaire
Les théories actuelles présentent le rayonnement solaire comme une émission de particules. Ce flux de particules, appelées photons, atteint la terre avec différentes longueurs d’ondes à laquelle correspond une énergie spécifique décrite par la relation : E = h = h . C 1 λ
Le spectre solaire
La répartition énergétique des différentes longueurs d’ondes du rayonnement électromagnétique du soleil est appelé spectre solaire.
Avec sa température d’émission de 5 500°C, le soleil rayonne la plus grande partie de son énergie dans les hautes fréquences (courtes longueurs d’onde).
La lumière visible représente 46 % de l’énergie totale émise par le soleil.
49 % du rayonnement énergétique émis par le soleil se situe au-delà du rouge visible, dans l’infrarouge. C’est ce rayonnement que nous ressentons comme une onde de chaleur.
Le reste du rayonnement solaire, l’ultraviolet, représente l’ensemble des radiations de longueur d’onde inférieure à celle de l’extrémité violette du spectre visible.
L’irradiation solaire incidente
En réalité, le rayonnement total reçu sur une surface, appelé irradiation solaire incidente (ou encore éclairement énergétique global), est défini par la somme de trois composantes :
L’irradiation directe, provenant directement du soleil. Cette composante s’annule si le soleil est caché par des nuages ou par un obstacle.
L’irradiation diffuse, correspondant au rayonnement reçu de la voûte céleste, hors
rayonnement direct. Cette énergie diffusée par l’atmosphère et dirigée vers la surface de la terre, peut atteindre 50 % du rayonnement global reçu, lorsque le Soleil est bas sur l’horizon, et 100 % pour un ciel entièrement couvert.
L’irradiation réfléchie, correspondant au rayonnement réfléchi par l’environnement extérieur, en particulier le sol, dont le coefficient de réflexion est appelé « albedo ».
Les obstacles à l’ensoleillement
Des masques solaires peuvent être occasionnés par le relief, la végétation existante, les bâtiments voisins, ou encore par des dispositifs architecturaux liés au bâtiment lui-même.ces masque solaire peuvent être classifiés dans les deux catégories suivantes :
Le masque lointain correspond à la disparition du soleil derrière la ligne d’horizon. On peut supposer qu’à un instant donné, il affecte tout le champ de capteurs à la fois (fonctionnement en « tout ou rien»).
Le masque proche : les obstacles proches portent des ombrages sur une partie seulement du champ. Leur traitement nécessite de reconstruire la géométrie exacte du système et de son environnement en 3 dimensions, le traçage du diagramme solaire.
La déclinaison
La terre fait un tour sur elle-même en 24h et effectue une révolution complète autour du soleil en 365 jours. Vu de la terre (prise comme référentiel fixe), le mouvement apparent du soleil est un mouvement de rotation.
A ce mouvement, s’ajoute celui de la déclinaison cyclique du soleil. La déclinaison est définie comme l’angle entre l’axe soleil-terre et le plan de l’équateur. Cet angle est noté par δ.Sa valeur est donnée par l’équation de Cooper : δ=23,45 sin 2π 284 + n 2 365
D’après cette formule, la valeur de la déclinaison varie entre -23,45° le 21 décembre et +23,45° le 21 juin
L’angle horaire du soleil et l’angle horaire du soleil à son coucher
L’angle horaire du soleil est le déplacement angulaire du soleil autour de l’axe polaire, dans sa course d’Est en Ouest, par rapport au méridien local. La valeur de l’angle horaire est nulle à midi solaire, négative le matin, positive en après-midi et augmente de 15° par heure (un tour de 360° en 24 heures).
L’angle horaire du soleil à son coucher ωS est l’angle horaire du soleil à l’heure de son coucher.
Il est donné par l’équation suivante : cos ωS = – tan L.tanδ ωS = cos-1 – tan L.tanδ 3
Les cellules photovoltaïques
Historique et définition
Le principe de l’effet photoélectrique a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel et son fils Edmond. Becquerel qui a noté qu’une chaîne d’éléments conducteurs d’électricité donnait naissance à un courant électrique spontané quand elle était éclairée.
Plus tard, le sélénium puis le silicium se sont montrés aptes à la production des premières cellules photovoltaïques pour une production électrique.
La recherche porte également aujourd’hui sur des polymères et matériaux organiques susceptibles de remplacer le silicium.
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. La tension obtenue est fonction de la lumière incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue.
Le principe de fonctionnement
L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule.
Les différentes technologies de fabrication
Le succès de la photovoltaïque dépend de sa rentabilité. C‘est pourquoi les entreprises opérant dans ce domaine se concentrent principalement sur la production de modules photovoltaïques les plus rentables.
