Guide méthodologique pour la mise en œuvre d’un système d ...

Guide méthodologique

pour la mise en œuvre

d’un système

d’autoconsommation

Livrable Public

Novembre 2014

« Un démonstrateur innovant de gestion intelligente de l’énergie

dans le cadre du plan

Administration Exemplaire »

Projet LUMIOLLIS - Guide méthodologique pour la mise en œuvre d’un système d’autoconsommation 2

Sommaire

1 Introduction ....................................................................................... 3

2 Le projet Lumiollis en bref .............................................................. 4

2.1 Objectif du démonstrateur Lumiollis ................................................................... 4

2.2 Architecture générale du démonstrateur ............................................................ 5

2.3 Résultats attendus .............................................................................................. 7

3 Retours d’expérience – Enseignements du projet Lumiollis ... 8

3.1 Résultats de fonctionnement .............................................................................. 8

3.1.1 Consommation des luminaires .............................................................................................. 8

3.1.2 Production locale et stockage ............................................................................................. 11

3.1.3 Bilan chiffré ......................................................................................................................... 12

3.2 Les facteurs clés de réussite du projet Lumiollis .............................................. 13

4 Installer son système d’autoconsommation ............................. 14

4.1 Etape 1 : Définir son besoin ............................................................................. 14

4.1.1 Les différentes typologies de connexion .............................................................................. 14

4.1.2 Le besoin en stockage électrique ........................................................................................ 15

4.1.3 Les objectifs d’un système d’autoconsommation ................................................................. 16

4.2 Etape 2 : Dimensionner le système .................................................................. 17

4.2.1 D’abord réduire ses consommations ................................................................................... 17

4.2.2 Connaitre sa consommation ................................................................................................ 17

4.2.3 Connaitre son potentiel de production ................................................................................. 18

4.2.4 Critères de dimensionnement ............................................................................................. 18

4.3 Etape 3 : L’installation ...................................................................................... 19

4.3.1 Le choix du matériel ............................................................................................................ 19

4.3.2 Repérer les lieux ................................................................................................................. 19

4.3.3 Tenir compte des usagers ................................................................................................... 20

4.4 Etape 4 : Mise en route et maintenance ........................................................... 20


1 Introduction

En 2011, la Direction Régionale et Interdépartementale de l’Équipement et de l’Aménagement Ile-de-France (DRIEA) souhaitait étudier la faisabilité technique d’un système d’autoconsommation électrique dans le cadre de son programme « Administration exemplaire ». La DRIEA souhaitait ainsi anticiper l’arrivée annoncée de la parité réseau, c’est-à-dire l’alignement du prix d’achat de l’électricité avec le prix de revente d’une électricité produite localement.

Pour cela, la DRIEA s’est rapprochée du pôle de compétitivité S2E2 (Sciences et Systèmes de l’Energie Electrique) qui a lui-même mobilisé quatre PME de son réseau (Ainelec, Easyli, Revame et Neolux) autour du projet Lumiollis.

Le présent document dresse un bilan du projet Lumiollis et, en s’appuyant sur ce retour d’expérience, propose une approche méthodologique pour la mise en place de futurs systèmes d’autoconsommation électrique.

Ce document est l’un des livrables publics prévu dans le cadre du projet. Il est divisé en trois parties.

La première partie présente le projet Lumiollis et le démonstrateur qui a été installé sur le site de la DRIEA situé rue Miollis. Le retour d’expérience et les résultats spécifiques au projet seront ensuite abordés dans une seconde partie. Enfin une troisième partie apportera des éléments méthodologiques pour la mise en œuvre de futurs systèmes d’autoconsommation.


2 Le projet Lumiollis en bref

2.1 Objectif du démonstrateur Lumiollis Actuellement, grâce aux tarifs de rachat attractifs, la production d’installations photovoltaïques est généralement réinjectée sur le réseau de distribution électrique. A plus long terme, les objectifs des gaz à effet de serre (Europe 3x20, facteur 4,…) encourageront plutôt la consommation sur place de l’énergie produite localement. Le principal challenge réside dans la conception et le dimensionnement de systèmes intelligents capables de gérer la production et la consommation du bâtiment pour que celui-ci devienne partiellement ou totalement autonome en énergie.

C’est dans ce contexte que la DRIEA a souhaité initier la réalisation d’un démonstrateur sur son site de la rue Miollis qui permette de mettre en évidence l’intérêt de l’autoconsommation.

Le démonstrateur associe des technologies de production photovoltaïque locale, de stockage électrique par batterie Lithium, d’éclairage faible consommation à base de LED et de gestion intelligente de l’énergie.

Une première phase du projet, menée d’octobre 2011 à mars 2012, s’est d’abord attachée à dimensionner le démonstrateur et à spécifier le cahier des charges technique de l’installation électrique permettant de l’accueillir.

En s’appuyant sur les conclusions de cette première phase, les développements techniques et la mise en place de ce démonstrateur ont débuté en 2013. L’installation est opérationnelle depuis début 2014.


