Photovoltaïque et optimisation des réseaux de distribution dans un projet d aménagement

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1 Photovoltaïque et optimisation des réseaux de distribution dans un projet d aménagement Photovoltaïque - Fribourg-en-Brisgau ErikHau Le but de cette fiche est de donner aux maîtres d ouvrage d aménagements urbains des indications et des pistes de réflexion pour intégrer au mieux dans un projet d aménagement la Production Décentralisée d Énergie (PDE) et anticiper son raccordement au réseau public de distribution d électricité. Pour illustrer la démarche et les concepts présentés dans cette fiche, il a été décidé de ne présenter que le cas des systèmes photovoltaïques (PV) qui constitue la façon la plus répandue de produire de l électricité d origine renouvelable en milieu urbain. 1. Préconisations concernant les bâtiments.... p.2 2. Préconisations concernant le réseau public de distribution d électricité.... p.4

2 1. Préconisations concernant les bâtiments Dans un projet de mise en œuvre d installations photovoltaïques en milieu urbain, la forme des bâtiments, l inclinaison de leur toiture ainsi que leur position les uns par rapport aux autres sont des éléments qui vont fortement conditionner le potentiel de production d électricité du site. Cependant, si les principales préconisations relatives aux bâtiments en matière d optimisation des apports solaires passifs détaillées dans la «fiche solaire passif» sont respectées, l installation de systèmes solaires photovoltaïques n entraîne aucune contrainte supplémentaire à l échelle des bâtiments. La démarche à suivre pour maximiser cette production d électricité renouvelable peut alors se résumer aux 2 étapes suivantes : optimisation des toitures, qui assurent dans ce cas également la fonction de support des capteurs photovoltaïques, pour capter le plus d énergie solaire possible, réduction des sources potentielles d ombrage pouvant diminuer la quantité d énergie solaire captée. Orientation et inclinaison Pour maximiser la production d énergie, les capteurs photovoltaïques doivent être orientés plein Sud, comme pour le bâti pour bénéficier des apports solaires passifs, et inclinés à 30 par rapport au plan horizontal (0 se traduit un capteur à plat, et 90 un capteur à la verticale). Le tableau 1 donne une indication de la production relative pour différentes orientations et inclinaisons des capteurs photovoltaïques par rapport aux conditions optimales correspondant à la base 100 de ce tableau (orientation Sud et à une inclinaison de 30 ). INCLINAISON ORIENTATION EST 0,93 0,90 0,78 0,55 SUD-EST 0,93 0,96 0,88 0,66 SUD 0,93 1,00 0,91 0,68 SUD-OUEST 0,93 0,96 0,88 0,66 OUEST 0,93 0,90 0,78 0,55 Position à éviter si elle n est pas imposée par une intégration architecturale. NB : Ces chiffres n incluent pas les possibles masques qui pourraient réduire la production annuelle. Par exemple, une installation photovoltaïque orientée Sud-Est et inclinée de 30 par rapport au plan horizontal produirait environ 96 % de cette même installation orientée selon les conditions optimales (valeur 0,96 du tableau 1). Dit autrement, la perte de production due à ces conditions d orientation qui s éloignent des conditions optimales ne serait dans ce cas que de 4 %. Les installations photovoltaïques sont relativement peu sensibles à des écarts d orientation et d inclinaison par rapport aux conditions optimales sous réserve que les capteurs soient globalement orientés vers le Sud (de Sud-Est à Sud-Ouest) et inclinés d un angle compris entre 0 (modules à l horizontale) et 45. Ceci permet donc d équiper d installations photovoltaïques des bâtiments présentant des configurations variées d orientation et d inclinaison de toiture et de créer des schémas de composition urbaine qui soient le plus diversifiés possible. Toutes les orientations de toiture ne peuvent cependant pas permettre l installation de capteurs photovoltaïques dans des conditions technico-économiques acceptables. Ces configurations correspondent aux zones grisées du tableau qu il est préférable d éviter si l on veut maximiser la production des installations photovoltaïques. Tableau 1 : Indication de la production relative en fonction des orientations et de l inclinaison des capteurs photovoltaïques. (Source : HESPUL) 2