Il existe plusieurs technologies de fabrication de cellules photovoltaïques :
Les cellules en silicium cristallin
Ce type de cellules est constitué de fines plaques de silicium, un élément chimique très abondant et qui s’extrait notamment du sable ou du quartz. Le silicium est obtenu à partir d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux: on parle alors de cellules monocristallines ou multicristallines. Les cellules en silicium cristallin sont d’un bon rendement (de 14 à 15% pour le multicristallin et de près de 16 à 19% pour le monocristallin). Elles représentent plus de 90% du marché actuel.
Les cellules en couches minces
Les cellules en couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs couches semi-conductrices sur un support de verre, de plastique, d’acier. Cette technologie permet de diminuer de coût de fabrication mais son rendement est inférieur à celui des cellules au silicium cristallin (il est de l’ordre de 5 à 13%)
Les cellules en couches minces les plus répandues sont en silicium amorphe, composées de silicium projeté sur un matériel souple.
Les cellules photovoltaïques tandems
Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu’elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.
On a une sensibilité élevée sur une large plage de longueur d’onde mais de coût élevé dû à la superposition de deux cellules.
Les autres types de cellules – Les cellules à concentration
Elles sont placées au sein d’un foyer optique qui concentre la lumière. Leur rendement est élevé, de l’ordre de 20 à 30% mais elles doivent absolument être placées sur un support mobile afin d’être constamment positionnées face au soleil.
Les cellules organiques
Ils sont composées de semi-conducteurs organiques déposés sur un substrat plastique ou de verre, ces cellules encore au stade expérimental offrent un rendement moyennement élevé, de l’ordre de 5 à 10%) mais présentent des perspectives intéressantes de réduction des coûts.
Les cellules multicouches
Ces cellules photovoltaïques sont multicouches c’est à dire un empilement de plusieurs cellules photovoltaïques convertissant différentes parties du spectre solaire (la cellule du haut convertit les photons les plus énergétiques, celle du milieu convertit les photons moyennement énergétiques, tandis que la cellule du bas convertit les grandes longueurs d’ondes, correspondant aux photons les moins énergétiques). Cette technologie permet d’optimiser l’absorption du flux solaire par la cellule, et ainsi d’accroître son rendement de conversion de manière significative. De plus ces cellules sont à concentration, c’est-à-dire que le flux d’énergie dégagée par la lumière du soleil est concentré grâce à un effet loupe ce qui améliore considérablement les capacités de la cellule.
Description d’un système photovoltaïque
Un système photovoltaïque est un ensemble complet d’éléments de conversion de la lumière solaire en électricité utilisable par processus photovoltaïque, comprenant les quatre catégories des composants suivantes :
Les modules photovoltaïques
L’infrastructure connexe
Le câblage et les appareillages
ANALYSE COUTS-AVANTAGES
La planification, la préparation, l’évaluation et la prise de décision pour un projet sont très complexes. Les contraintes techniques, environnementales, économiques et administratives imposent de suivre une démarche rigoureuse, afin de s’assurer que les motifs d’intervention sont valables et que la solution répond aux problèmes soulevés, et ce, au meilleur coût possible.
Une des démarches la plus systématique est la comparaison préalable des coûts et des avantages appelée «analyse coûts-avantages » connu sous l’abréviation ACA.
Historique
L’histoire de l’ACA remonte au moins à Jules Dupuit au milieu du 19 ème siècle, lorsqu’il se pencha sur le problème de la construction des ponts et de leur localisation. Mais la véritable naissance de l’ACA dans sa capacité à influencer les décisions publiques remonte à 1930 avec d’importants travaux sur le contrôle des eaux et des inondations aux Etats-Unis, puis ensuite au Livre Vert dans les années 50 fixant des règles pour comparer et agréger les avantages.
L’âge d’or remonte aux années 60 avec l’analyse de projets militaires spectaculaires aux Etats-Unis, et les travaux de la Rand Corporation. A cette époque, en Europe et en France notamment, l’ACA fait partie d’un mouvement de rationalisation des choix budgétaires, et on la voit se développer pour des choix relatifs à la construction d’aéroport (Londres et Nice), au tracé d’autoroutes (l’A86 à l’ouest de Paris) ou à l’élaboration de politiques de santé (lutte contre la périnatalité).
L’ACA reste à ce jour principalement développée en Amérique du Nord, en Angleterre et dans les pays scandinaves. Aux Etats-Unis, les administrations Carter, Reagan et Clinton ont successivement favorisé à nouveau le développement de l’ACA pour les choix relatifs à l’environnement et la prévention par la promulgation de « règlements présidentiels ». Ainsi aujourd’hui la loi américaine impose que toute politique de régulation dont les impacts sont significatifs soit évaluée par une ACA.
