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UTILISATION RATIONNELLE DE L’ENERGIE ET ENERGIES RENOUVELABLES, DES ALLIES INCONTESTABLES : APPLICATION A UNE PRODUCTION DECENTRALISEE D’ELECTRICITE PHOTOVOLTAIQUE
Par Gilles Notton† et Marc Nuselli
Université de Corse - Centre de Recherches "Energie et Systèmes
U.R.A. CNRS 2053, Route des Sanguinaires, F-20000 AJACCIO, France
Rational energy use and renewable energies, inconstestable allies : Applications to a decentralized electrical photovoltaic production

Abstract : The choice of electrical devices which will be connected to a renewable energy stand-alone system has an important part in energetic system sizing and profitability. "Conventional" and "highly efficient" electrical appliances have been studied from both energetic and economic points of view. Considering a household located in a remote area and supplied by a stand alone photovoltaic system, we have shown through two load profiles that it is possible to reduce on the one hand the PV system sizing by a factor of three and on the other hand the system cost by about four, only by choosing the best appliances without it changes the level of convenience.

Résumé : Le choix de l’équipement électro-domestique alimenté par un système énergétique à source renouvelable d’énergie joue un rôle prédominant sur le dimensionnement du système et sur sa rentabilité économique. Des appareils électroménagers dits « conventionnels » ou « à haut rendement énergétique » ont été étudiés aussi bien d’un point de vue énergétique qu’économique. En considérant une habitation située en zone isolée (loin du réseau électrique) et alimentée par un système photovoltaïque autonome, nous avons montré en utilisant deux profils de consommation qu’il est possible de réduire d’une part d’un facteur trois la taille du système et d’autre part d’un facteur quatre le coût de celui-ci, en intervenant uniquement sur le choix des appareils électriques sans changer le niveau de confort recherché.


INTRODUCTION

    De récentes estimations ont montré qu’actuellement près de 2,2 milliards d'individus ne sont toujours pas raccordés aux grands réseaux d'électricité (1) (ce qui représente environ 44% de la population mondiale), pour la plupart situé dans les pays du Tiers Monde. Ne serait ce qu’en Europe, plus de 900000 personnes vivent encore sans électricité, 95% d'entre eux résidant dans la partie sud du continent du fait des plus faibles revenus, de la présence de régions rudes et d’une faible densité de population (2). Les énergies renouvelables bien adaptées à une production décentralisée d'électricité peuvent contribuer à résoudre ce problème et ouvrir de vastes marchés notamment pour les entreprises du secteur photovoltaïque et éolien.
    La donnée initiale dans la mise en œuvre d'un système de production à source renouvelable d’énergie comme pour tout autre système énergétique est la demande, qui va être déterminée par rapport à la et/ou les charges à alimenter. Cette demande doit être estimée aussi précisément que possible tant d’un point de vue des puissances appelées que de sa répartition temporelle, même si son caractère souvent aléatoire rend cette tâche bien difficile.
    Les charges à alimenter pourront être de type continu et/ou alternatif, et être qualifiées :

    En fait, comme quelques études (3) l'ont montré : "Nous n'avons pas besoin d'énergie en soi, mais de services énergétiques" comme éclairage, réfrigération, chauffage... Il convient donc de répondre à cette demande de service énergétique au moindre coût et d'un point de vue d’une économie d'énergie maximale. Ainsi, depuis la crise pétrolière de 1973, la quantité d'énergie nécessaire pour produire 1 Franc du PNB en France a chuté de 20% par le simple fait d'une meilleure utilisation de l'énergie. L'efficacité des équipements électriques pourrait dans l’avenir augmenter de 30 à 75% (4).
    Pour illustrer ces propos, citons deux exemples récents :
  1. EQUIPEMENT ELECTRIQUE – CONSOMMATION ENERGETIQUE

    2.  

