Le Service Mouvements d’Energie

Ce Service est composé de la section « Maintenance des Postes Sources et de Répartition » et de la section « Téléconduite, Contrôle-Commande et Statistiques ». Il est chargé de [2] :

assurer la mise en œuvre de la GMAO ;

gérer et maintenir en état de bon fonctionnement les sous-stations HTB/HTA, les postes sources et les postes de répartition ;

élaborer et actualiser les procédures pour la sécurisation du réseau, du personnel et du public ;

1.2.4. Organigramme de la DPME

La DPME regroupe en son sein, de nombreux services qui lui sont tous rattachés (voir organigramme à l’annexe 2).

Chapitre II :

Etude descriptive du réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey-Calavi et présentation du projet

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2.1. Introduction

Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les centres de consommation de l'énergie électrique.

2.2. Configuration du réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi

Ce réseau est alimenté en moyenne tension (HTA) et en basse tension (BT).

La tension en HTA est égale à 15 kV, la tension simple en BT est égale à 220 V et celle composée est égale à 380 V. Le réseau HTA ainsi que le réseau BT sont tous aériens et sont alimentés par le poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta. Ce poste dispose d’une seule rame qui comprend trois départs. Il s’agit des départs : CALAVI, IITA et TOGBA. Les départs disposent d’un système de protection identique. Ils sont protégés par des relais numériques, des disjoncteurs, des systèmes de mise à la terre etc. L’ensemble des protections assurent la sécurité des phases contre les surintensités et les défauts. Le schéma synoptique du poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta est présenté à la figure 1.

Figure 1: Schéma synoptique du poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta

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2.3. Présentation du projet 2.3.1. Problématique

L’énergie électrique est un facteur essentiel pour le développement et l’évolution de la société tant sur le plan de l’amélioration des conditions de vie que sur le développement des activités industrielles. Elle est devenue une forme d’énergie indispensable et/ou incontournable par sa souplesse d’utilisation et par la multiplicité des domaines d’activités où elle est appelée à jouer un rôle déterminant. Force est de constater que malgré son importance capitale dans tout processus de développement économique, le Bénin demeure toujours dans la dépendance énergétique, ce qui se justifie par plusieurs raisons. En effet, le Bénin importe plus de 98% de l’énergie totale consommée auprès des pays voisins (le Nigéria, le Ghana et la côte d’Ivoire) par le biais de la Communauté Electrique du Bénin (CEB) et le reste est produit par les centrales thermiques de la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE) en cas de besoin pour combler le déficit énergétique. Pour l’année 2013, l’importation de l’électricité pour le compte de la Compagnie d’Energie Electrique du Togo (CEET) et de la SBEE par laCEB se présente comme suit :

− 30 MW de la VRA (Volta River Autority) au Ghana ;

− 30 MW de Contour Global au Togo ;

− 20 MW de la Turbine à Gaz au Bénin ;

− 200 MW de la TCN (Transmission Company of Nigeria) ;

− 20 MW de la Turbine à Gaz au Togo ;

− 50 MW du Barrage hydroélectrique de Nangbéto au Togo ;

− 15 MW de la Compagnie Ivoirienne d’Electricité (CIE).

Il ressort des chiffres présentés ci-dessus que la puissance totale disponible par la CEB est de 365 MW. Après déduction de 38 MW de cette puissance fournie aux industriels, 173,31 MW (soit 53 %) du reste est fournie au Bénin et 153,69 MW (soit 47 %) au Togo alors que la demande en puissance du Bénin atteint déjà 200 MW. Aussi, faut-il noter que cette puissance fournie au Bénin

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n’est pas fixe, elle varie à la baisse avec le temps. Cette situation entraîne pour le Bénin, un problème de déficit énergétique à hauteur de 27 MW [1]. Face à cette situation de crise énergétique, les efforts déployés par le Gouvernement Béninois ainsi que ses perspectives sont surtout axés sur la prolifération des centrales thermiques car elles constituent une réponse rapide à la crise énergétique et nécessitent moins d’investissement que les barrages hydroélectriques. Certes, la construction des barrages hydroélectriques est mise en projet mais le problème de déficit en eau à grand débit se pose.

