Les systèmes photovoltaïques autonomes, isolés

Les systèmes autonomes sont des unités de production d’électricité généralement de petites tailles (ne dépassant pas 100 kW) qui ne sont reliées à aucun réseau de distribution. Ils peuvent être composés d’un générateur diesel, d’un générateur photovoltaïque et d’un système de stockage d’électricité.
Les puissances photovoltaïques installées dans ce type de systèmes électriques s’étendent de 50 W_crête à 1 kW_crête pour une maison solaire ou un relais de télécommunications, de 1 à quelques kW_crête pour les phares et balises ou les stations de pompage d’eau. Les systèmes hybrides (associant un champ PV et un groupe électrogène) alimentant un unique usager ou une petite communauté dans le cas d’un village isolé, peuvent même atteindre en terme de puissance installée quelques dizaines à quelques centaines de kW_crête.



Dans le cas des systèmes comportant uniquement un générateur diesel, la présence du stockage n’est pas obligatoire. Mais elle permet une gestion plus souple et plus efficace du système, en rendant possible le choix des plages de fonctionnement du groupe électrogène où son rendement est optimal. Enfin, dans le cas d’une brusque demande d’électricité, le stockage remplit la fonction de source « tampon », en attendant que le groupe démarre et prenne le relais de la fourniture.
Pour s’affranchir de l’utilisation d’une énergie fossile, on peut envisager le remplacement du groupe électrogène par une pile à combustible de technologie PEM (à membrane échangeuse de protons). Ce générateur produit de l’électricité à partir d’hydrogène. Il n’émet ni gaz à effet de serre ni bruit et atteint à sa puissance nominale des rendements de l’ordre de 45 à 50 %.
Néanmoins, l’autonomie du système est liée à la capacité du réservoir d’hydrogène, qu’il faudra remplir régulièrement. Et le ravitaillement de l’installation peut s’avérer très coûteux selon son emplacement.

Dans les systèmes PV isolés sans générateur auxiliaire, la présence d’un dispositif de stockage d’électricité est alors indispensable pour pallier le caractère intermittent du générateur photovoltaïque. Sa principale fonction est d’accumuler l’électricité excédentaire produite par le générateur et, lorsque la production de ce dernier est déficitaire, de fournir le complément d’énergie nécessaire à l’utilisateur.
L’unité de stockage est dimensionnée de telle sorte que le système dans lequel il est intégré puisse continuellement fournir à l’usager l’énergie dont il a besoin.

Dans le cas d’un fonctionnement journalier, le stockage se vide et se remplit sur une période de quelques jours. Ce mode de fonctionnement permet d’installer de faibles capacités énergétiques tout en préservant l’autonomie de l’usager sur la période considérée. Certains systèmes de stockage peuvent fonctionner en mode saisonnier. La capacité installée est alors beaucoup plus importante puisque le stockage se vide et se remplit sur une, voire plusieurs saisons.

Les systèmes isolés utilisent en grande majorité les batteries au plomb comme stockage d’énergie. Cette technologie bénéficie en effet d’avantages, tels son faible coût (par rapport à d’autres technologies) et une maturité étayée par un retour d’expérience conséquent. Cette technologie est par ailleurs largement disponible dans le commerce.
Cependant ce composant reste délicat à utiliser. Son emploi est sujet à des contraintes qu’il est nécessaire de respecter pour garantir son bon fonctionnement et sa longévité.
Elles ne peuvent rester longtemps inutilisées sans conséquences néfastes sur leur durée de vie. Elles fonctionnent donc en mode journalier. Mais des cycles répétés de charge/décharge aléatoires doivent être évités. Son état de charge ne doit pas atteindre de valeurs extrêmes pour éviter toute dégradation prématurée.
Ainsi, quand l’état de charge des batteries est trop élevé et que la production photovoltaïque est excédentaire, le champ PV doit être temporairement déconnecté. Le surplus d’énergie disponible à ses bornes ne peut donc être stocké. Si la taille des batteries est bien adaptée aux besoins de l’usager, cette quantité inutilisée revient à considérer que le champ PV doit inévitablement être surdimensionné pour satisfaire à l’autonomie du système.