     

        Les produits de consommation courante (charges conventionnelles) ont malheureusement très souvent fait fi de leur consommation énergétique et de leur rendement, cependant depuis quelques années, des efforts non négligeables ont vu le jour et la consommation énergétique est même devenue, dans certains cas, un critère de choix.
        Nous allons passer en revue dans ce paragraphe différents appareillages domestiques conventionnels (utilisés dans une habitation classique reliée au réseau de distribution) ou à usage plus spécifique dans le cadre d’habitations en sites isolés (moins « énergivores » ou « énergiphobes »).

    1. ECLAIRAGE

      2.     D’importants progrès ont été réalisés dans le domaine de l’éclairage. L’arrivée sur le marché des lampes fluo-compacts et leur conséquente diminution de coûts ces dernières années permet de réduire la consommation électrique à but d’éclairage, même si celle-ci ne représente pas la part la plus importante de la consommation totale d’une habitation. Leur prix d’achat est supérieur à celui des lampes traditionnelles à incandescence mais la différence de prix est largement amortie par la durée de vie supérieure et la réduction de 80% de la facture énergétique. L'emploi d'ampoules à meilleur rendement, de réflecteurs et une implantation plus rationnelle des points d'éclairage pourrait réduire la consommation électrique de ce secteur de plus de 75% comme l’illustre la Figure 1 extraite de l’article de R.Bevington et A.Rosenfeld (7). Un aperçu des divers moyens d’éclairages et de leurs principales caractéristiques physiques est présenté dans le Tableau 1.
          Dans le cadre d’une électrification décentralisée photovoltaïque, l’utilisation de lampes fluorescentes basse tension est la solution la mieux adaptée.
    2. PRODUCTION DE FROID – CONSERVATION DES DENREES PERISSABLES