Considérant que les centrales thermiques sont sources de pollutions, voire sujettes aux taxes carbones et sont dans un futur proche menacées d’arrêt de fonctionnement à cause de l’épuisement des ressources fossiles, notre contribution de faire face à la crise énergétique au Bénin est de faire recours à la production décentralisée d’origine renouvelable en l’occurrence le solaire photovoltaïque compte tenu du potentiel solaire du Bénin et du fait qu’il n’est l’arrondissement d’Abomey-Calavi car le critère relatif à la disponibilité de l’espace s’impose. En effet, la puissance maximale fournie par la rame aux trois départs qui alimentent ce réseau est à hauteur de 10 MW alors que sa demande en puissance atteint déjà 11 MW, il en résulte un déficit énergétique à hauteur de 1 MW [3]. C’est dans le but d’apporter notre contribution à la résolution de la crise énergétique sur ce réseau que notre projet de fin de formation est intitulé « Contribution à la réduction du déficit énergétique au Bénin par injection de l’énergie photovoltaïque sur le réseau électrique de la SBEE de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ».

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2.4.2. Objectifs

− Dimensionner la centrale photovoltaïque en passant par le choix des composants.

− Raccorder de la centrale photovoltaïque au réseau.

2.4.3. Cahier des charges

Le déficit énergétique sur le réseau est à hauteur de 1 MW. Le taux de croissance de la demande en puissance sur une durée de trois ans est de 10 % [3]. En se référant à ce taux de croissance tout en considérant qu’il varie avec le temps, nous avons évalué jusqu’à quel moment la puissance à produire par la centrale solaire va résoudre le problème posé. Il ressort de nos calculs et estimations que pour une durée de 8 ans au moins, il nous nous faut produire 3 MW. Outre la puissance à produire, elle doit être dotée des batteries de stockage afin d’assurer la continuité énergétique dans les périodes de faible insolation, la nuit en particulier.

2.4.4. Méthodologie

− Recherches bibliographiques.

− Evaluation du déficit énergétique de la SBEE en général et de

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2.4.6. Résultats attendus

− Réduction du déficit énergétique.

− Temps de délestage négligeable.

2.4.7. Indicateurs

− Continuité dans la fourniture de l’énergie électrique à l’arrondissement d’Abomey-Calavi.

− Amélioration de la qualité de l’énergie électrique.

2.5. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié la configuration générale du réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi, nous avons aussi mis en évidence le problème de déficit énergétique au Bénin en général et sur le réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi en particulier. Par ailleurs, nous avons évalué le déficit énergétique sur le réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi et établi un cahier de charges qui sera pris en compte pour le dimensionnement de la centrale photovoltaïque à connecter au réseau.

Chapitre III :

Généralités sur la production d’électricité par le solaire PV et étude du raccordement des centrales solaires PV au réseau électrique conventionnel

Généralités sur la production d’électricité par le solaire PV et étude du raccordement des centrales solaires PV au réseau électrique conventionnel

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3.1. Introduction

L’épuisement des ressources fossiles et la cherté du prix du pétrole a conduit l’homme à s’intéresser à des sources d’énergies renouvelables au premier rang desquelles se trouve l’énergie solaire. En effet, la priorité est donnée à l’énergie solaire car en plus d’être inépuisable, elle n’est pas source de pollutions comme c’est le cas des énergies fossiles.

3.2. Production solaire photovoltaïque 3.2.1. La cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque (PV) est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement solaire et celles des semi-conducteurs.

3.2.2. Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement des cellules PV est basé sur l’effet photovoltaïque. L’effet PV, découvert en 1839 par le français Alexandre Edmond Becquerel, 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 d’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 devient chargée négativement. Il se crée entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P. Il en résulte la formation d’une jonction PN. La figure 2 présente le principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique [4].

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Figure 2: Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique 3.2.3. Propriétés électriques des cellules PV

Le schéma du circuit équivalent d’une cellule PV est donné à la figure 3.

Figure 3: Circuit équivalent d’une cellule PV

Comme le montre la figure 3, une cellule PV comporte en réalité une résistance série (Rs) et une résistance parallèle (Rp). Ces résistances influent sur la caractéristique courant-tension de la cellule PV [4].