2.2 Architecture générale du démonstrateur L’architecture générale du démonstrateur est représentée Figure 1. Ce démonstrateur comprend :

Une production photovoltaïque (4 kWc) réalisée à partir de panneaux solaires sur le toit du bâtiment B du site Miollis

Un système de stockage (4 kWh) installé dans un local technique dédié et situé dans le hall ascenseurs au niveau 4 du bâtiment B

Un système onduleur, situé dans le même local, permettant de délivrer une tension alternative 230V issue de l’énergie produite localement ou bien du réseau EDF.

Un raccordement du système ci-dessus au réseau d’éclairage du niveau 4 par le biais de l’armoire électrique divisionnaire de l’étage.

Des luminaires à base de LED installés dans les bureaux du niveau 4 et dont l’allumage/extinction est piloté localement (76 luminaires sur 31 bureaux)

Une gestion technique capable de mesurer l’état du démonstrateur et de restituer ces données par le biais d’une interface homme-machine sous la forme d’une application logicielle de supervision ou par l’intermédiaire de pages web générées localement.

Un affichage dans le hall d’accueil du site Miollis utilisant les écrans en place si possible. Le contenu de cet affichage sera récupéré depuis la gestion technique en utilisant le réseau informatique en place.

Figure 1 : Architecture générale du démonstrateur L umiollis et son implantation dans le bâtiment du site Miollis.


L’énergie délivrée par la production locale alimente le réseau d’éclairage du niveau 4 du site Miollis. Le système est également connecté au réseau d’alimentation en électricité du bâtiment qui sera utilisé comme source d’énergie de secours lorsque la production locale devient insuffisante. Plus précisément, le système dispose de deux onduleurs raccordés à deux zones distinctes de ce niveau 4 (zones Nord et Sud). En fonction de la ressource d’énergie locale, le système décide d’utiliser de manière différenciée pour chacune des zones, soit l’énergie locale soit celle du réseau. Le principe de décision est illustré Figure 2.

Figure 2 : Etat d’alimentation des deux zones d’écl airage en fonction de l’état de charge des batteries.


2.3 Résultats attendus La mise en place effective du système devrait permettre d’obtenir les résultats illustrés sur la Figure 3 suivante.

Figure 3 : Principaux résultats attendus par le dém onstrateur Lumiollis.


3 Retours d’expérience – Enseignements du projet Lu miollis Nous abordons dans cette partie quelques faits marquants et résultats du projet Lumiollis. Il convient de rappeler le caractère expérimental de ce projet où certains choix techniques répondaient à des contraintes de calendrier, de budget et de gestion du risque inhérent à tout projet de Recherche & Développement. Quelques exemples illustrent ces choix :

La surface de capteurs solaires a été réduite pour en diminuer le cout tout en gardant une production suffisante pour observer les flux d’énergie avec le reste de l’installation.

La production locale n’a pas été raccordée au réseau de distribution non seulement à cause des délais d’autorisation de raccordement, mais aussi pour permettre d’observer uniquement les aspects d’autoconsommation

La production locale a été réservée au seul usage de l’éclairage sur un nombre restreint de bureaux, d’une part car c’est un poste où on pouvait réaliser un pilotage intelligent, et d’autre part pour limiter la gêne occasionnée pour les usagers du bâtiment (travaux d’installation, impact sur d’éventuels défauts de fonctionnement,…)

Telle quelle, l’installation du projet Lumiollis ne correspond donc pas à une installation optimale, mais elle montre des résultats significatifs qui sont présentés ici et dont nous tenterons, dans la Partie 4 de ce document, de tirer des généralités.

3.1 Résultats de fonctionnement

3.1.1 Consommation des luminaires Le premier résultat significatif concerne la consommation du poste éclairage raccordé au système d’autoconsommation. Avant le projet Lumiollis, l’éclairage était assuré par des tubes fluo (90W par luminaire) allumés en continu de 6h à 22h. Comme prévu la consommation a été fortement réduite grâce à la mise en place de détecteurs de luminosité et de présence. La Figure 4 illustre cela en représentant la puissance consommée sur une zone de bureaux à chaque heure de la journée. La courbe verte rappelle la consommation qui existait avant le projet Lumiollis. La courbe rouge représente l’estimation théorique qui a servi au dimensionnement de l’installation (basée sur une évaluation du taux de présence et de la luminosité moyenne dans les bureaux). La courbe bleue enfin reprend la consommation réelle après travaux d’une journée de février (période hivernale) pour la zone des bureaux située côté Sud du bâtiment. Il s’agit d’une courbe typique qui illustre bien certains résultats qualitatifs :

Le profil de consommation correspond bien aux prévisions d’occupation des locaux (heures d’arrivée et de départ, pause méridienne). On observe deux petits pics de consommation qui n’avaient pas été anticipés, tôt le matin (vers 7h) et tard le soir (vers 21h), et qui correspondent au passage de rondes de sécurité et du personnel d’entretien.

On note bien entendu une réelle économie par rapport à l’installation précédente. L’effet de la luminosité qui permet l’allumage de tous les luminaires en début de matinée et en fin d’après-midi n’est pas aussi marqué que prévu. Nous reviendrons sur ce point en détail dans la suite.