      3.     La conservation des denrées périssables est probablement l’un des problèmes essentiels auxquels est confronté un ménage en particulier si celui-ci réside en zone rurale isolée. Nous allons analyser ici à la fois les consommations énergétiques et les coûts des machines de production de froid.
          Nous avons dressé un inventaire de quelques réfrigérateurs alimentés en courant alternatif (AC) disponibles sur le marché français et nous avons reporté sur la Figure 2, la consommation spécifique (consommation énergétique ramenée à l’unité de volume) de ces appareils de production de froid en fonction de leur volume net, le niveau de réfrigération (ou qualité de froid) est caractérisé par le nombre d’étoiles. On constate immédiatement que pour deux réfrigérateurs similaires (même niveau de froid et même volume), la consommation électrique peut varier dans une proportion de 1 à 3.
          Comme les systèmes photovoltaïques de production décentralisée d’électricité fournissent un courant continu (DC), un inventaire identique au précédent (Figure 3) a été effectué sur les réfrigérateurs à alimentation continue beaucoup moins disponibles sur le marché ; à ces données ont été ajoutées celles relatives à une précédente étude réalisée par W.B.Gillett et al (9). Ces réfrigérateurs fonctionnent en général en 12 ou 24 VDC et certains modèles peuvent être également alimentés en 110 ou 240 VDC ou ils utilisent du gaz liquide propane (exemple: réfrigérateurs camping gaz). Ces réfrigérateurs fonctionnent selon un cycle à absorption ou un cycle à compression. De manière général, un réfrigérateur à cycle à absorption a une puissance de 70 à 100 W alors qu’un cycle à compression nécessite une puissance de 25 à 50 W. Cependant, ces derniers demandent au démarrage un courant d’environ 3 fois le courant nominal de fonctionnement. Les réfrigérateurs dits « solaires » sont des réfrigérateurs spécialement conçus pour une alimentation photovoltaïque, ils bénéficient d’une plus haute isolation thermique et d’une meilleure efficacité énergétique ; par contre, les autres réfrigérateurs ou congélateurs disponibles sont généralement des modèles conventionnels produits en masse et qui ont été convertis pour fonctionner en courant continu (camping, plaisance, réfrigérateur pour automobiles) sans aucune autre modification. Au regard de la Figure 3, on constate que les consommations spécifiques sont très changeantes car elles peuvent varier de plus d’un facteur 10 pour une gamme de réfrigérateur-congélateurs de volume inférieur à 50 litres. Pour des appareils de volume plus important, la consommation spécifique varie dans un rapport de 1 à 3 environ comme nous l’avions déjà constaté pour les réfrigérateurs à alimentation alternative.
          Malheureusement, les réfrigérateurs DC ont un coût d’achat bien supérieur à celui d’un réfrigérateur conventionnel AC car ils ne bénéficient pas d’une production de masse suffisante. Ainsi, un réfrigérateur à alimentation continue peut être deux à cinq fois plus onéreux qu’un réfrigérateur conventionnel de même volume et offrant la même qualité de froid comme nous le montre la Figure 4. Performances énergétiques élevées et faible coût ne vont pas de paire. Il reste encore des progrès à faire pour bénéficier d’un appareil de très bon rapport qualité/prix.
          Une enquête danoise (5) a montré qu’un réfrigérateur standard qui utilisait 350 kWh électrique par an en 1988 pouvait aujourd’hui n’en consommer que 90 kWh dans sa version la plus optimisée et sa consommation annuelle pourrait même dans le futur atteindre à peine 50 kWh. La même tendance a été constatée par Fickett et al (4) : si la consommation spécifique journalière moyenne d’un réfrigérateur de 250 litres était de 6,5 Wh/litre en 1960, elle n’était plus que de 3,8 Wh/jour/litre en 1990 ce qui correspond à une diminution de 40% de la consommation énergétique. Nous pouvons donc encore espérer une réduction substantielle de la consommation des réfrigérateurs dans les années à venir.
          Plus une habitation sera isolée, plus ses besoins en conservation de produits alimentaires seront accrus, aussi nous a-t-il paru nécessaire d’étendre l’étude précédente aux congélateurs. La consommation électrique d’un congélateur peut être jusqu’à trois fois plus grande que celle d’un réfrigérateur.
          Nous avons distingué dans cette étude les congélateurs horizontaux à ouverture sur le dessus et les congélateurs verticaux à ouverture frontale. Si les premiers sont moins « énergivores » du fait de pertes thermiques moindres à l’ouverture de la porte par rapport à une ouverture frontale, les seconds facilitent le choix d’un aliment à l’intérieur du congélateur. En général, pour des applications où la fréquence d’ouverture est faible, comme par exemple pour la conservation de vaccins dans un dispensaire, les congélateurs horizontaux sont fortement conseillés. On note évidemment sur la Figure 5 que la consommation électrique est moindre pour un congélateur horizontal que vertical ; de plus, les congélateurs à haute isolation thermique (malheureusement environ 30% plus cher que son jumeau non isolé) consomment de 30 à 50% moins que la même version non isolée.
          Nous avons calculé puis tracé les courbes de tendance relatives au coût par litre des congélateurs AC en fonction de leur capacité sur la Figure 6. Nous constatons comme cela a déjà été le cas pour les réfrigérateurs que le coût d’un congélateur alimenté en courant continu est trois fois supérieur à celui d’un congélateur conventionnel AC du fait de la faiblesse du marché pour ce type de congélateur.
          Dans l’avenir, nous pouvons nous attendre à quelques améliorations si la chute des consommations se poursuit ; en effet, en 1982 un congélateur de 330 litres avait une consommation journalière spécifique de 6,6 Wh par litre contre environ 4 Wh par litre en 1990 (5) ; ces résultats sont confirmés également par une enquête danoise (5) : un congélateur qui consommait annuellement 500 kWh en 1988 n’en consomme aujourd’hui plus que 180 kWh dans sa version la plus optimisée énergétiquement et l’on pourrait atteindre 100 kWh bientôt.
    3. AUTRES APPAREILS UTILES