A partir de la figure 3, la loi des nœuds nous permet d’écrire la relation suivante :

IL = ID + IR + I (3.1)

Le courant de jonction Id est donné par la relation:

ID = I0e^. 1 [4] (3.2)

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Le courant dans la résistance Rp est donné par la relation:

IR = ^.

(3.3)

A partir de l’équation (3.1), on obtient l’expression du courant I :

I = IL−ID − IR (3.4)

Remplaçons dans (3.4) les équations (3.2) et (3.3), l’équation caractéristique devient :

I = IL−I0e^. − 1 − ^. (3.5)

Le photo-courant IL de la cellule est donné par la relation :

IL = Icc. ( ) [4] (3.6)

I : le courant fourni par la cellule [A]

V : la tension fournie par la cellule [V]

I0 : courant de saturation de la jonction [A]

K : constante de Boltzman (1,381.10^-23 J/K) T : température de la cellule en Kelvin G : l’éclairement [W/m²]

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I = IL−I0e^. − 1 ^(3.7)

3.2.4. Paramètres électriques d’une cellule PV

• Courant de court-circuit

C’est le courant pour lequel la tension aux bornes de la cellule est nulle.

Dans le cas idéal (Rs = 0 et Rp = ∞), ce courant se confond avec le photo-courant IL. Dans le cas contraire, en annulant la tension V dans l’équation 3.5 on obtient :

Icc = IL−I0e^. − 1 − ^. (3.8) Pour la plupart des cellules PV (dont la résistance série est faible), on peut négliger le terme :

I0e^. − 1 ^{devant IL}, l’expression approchée du courant de court-circuit est alors :

Icc ≈ ₍

!) (3.9)

• Tension de circuit ouvert

La tension de circuit ouvert (Vco) est la tension pour laquelle le courant débité par la cellule PV est nul.

Vco = Rp.IL−Rp.I0e^% − 1 (3.10) Dans le cas idéal (Rp = ∞), on a :

_&

_! = IL−I0e^% − 1 ⟹ ^Vco≈ ^()* .ln_% + 1 (3.11)

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• Puissance maximale

La puissance des modules PV s’exprime en Watt-crête ; celle maximale représente le produit de la tension (Vmp) et du courant (Imp) au point de puissance maximale. Dans le cas idéal (Rs = 0 et Rp = ∞) on a :

Vmp×e^{, -!} = ^(.* ×

& [4] (3.12) Imp = Icc − Io×e^{, -!} [4] (3.13)

• Rendement

Le rendement (η ) des cellules PV désigne le rendement de conversion en puissance. Il est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance lumineuse incidente (Pin). La puissance lumineuse incidente est égale au produit de l’éclairement par la surface totale des cellules PV.

η = ⁰₀

-1 (3.14) 3.3. Le générateur photovoltaïque

Les modules PV sont les éléments de base de tout système PV. Ils peuvent être branchés en série pour augmenter leur tension d’utilisation et en parallèle pour augmenter leur courant. Plusieurs modules sont regroupés ensemble pour former le générateur PV. La constitution du générateur PV est illustrée à la figure 4.

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Figure 4: Constitution du générateur PV

3.3.1. Protection classique du générateur PV

Pour garantir la durée de vie d’une installation PV destinée à produire de l’énergie électrique sur des années, des protections électriques doivent être ajoutées aux modules PV afin d’éviter des pannes destructrices liées à l’association des cellules en série/parallèle. Pour cela, deux types de protections classiques illustrés par la figure 5 sont utilisés dans les installations actuelles.

Figure 5: Schéma de protection du générateur PV

Les diodes anti-retour empêchent la circulation d’un courant négatif dans le générateur PV. Ce phénomène peut apparaitre lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèle ou bien quand une charge en connexion directe peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une batterie.

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L’inhomogénéité de l’éclairement provoque une forte diminution du courant produit par la cellule PV. Ainsi, lorsque le courant débité par la cellule mal éclairée est inférieur à celui débité par les autres cellules qui compose le module PV, la tension de celle-ci devient négative. Par conséquent, cette cellule devient un élément récepteur et se retrouve donc à dissiper une quantité trop importante de puissance électrique qui pourrait aboutir à sa destruction si le défaut persiste trop longtemps : c’est le phénomène du point chaud. Pour remédier à ce phénomène, on équipe les modules PV de diodes by-pass pour assurer leur protection. Lorsque la diode by-pass se met à fonctionner, elle court-circuite une partite du module PV où se retrouve la cellule mal éclairée comme indiqué à la figure 5, évitant ainsi la circulation de courant inverse au sein des cellules.