3 Masques Les masques solaires représentent tout objet naturel ou construit pouvant faire obstacle au soleil et pouvant donc diminuer la performance des installations photovoltaïques. Ils peuvent être liés aux végétaux, au bâti, ou à l environnement. Plusieurs stratégies permettent de limiter l influence de ces masques. Pour limiter les masques solaires liés à la présence de végétaux, deux facteurs doivent être pris en compte : la distance entre le bâti et les végétaux ainsi que le type de végétaux. Il existe une règle simple, illustré par la figure 1, qui permet de définir la distance minimale entre le bâti et les végétaux afin d en diminuer l impact. La distance L, qui correspond à la distance entre le bâti et les végétaux, doit être supérieure à 3 fois la hauteur H des végétaux sachant que la hauteur prise en compte n est que la différence entre le point le plus haut des végétaux et la base du toit sur lequel est envisagé la pose de capteurs photovoltaïques. L>3H L H 18 Sud Illustration 1 : Règle sur la distance des végétaux. Cette règle peut bien évidemment être utilisée également pour positionner des groupes de bâtiments les uns par rapports aux autres afin d éviter tout risque d ombrage mutuel et faire en sorte qu aucun bâtiment ne vienne pénaliser la production des installations photovoltaïques d autres bâtiments. Pour limiter les masques solaires liés à l environnement, par exemple l ombrage d une zone due à la présence d une montagne à proximité, il peut être intéressant d effectuer au préalable un relevé de masque sur la zone (voir fiche aménagement et apport solaire passif). Photovoltaïque - Lyon Concluence Neu7rinos 3

4 2. Préconisations concernant le réseau public de distribution d électricité Après avoir vu à l échelle du bâtiment les préconisations qui sont nécessaires pour optimiser la production d énergie à partir de capteurs photovoltaïques, cette partie vise à définir des préconisations qui vont permettre de faciliter l intégration sur le réseau électrique des systèmes de Production Décentralisée d Énergie et d appréhender ce qui pourrait être fait en amont de la création d un réseau pour maximiser l accueil d une PDE. Ces deux aspects font intégralement partie d une démarche de planification énergétique. Cas de création d un réseau Puissance des installations de production Dans le plupart des cas, un projet d aménagement urbain va nécessiter la création d un ou plusieurs tronçons de réseau public de distribution d électricité. Aussi, lors de la création d un réseau, il est fondamental d avoir une estimation, le plus tôt possible, de la puissance des futures installations de PDE qui pourront voir le jour sur le site, pour que ce réseau puisse être dimensionné en conséquence. Il faut donc les connaître, ou être en capacité de les évaluer. Le tableau 2 permet de définir à partir de la surface de toiture disponible des futurs bâtiments, la puissance des installations exprimée en kwc grâce à des ratios de puissance par m 2 qui varient en fonction du type de mise en œuvre et de la technologie des modules photovoltaïques. Par exemple, une toiture terrasse de 1000 m 2 pourrait permettre la réalisation d une installation photovoltaïque d environ 45 kwc avec des modules standards à base de silicium cristallin installés sur des châssis (avant dernier cas du tableau facteur de 45 Wc/m 2 ). Tableau 2 : Puissance des installations de production. TYPE DE MISE EN ŒUVRE TYPE DE MODULES PHOTOVOLTAÏQUES PUISSANCE PAR m 2 DE TOITURE NOMBRE DE m 2 DE TOITURE NÉCESSAIRES PAR kwc Toiture inclinée Modules standards à base de silicium cristallin 125 Wc/m 2 8 m 2 /kwc Toiture inclinée Bac acier ou alu PV à base de silicium cristallin ou couche mince 45 à 65 Wc/m 2 15 à 22 m 2 /kwc Toiture inclinée Tuiles PV à base de silicium cristallin 80 à 125 Wc/m 2 8 à 12,5 m 2 /kwc Toiture terrasse Modules standards à base de silicium cristallin montés sur bacs plastiques 45 Wc/m 2 22 m 2 /kwc Tout type de toitures Verrière photovoltaïque Sur commande de 50 à 125 Wc/m 2 Sur commande de 20 à 50 m 2 /kwc 4