A contrario, la consommation lors de la pause méridienne est plus importante que prévue. Nos observations sur le terrain montrent que les portes des bureaux restent souvent ouvertes. Le passage dans le couloir lorsqu’on est proche du seuil du bureau entraine parfois une détection de présence inopinée qui met en marche les luminaires. Cette observation nous a permis de tirer quelques bonnes pratiques sur le positionnement des détecteurs de présence et leur sensibilité. Ceci explique que pendant la pause méridienne, pendant laquelle on circule beaucoup, certains bureaux restent allumés bien qu’ils soient inoccupés.


Production/conso, Régime batterie, illustrations sur certaines périodes, taux d’auto-consommation

De manière plus quantitative le tableau suivant récapitule les consommations sur les deux zones d’éclairage (Nord et Sud) pour la période de début février à fin juillet (soit 180 jours). Globalement les consommations réelles sont bien inférieures aux prévisions, la réduction des consommations avoisine les 80% (prévision 65%).

Réelle

(kWh) Théorique

(kWh) Avant Lumiollis

(kWh)

Zone Sud

(42 luminaires) 1 360 2 465 7 379

Zone Nord

(34 luminaires) 800 1 995 5 973

Total 2 160 4 460 13 352

Pour évaluer l’influence de la luminosité extérieure sur la consommation, nous avons représenté la consommation journalière moyenne par luminaire pour chaque zone en fonction de l’ensoleillement de cette journée (Figure 5). L’ensoleillement est exprimé par le nombre d’heures d’ensoleillement par jour mesuré à la station météo de Paris-Montsouris. Seuls les jours travaillés ont été retenus, à l’exclusion du mercredi et des périodes de vacances scolaires, pour limiter les écarts liés à la fréquentation du bâtiment. On constate malgré cela une certaine dispersion des points de mesure qui s’explique principalement par l’effet de moyenne sur une journée. En effet la mesure d’ensoleillement résulte d’un cumul sur une journée sans préciser si cet ensoleillement a eu lieu plutôt le matin ou l’après-midi. Une mesure infra-journalière de l’ensoleillement permettrait probablement de réduire cette dispersion. C’est une donnée que nous n’avons pas. Il serait possible d’utiliser les données de production photovoltaïque (données que nous avons) mais il faudrait pour cela pondérer les chiffres avec l’éclairement dans les bureaux en fonction de leur orientation ce qui risque de mener, au final, à des résultats aléatoires.

Malgré cette dispersion, nous avons déterminé à titre indicatif la tendance linéaire de l’effet de l’ensoleillement. La consommation diminue en fonction de l’ensoleillement à raison d’environ 1% par heure d’ensoleillement. La détection de luminosité permettrait donc de réduire la consommation d’environ 8% sur une journée de travail, chiffre à prendre avec précaution en l’état.

Figure 4 : Illustration de la consommation du poste éclairag e sur une journée (Consommation en période d'hiver sur les bureaux côté Sud).


Autre constatation, la zone Nord consomme 20% de moins (par luminaire installé) que la zone Sud. La zone Sud bénéficie d’une luminosité plus importante le matin et la zone Nord l’après-midi. La zone Nord bénéficie d’une période plus longue de luminosité pendant les heures de travail. Si on reprend la consommation globale dans le tableau ci-dessus, on constate que la différence de consommation par luminaire est encore plus marquée. Quoique nous n’ayons pas vérifié cet aspect, il est possible que l’attribution des bureaux dépende du niveau hiérarchique et de la mission de ceux qui les occupent entrainant sur chaque zone des temps d’occupation différents (déplacements, réunions, horaires,…).

En conclusion, l’analyse de ces données montre que l’économie obtenue par un pilotage basé sur la luminosité est réelle. S’il fallait choisir, la détection de présence semble plus avantageuse que la détection de luminosité, sachant que l’une comme l’autre dépendent de nombreux facteurs (usage, orientation, environnement extérieur,…)

Figure 5 : Consommation journalière par luminaire exprimée e n fonction de l’ensoleillement.


3.1.2 Production locale et stockage Nous avons relevé les parts respectives de la production locale et l’énergie issue du réseau consommées par le poste éclairage pour la période de début-mars à mi-juillet 2014. La Figure 6 et la Figure 7 représentent la répartition mensuelle pour chacune des zones. La part d’énergie issue de la production locale est plus importante pour la zone Sud puisque le système s’alimente sur la batterie dès que son niveau de charge est supérieur à 30% alors que pour la zone Nord ce seuil est plus élevé (70%). La Figure 8 représente la répartition globale sur les deux zones. Pour cette période l’énergie issue de la production locale a couvert la moitié des besoins. Comme la période couvre principalement le printemps, peu ensoleillé, ce taux d’autoconsommation devrait augmenter avec les mois d’été pour s’approcher de la valeur prévue de 60-70%.

Si ces résultats sont conformes aux prévisions, il faut garder à l’esprit encore une fois qu’il s’agit d’une installation de démonstration. Dans une installation optimale il serait probablement intéressant d’agrandir le parc photovoltaïque, d’une part pour subvenir davantage aux besoins de la zone Nord, et d’autre part pour éventuellement réinjecter l’excédent sur le réseau de distribution. Les seuils de basculement différents pour les deux zones permettent d’optimiser le taux d’autoconsommation global pour une installation sans réinjection sur le réseau. Néanmoins il semble également que ces seuils améliorent les cycles de charge/décharge de la batterie et donc sa durée de vie. Une analyse plus poussée du régime de la batterie sur une plus longue période est cependant nécessaire pour étayer ce résultat. Cette analyse pourra figurer dans une version ultérieure de ce document.

