Leçon 3-Optimisation technico économique

L’énergie électrique provenant de sources renouvelables, en particulier le vent et le soleil, est considérée comme une alternative de production intéressante dans les systèmes d’énergie électrique du monde d’aujourd’hui. Cependant, leur utilisation est limitée par la variabilité des ressources qui risque de diminuer leur fiabilité. En plus, les fluctuations de la charge selon les périodes annuelles ou journalières ne sont pas forcément corrélées avec les ressources énergétiques disponibles.

3. Analyse économique  Coût de cycle de vie:  CCV[€]  = C₀ + C_ins + CC_maint + CC_replace

Le coût cumulé du remplacement est calculé comme suit : CC_replace = fa×C₀   Avec C₀: coût d’acquisition du produit et  f_a facteur d’actualisation de ce coût si le produit serait racheté n années plus tard. f  = (1+ c /1 + d)ⁿ = xⁿ , Avec x = (1+ c/1 + d)       x = (1+ r /1 + d)ⁿ

• τ : taux d’inflation qui est une mesure de la baisse durable de la valeur de la monnaie.
• d : taux d’actualisation par année; c’est le pourcentage de retour sur investissement (rémunération pour le capitalavancé).
• n : nombre d’année de vie des installations

Le coût cumulé de maintenance est obtenu de la manière suivante : CC_maint = CC_maint × x × (1 – x/1 – x) = CC_maint × x ×f_m

Attention : Pour des raisons de simplification, nous n’avons pas intégré : Le taux de remboursement du prêt (cas d’investissement lourd); Le coût de l’assurance et 
les externalités positives telles que les émissions de gaz à effet de serre évitées.

Exemple : Comparer le coût du cycle de vie d’un panneau d’avertissement de construction routière alimenté par un système  photovoltaïque par rapport à l’utilisation d’un générateur essence pour la même application. Le système doit  pouvoir fonctionner 24 heures par jour avec un minimum d’indisponibilité. Supposons que la charge soit de 2 kWh par jour et une durée de vie de 20 ans. Pour alimenter cette charge avec un système photovoltaïque, il faudra un ensemble de modules photovoltaïques  de 500 watts au coût de 4 $ par watt, d’accumulateurs de 900 $, qui doivent être remplacés tous les 5 ans et un  contrôleur de charge de 300 $. Supposons un coût de maintenance du système de 100 $ par année. Bien que la puissance moyenne ne soit que de 83 watts, il est peu probable qu’un générateur de 83 watts sera  utilisé. Aux fins de cet exemple, supposons qu’un générateur essence de 500 watts peut être acheté pour 250 $.  Comme il fonctionne bien sous la charge nominale, une estimation généreuse de l’efficacité est de 2 kWh par  gallon, et utilisera environ 365 gallons d’essence par an avec un prix de 550 $/an et nécessitera un entretien  fréquent avec un coût annuel d’environ 1500 $ pour les changements d’huile, les entretiens du moteur. En raison  de l’utilisation intensive, après 5 ans, le générateur doit être remplacé. Supposons un taux d’inflation de 3% et un taux d’actualisation de 10%.

Solution: Pour le système photovoltaïque, f_a est nécessaire pour 5 ans, 10 ans et 15 ans. Pour le générateur, f_a est également nécessaire pour son remplacement après 5 ans, 10 ans et 15 ans. Pour le système photovoltaïque, f_m1, est nécessaire pour les coûts de maintenance et f_m est nécessaire pour le  carburant du générateur et les coûts de sa maintenance. Pour les chiffres d’inflation et d’actualisation donnés : x = (1 + 0.03 / 1 + 0.01) = 0.9364              f_m = (1 – xⁿ /1 -x) = (1 – 0.9364²⁰/1 – 0.9364) = 11.5        f_m1 =  x × f_m = 10.77 

CCmaint_PV =CCmaint_PV × x ×(1 – xⁿ /1 -x) = 100 × f_m1 = 100 × 10.77 = 1077$ ,   CC_replace_batt_5ans = f_a × C₀_bat = x⁵ ×C₀_bat = 0.9364⁵ × 900 648$

 Eemple :

Même si le coût initial du système photovoltaïque est significativement plus élevé, son CCV est significativement plus bas.

3.1 Coût moyenné de l’énergie LCOE : Le coût de cycle de vie divisé par l’énergie produite le long de la vie du système :

• LCOE = (Coût total du cycle de vie/Energie totale produite le long de la vie du système) = (€/kWh).  Le LCOE PV, exprimé en €/MWh, peut se définir par la formule suivante:
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  Avec : t = temps (en années), n = durée de vie économique du système(en années), CAPEX = investissement initial du système (en €/kWc), OPEX(t) = frais d’exploitation et de maintenance à l’année t (en €/kwc), Production_o =production annuelle initiale sans dégradation(en kWh/kWc), Dégradation =  dégradation annuelle de la puissance nominale du système (en % par an), WACC_nom = Coût moyen  pondéré du capital nominal , WACC_réel = Coût moyen  pondéré du capital réel, Avec WACC_réel = (1 + WACC_nom )/(1 + Inflation) – 1 et l’inflation est le taux d’inflation annuel
• Temps de retour sur investissement : Période de temps nécessaire pour récupérer les fonds dépensés dans l’investissement ou pour atteindre le point  de rentabilité. PBT = (Cout du cycle de vie du système/ Revenue par an) = ans 

3.2 Outils

  Le Simulateur : HYBRIDSIM

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3.4 Tendances du marché des énergies

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Kits hybrides pour petites installations :

Kits hybrides pour petites installations :

3.5 Coût des systèmes photovoltaïques :

Prix des panneaux solaires avec la prime à l’autoconsommation : Après application de la prime pour l’autoconsommation, l’installation de vos panneaux solaires peut vous revenir à :

N’oubliez que l’aide est versée sur 5 ans.