      4.     Eclairage et production de froid représentent sans aucun doute les deux besoins essentiels d’une habitation ; l’information et les loisirs sont de nos jours indissociables d’une vie en société. Même dans les régions les plus éloignées du globe, une télévision (ou au moins une radio) fait souvent partie des appareils traditionnels d’une habitation.
          Les téléviseurs à écran noir et blanc de 25 ou 30 cm sont largement disponibles pour l’alimentation en 12 V DC ou 24 V DC. Les téléviseurs couleurs quant à eux ont besoin le plus souvent d’un adaptateur pour pouvoir être alimentés en courant continu. Les petits téléviseurs noirs et blancs ont une puissance nominale de 12 à 20 W contre 35-50 W pour de petits téléviseurs couleurs. Bien entendu ces puissances de fonctionnement peuvent être bien plus importantes pour des tailles d’écran plus élevées. Une prospection des téléviseurs couleurs en vente en France montre que la puissance électrique peut varier de 39 à 60 W pour un écran de 36 cm et de 57 à 70 W pour un écran de 55 cm de diagonale. L’utilisation de téléviseur à télécommande se traduit souvent par un maintien de l‘appareil en veille pendant de longues heures ; or cette mise en veille a des conséquences énergétiques non négligeables : en effet, si une petite télévision de 25 cm consomme de 25 à 46 W en période de marche, sa consommation en « stand-by » est comprise entre 0,1 et 1,5 W ce qui peut au niveau de la consommation énergétique journalière donnait lieu à une augmentation de près de 50% dans certains cas (10). Il convient de noter également que les consommations des téléviseurs dépendent également du degré de luminosité et de contraste de l’écran, aussi le choix du lieu d’installation est important pour réduire au maximum le besoin de contraste (éviter un positionnement du téléviseur face à une vitre par exemple). La venue des écrans à cristaux liquides devrait induire une diminution des puissances électriques utilisées (inférieures à 10 W).
          Il existe d’autres appareils électroménagers qui peuvent être alimentés dans le cadre d’une installation photovoltaïque, mais qui ne sont plus à proprement parlé des appareils « indispensables ». La plupart de ces appareils sont disponibles chez les distributeurs d’équipements pour caravaning ou la plaisance : lave-linge, ventilation, radio, …
          La consommation d’un lave-linge varie énormément selon le cycle de lavage choisi (en particulier selon la température de lavage) comme le montre le Tableau 2 (5). On constate sans aucune difficulté que la majeure partie de l’énergie (90 à 95%) provient du chauffage de l’eau; il est à noter que l’énergie nécessaire à ce chauffage pourrait être directement amenée sous forme d’énergie thermique par un capteur solaire plan par exemple. Dans ces conditions, l’énergie électrique nécessaire à une lessive représenterait entre 40 et 100 Wh, consommation tout à fait envisageable pour être suppléée par un système photovoltaïque. L’utilisation d’un lave-linge se traduit par une consommation énergétique annuelle de 400 kWh en moyenne mais elle peut être réduite à 240 kWh par l’utilisation de machines performantes (5). De même, si la moyenne allemande de la consommation énergétique d’un lave linge est de 380 kWh/an, elle n’est que de 110 kWh dans la maison autonome de Freiburg (6) dont nous avons parlé en introduction de ce papier.
          On peut également envisager le raccordement d’un ventilateur dont les puissances mises en jeu ne sont pas considérables et qui a l’avantage de fonctionner en période chaude, c’est-à-dire en général en période de fort ensoleillement.
          De même que la télévision, on peut adjoindre un poste de radio (même radiocassette) dont la puissance électrique de fonctionnement est en général très faible.
    4. CONCLUSION
            Cette brève revue des quelques appareils électroménagers d’usage courant montre qu’un intérêt tout particulier doit être porté sur la consommation électrique de l’équipement électro-domestique et que d’autre part leur utilisation doit être optimisée (choix judicieux de la température de l’eau pour un lave-linge, positionnement optimal du téléviseur pour réduire le niveau de contraste, minimisation de la fréquence d’ouverture des machines de production de froid, etc.). Ces quelques considérations permettent de réduire parfois d’un facteur quatre la charge à alimenter par le système énergétique choisi.
        Après cet examen général des charges courantes d’une habitation moyenne, il convient de nous intéresser maintenant au système qui alimentera ces charges, puis d’étudier comment le choix de ces charges interfère ou intervient sur le dimensionnement du système et sur la gestion de l’énergie produite.
  2. CHOIX DU SYSTEME D’ALIMENTATION ELECTRIQUE
    Le choix d’une alimentation continue ou alternative relève de plusieurs considérations : Ainsi différents modes d’alimentation peuvent être envisagés :
    1. SYSTEMES INDIVIDUELS OU SYSTEME CENTRALISE ?

