LOGICIEL D AIDE A LA PLANIFICATION POUR L ELECTRIFICATION RURALE (LAPER) FRANCE Valérie Lévy Franck Thomas - Rainer Fronius Marc Gratton Electricité de France Recherche et Déveloement Résumé Les bienfaits de l électrification ne font aucun doute, de même le besoin de services liés à l électricité. Les comagnies de distribution d électricité rivilégient souvent les besoins des zones urbaines, laissant de côté le monde rural. Un etit nombre de rojets ilotes d électrification rurale ont déjà été entreris, mais leur durée de vie fut courte, ar manque de robustesse technique ou économique, ou arce qu ils n avaient ermis de réondre que artiellement aux besoins. Le logiciel LAPER est un outil conçu our l électrification durable de vastes régions rurales. Il utilise toutes les données géograhiques disonibles, crée des tyes de villages afin d utiliser des équiements électriques standardisés, et comare les coûts de toutes les solutions ossibles d électrification (mini-réseaux, diesels, anneaux solaires, etits générateurs hydrauliques ou éoliens). Dans une remière étae, les données géograhiques et socioéconomiques sont rassemblées dans la base de données du Système d Information Géograhique. Les tyes de villages sont créés à l aide du Gestionnaire de Tyes de Villages. La deuxième étae consiste à sécifier les coûts d investissement et d exloitation relatifs aux différents modes d électrification. Afin d initialiser le code de calcul du lan directeur d électrification, un réseau connectant tous les villages doit être tracé. Ce réseau n est qu un oint de déart. L Otimum Réseau calcule le remier tracé d un réseau otimum our une solution tout-réseau. déconnectés du réseau, les coûts-réseau augmentent our les autres villages. Pour ces derniers, la comaraison avec les modes décentralisés doit avoir lieu à nouveau. Le cœur d un village et sa érihérie ne sont as traités de la même façon : la érihérie est toujours électrifiée ar des anneaux solaires. À la fin de cette itération, les coûts classés ar village et ar année sont fournis, de même que les coûts globaux d électrification. La dernière artie du rogramme fixe l ordre d électrification de l ensemble des villages. Les aramètres ris en comte euvent être olitiques, techniques et géograhiques. Le gestionnaire de la stratégie d étude ermet à l utilisateur de simuler différentes situations économiques ou de lancer le rogramme avec différents coûts our les équiements électriques. À la fin, une carte contenant le mode d électrification de chaque village et le réseau final est tracé. LAPER ne fournit as seulement les coûts d électrification de vastes régions rurales mais il guide aussi l utilisateur dans la lanification et le choix des équiements, assurant le caractère durable des rojets d électrification. Dans l étae suivante, les coûts de l électrification ar le réseau, ar générateur, énergie hotovoltaïque, energie hydroélectrique et éolienne sont comarés our chaque village. Si un mode d électrification décentralisée est moins cher our un village donné, on vérifie que l augmentation corresondante du coût réseau our les autres villages (due à la non articiation du village en question aux frais de construction et d exloitation du réseau) n excède as le gain aorté ar l électrification décentralisée. S il est établi au moins our un village que l électrification décentralisée est lus avantageuse, une nouvelle itération doit avoir lieu. Cela est du au fait qu à chaque fois qu un ou lusieurs villages sont
LOGICIEL D AIDE A LA PLANIFICATION POUR L ELECTRIFICATION RURALE (LAPER) Valérie Lévy Franck Thomas - Rainer Fronius Marc Gratton Electricité de France Recherche et Déveloement FRANCE RESUME Aujourd hui, environ 40% de la oulation mondiale ne disose as de l'électricité. Face à ce roblème, la banque mondiale, les bailleurs de fonds et les gouvernements des PED ont besoin d'une méthode our juger de l'adatation des moyens de roduction d'électricité aux contexte local. EDF a déveloé une méthodologie d'électrification rurale. Dans ce cadre le logiciel LAPER établit un schéma directeur d'électrification our de vastes régions, voire des ays entiers, à artir de données géograhiques enrichies ar des enquêtes socio-économiques. Les moyens d'électrification roosés sont : le réseau MT, le groue diesel, les anneaux hotovoltaïques, les centrales icohydraulique et micro-éolienne. Un lan d'investissement et un calendrier d'électrification sont établis tenant comte des critères olitique, financier et géograhique. 