3.3.2. Influence de l’éclairement et de la température

L’éclairement a un effet très important sur le courant de court-circuit et un effet presque non remarquable sur la tension de circuit ouvert. En effet, la diminution de l’éclairement provoque une forte diminution du courant de court-circuit et une faible diminution de la tension de court-circuit ouvert. La température a un effet très important sur la tension de circuit ouvert et un effet presque non remarquable sur le courant de court-circuit de la cellule PV. En effet, l’augmentation de la température provoque une diminution de la tension de circuit ouvert tandis que le courant de court-circuit reste quasiment constant.

3.3.3. Influence de l’orientation, de l’inclinaison et de l’ombrage

L’angle d’inclinaison des modules PV est fonction de la latitude du site d’installation du générateur PV. Une inclinaison de 30 à 45° environ par rapport à l’horizontale assure les meilleurs rendements pour une installation solaire à nos latitudes [4]. Une inclinaison inférieure à 20° n’assure pas un meilleur rendement, il est donc déconseillé d’aller en dessous de cet angle d’inclinaison [4]. Les modules PV doivent être orientés vers le Nord pour les pays qui sont

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situés dans l’hémisphère Sud et vers le Sud pour les pays qui sont situés dans l’hémisphère Nord [6]. L’effet de l’ombrage sur les modules PV réduit la production d’énergie.

3.4. Généralités sur le raccordement des centrales PV au réseau

Les centrales PV raccordées au réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L'énergie est produite plus près des lieux de consommation et non pas seulement par de grandes centrales thermiques ou hydroélectriques. Au fil du temps, les centrales PV raccordées au réseau réduiront la nécessité d'augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution. Il existe deux types de centrales PV raccordées au réseau : celle dite autonome et celle dite non autonome. Elle est dite autonome lorsqu’elle est dotée de batteries de stockages pour assurer la continuité énergétique la nuit ou dans les périodes de faible insolation tandis qu’elle est dite non autonome lorsqu’elle n’est pas dotée de batteries de stockages.

3.4.1. L’onduleur et le filtre LC

Pour raccorder un générateur PV à un réseau électrique, on utilise un convertisseur continu-alternatif (onduleur) car le générateur PV est une source de tension continue et le réseau est une source de tension alternative. L’onduleur a pour rôle de convertir la tension continue générée par le générateur PV en tension alternative identique à celle du réseau. Il faut noter que la tension de sortie de l’onduleur n’est pas sinusoïdale. En effet, les semi-conducteurs travaillant en commutation, la tension de sortie sera toujours constituée de

« morceaux » de tension continue. Cette tension non sinusoïdale est considérée comme la somme d’un fondamental et de tensions de fréquences multiples de celle du fondamental (les harmoniques). Ces tensions harmoniques provoquent la circulation de courants harmoniques. Pour cela, on utilise le filtre LC dont le consiste à éliminer les harmoniques de commutation et ainsi, on aura une tension parfaitement sinusoïdale à la sortie.

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Figure 6 : Allures de la tension et du courant de sortie de l’onduleur 3.4.2. Les batteries solaires

Les batteries sont utilisées pour stocker de l’énergie sous forme chimique et la restituer sous forme électrique la nuit ou dans les périodes de faible insolation.

Les batteries utilisées dans les installations PV sont appelées batteries à décharge profonde. Ce sont des batteries au plomb qui utilisent comme conducteur une solution d'acide sulfurique aussi appelée électrolyte. Elles sont capables d’injecter un courant stable pendant de longue période et peuvent se décharger et se recharger très fréquemment sans se détériorer.

3.4.3. Le régulateur solaire

Le rôle du régulateur solaire consiste à protéger les batteries contre la surcharge et la décharge profonde pour leur assurer une meilleure durée de vie.

Le rôle du régulateur solaire consiste à protéger les batteries contre la surcharge et la décharge profonde pour leur assurer une meilleure durée de vie.

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