Figure 7 : Répartition de la provenance de l’énergie pour la zone Nord.

Figure 6 : Répartition de la provenance de l’énergie pour la zone Sud.

Figure 8 : Répartition de la provenance de l’énergie pour les deux zones (Nord + Sud).


3.1.3 Bilan chiffré A l’issue de l’observation sur une période de fonctionnement de 180 jours, soit la moitié de l’année principalement en intersaison, le tableau ci-dessous récapitule les résultats chiffrées qui ont été présentés dans les paragraphes précédents.

Energie en kWh

Observations

Consommation avant 13 352

Consommation après :

Théorique 4 460 réduction de 65%

Réelle 2 160 réduction de 80%

Autoconsommation :

Energie consommée provenant du secteur 1 110 Autoconsommation de 50%

Energie consommée provenant de la production locale

1 050

Economie sur la facture d'électricité 12 242 réduction de 91%


3.2 Les facteurs clés de réussite du projet Lumioll is Comme tous les projets de Recherche et Développement qui aboutissent, Lumiollis présente plusieurs originalités :

A la genèse de Lumiollis, le sujet de l’autoconsommation était peu abordé en France. Quelques projets de démonstration comme Lumiollis ont depuis vu le jour.

Le déploiement d’un démonstrateur technologique dans un bâtiment appartenant à une administration est assez rare ; et à notre connaissance, c’est le premier dans un bâtiment appartenant à l’Etat.

Nous revenons dans les paragraphes qui suivent sur plusieurs facteurs ont contribué à cette réussite et qui nous paraissent comme autant de bonnes pratiques pour de futurs projets.

Le soutien du pôle de compétitivité S2E2 Le pôle S2E2 a apporté un soutien déterminant à toutes les étapes du projet Lumiollis : depuis la construction du projet où S2E2 a su mobiliser plusieurs de ses adhérents et établir une concertation avec la DRIEA, jusque dans la réalisation du projet pour lequel le pôle a assuré la gestion du projet. L’engagement de la DRIEA En tant que Maitre d’Ouvrage, la DRIEA a également joué un rôle clé. L’impulsion de la sa direction a permis d’obtenir une ligne budgétaire pour le projet (dans le cadre du programme « Administration exemplaire »), et de mener une procédure pour la passation de marché adaptée au contexte d’un tel projet de R&D. La direction a également su mettre à disposition une personne capable d’assurer l’interface technique et opérationnelle avec le consortium du projet.

Tout projet de Recherche & Développement présente son lot d’incertitudes. C’est parce que la DRIEA a su prendre une part de ce risque aux coté des industriels que Lumiollis a pu voir le jour.

La préparation en amont L’installation d’un démonstrateur dans un site occupé, en devant veiller à ne pas entraver la bonne marche des services de la DRIEA, était également un challenge qui a été relevé grâce à un long travail en amont. Ce travail préparatoire de dimensionnement et de validation technique ont permis de réduire les aléas de l’installation sur le terrain.

Le lien avec les usagers Le personnel travaillant sur le site Miollis était le premier impacté par l’installation du démonstrateur. On a donc veillé à l’informer en amont (réunion d’information, état d’avancement par mél, personne ressource, mise en place d’un bureau témoin avant les travaux,…).

S’agissant de personnel du Ministère de l’Ecologie, le projet a probablement bénéficié d’un terreau favorable. Il n’en demeure pas moins que malgré la gêne parfois occasionnée par le chantier, le projet Lumiollis est aussi devenu leur projet.


4 Installer son système d’autoconsommation En s’appuyant sur l’expérience du projet Lumiollis, nous tentons dans cette partie de tirer des enseignements plus généraux sur l’installation d’un système d’autoconsommation électrique. Conscients que chaque bâtiment possède ses propres spécificités et qu’il n’y a donc pas de solution unique nous suggérons ici une approche méthodologique et quelques bonnes pratiques.

4.1 Etape 1 : Définir son besoin

4.1.1 Les différentes typologies de connexion Il faut avant tout bien distinguer les différents types de raccordement d’une installation de production locale. Les schémas de la page suivante résument ces différentes typologies. Par souci de simplicité les dispositifs de protection ne sont pas indiqués.

4.1.2 Le besoin en stockage électrique Au-delà d’une production locale il faut également se poser la question d’un stockage local. Dans une stratégie d’autoconsommation, le stockage a pour principal intérêt de palier à des décalages temporels entre production et consommation. Par nature, la production solaire a lieu le jour et atteint son maximum en milieu de journée (à conditions météo identiques) alors que la consommation dépend des usages.