2. Saisie de l état initial 3. Recherche du schéma cible otimal 4. Détermination de l ordre d électrification 5. Résultats Ces différentes étaes du traitement d une étude ar LAPER se font dans deux modules distincts communicant entre eux : le Système d Information Géograhique (SIG) et le module LAPER à rorement arler. Le schéma ci-dessous rerésente l organisation LAPER / SIG : INTRODUCTION L électrification rurale est une réoccuation croissante deuis lusieurs années. Alors qu une art imortante de la oulation mondiale demeure aujourd hui rivée d électricité, les autorités de nombreux ays en déveloement ont cherché à évaluer les différentes ossibilités d étendre la fourniture d électricité sur leur territoire, jusque dans les régions reculées. L évolution des logiciels de lanification des réseaux et l aarition de logiciels dédiés à la roblématique de l électrification rurale a rendu ossible un artenariat entre les Etats demandeurs et les comagnies d électricité. Le logiciel LAPER déveloé ar EDF Recherche et Déveloement est l aboutissement de recherches menées conjointement ar EDF et l Agence de Déveloement et de Maîtrise de l Energie deuis lusieurs années. Les sécifications et les évolutions de LAPER sont aujourd hui assurées à EDF R&D. Plusieurs études ont déjà été réalisées ar EDF International avec ce logiciel, dans les ays suivants : Madagascar, Vietnam, Maroc, Territoires Palestiniens, Egyte, Jordanie. LAPER se distingue ar sa facilité d utilisation et sa grande soulesse. Nous allons résenter ses rinciales caractéristiques de fonctionnement en distinguant 5 étaes rinciales : 1. Collecte des données : besoins et moyens Le SIG ermet la saisie et le chargement d un certain nombre d informations, ainsi que l affichage de la zone de travail et de ses caractéristiques. Le module LAPER ermet la saisie des données relatives aux modes d électrification (dont le détail est donné dans le
aragrahe suivant), le calcul de la solution otimale et des caractéristiques économiques associées. LAPER rocède en réduisant autant qu il est rentable de le faire la art du réseau MT dans l alimentation électrique des villages, et en testant les différentes alternatives décentralisées. COLLECTE DES DONNEES Les besoins Les données nécessaires à la détermination du schéma d électrification otimal sont de natures diverses. Parmi toutes celles concernant les villages de la zone à électrifier, on retiendra deux exemles imortants : - classement de la oulation ar rofils de charge (tyes de consommation) - évolution de la consommation Le remier classement regroue les consommateurs en trois grandes catégories : Gros Clients, Equiements Collectifs, Clients Résidentiels. Les caractéristiques de consommation de ces trois groues sont évidemment différentes, mais il est ossible d affiner encore le classement, en définissant des catégories de consommation our les clients résidentiels, et en indiquant our chaque village les roortions de clients aartenant à chaque catégorie. En agrégeant les investissements our chaque tye de matériel, on obtient les montants corresondant à chaque solution (I BT, I MT, I hydr, I PV, I dies..), et les coûts d exloitation associés. Par ailleurs, il faut rendre en comte le fait que, contrairement aux équiements standards du réseau MT, certains équiements d électrification décentralisée ont une durée de vie courte, ou un dimensionnement initial limité. Des investissements d extension de certains équiements, et des investissements de renouvellements successifs endant la ériode de l étude doivent donc être ris en comte dans le calcul. Le budget disonible our la réalisation du lan d électrification est également renseigné dans LAPER, ainsi que la réartition annuelle de ce budget. Nous verrons