Définition
L’analyse coûts-avantages d’un projet consiste à évaluer l’ensemble de ses coûts, compte tenu de tous ses avantages traduits en termes monétaires actualisés pour déterminer quelle action est la meilleure ou la plus rentable, afin de prendre une décision.
A la différence d’une analyse de rentabilité classique, une telle évaluation examine les répercussions économiques du projet sur la collectivité globale, et pas seulement pour celui qui réalise le projet.
Principe de base de l’analyse coûts-avantages
Il s’agit de conseiller la réalisation de toute décision pour laquelle les avantages sont supérieurs aux coûts, et ceci pour l’ensemble de la société. La comparaison des coûts face aux avantages nécessite :
Une unité de mesure commune
L’analyse coût-avantages prend l’unité monétaire pour mettre les coûts et les avantages sur une même unité de mesure.
L’utilisation des prix constants
Dans beaucoup de pays l’inflation est un problème économique important. Dans l’ACA, on peut choisir de ne pas prendre en compte l’inflation, en supposant que les coûts et les bénéfices augmenteront dans les mêmes proportions. Dans ce cas, on peut prendre des prix constants, en choisissant une année particulière (par exemple, « les prix constants de 2013 »).
La valorisation des coûts et avantages non marchands ou externes
L’analyse coûts – avantages s’efforce d’intégrer dans le calcul économique les coûts et les avantages non marchands, c’est-à-dire qui ne font pas l’objet d’un échange sur un marché. Il faut pour cela donner un équivalent monétaire à l’utilité ou la désutilité considérée, qui peut être le temps, la valeur de la vie humaine et l’impact environnemental…
L’utilisation d’un taux d’actualisation
L’analyse coût- avantages tente de mettre les coûts et bénéfices sur un même niveau. On choisit un taux d’actualisation, qui sert ensuite à estimer tous les coûts et bénéfices futurs en les rapportant à la valeur actuelle.
Intérêts de l’analyse coûts-avantages
L’analyse coût-avantage :
rend explicites et comparables les différents déterminants et enjeux de la décision, favorisant la transparence du processus décisionnel ;
offre un cadre structuré permettant de répondre à la question des « conditions économiquement acceptables » des dépenses en matière de prévention, posée par la législation ;
permet de comparer différents scénarios entre eux, et d’examiner la question de l’équilibre entre dépenses en matière de maîtrise des risques à la source et protection des enjeux.
Quelques définitions
Projet
Un projet peut être décrit comme étant une activité dans laquelle des ressources sont combinées pour atteindre un ou plusieurs objectifs.
Coûts d’un projet
Ce sont les sommes à débourser pour la réalisation du projet, les effets négatifs du projet pour les utilisateurs ou l’ensemble de la société (coûts sociaux), la valeur des biens et services auxquels on doit renoncer en réalisant le projet (coût d’opportunité).
Avantages
Ce sont les effets positifs attendus à la suite de la réalisation du projet : les biens et services fournis par le projet ou tout ce qui accroît le niveau de bien-être des agents économiques par rapport à la situation initiale ou au scénario de référence.
Taux d’actualisation
C’est un taux qui permet de tenir compte de la dépréciation de la valeur monétaire. Ce taux est souvent assimilé au taux d’intérêt.
