L'autonomie solaire ("off-grid"), le guide pratique !

Avant d’acquérir tout équipement nécessaire pour un système d’énergie solaire (hybride) ou hors réseau, il est crucial de maîtriser les fondamentaux de la conception et de la dimensionnement des systèmes de stockage d’énergie. Comme illustré ci-après, la première étape consiste à élaborer un profil de charge via notre calculateur, pour estimer la quantité d’énergie que vous consommerez sur le site au quotidien. 

Exemple (cliquer sur ce lien pour accéder au calculateur excel en ligne) :

Étape 1 – Évaluation de la consommation en kWh :

 L’élément le plus crucial dans la conception d’un système solaire off-grid  est l’estimation de l’énergie nécessaire au quotidien en kWh. Pour les sites connectés au réseau, des données de profil de charge précises peuvent être obtenues en utilisant des compteurs pour mesurer directement les charges. Pour les systèmes hors réseau ou autonomes, commencez toujours par utiliser notre calculateur de charge hors réseau  pour les besoins en été et en hiver. La table de charge aidera également à calculer les charges de crête, les facteurs de puissance, et la demande maximale nécessaire pour dimensionner le système adapté. Attention à distinguer entre les notions de kW (puissance) et kWh (énergie) !

Étape 2 – Dimensionnement des batteries :

La capacité de la batterie est mesurée en Ah ou Wh. Les batteries Nickel-Fer sont dimensionnées en Ah (pour obtenir la capacité en KwH, vous devez multiplier la capacité en Ah x la tension, par exemple 200Ahx48V = 9.6 kWh d’énergie nominale), tandis que la capacité des batteries lithium est mesurée en kWh. Tous les facteurs de perte doivent être pris en compte pour garantir que la taille de la batterie est suffisante pour répondre aux charges, y compris la profondeur de décharge maximale autorisée (DoD), qui aura un impact aussi sur la durée de vie. Considérez également le type et la chimie de la batterie, la plage de tension de la batterie, les jours d’autonomie minimum (jours continus sans ensoleillement), et le taux de charge maximal de la batterie (notation C), comme expliqué plus en détail par la suite.

Étape 3 – Dimensionnement de l’installation solaire

 Il est nécessaire de disposer d’une installation solaire correctement dimensionnée pour charger la batterie tout en alimentant les charges. Pour garantir que l’installation solaire est suffisamment grande, prenez en compte les conditions locales, y compris l’irradiance solaire moyenne tout au long de l’année (heures d’ensoleillement de crête), les problèmes d’ombrage, l’orientation et l’angle d’inclinaison des panneaux, les pertes de câble, et la dégradation thermique (facteurs de perte). L’outil de conception solaire PVGIS peut aider à estimer la génération solaire tout au long de l’année, en fonction de l’orientation et de la localisation des panneaux.

Étape 4 – Sélection de l’onduleur-chargeur

Une fois les étapes 1 à 3 faites, vous devez  ensuite choisir un onduleur-chargeur approprié, ainsi qu’un régulateur de charge solaire MPPT pour correspondre à l’installation solaire en fonction de la longueur des panneaux et des chaînes, qui déterminera la tension des chaînes. Utilisez un calculateur de tension de chaîne pour estimer les tensions de chaîne maximale et minimale, ce qui vous aidera à déterminer le choix du chargeur MPPT le plus adapté (j’ai repris l’exemple du calculateur Victron MPPT dans ce cas de figure la). Ensuite, l’onduleur-chargeur batterie pourra être sélectionné pour répondre à vos besoins de charges continues et de crête.

Comment sélectionner le bon onduleur batterie ?

Les onduleurs batteries pour applications off-grid présentent de nombreuses spécifications à prendre en compte avant de choisir et de dimensionner un onduleur batterie adapté. Plusieurs types de systèmes sont disponibles, y compris des onduleurs-chargeurs interactifs avec le réseau, des onduleurs hybrides, des systèmes complets avec stockage de batterie intégré (connus sous le nom de BESS) et des systèmes de batteries dit « AC Coupling ». J’expose  ci-dessous quelques notions clés à considérer lors de la sélection d’un onduleur approprié, en analysant la fiche technique d’un onduleur batterie que nous utilisons fréquemment, le Victron Multiplus-II. Voici les critères qu’il faut prendre en compte :

 

– Puissance continue de sortie de l’onduleur, et puissance en crête (kVA & kW)

– Capacité de charge de l’onduleur-chargeur vers les batteries (en A)

– Capacité de transfert 

– Compatibilité batteries (en fonction des technologies)

– Type d’architecture (DC ou AC Coupling ?)