Dans un bâtiment résidentiel par exemple, la pointe de consommation ayant lieu en soirée on comprend l’intérêt de stocker une partie de l’énergie produite pendant la journée pour la restituer le soir. Dans un bâtiment tertiaire, l’essentiel des activités a lieu pendant la journée. Dans ce cas le stockage paraît moins avantageux, même si on a observé, dans l’installation de Lumiollis, un intérêt en début et fin de journée ainsi qu’en début d’après-midi (rechargement des batteries pendant la pause méridienne). Ce mode de fonctionnement pour le démonstrateur suffit à justifier le surcout engendré par l’installation des batteries.

Toujours pour le cas précis de Lumiollis, l’énergie produite et stockée le week-end permet d’alimenter une partie de la journée du lundi. Ce qui contribue à augmenter le taux d’autoconsommation dans la mesure où l’installation n’est pas raccordée au réseau.

Par conséquent le choix, ou non, de disposer d’un stockage va dépendre de l’usage du bâtiment. Si le recours au stockage ne s’avère pas pertinent au moment du dimensionnement de l’installation, nous recommandons toutefois de réserver la possibilité d’installer ultérieurement des batteries au système. En effet, le système électrique français va connaitre de profondes évolutions tant sur le plan technique (Smart Grids) que sur le plan législatif et régulatoire. Dans cette perspective il est probable que le stockage local soit davantage valorisé en rendant des services, non plus seulement pour sa consommation locale, mais également pour le réseau électrique entier :

En fournissant l’énergie stockée pendant la journée pendant la pointe de soirée.

En puisant l’énergie stockée pour sa propre consommation lorsque le tarif de l’électricité fournie par le réseau est plus chère ou que le réseau est saturé (dans le cas notamment des péninsules électriques comme la Bretagne ou la région PACA)

En négociant les services ci-dessus de manière groupée en pilotant plusieurs installations locales par le biais d’un agrégateur


Réinjection directe sur le réseau de distribution

C’est le dispositif le plus répandu compte tenu des tarifs de rachat avantageux. Il ne s’agit pas à proprement parler d’un dispositif d’autoconsommation même si l’énergie réinjectée sur le réseau peut être immédiatement réutilisée pour la consommation.

Sauf à rendre des services au réseau de distribution, la batterie a peu d’intérêt dans cette configuration (voir §4.1.3).

Autoconsommation avec réinjection sur le réseau de l’excédent produit localement. D’un point de vue des flux d’énergie cette configuration est équivalente à la précédente. Elle est utilisée lorsque certaines conditions de raccordement au réseau l’exigent (longueur de la ligne notamment). Elle permet néanmoins de mieux piloter des arbitrages entre stockage, consommation et réinjection.

Alimentation par la production locale secourue par le réseau La production locale alimente un ou plusieurs postes de consommation. En cas de pénurie d’énergie locale l’onduleur bascule sur le réseau. C’est la configuration actuelle du démonstrateur Lumiollis.

Contrairement aux dispositifs précédents, on s’affranchit des normes de sécurité et de qualité d’alimentation imposées par le réseau (DIN VDE typiquement). Le cout de l’installation, notamment de l’onduleur, est ainsi réduit.

Cette configuration peut également offrir une sécurité d’alimentation puisqu’il s’agit finalement d’un réseau ondulé auquel on ajoute une production solaire. Néanmoins, l’inconvénient de cette solution c’est que l’énergie excédentaire produite localement n’est pas valorisée. Ce qui peut conduire à sous-dimensionner la production photovoltaïque.

Autoconsommation totale La production locale pourvoit à tous les besoins de consommation. Le raccordement au réseau est inutile.

Cette configuration oblige à sur-dimensionner la production locale pour subvenir aux pics de consommation.

Sauf à être très éloigné d’un réseau électrique ou que la qualité de fourniture de celui-ci laisse à désirer, cette configuration présente peu d’intérêt. C’est au moins le cas sur une majeure partie du territoire français.

Légende :

Panneaux photovoltaïques

Ils convertissent l’énergie solaire en énergie électrique sous forme de courant continu.

Batterie

Elles stockent l’énergie électrique sous forme de courant continu.

Onduleur

Il convertit le courant continu en courant alternatif 230V.

Usages

Les différents appareils qui consomment.

Compteur

Il compte l’énergie qui transite dans un sens (production) ou dans

l’autre (consommation).

Limite entre le réseau électrique du bâtiment

et le réseau de distribution.

Réseau de distribution


4.1.3 Les objectifs d’un système d’autoconsommatio n Pour clore cette étape, il convient aussi d’analyser ce qui motive la décision d’installer un système d’autoconsommation.

Motivation financière Avec un tarif de l’électricité exceptionnellement bas en France il est difficile de prétendre réaliser une opération financière compétitive. Et ce d’autant plus pour une production locale, qui ne bénéficie pas des économies d’échelle que peuvent promettre une production plus centralisé. Grâce aux tarifs avantageux de rachat de la production locale il est possible d’envisager un retour sur investissement sur une période souvent supérieure à 10 ans si on revend intégralement l’énergie produite.

La parité réseau (prix d’achat égal au prix de revente) constituera un seuil psychologique pour véritablement envisager une rentabilité d’un système d’autoconsommation. Le dimensionnement optimal dans le cas de Lumiollis a montré qu’il était néanmoins possible d’atteindre un retour sur investissement sur 15 ans avant la parité réseau.