      2.  

       

          Dans le cas d’une alimentation individuelle, le propriétaire de la maison a la possibilité de gérer sa propre consommation énergétique selon l’énergie disponible dans son propre système PV. Il est également plus engagé avec son installation et en prendra soin de manière plus attentive. Ce type de système alimente le plus souvent du matériel basse consommation induisant par là même un coût réduit de l'installation. Néanmoins, le caractère modulaire de ces systèmes, qui est un des tous premiers avantages de ces systèmes, permettra si besoin il y a, d'augmenter facilement la capacité de production.
          Quant au système centralisé, il fonctionnera certainement avec une plus grande efficacité car il permet une meilleure utilisation de l’énergie disponible. De la même manière que lors d’un raccordement au réseau, une certaine égalisation aura lieu du fait des différentes habitudes et besoins des consommateurs. Mais il demande aussi une plus importante discipline et solidarité entre les utilisateurs. Chaque utilisateur devra se soumettre à des règles de consommation (le non respect des règles par l’un des utilisateurs pourra entraîner une pénurie pour toute la communauté) puisque l’apport énergétique n’est pas illimité, et la non observation de ces limites pourra être la cause de tensions sociales dans la communauté.
          En ce qui concerne le coût de tels systèmes, il est difficile de conclure : si d’un coté, l’effet d’échelle joue en faveur d’un système unique centralisé, d’un autre coté, un système individuel contraindra son possesseur à n’utiliser que de l’électroménager performant, donc réduisant ainsi sa consommation et par la même la taille de son système PV et son coût.
          Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de prendre en compte d’autres aspects que l’aspect purement énergétique en considérant les problèmes sociaux en particulier. Cependant, il semble que pour de petites communautés et des besoins modestes, les systèmes individuels soient plus attractifs.