– Télémétrie et supervision du système locale et/ou à distance

 

  

1. Puissance de sortie de l’onduleur – valeurs maximales continues et de crête (kW)

 

Les onduleurs batterie (hybrides ou hors réseau) se déclinent en une vaste gamme de tailles, déterminées par la puissance de sortie continue mesurée en kW ou kVA. La puissance de l’onduleur dépend de sa topologie ou de sa conception, du type de circuit de conversion d’énergie, de la présence ou non d’un transformateur, du système de refroidissement, et de la température de fonctionnement. Voici ci-dessous deux principaux types d’onduleurs hybrides et hors réseau disponibles.

 

 

Les onduleurs batteries off-grid emploient des transformateurs toroidaux robustes, qui sont plus coûteux, mais fournissent une haute puissance de crête et de surtension et peuvent gérer des charges inductives élevées. Ces onduleurs contiennent généralement des systèmes de refroidissement à ventilation active pour maintenir la performance dans des températures élevées. Comme expliqué ci-dessous, la plupart de ces onduleurs possèdent des chargeurs intégrés et sont également interactifs avec le réseau (c’est le cas du Multiplus-II Victron)

 

Les onduleurs hybrides et les systèmes de batteries couplés en AC utilisent des onduleurs sans transformateur avec des ‘transistors de commutation’ (exemple : Fronius GEN24, onduleurs hybrides GROWATT ou DEYE, etc …) Ces onduleurs compacts et légers ont des notations de puissance de crête et de surtension plus basses, mais sont plus économiques, étant moins chers et plus faciles à fabriquer. Ils sont généralement également totalement classés pour résister aux intempéries, ce qui signifie qu’ils peuvent être installés en toute sécurité dans des endroits plus exposés, bien que l’exposition directe au soleil devrait toujours être évitée. Ils ne sont en revanche pas taillés pour un fonctionnement off-grid à l’année, mais peuvent très bien assumer des fonctions de back-up ponctuels.

 

   

 

Il est crucial de comprendre la puissance maximale que l’onduleur peut fournir de manière continue, ainsi que la puissance de crête qu’il peut gérer pendant de courtes périodes, ce qui est souvent nécessaire lors du démarrage de charges inductives comme les moteurs. Ne soyez pas contraint de faire le choix de démarrer le sèche cheveux ou le grille pain ! 

 

 

Puissance en KVA ou en kW ? On choisit quoi ?

 

Il est important de noter si la puissance de sortie de l’onduleur est indiquée en kW ou en kVA. Les kilowatts sont généralement la mesure la plus précise. Cela peut prêter à confusion lors du dimensionnement d’un onduleur selon vos besoins. Le rapport de conversion général utilisé pour passer du kVA au kW est illustré ci-dessous :

 

kVA x 0.8 = kW

 

Par exemple, un onduleur Victron de 5kVA équivaut approximativement à un onduleur de 4kW. Un autre exemple est un onduleur avec une sortie de puissance continue de 3000VA (3kVA) qui génère généralement seulement 2400 Watts en continu, soit environ 80% de la puissance ‘apparente’ indiquée.

 

 

 

2. Capacité de recharge de l’onduleur (généralement exprimée en A) :

 

Il s’agit de la capacité de l’onduleur à charger la batterie depuis une source dite de « quai » (un groupe électrogène). Un taux de charge plus élevé signifie que la batterie peut être rechargée plus rapidement, ce qui peut être bénéfique dans les régions avec des périodes d’ensoleillement limitées ou lorsque vous êtes obligés de faire tourner le groupe électrogène. Exemple avec l’onduleur batterie Multiplus-II :

 

 

3. Taille de l’installation photovoltaïque (kW)
 

La taille (comprenez la puissance) de l’installation photovoltaïque doit être compatible avec la capacité de l’onduleur. Un onduleur surdimensionné ou sous-dimensionné par rapport à l’installation photovoltaïque peut entraîner une perte d’efficacité et de performances. Si par exemple vous prenez un Multiplus-3000VA et que vous y rajoutez deux chargeurs Victron RS 450/100 de 5 kWp chacun, vous ne pourrez exploiter que la puissance du Multiplus, soit 3KVA sur une puissance totale potentielle de 10KVA (si vos panneaux produisent dans des conditions idéales !).