Motivation budgétaire Un système d’autoconsommation permet de réduire sa facture énergétique avec un impact positif direct sur le budget de fonctionnement annuel. Ceci bien entendu grâce à l’investissement initial que constitue l’installation de ce système qui, lui impute le budget d’investissement.

Sans pour autant occulter le retour sur investissement évoqué précédemment, il s’agit d’une situation souvent intéressante pour les collectivités capables de mobiliser des fonds pour l’investissement, et qui cherchent parallèlement à réduire leurs dépenses de fonctionnement.

Motivation sociale Installer un système d’autoconsommation ne passe pas inaperçu et permet de susciter l’intérêt des usagers ou des habitants du bâtiment. En subvenant à ses besoins énergétiques c’est l’occasion de prendre conscience de sa consommation et d’initier des changements de comportement. Au final ce sont de nouvelles économies sur la facture énergétique.

Motivation environnementale La part d’énergie produite localement diminue d’autant le recours au réseau électrique et à sa production majoritairement d’origine nucléaire et fossile. Notons toutefois que certaines études qui se sont intéressées au cycle de vie complet de systèmes photovoltaïques laissent à penser que le bilan carbone global n’est pas forcément si avantageux.

Néanmoins, si la mise en place du système est accompagnée d’une réduction des consommations (voir §4.2.1), cela a une conséquence directe sur la réduction des émissions de CO2 et donc sur l’environnement.

Motivation d’image Communiquer sur la mise en place d’un système d’autoconsommation contribue à renvoyer une image positive en interne comme en externe.

S’agissant d’une collectivité ou de l’Etat, c’est aussi un moyen de montrer l’exemple et de répondre à ses engagements en matière de transition énergétique.


4.2 Etape 2 : Dimensionner le système

4.2.1 D’abord réduire ses consommations Lorsqu’on cherche à optimiser un système d’autoconsommation on se retrouve rapidement confronté à un curieux dilemme : plus on consomme plus l’installation devient rentable. Lors des premiers calculs de dimensionnement pour le projet Lumiollis, on a montré qu’en conservant l’éclairage existant, très énergivore, il était possible de diviser par deux le temps de retour sur investissement du système de production/stockage.

Evidemment ne pas d’abord agir sur sa consommation va à l’encontre de la motivation d’installer un tel système.

Si on regarde les différents usages de l’énergie électrique on peut trouver des leviers d’économie. Sans prétendre à l’exhaustivité ces leviers sont les suivants :

Le poste CVC (Chauffage, Ventilation, Climatisation) lorsqu’il est électrique représente un poste important. Réduire ce poste de consommation revient principalement à améliorer la performance énergétique de l’enveloppe du bâtiment (travaux d’isolation) et d’installer des systèmes de pilotage intelligents (l’inertie thermique du bâtiment constitue d’ailleurs un levier de stockage d’énergie). Il s’agit donc en soi d’un investissement prioritaire devant celui d’un système d’autoconsommation. Dans le cas de Lumiollis, le site est raccordé au chauffage urbain et ne constitue donc pas un poste de consommation électrique important.

Le poste ECS (Eau Chaude Sanitaire) est relativement réduit notamment dans le tertiaire. Notons toutefois que les ballons d’eau chaude permettent de stocker de l’énergie. Un pilotage intelligent de ces ballons associés à la production locale peut donc s’avérer intéressant.

Le poste Eclairage représente un poste important. Dans un bâtiment tertiaire performant c’est souvent l’un des postes prépondérants. Nous avons montré dans le projet Lumiollis que la mise en place d’un éclairage moins énergivore (LEDs) associé à un pilotage intelligent (détection de présence et de luminosité) a permis de réduire la consommation de plus de 60%. D’autres solutions de pilotage existent, par exemple en couplant le contrôle d’accès avec la commande d’allumage de l’éclairage.

Citons enfin tous les autres usages électriques, souvent branchés sur les prises électriques. Dans les bâtiments tertiaires l’informatique constitue l’un des premiers postes de consommation. Des systèmes existent par exemple pour la mise en veille automatique ou encore des architectures de serveurs informatiques répartis. Mais comme il s’agit d’usages fortement liés à l’activité des usagers ou des habitants du bâtiment, les leviers d’économie sont parfois réduits et nécessitent souvent un changement dans les comportements.

4.2.2 Connaitre sa consommation Pour permettre le dimensionnement du système il est nécessaire de modéliser la consommation. D’abord en identifiant les usages qui seront connectés au système.

Ensuite en établissant la courbe de charge (puissance consommée en fonction du temps) sur une année au pas horaire (soit ~8700 heures) :

Qui tienne compte des économies évoquées au paragraphe précédent tout au long de la journée Qui reflète les périodes d’usage (semaine, week-ends, périodes de congés,…)

Qui intègre éventuellement la saisonnalité des consommations (besoins énergétiques plus importants en hiver par exemple)


4.2.3 Connaitre son potentiel de production Pour établir son potentiel de production, il faut d’abord étudier la zone d’implantation des panneaux photovoltaïques pour déterminer la surface utilisable et vérifier les éventuelles zones d’ombrage à certaines heures de la journée.