    2. ALIMENTATION CONTINUE OU ALTERNATIVE ?
    Doit-on installer dans le cas d’une alimentation individuelle (dans le cas d’une installation centralisée le problème ne se pose pas pour les raisons exposées précédemment) un système DC, AC ou mixte ?
    Si seuls des lampes, une radio, une télévision et quelques autres appareils électroménagers DC sont utilisés, un système photovoltaïque DC est sans aucun doute la solution la plus intéressante. Ce système est simple, fiable, relativement bon marché et fonctionne avec un bon rendement puisque les pertes du convertisseur DC/AC sont évitées. Cependant, l’utilisateur peut avoir besoin d’autres équipements tels que machine à café, machine à laver, outils électriques, ... ces équipements sont difficilement disponibles en alimentation DC et consomment en général beaucoup d’énergie.
    L’utilisation de convertisseurs DC/AC a trois inconvénients majeurs : d’une part, le coût élevé de l’onduleur (dépendant de la qualité du signal de sortie) (18), d’autre part, la diminution du rendement global de l’installation (du fait de la variation du rendement de l’onduleur en fonction de la puissance appelée et de sa consommation à vide) et enfin du risque important de défaillances (le plus important sur un système PV à cause de la fragilité intrinsèque des onduleurs).
    Certains onduleurs (le plus souvent de taille moyenne ou grande) fonctionnent sans discontinuité même si aucune charge n’appelle d’électricité ; ils ont donc une consommation à vide non négligeable. Pour les plus petits onduleurs, cette autoconsommation n’est présente qu’en période de fourniture d’électricité.
    Si le rendement d’un onduleur peut atteindre 95% à pleine charge, son rendement diminue fortement dès que la puissance à alimenter devient inférieure à la puissance nominale de l’onduleur (choisie pour pouvoir satisfaire toutes les charges c’est-à-dire égale à la somme des puissances des charges raccordées) et peut atteindre 20% si la charge raccordée représente 10% de la puissance maximum du convertisseur. Dans le cas d’un onduleur unique pour toute l’alimentation, il fonctionnera souvent avec un rendement faible même très faible. Une solution consiste donc à disposer d’autant d’onduleurs qu’il y a de charges AC et de les choisir chacun de la puissance nominale de l’appareil qu’il doit alimenter, cela a pour avantage de faire fonctionner chaque convertisseur à un rendement plus élevé, d’augmenter la fiabilité du système global mais pour inconvénient d’augmenter de manière importante le coût de l’installation.
    La meilleure solution de l’avis de bon nombre d’auteurs (5,9,11-12), le système mixte, consiste à diviser le système photovoltaïque en deux sous systèmes, un sous système produisant une alimentation DC pour l’éclairage, la radio et la télévision par exemple et un sous système AC pour les autres équipements nécessitant une alimentation alternative; dans un tel système, l’onduleur sera mis en marche uniquement lorsque qu’une charge AC le nécessitera. L’installation sera un peu plus compliquée mais les avantages sont évidents. Les résultats d’une enquête menée sur 40 maisons photovoltaïques en France confirment ces conclusions (13) :     Ainsi, le système mixte couplé à plusieurs convertisseurs DC/AC allie les avantages de chaque système. Cette solution peut encore être améliorée par l’ajout d’une source d’énergie secondaire, le plus souvent un groupe électrogène, qui pourra d’une part augmenter la fiabilité du système, alimenter des charges plus energivores et diminuer de manière importante le coût de l’électricité produite par une diminution importante de la taille du générateur solaire.
  1. ETUDE DE CAS : ALIMENTATION D’UNE HABITATION ISOLEE SELON DEUX SCENARIOS : «ECONOME » ET « STANDARD »

    2.  

     

        Nous allons envisager ici d’alimenter une maison isolée ou de manière plus exacte d’apporter un certain service énergétique à un foyer et ce de deux façons : d’une part en utilisant des appareils à haut rendement énergétique et d’autre part en utilisant des appareils « standards ». Car en fait, ce n’est pas d’énergie en soi que réclame une population mais un service énergétique, à nous de le lui apporter au moindre coût et avec une efficacité énergétique optimale.