Application de l’analyse coûts-avantages sur le projet d’une installation photovoltaïque
L’application de l’analyse coûts-avantages sur le projet d’une installation photovoltaïque se décompose en dix étapes qui sont présentées ci-dessous; les sections qui suivent décrivent en détail chacune d’elles :
Identification du projet
Définition des objectifs
Définition de l’horizon temporel du projet
Détermination et quantification des coûts du projet
Détermination et quantification des avantages du projet
Affectation des valeurs monétaires à chaque élément de la chronique des coûts et avantages
Actualisation des valeurs des coûts et des avantages
Comparaisons des scénarios et critère d’investissement
Analyse de sensibilité
Analyse des options et choix de la solution la plus vraisemblable 4.6.1 Identification du projet [9]
Le nom du projet
Le lieu d’implantation
La surface totale à exploiter
La puissance crête de l’installation
Définition des objectifs
Objectif du projet
Soutenir la demande croissante en énergie
Produire de l’énergie en mettant à disposition de sources illimitées et renouvelables
Electrification de zones rurales
Minimiser l’impact environnemental sur la production d’énergie
Objectif de l’analyse
Estimer ou évaluer le poids total des coûts attendus face au total des bénéfices du projet, afin de prendre une décision.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : CONTEXTE ENERGETIQUE MONDIAL ET NATIONAL
1.1 Les besoins énergétiques ne cessent d’augmenter
1.2 Problèmes des combustibles fossiles et des énergies nucléaires
1.2.1 Les énergies fossiles et leur impact sur le climat
1.2.2 L’énergie nucléaire
1.3 Les énergies renouvelables
1.3.1 Le gisement éolien
1.3.2 Le gisement solaire
1.4 Contexte énergétique Malgache
1.4.1 Le bilan énergétique actuel
1.4.2 Le taux d’électrification
1.4.3 La puissance installée
1.4.4 La stratégie nationale du développement de l’électrification rurale
CHAPITRE 2 : ENSOLEILLEMENT ET ETAT DE L’ART SUR LE SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUES
2.1 Ensoleillement
2.1.1 Le rayonnement solaire
2.1.2 L’irradiation solaire incidente
2.1.3 Les obstacles à l’ensoleillement
2.1.4 La déclinaison
2.1.5 L’angle horaire du soleil et l’angle horaire du soleil à son coucher
2.1.6 Le rayonnement extraterrestre
2.1.7 La moyenne mensuelle de rayonnement solaire quotidien
2.2 Les cellules photovoltaïques
2.2.1 Historique et définition
2.2.2 Le principe de fonctionnement
2.2.3 Les différentes technologies de fabrication
2.3 Description d’un système photovoltaïque
2.3.1 Les modules et les panneaux photovoltaïques
2.3.2 L’infrastructure connexe
2.3.3 Le câblage et les appareillages
CHAPITRE 3 : PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE PAR LE SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE
3.1 Evaluation des besoins énergétiques
3.1.1 Quelques définitions
3.1.2 Besoin énergétique en courant continu par jour
3.1.3 Besoin énergétique en courant continu par an
3.2 Evaluation de l’ensoleillement dans le plan du champ PV
3.2.1 Calcul de l’ensoleillement horaire global, diffus et direct
3.2.2 Calcul de l’ensoleillement horaire dans le plan du champ PV
3.2.3 Calcul de l’ensoleillement journalier dans le plan du champ PV
3.2.4 Calcul de l’ensoleillement annuel dans le plan du champ PV
3.3 Choix des systèmes, des composants et dimensionnements
3.3.1 La fixation et intégrations des panneaux photovoltaïques
3.3.2 Le dimensionnement du champ PV
3.3.3 Le dimensionnement de la capacité de stockage requise
3.3.4 Le dimensionnement du régulateur de charge
3.3.5 Le dimensionnement de l’onduleur
3.3.6 Choix du disjoncteur et détermination de la section des câbles dans la partie AC
3.4 Calcul de l’énergie produite par le champ PV
CHAPITRE 4 : ANALYSE COUTS-AVANTAGES
4.1 Historique
4.2 Définition
4.3 Principe de base de l’analyse coûts-avantages
4.4 Intérêts de l’analyse coûts-avantages
4.5 Quelques définitions
4.6 Application de l’analyse coûts-avantages sur le projet d’une installation photovoltaïque
4.6.1 Identification du projet
4.6.2 Définition des objectifs
4.6.3 Définition de l’horizon temporel de l’analyse
4.6.4 Détermination et quantification des coûts du projet
4.6.5 Détermination et quantification des avantages du projet
4.6.6 Affectation des valeurs monétaires à chaque élément de la chronique des coûts et avantages
4.6.7 Actualisation des coûts et des avantages
4.6.8 Analyse de sensibilité
4.6.9 Analyse des options et choix de la solution la plus vraisemblable
CHAPITRE 5 : APPLICATION SUR UN SITE ISOLE
5.1 Présentation du site et évaluation des besoins énergétique
5.1.1 Présentation du site
5.1.2 Evaluation des besoins énergétiques
5.2 Aspects techniques du projet
5.2.1 Cahier de charge du projet
5.2.2 Evaluation de l’ensoleillement dans le plan du champ PV
5.2.3 Présentation de la configuration choisie
5.2.4 Calcul de l’énergie produite par le champ PV
5.2.5 Schéma générale de l’installation
5.3 Analyse du projet par la méthode coût-avantage
5.3.1 Identification du projet
5.3.2 Objectif du projet
5.3.3 Horizon temporel du projet
5.3.4 Unité de mesure commune et utilisation des prix constants
5.3.5 Analyse et affectation des valeurs monétaires des coûts
5.3.6 Analyse et affectation monétaires des avantages
5.3.7 Actualisation des coûts et des avantages
5.3.8 Comparaisons des scénarios, critère d’investissement
5.3.9 Analyse de sensibilité
5.3.10 Analyse des options et choix de la solution la plus vraisemblable
CONCLUSION ET PERSPECTIVE
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