L’implantation de panneaux photovoltaïque constitue pour certains une nuisance visuelle. Une fois que l’implantation des panneaux est déterminée, il convient donc très en amont d’en informer le voisinage, de manière informelle (au nom des bonnes relations de voisinage) et surtout de manière réglementaire (déclaration préalable déposée en mairie et affichage public au moins 2 mois avant le début des travaux pour respecter les délais de contestation).

Autre point à anticiper, la tenue mécanique du bâtiment pour recevoir les panneaux doit être vérifiée. Pour des raisons de garantie, il est préférable d’avoir recours à un organisme de certification.

A partir des conditions d’ensoleillement locales, il s’agit de déterminer la production par m² de panneaux sur une année au pas horaire. Ce type de calcul nécessite le recours à un logiciel de simulation, comme par exemple PVSYST ou PV*SOL pour ne citer que les plus connus.

En plus d’étudier la configuration classique (orientation sud, inclinaison 30°) qui permet une production annuelle maximale, il peut être également intéressant de simuler une configuration qui optimise la production en période hivernale quand les besoins sont souvent plus importants.

4.2.4 Critères de dimensionnement Le dimensionnement du système est le point essentiel. Il s’agit essentiellement d’ajuster la surface des panneaux photovoltaïques et la capacité de stockage des batteries en tenant compte :

De la courbe de charge (§4.2.2)

De la courbe de production (§4.2.3)

Du cout du matériel (couts fixes et couts variables)

De la durée de vie du matériel

Une première passe d’optimisation cherchera à diminuer la période de retour sur investissement et à maximiser le taux d’autoconsommation (part de l’énergie produite localement effectivement consommée). L’expérience de Lumiollis a montré qu’il y a convergence de solution entre ces deux critères.

Une seconde passe d’optimisation permettra d’affiner les couts de maintenance et de remplacement du matériel. En particulier pour les batteries, car la durée de vie et, in fine le retour sur investissement, dépend du régime de charges/décharges qu’elles subissent. Le régime batterie observé sur Lumiollis contribue à préserver la durée de vie des batteries, grâce à leur dimensionnement et au choix des seuils de déclenchement sur les deux zones.

Si elles sont fondamentales, ces étapes d’optimisation demeurent assez complexes. Dans le cadre du projet Lumiollis, les partenaires ont été amenés à élaborer un outil de calcul permettant de trouver plus rapidement la configuration optimale.


4.3 Etape 3 : L’installation

4.3.1 Le choix du matériel Le choix du matériel installé, en partie dictée par l’étude préalable de dimensionnement, va naturellement dépendre des prestataires et fournisseurs. Encore une fois le retour d’expériences de Lumiollis a permis de constater des différences de cultures techniques entre les membres du consortium. Le domaine des énergies renouvelables évolue dans un environnement différent de celui du stockage électrique, l’éclairage procède également d’une autre culture. Au-delà des différences d’approche parfaitement surmontables, le point dur réside dans la coexistence de systèmes conçus à la base pour fonctionner indépendamment. Par exemple la majorité des onduleurs prévoit une interface de communication avec un protocole maitre-esclave dont ils s’attribuent nativement le rôle de maitre. C’est le cas de figure identique pour le système de gestion des batteries. Gérer ce type de difficulté n’est pas anodin et nécessite une bonne coordination entre prestataires. Il vaut donc mieux choisir un groupement qui ait fait ses preuves et qui aura désigné un des partenaires comme coordinateur de la mise en œuvre.

Il appartient cependant au maitre d’ouvrage de garder certains points de vigilance sur le choix du matériel :

S’assurer de la qualité et de la robustesse du matériel car il est appelé à durer.

Vérifier la capacité de communication du système avec le bâtiment. La présence d’une interface internet semble le minimum. Auquel cas il faudra également s’assurer que le système pourra se connecter au sein de réseaux de données souvent sécurisés.

Prévoir l’évolutivité du système, notamment dans sa capacité à s’interfacer avec le réseau électrique (voir §4.1.1)

Tenir compte des contraintes propres du bâtiment et de ceux qui l’utilisent afin de minimiser les éventuels impacts négatifs sur leur travail ou leur confort. Par exemple, pour limiter le temps d’intervention dans les bureaux, le projet Lumiollis a opté pour un simple remplacement des tubes fluorescents par des tubes LEDs plutôt que de changer l’intégralité du luminaire.

4.3.2 Repérer les lieux Afin de bien préparer le chantier il est préférable de prévoir plusieurs visites préliminaires pour bien fixer les détails de l’installation.

Plusieurs points nécessitent une vigilance particulière :

L’accès à la toiture tant pour acheminer le matériel lors de l’installation que pour la maintenance.

La capacité de la toiture à recevoir l’installation (voir §4.2.3)

Le cheminement des câbles vers l’intérieur du bâtiment sans dégrader son étanchéité

Le raccordement de l’installation électrique sur le réseau électrique du bâtiment et le raccordement à la terre

Le raccordement au réseau de données

Les dispositifs de protection avec un éventuel raccordement à la centrale de sécurité

Les dispositions relatives à la sécurité du chantier et de l’installation.