    1. ELABORATION DES PROFILS DE CONSOMMATIONS TYPES

      2.     Une étude italienne (14) a montré que l’équipement d’une maison habituelle en zone rurale comprenait : un réfrigérateur (pour 90% des ménages, 30% avec congélateur intégré), un congélateur séparé (7%), un téléviseur (87%), un lave-linge (60%), un lave-vaisselle (1,8%), un chauffe-eau électrique (60%) et enfin une cuisinière (gaz + électricité) (26%).
          Dans notre étude, nous avons considéré une habitation non raccordée au réseau de distribution d’électricité et bien évidemment, nous n’avons pas envisagé l’alimentation d’une cuisinière électrique ou d’un lave vaisselle ; en ce qui concerne le lave-linge, le choix est plus délicat, ou bien l’on considère que la lessive est faite à la main ou bien on peut envisager une machine à laver dont l’eau est chauffée par un capteur solaire plan ou qui est alimentée par un groupe électrogène. Nous avons choisi de ne pas prendre en compte la machine à laver dans notre consommation électrique.
          Le choix de la taille d’un réfrigérateur ou d’un congélateur dépend étroitement de l’utilisation familiale. Le foyer considéré se compose de quatre personnes suffisamment isolées pour ne faire les achats de nourriture qu’une fois par semaine ; ainsi, en réduisant les besoins tout en restant réaliste, et à partir du Tableau 3 (15), nous avons choisi d’utiliser un réfrigérateur et un congélateur de 300 litres de volume chacun. Les consommations énergétiques des systèmes de production de froid ont été données précédemment pour une température extérieure de 25°C. Ces consommations ont été corrigées afin de tenir compte de la variation de température en fonction des saisons, ainsi, ont-elles été considérées comme valables pour le printemps et l’automne mais respectivement augmentées et réduites de 15% pour l’été et l’hiver (15) (voir Tableau 4). Il est impossible de déterminer le profil de consommation de ces machines car leur mise en marche et leur arrêt sont commandés par une régulation basée sur des seuils de température. Dans l’établissement des profils de consommation, il est souvent modélisé comme étant constant sur la journée ou comme fonctionnant une heure toutes les trois heures ; nous avons opté pour le premier modèle.
          Pour ce qui est de l’éclairage, nous avons montré que dans le cas d’une électrification autonome, les lampes fluorescentes étaient plus adaptées que les traditionnelles lampes à incandescence. Nous avons donc envisagé l’utilisation des premières lampes dans le profil dit « économe » et des secondes dans le profil dit « standard ». Nous avons ainsi calculé une consommation annuelle respectivement de 99 et 528 kWh pour chacun des deux profils.
          A cet indispensable équipement a été ajouté un petit téléviseur de 36 cm d’une puissance de 50 W fonctionnant en moyenne 4 heures en été et 5 heures durant les autres saisons.
          Ces diverses considérations ont donc amené à construire deux profils saisonniers de consommation conduisant tous deux au même niveau de confort c’est-à-dire offrant le même service : le profil « économe » utilisant du matériel adapté à haut rendement énergétique et le profil « standard » utilisant un équipement dont la consommation énergétique se situe dans la moyenne de celles des appareils conventionnels disponibles sur le marché. Les consommations annuelles pour chacun des deux profils sont respectivement 623 kWh pour le profil économe et 1517 kWh pour le profil standard (Figures 7 et 8).
    2. DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME ENERGETIQUE
    Le comportement du système photovoltaïque est simulé numériquement sur la base des équations de conservation de l’énergie et de continuité du stockage par batteries à partir des données d’ensoleillement disponibles et des deux profils de consommation précédemment définis (16). Nous pouvons ainsi dimensionner notre système photovoltaïque afin que celui-ci réponde à tout instant à la charge qui lui est raccordée conduisant ainsi à une autonomie totale ou autrement dit à une probabilité de pertes de charge nulle. Cependant, il est intrinsèquement impossible (17) de valider un modèle analytique pour des valeurs de probabilité de pertes de charges inférieures à 0,01, valeur qui représente une limite tout à fait acceptable pour des applications telles que éclairage, électrification de maisons, etc. Par contre, pour des applications nécessitant une plus haute fiabilité comme par exemple l’alimentation de relais hertziens, il est nécessaire de dimensionner les systèmes pour une probabilité de pertes de charge de 0,001 et même 0,0001. En ce qui concerne cette étude, le système photovoltaïque a été dimensionné pour une autonomie totale et pour une probabilité de pertes de charge de 0,01 (soit trois jours par an de charge non satisfaite) ce qui est une limite raisonnable pour les projets d’électrification rurale. Une fois que la courbe de dimensionnement a été déterminée c’est-à-dire que l’ensemble des configurations possibles du système a été calculé, une optimisation économique est effectuée afin de choisir parmi cet ensemble, la configuration qui conduira au plus bas coût du kWh produit (18). Les courbes de dimensionnement et la configuration optimale sont représentées sur la Figure 9.