5 Caractéristiques et cheminement du réseau de distribution La puissance des installations photovoltaïques est une caractéristique très importante puisqu elle détermine la tension de livraison du réseau qui va devoir être créé. Les réseaux de distribution possèdent 2 niveaux de tension : La basse tension (BT) correspondant à la tension 230 / 400 Volts, La moyenne tension, appelée HTA, et correspondant à une tension de Volts. Quelques règles simples permettent de connaître la tension de livraison du réseau à créer en fonction de la puissance des installations : une installation photovoltaïque dont la puissance est comprise entre 0 et 120 kw sera toujours raccordée en BT, entre 120kW et 250kW elle sera raccordée en BT mais nécessitera un départ dédié relié au transformateur, enfin au-dessus de 250 kw, elle devra être raccordée au réseau HTA. Il faut donc avoir à l esprit ces notions lors de la réalisation des études qui seront réalisées par le gestionnaire du réseau de distribution, en général ERDF, pour vérifier que le dimensionnement du réseau ait bien été effectué en tenant compte de la présence future des installations photovoltaïques et éviter des modifications ultérieures de ce dernier afin d optimiser les coûts des travaux de voirie et de raccordement des installations. L objectif de cette démarche peut se résumer de façon simpliste à vérifier que «le bon réseau passe au bon endroit» comme l illustre l exemple suivant. L illustration ci-dessous représente deux bâtiments alignés le long d une voie. Un réseau HTA (en orange) chemine en pied d immeuble. Un des 2 bâtiments est équipé d un poste de distribution public contenant un transformateur HTA/BT (en jaune). Un troisième bâtiment est planifié de l autre coté de la voirie, mais lors d une seconde phase il est prévu de l équiper d une installation photovoltaïque de 300 kw. Il devra donc être raccordé au réseau HTA. Bâtiment 1 Bâtiment 2 HTA Bâtiment kw Installation PV Tranchée réalisée a posteriori sur voirie existante : coût élevé, évitable, si connaissance en amont de la présence de l installation photovoltaïque. Ilustration 3 : Tracé réalisé trop tard : nécessité de casser la voirie terminée. Pour cela, il sera nécessaire de casser la voirie, qui avait été réalisée seulement quelques années auparavant. Ces travaux entraînent un coût conséquent pour la collectivité et le producteur et une gêne dans le domaine public. Or cette situation aurait pu être facilement évitée en faisant preuve d anticipation en phase de création de ce réseau. En effet, comme le montre la troisième illustration, il aurait été plus judicieux, à la condition de connaître l existence de cette installation PV au moment des études de dimensionnement de ce réseau, de tenir compte de cette future installation et, en conséquence de faire passer la ligne HTA de l autre côté de la voirie (en rouge) pour faciliter son raccordement, en diminuer les coûts et limiter les travaux sur des ouvrages de voirie neufs. Bâtiment 1 HTA Bâtiment kw Bâtiment 1 HTA Voirie Tracé optimal Réseau Bâtiment 2 Bâtiment 2 Poste de distribution public Illustration 4 : Tracé optimal du réseau, conçu en amont Illustration 2 : Tracé existant du réseau (1) Photovoltaics in the Urban Environment, Lessons Learnt from Large-scale Projects, ISBN , Earthscan, London,

6 Cas nécessitant un «départ dédié» Une installation de puissance comprise entre 120 kw et 250 kw sera raccordée au réseau à basse-tension (BT) mais, compte tenu de la puissance en jeu, ce raccordement ne sera pas réalisé sur le réseau BT cheminant à proximité du bâtiment comme cela est le cas pour les installations de plus faible puissance. En effet, le raccordement d une installation de puissance comprise entre 120 kw et 250 kw sera réalisé grâce à un jeu de câbles reliant directement l installation PV au poste de distribution public appelé «départ dédié». Il est également possible d anticiper ces situations afin d éviter d avoir à intervenir de nouveau sur des voiries neuves pour raccorder de telles installations PV. Lors de la réalisation du réseau de distribution et des voiries, il suffit de positionner des fourreaux laissés en attente entre les installations PV et le poste de distribution public. Ces fourreaux pourront ensuite être très utiles pour créer les départs dédiés sans avoir à intervenir en voirie. Dimensionnement du transformateur Après avoir fait le nécessaire pour que le cheminement du réseau soit optimisé, il faut veiller à ce que le transformateur de distribution public qui va alimenter le site soit également dimensionné de manière optimale pour lui permettre de supporter la Production Décentralisée d Énergie (PDE). À l étranger, des expériences ont été menées pour évaluer la puissance maximale des installations photovoltaïques qui pouvaient être raccordées sur un poste de distribution public. À Fribourg, la somme des puissances des installations photovoltaïques de l opération «Solarsiedlung am Schlierberg» situées dans le quartier Vauban est de 400 kw et sont raccordées sur un transformateur de 400 kva (1)! DP HTA 130 kw 140 kw Illustration 6: Quartier de Fribourg-en-Brisgau 150 kw BT Illustration 5 : Cas d un départ dédié. Afin d éviter de futures interventions sur la voirie, il est pertinent d anticiper en créant des fourreaux (traits pointillés orange) pour les futurs départ dédiés, même si les installations photovoltaïques ne sont pas encore existantes. Les pointillés gris représentent le départ BT qui va alimenter en consommation les bâtiments. Cela signifie que la puissance injectable par des systèmes de PDE peut donc bien avoisiner la puissance nominale du transformateur du poste de distribution public mais sans jamais pouvoir la dépasser. Il est donc possible, en connaissant la somme des puissances des futures installations PV d un site, de déterminer en première approche si la puissance du transformateur sera suffisante ou pas pour évacuer cette production locale. Par exemple si la puissance des installations photovoltaïques prévue sur un site approche les 600 kw, la mise en place d un transformateur de 400 kva n est pas adaptée, car le transformateur ne sera pas dimensionné pour évacuer l ensemble de la puissance attendue aux termes de l opération. 6