Les facteurs les plus influents sont la puissance de l’installation et la manière dont  vous souhaitez poser les panneaux photovoltaïques sur votre toiture. Si vous  choisissez l’intégration au bâti (IAB), le prix de votre installation sera plus élevé  car les travaux à entreprendre sont plus conséquents. En moyenne, pour une  installation intégrée au bâti, il faut compter entre 2700 € et 3500 € par kWc (matériel+ pose + démarches administratives).La surimposition est une solution moins coûteuse et qui n’implique pas d’altération de votre toiture ; les panneaux solaires sont simplement posés au  dessus, en “surimposition”. Avec cette technique, le coût moyen de l’installation de  panneaux solaires photovoltaïques est compris entre 2200 € et 2800 € par kWc  (matériel + pose +démarches administratives).

3.6 Coût des systèmes éoliens : Cas des éoliennes domestiques (petites installations)

Notre étude de 2011 : Les calculs supposent que le coût initial du système éolien est partagé entre l’éolienne et sa tour  (environ 55%), l’installation (25%), les composants nécessaires au bon fonctionnement du système (Balance-of-System  components BOS) tels que les câbles, les connecteurs, les protections, etc. (10%) et le convertisseur statique (10 %). Les  coûts récurrents concernent seulement la maintenance annuelle qui représente environ 2,5% du coût investi initialement.  Le convertisseur est remplacé tous les 10 ans. Tous les CCVs sont donnés en dollars $   et convertis en euros € (1$ =  0,71854€, valeur moyenne en 2011 donnée par l’institut national de la statistique et des études économiques.

Cas des grandes installations connectés au réseau électrique : Le coût de production de l’électricité éolienne provient essentiellement de ses coûts d’investissement  initial, dont 75% pour l’achat de l’éolienne. Les coûts d’exploitation et de maintenance représentent une part relativement faible des coûts de  production des parcs éoliens. Son coût de fonctionnement est par conséquent très faible.  Coût moyen de production de l’éolien : 76,4 €/MWh (sur 20 ans, actualisation 5%)

3.7 Coût des batteries : Cas des batteries Plomb-Acide

Notre étude de 2011 : nous avons supposé un remplacement tous les 4,2 ans.

Evolution du  coût du cycle de vie de différentes batteries en fonction de leur capacité nominale

Cas des batteries Li-ion : 

  3.8 Etude de cas 

Système  hybride  éolien  photovoltaïque  avec  batteries  pour  un  habitat résidentiel de 4 personnes à La Rochelle (France) ( notre étude en 2010) :

• Deux panneaux PV de type Sharp 170, qui présente le  meilleur rapport qualité/prix chez les fabricants (surface  totale de 1.649×2 = 3.298 m² et prix d’achat de 900  euros).
• Une éolienne de type Kestrel Wind(1000) de 7.07m² de  surface : un bon rapport qualité/prix et un cout  approximatif de 2300 euros.
• 4 batteries en serie de type power-sonic 12V/103Ah avec un prix total d’achat de 695 euros
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Hypothèses de calcul : Le coût de l’installation comprend celui des panneaux estime a 0,8€/W et celui  de la chaine de conversion éolienne estimé a 25% du cout total de l’éolienne et de la tour. On suppose  que le prix de la tour est de 1200€ (12m×100 €/ m). De plus, il faut prévoir 1000€ pour les composants  nécessaires au bon fonctionnement du système (Balance-Of-System components BOS) tels que les  câbles, les connecteurs, les protections, le logement des batteries et le rack pour les panneaux. A tout  cela s’ajoute les couts d’entretien annuels fixes a 2,5% du cout total du capital. Taux d’actualisation de 5%, un taux d’inflation de 3% et une durée de vie de 25 ans.

Résultats : Prix_kWh_re = LCC/[Energie_produite/an]×25 =16159.17/[(3037 + 633.9)×25] = 0.176€/kWh

Ce qui est raisonnable pour une maison autonome par comparaison aux tarifs proposes par EDF Bleu Ciel avec  un prix du KWh d’énergie conventionnelle avec  raccordement au réseau de 0.12€/KWh (puissance  souscrite de 6KVA, offre de base)

Table de calcul :

3.9 Eude de cas-Etude  techno-économique  d’une  centrale  photovoltaïque hybride (batteries Li-ion et super capacités) (Notre étude de 2016):

Hypothèses de calcul :

• Durée de vie de la centrale PV : 25 ans ;
• Prix d’acquisition des batteries lithium-ion: 350 € / kWh;
• Côut des convertisseurs de puissance associés à la station de  stockage : 200€/kW;
• Coûts d’operations et de maintenance (O&M) des panneaux solaires pour une année 20k€/MWc;
• Coûts d’operations et de maintenance du système de stockage  pour une année: 10k€/MW;
• Coûts des équipements électriques : 200€ / kWc;
• Prix des panneaux photovoltaïques (PV): 0.5€/ Wc;
• Coût d’installation des panneaux photovoltaïques (Inst_PV) :  150€/kWc;
• Coût de la connexion au réseau électrique (RNU_cost): 100€ /  kWc;
• Taux d’intérêt (r): 7%;
• Degradation de la production PV par an : 0.5%.
• Coût communiqué par le producteur lors de la réponse à l’offre :  250€/MWh.

Résultats de l’étude : Coût du stockage pour différentes puissances sur les 25 ans

Pour le cas 3 : Si on suppose une production au nord de France de 1000 kWh /KW/an, on  obtient : LCOE = 194 €/MWh.