    Au niveau de la configuration optimale, on constate que le passage d’une probabilité de perte de charge de 0% à 1% se traduit par une diminution de la surface de 8 à 30% et d’une diminution significative de la taille des batteries de 50 à 60%. Bien évidemment cela se répercute au niveau du coût du kWh produit par le système puisqu’il est réduit de 30 à 40%.
    Or, l’objectif de cette étude est de montrer l’influence du choix de l’équipement électrique (c’est-à-dire du profil énergétique) sur les caractéristiques du système de production d’électricité. On observe une diminution de plus d’un facteur trois des caractéristiques du système PV par le simple fait d’un choix judicieux du matériel électrique permettant de passer du profil standard au profil économe. Cela se traduit également par une réduction de 1/3 du coût du kWh, ce qui peut paraître à fortiori peu significatif ; mais, le problème ne se pose pas tout à fait en ces termes car le coût du kWh n’est pas le paramètre à prendre en compte. En effet, le système photovoltaïque produira au cours de sa vie (estimée à 20 ans) 12343 kWh à 12 F dans le cadre du profil économe contre 30040 kWh à 18 F pour le profil standard ; ainsi, en terme de coût sur la durée de vie, cela correspond à 312 kF pour le profil standard contre 86 kF pour le profil économe soit une réduction de 72%. On peut ainsi comparer des coûts pour un même service rendu et constater qu’un choix optimal de l’équipement peut induire une réduction de près d’un facteur 4 du coût du système de production sans diminuer pour autant le degré de confort.
    Comme il a été dit dans la première partie de ce papier, le coût d’un équipement adapté est beaucoup plus élevé que celui d’un équipement standard. Ainsi, il nous a paru intéressant d’ajouter au coût total du système photovoltaïque celui de l’équipement qui lui est raccordé à la fois sur l’investissement initial et sur la durée de vie du système en prenant en compte les changements des appareils électriques qui bien souvent ont une durée de vie inférieure à 20 ans (Figure 10). On note que même en prenant en compte l’achat du matériel électro-domestique qui est toujours à la charge de l’utilisateur alors que l’achat du système bénéficie parfois d’aides importantes, la conclusion reste la même puisque les différences ne sont réduites que de quelques faibles pour-cent.
    Ces résultats démontrent l'importance du choix de l'équipement. L'électricité photovoltaïque (et plus généralement la production décentralisée d’électricité) et l'utilisation rationnelle de l'énergie sont donc des alliés indéniables. Malheureusement, d'autres facteurs interviennent et font que le choix ne se porte pas toujours sur la solution la plus intéressante. L'un d'entre eux est le fait que la majeure partie des installations sont financées par divers organismes (ADEME, Syndicats intercommunaux d'électrification, EDF,...) et de ce fait conduit indirectement l'utilisateur à ne voir que la partie qu'il financera, c'est à dire l'équipement domestique au dépend de celui du système de production.

CONCLUSION
    Un système photovoltaïque DC individuel semble être la meilleure solution pour l’électrification rurale même si l’équipement électro-domestique performant en courant continu est encore rare et plus onéreux qu’un équipement traditionnel. En utilisant deux scénarios, économe et standard, nous avons montré que pour un même niveau de confort ou un même service énergétique rendu, le coût d’un tel système photovoltaïque sur sa durée de vie peut être réduit d’un facteur de 3 à 4.
    Le rôle du photovoltaïque dans les régions en voie de développement n'est pas seulement d'apporter "une puissance énergétique", mais un outil de développement social et économique des zones rurales. Le nombre de kilowattheures produits peut paraître insignifiant devant la capacité de production énergétique du pays, mais ces quelques dizaines ou centaines de kilowattheures peuvent ranimer tout l'espoir d'un village ou d'une communauté. Les services qu'ils peuvent apporter (eau potable, conservation des vaccins, communications,...) ont un impact important sur le développement et la qualité de la vie. Ainsi, le paramètre d’optimisation ne doit pas être le coût de production, mais plutôt celui du service rendu.

BIBLIOGRAPHIE
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