ar la suite que cette réartition annuelle joue un rôle imortant dans l échéancier final d électrification. Différentes stratégies d électrification euvent être rassemblées dans une seule étude à l aide d un gestionnaire de stratégies résenté ci-dessous. Par ailleurs, chaque village ayant fait l objet d un examen arofondi ermettant d identifier au mieux le mode d électrification le lus arorié, la table Village contient un nombre imortant d informations quantitatives (localisation, vitesse du vent, ensoleillement, roximité d une source hydraulique, relief, etc ) ou lus qualitatives (sociologiques ou socioéconomiques ). La collecte d informations constitue la base réalable de l étude. Les moyens Les caractéristiques des différents moyens d électrification sont saisies dans le module LAPER. Ces moyens sont : - le réseau MT, - le hotovoltaïque, - l hydraulique, - le diesel / éolien. LAPER calcule les coûts relatifs à chaque mode en tenant comte des éléments de coûts unitaires et des niveaux de erformance fournis ar l utilisateur. Le calcul du coût distingue les investissements en matériel des frais d exloitation. Les ertes MT et BT sont rises en comte dans les frais d exloitation, sauf dans le cas de l hydraulique, dont le coût de combustible est nul et du hotovoltaïque qui n a as besoin d un réseau électrique intérieur au village. Un calcul sécifique est effectué afin de déterminer l intérêt du mode éolien comme alternative à la solution diesel. Si l éolien est rentable sur une durée non nulle, la solution est mixte diesel / éolien, sinon le diesel est seul. SAISIE DE L ETAT INITIAL L interface grahique ermet de visualiser directement la réartition géograhique des villages de la zone, ainsi que leur environnement (relief, cours d eau, voirie, etc ) grâce aux fonds de lan. L utilisateur dessine ensuite le réseau MT qui lui semble le lus adaté our alimenter un maximum de villages. Il a le choix entre divers tyes de réseau, l artère rinciale du réseau MT étant trihasée, et les branches secondaires monohasées ou de tye SWER. Une validation du réseau saisi est effectuée. LAPER rocédant ar substitution des modes d électrification alternatifs au réseau MT, le réseau initial dessiné ar
l utilisateur est donc le réseau maximal. En fin d étude, le réseau sera a riori moins imortant. RECHERCHE DU SCHEMA CIBLE OPTIMAL L algorithme de recherche de la solution otimale est simle. Il s agit de minimiser la fonction de coût global actualisé associée à l électrification de toute la zone. Cette fonction est la somme actualisée des investissements et des déenses d exloitation sur toute la durée de l étude, en considérant que toute la zone est électrifiée à t = 0. T A( t) C( t) F( T ) =, on utilise ici l annuité A(t) t t= 0 (1 i) de l investissement I, our rendre en comte le fait que les durées de vie des différents équiements sont différentes, et euvent excéder la durée de l étude. Cette annuité est obtenue en multiliant chaque investissement élémentaire I calculé our chaque matériel dans la artie Moyens ar le facteur d annuité corresondant à sa durée de vie. Le taux d actualisation est noté avec i. On raelle que our un matériel de durée de vie D, le facteur d annuité vaut : D i (1 i) D (1 i) 1 Pour le réseau MT, chaque village finance intégralement les arties de lignes qui le desservent exclusivement. Pour les arties communes à lusieurs villages, on considère que les frais sont artagés au ro rata de la uissance consommée. Dans un remier tems, le moyen d électrification dont la fonction de coût est la lus basse est retenu, our chaque village. Ensuite on rocède ar test en déconnectant un ar un les villages du réseau MT (quand ce n est as déjà le cas dans l état initial, et uniquement lorsque la solution décentralisée est moins coûteuse our ce village que la solution MT). Le village en question aura donc une fonction de coût inférieure, associée à son mode décentralisé, et la fonction de coût réseau MT des autres villages raccordés au réseau augmentera our chacun d eux, uisqu ils auront à suorter éventuellement le financement de tronçons commun qu ils artageaient avec le