7 Dimensionnement du réseau Même lorsque le réseau est bien positionné et que le transformateur du poste de distribution public est bien dimensionné, il reste un critère de dimensionnement très important qui peut empêcher de maximiser l accueil d une PDE. Il s agit de la section des conducteurs du réseau qui a une influence directe sur leur résistance, c est à dire leur capacité à s opposer ou pas au passage du courant électrique. Traditionnellement le câblage du réseau est constitué de sections variables, plutôt importantes en sortie du transformateur et plus faibles aux autres extrémités du réseau au niveau des bâtiments. L illustration 7 illustre cette configuration qui n est pas favorable à la PDE, car elle va conduire à une certaine résistance, qui sans rentrer dans une explication complexe, peut générer des effets de sur-tension liés à une utilisation du réseau non pas pour distribuer l énergie comme il a été conçu mais pour collecter de la production. TRANSFORMATEUR Illustration 7 : Câblage traditionnel d un réseau PDE Des études récentes (2) ont montré qu une façon relativement simple d augmenter la capacité d un réseau de distribution consistait à ne pas en diminuer la section, notamment pour les tronçons situés loin du poste de distribution public, mais au contraire de conserver des sections de câble constantes, comme sur l illustration 8. Cette solution permet de diminuer la résistance du réseau et d éviter ce phénomène complexe de surtension qui limite la capacité d un réseau à accueillir de la PDE. TRANSFORMATEUR Illustration 8 : Câblage préconisé PDE Cependant, ce phénomène est limité en milieu urbain, puisque les gestionnaires de réseau de distribution, notamment ERDF, conçoivent désormais le plus souvent des réseaux de forte section (240 mm 2 ) et de faible longueur (250m maximum). Cas d un réseau existant Un projet d aménagement urbain peut également comporter un certain nombre de bâtiments existants d ores et déjà alimentés par un réseau de distribution public existant. Dans ce cas très précis, il peut être très utile de réaliser un pré-diagnostic de ce réseau afin d évaluer la puissance maximale des installations photovoltaïques qui pourraient être mise en œuvre sur ces bâtiments existants dans le cadre d une approche de planification énergétique. Ceci va particulièrement être utile en phase d avant projet de l opération et en particulier lorsque les exploitants des installations photovoltaïques ne sont pas connus. En effet, les Gestionnaires de Réseaux de Distribution (GRD) ne réalisent des études de raccordement des installations de production que sur demande des producteurs exclusivement, qui dans le cas d une opération d aménagement, ne seront généralement connus que plusieurs années après les études préalables aux opérations d aménagement. Ce diagnostic du réseau existant consiste à localiser les postes de distribution public HTA/BT et à en identifier la puissance nominale. Dans l exemple ci-dessous, un quartier existant dispose de 3 postes de distribution public de 400 kw chacun. Cette analyse simplifiée permet de conclure qu il n est pas envisageable d installer sur ce quartier des installations photovoltaïques dont la puissance cumulée dépasserait 1200 kw sans avoir à modifier de façon certaine les postes DP existants. Poste de distribution public 400 kw Poste de distribution public 400 kw Illustration 9 : Cas d un réseau existant Poste de distribution public 400 kw Cette valeur doit être vue comme une limite haute qui va certainement devoir être revue à la baisse à cause des autres caractéristiques physiques du réseau existant, notamment la longueur et la section des départs BT alimentant ce quartier. (2) Review, comment and influence standards and rules for network interconnection, IEE PV Upscale, WP4-Deliverable 4.4,

8 Conclusion Pour s assurer qu une opération d aménagement urbain puisse intégrer la mise en place d installations photovoltaïques de puissance significative et contribuer ainsi à l équilibre énergétique de cette opération, il est nécessaire de veiller à ce que le gestionnaire de réseau de distribution intègre dans ses études de dimensionnement du réseau : les futures installations prévues dans le projet d aménagement dans le cas où elles seraient connues, et/ou le potentiel de Production Décentralisée d Énergie sur le secteur si une telle étude a été réalisée. Cela nécessite donc une concertation entre l aménageur, le GRD, voire les producteurs s ils sont connus au moment des études, le plus en amont possible dans la phase de conception et de définition du projet d aménagement. Bien entendu, ces préconisations sont susceptibles d engendrer des surcoûts du projet d aménagement qu il conviendra soit de répartir entre les différentes parties impliquées dans l opération (aménageur, collectivité locale, GRD, promoteurs, producteurs, ) soit de répercuter aux principaux bénéficiaires, à savoir les propriétaires des installations photovoltaïques, sachant que ces coûts devraient être dans la plupart des cas inférieurs aux coûts de raccordement qui auraient été nécessaires sans anticipation (réduction des travaux de voirie). Rédaction : HESPUL Graphisme : H. Bories ( Cette fiche fait partie d un guide «Prise en compte de l énergie dans les projets d aménagement» téléchargeable sur le site HESPUL 14, place Jules Ferry, LYON Tél