 

 

4. Puissance de passage/transfert (A) :

 

La puissance de passage fait référence à la capacité de l’onduleur à transférer l’énergie du réseau ou d’une source génératrice aux charges sans passer par les batteries. Ceci est important pour maintenir l’alimentation pendant les pannes ou lorsque la batterie est déchargée. Cette notion est surtout importante sur des configurations hybrides, et l’est moins en site isolé (en effet, avec 32A * 230V = 6000W, ce qui correspond déjà à un groupe électrogène assez confortable).

 

 

 

5.Compatibilité des batteries – Tension du système et type de batterie
 
Il est crucial de s’assurer que l’onduleur-batterie est compatible avec la tension du système et le type de batterie utilisé, qu’il s’agisse de batteries au lithium, au nickel-fer, ou autre. Par exemple, un Multiplus-II 48V devra se doter d’un parc batterie évidemment en 48V, etc …

 

6. Type d’architecture système : DC ou AC Coupling ?

 

Les onduleurs peuvent être couplés en courant alternatif (AC) ou en courant continu (DC), chaque configuration ayant ses avantages et inconvénients. Le choix dépendra de votre système spécifique et de vos besoins.

 

En architecture DC Coupling, le plus répandu en off-grid, un chargeur de batterie « MPPT » pilote les panneaux solaires en journée afin de maximiser la production solaire, qui sera réinjectée dans les batteries. Le rendement est excellent (92-96%), toutefois, si l’auto-consommation de l’énergie à lieu durant la production, la conversion DC/DC/AC (puisque le MPPT fourni du courant continu, lui-même ondulé par l’onduleur batterie pour alimenter vos charges 230V), entrainera des pertes supplémentaires :

 

 

 

En schéma AC Coupling, moins fréquent et retrouvé souvent sur des systèmes de plus forte puissance, un onduleur solaire (Fronius) est interconnecté à la sortie de l’onduleur batterie Multiplus. Ce dernier se charge de le piloter en fonction des besoins en puissance instantanés, de manière à ce que l’énergie produite par le Fronius soit dirigée en prioritée vers les consommateurs, SANS passer par les batteries :

 

 

 

 

Ce type d’architecture présente deux avantages notoires :

 

– Meilleur rendement si l’essentiel de vos consommations est réalisée en journée (vous consommerez litéralement au « fil du soleil »).

– Puissance cumulable de la sortie du Fronius ET de l’onduleur batterie. Autrement dit si votre Fronius produit 3KWP de puissance instantanée, et que vous avez un Multiplus de 3KVA, vous pouvez théoriquement atteindre 6KVA !

 

Toutefois, ce type de système présente deux désavantages :

 

– Le Fronius doit être piloté en modulation de fréquence par le Multiplus, ce qui peut décaler les horloges numériques, et être problématique pour certains appareillages sensibles (électroménager, etc …). On parle de phénomène de « flickering ».

– Le rendement en recharge batterie est médiocre, car il y’a une conversion DC/AC/DC et les pertes sont plus importantes.

 

Quelle serait donc la meilleure architecture pour un système robuste en off-grid ? 

Enfin, nous pouvons avoir une architecture mixte, combinant l’AC et le DC Coupling. Cela présente l’avantage d’être robuste et redondant (si le Fronius est en SAV, vous avez la production solaire du chargeur Victron MPPT, et vice-versa) ! 

Exemple d’un système off-grid mixte, alliant le DC & l’AC Coupling (via un Fronius) : 

 

 

7. Télémetrie et gestion locale (supervision) :  

 

La possibilité de surveiller et de piloter son système localement et à distance est un avantage considérable, permettant une gestion optimale de la consommation d’énergie, de la production solaire et du stockage de l’énergie. Cela permet aussi d’avoir un suivi précis jour aprés jour des différentes variables du système (production solaire, consommation en kWh, pics de puissances, état de charge de la batterie), et d’éventuellement relever des anomalies. C’est donc un outil indispensable à intégrer dans un système off-grid.