village déconnecté. Pour les autres villages déjà alimentés en mode décentralisé, la fonction de coût reste inchangée. Pour la communauté, il convient donc de comarer, avant et arès la déconnexion d un village x : F = 1 et tous.villages village.x village.x F réseau Fréseau F = 2 tous.villages village.x village.x F réseau Fdécentralisé Si F2 est inférieur à F1, alors on eut déconnecter définitivement le village i et asser au village suivant. Une fois que le système est stable (i-e : lus aucune déconnexion n est rentable), l état cible est atteint. Il reste alors à déterminer le lan d électrification en trouvant l ordre dans lequel les différents villages vont être électrifiés. DETERMINATION DE L ORDRE D ELECTRIFICATION Au moment de la saisie des caractéristiques des villages, l utilisateur a eu la ossibilité de rassembler ceux-ci en sous-groues. LAPER divise ensuite ces groues en sous-groues de villages électrifiés ar le même mode (dans le grahique ci-dessous : PV=hotovoltaïque, GE=éolien-diesel, Rés=réseau MT, HY=hydraulique). On résente ci-dessous un exemle de découage de la zone d étude avec les groues (1, 2, 3) et sousgroues (1 à 10). Plusieurs critères ermettent alors de fixer l ordre dans lequel les villages sont électrifiés. La valeur des critères eut varier selon le village. L utilisateur a la ossibilité, selon le contexte, de ondérer ces différents critères. Ils sont les suivants : Trois critères dont les valeurs ar village sont fixées ar l utilisateur : - Critère olitique (Crit ) - Critère de solvabilité (Crit s ) - Critère de déveloement(crit d ) Deux critères calculés dans le module LAPER : - Critère financier (Crit f ) (traduit la distance entre le village et la source d électricité) - Critère d équilibre interrégional (Crit e ) (ermet une électrification aussi homogène que ossible ar sous-groues : moins un groue de village ossède
de sous-groues électrifiés, lus ces sous-groues seront rioritaires dans l électrification). On remarque que le dernier critère eut évoluer chaque année, en fonction de l état d électrification des différents sous-groues. En notant s, f, e,, d, les oids (comris entre 0 et 1) de chaque critère, le critère annuel de riorité our un village vaut : Tous les résultats numériques disonibles dans le SIG euvent être exorté vers un tableur ou encore directement exloités sous la forme de diagramme et de courbes. Le SIG ermet également de créer raidement des raorts contenant tableaux, cartes et diagrammes. On résente ci-dessous un exemle de visualisation de résultats dans le SIG. Crit = s s d f Crit d f e Crit e Budget L enveloe budgétaire annuelle articie également à l échelonnement de l électrification. En effet, la rochaine électrification de village révue ar le rogramme ne eut être réalisée que si le budget disonible est suffisant. Ainsi, il eut se asser une ou lusieurs années sans électrification si le budget est insuffisant (et en fin d étude, certains villages euvent ne as avoir été électrifiés). Pour arer à la difficulté de trouver le budget adéquat à l électrification d une zone on eut indiquer la durée maximale au bout de laquelle l électrification doit être achevée laissant ainsi le rogramme déterminer le budget nécessaire our chaque année d étude. RESULTATS Les résultats d une étude sont visualisables sous diverses formes. Il est ossible de consulter dans le module LAPER l état de chaque village en fin d étude : année d électrification, mode d électrification, investissements, recettes, nombre de clients électrifiés. On eut aussi obtenir les résultats globaux sur toute la zone, ou année ar année. Ces résultats euvent être exortés du module LAPER vers le SIG. Dans celui-ci on eut alors consulter une table indiquant les caractéristiques du réseau dans l état final. Par ailleurs, il est ossible de visualiser l état d électrification de la zone année ar année jusqu à la dernière année d étude. A chaque fois que des calculs sont relancés dans LAPER arès modifications de certains aramètres, l exortation des résultats ermet de rafraîchir l interface grahique du SIG et de visualiser les nouveaux états d électrification.