4.3.3 Tenir compte des usagers Tout chantier occasionne des désagréments, en particulier pour ceux qui fréquentent quotidiennement le bâtiment. Afin de les minimiser, les visites préliminaires sont l’occasion de se concerter pour trouver les meilleures solutions. Lors de la préparation du chantier de Lumiollis, on a par exemple veillé à réduire le temps d’intervention dans les bureaux, à regrouper les interventions bruyantes (perçage), à couper l’alimentation électrique pendant la pause méridienne…

Un travail d’information est nécessaire pour informer les usagers du déroulement du chantier.

Mais au-delà de la seule période du chantier, il faut bien mesurer le caractère relativement nouveau de disposer d’une production locale. A travers cette installation on peut convoquer un nouveau rapport à l’énergie, sur ce qu’on consomme, ce qu’on peut économiser, etc. Il est donc primordial d’expliquer et de communiquer sur ce qu’on attend de l’installation et sur ce qui pourrait être changé au quotidien. Pour cela nommer un point de contact en interne parait une bonne pratique. Celui-ci pourra trouver les différents canaux d’information (réunions, affichage, mailing). La mise en route du système peut aussi constituer un moment fort. L’accès aux données de fonctionnement du système par chacun (moniteur dans le hall, accès web,…) permettra aussi une bonne appropriation.

Quand on cherche à faire des économies d’énergie le facteur humain est parfois prépondérant. Une motivation des usagers constitue donc une garantie de succès.

4.4 Etape 4 : Mise en route et maintenance Chaque implantation étant particulière une période de rodage (ou de parfait achèvement) doit être prévue.

Pendant les premiers mois, il faut prévoir une surveillance rapprochée du fonctionnement du système et s’aménager des possibilités d’intervention pour corriger d’éventuels dysfonctionnements.

Etant donné également que le système n’aura pas le même comportement en été et en hiver, une bonne pratique consiste à faire un bilan de fonctionnement au bout d’une année de service.

En ce qui concerne la maintenance du système, le matériel (y compris les batteries) est conçu pour durer. La maintenance d’un tel système reste donc relativement simple. Une visite annuelle de l’installation est suffisante. Cette visite prévoira un nettoyage des panneaux photovoltaïques et une inspection visuelle de l’installation. En plus de cette visite, l’analyse des données de fonctionnement peut permettre d’identifier des dérives sur le long terme et ainsi offrir un service supplémentaire de maintenance préventive.

Les partenaires qui ont participé au projet Lumiollis, présentés ci-dessous, ont également contribué à la rédaction de ce document.

Il est évident que le projet Lumiollis revêt une importance industrielle et commerciale pour les entreprises participantes. Pendant la rédaction de ce document chacun a cependant souhaité adopter un regard critique sur les résultats du projet et, par souci d’honnêteté intellectuelle, tenté de s’affranchir d’un discours commercial ou partisan. Nous laissons au lecteur le soin de juger si nous y sommes parvenus et la possibilité de nous contacter si, comme nous, le sujet de l’autoconsommation le passionne.

AINELEC spécialiste en conversion d'énergie développe depuis 1990 des produits électroniques sous cahier des charges clients. Depuis 2005 la société propose sa propre gamme de convertisseurs d'énergie mise sur le marché en 2010.

20 ans de R/D ont permis à AINELEC d'acquérir une expérience et un savoir-faire considérable en équipements électroniques à destination des installations photovoltaïques et éoliennes, raccordées au réseau ou hybrides.

Notre département de recherche et développement, en collaboration avec des partenaires à la pointe de l'évolution technologique. travaille sur les « énergies des nouvelles générations ».

Notre approche embrasse des compétences d'études, de conception de prototypes. de fabrication de présérie et une même volonté : Le respect de l'environnement.

Nos produits vont des convertisseurs statiques de l'énergie électriques (onduleurs, chargeurs...) aux systèmes de contrôle commande associés.

Easyli conçoit et fabrique des systèmes batteries au lithium et des solutions innovantes clés-en-main de stockage d’énergie pour l’autoconsommation des énergies renouvelables et la propulsion des véhicules électriques

Easyli dispose en interne des compétences en électrochimie, en électronique, en électrotechnique et en mécanique pour répondre à toutes les exigences spécifiques de ses clients.

Depuis 2007, NEOLUX LED lighting solutions est spécialisée dans la conception, l’intégration et la commercialisation de solutions d’éclairage LED innovantes pour les professionnels.

REVAME est une société de conseil et d'ingénierie spécialisée dans la maîtrise de l'énergie appliquée au secteur du bâtiment et de l'habitat.

Elle accompagne ses clients depuis l'expression de besoins, la définition des cahiers des cahiers des charges et les pré-études, jusqu'à la réalisation des projets ou produits. Ses expériences et ses compétences permettent à REVAME d’intervenir sur des problématiques architecturales de gestion technique et sur des opérations de conception et développement de produits spécifiques destinés à la mesure ou à la gestion des grandeurs physiques liées au confort et à la performance énergétique.

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PÔLE DE COMPETITIVITE S2E2 : Bogdan ROSINSKI, Conseiller Technologique,

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