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Production d'électricité - Photovoltaïque - 1 000 kW / Allemagne
Mandat de l'étude de cas
Votre firme de génie-conseil a été mandatée pour conseiller la municipalité de Herne en Allemagne sur la viabilité financière d'installer un grand système photovoltaïque intégré au bâtiment (PVIB) pour un nouveau centre de formation. Une compétition internationale a d'ailleurs permis de sélectionner un concept de bâtiment intégrant de nombreuses innovations architecturales et environnementales.
Données techniques
Le site est situé à Herne dans l'État de Nordrhein-Westfalen dans l'ouest de l'Allemagne, soit à 60 km au nord-est de Düsseldorf, et environ à 170 km à l'ouest de Kassel.
Le nouveau centre de formation fera la démonstration du concept « d'enveloppe microclimatique », soit une enveloppe de verre et de modules PV semi-transparents qui engloberont une surface de 12 000 m2. Le volume englobé inclura les bâtiments et structures dont les aires de lecture du centre, les salles de réunion, la zone administrative, la bibliothèque, le gymnase et les autres équipements collectifs. L'enveloppe de verre devrait permettre de reproduire au nord de l'Allemagne un climat à l'intérieur méditerranéen doux. Elle protégera, mais n'isolera pas totalement, l'espace intérieur de l'environnement extérieur. De plus, une ventilation naturelle et des brises de ventilation seront générées grâce à l'utilisation d'évents motorisés positionnés sur l'enveloppe externe. Un système sophistiqué d'ombrage obtenu grâce au placement judicieux des modules photovoltaïques permettra d'éviter les surchauffes. L'enveloppe de verre modérera aussi les variations de température intérieure pour réduire les charges de chauffage et de climatisation tout en donnant l'impression d'être à l'extérieur.
La majeure partie de la surface du toit sera recouverte de 925 kWc de modules PV semi-transparents. Les modules installés sur le toit seront inclinés de 5° par rapport à l'horizontale et orientés vers le sud. 75 kWc de modules PV seront aussi installés verticalement sur la façade ouest de l'enveloppe. Un nombre important de petits onduleurs permettront d'alimenter les charges électriques du bâtiment et le réseau électrique, en cas d'excédent.
Pour les besoins de l'analyse des réductions d'émissions de gaz à effet de serre, voici les données sur les différentes sources d'énergie pour la production d'électricité que le projet remplacera : 31 % charbon, 7 % gaz naturel, 28 % mazout #6, 30 % nucléaire, et 4 % éolien et autres renouvelables.
Données financières
Une estimation initiale des coûts du projet a été obtenue. En moyenne, les modules PV en silicium polycristallin coûteront environ 5 670 €/kWc, tandis que le coût total des onduleurs sera approximativement de 600 000 €. L'installation de toutes les composantes du système PVIB coûtera environ 860 000 €. L'ingénierie et la planification des tâches, incluant l'étude de faisabilité et tous les coûts de développement de projet, coûteront environ 560 000 €. Finalement, les frais annuels d'exploitation et d'entretien sont estimés à 15 300 € par année.
Les modules PV utilisés comme matériel de toit remplaceront le matériel de recouvrement traditionnel et les systèmes d'ombrage qui seraient autrement requis dans le cadre du concept de ce type de bâtiment. Les coûts évités correspondants sont approximativement de 2,5 millions d'euros.
Pour promouvoir l'installation de systèmes PV, le gouvernement allemand garantit une prime au prix d'achat de l'électricité produite. Le centre de formation intégrant un système photovoltaïque de grande capacité recevra donc 0,457 €/kWh pour une période minimale de 20 ans. De plus, comme il s'agit d'un projet de démonstration important, environ 50 % de l'investissement total sera subventionné par le gouvernement fédéral et les États allemands. La municipalité paiera le reste du coût en capital, sera propriétaire du système, l'opérera et recevra tous les revenus découlant de la vente d'électricité.
Les données financières nécessaires à l'étude sont les suivantes : taux d'indexation du coût en combustible de 3 %, taux d'inflation de 2 % et taux d'actualisation de 8 %. La durée de vie du système est estimée à 30 ans.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Résultats
Après plus de 10 ans de planification et la tenue d'un concours international d'architecture, l'Académie du Mont-Cenis a été construite de 1997 à 1999 à Herne, dans l'État de Nordrhein-Westfalen en Allemagne. Localisée à 60 km au nord-est de Düsseldorf, la ville de Herne est située au coeur historique du développement industriel et de l'exploitation du charbon en Allemagne. L'Académie est elle-même située sur la mine de charbon du Mont-Cenis. Avec son concept environnemental et technique innovateur, le centre constitue un point d'intérêt de notoriété internationale qui est un symbole du renouveau écologique et économique de la région.
Parmi l'ensemble des innovations énergétiques et environnementales, l'élément le plus notable du bâtiment de 12 000 m² est son « enveloppe microclimatique », une vaste enveloppe de verre et de modules PV semi-transparents. L'enveloppe de verre englobe un certain nombre de bâtiments et de structures dont les aires de lecture du centre, les salles de réunion, la zone administrative, la bibliothèque, le gymnase et les autres équipements collectifs. Bien que les bâtiments soient chauffés l'hiver, l'espace dans l'enveloppe ne l'est pas. Un système de ventilation mécanisé à grande échelle, et une variation stratégique de la densité des cellules PV pour l'ombrage sont utilisés afin de reproduire un climat méditerranéen doux à l'intérieur de l'enveloppe.
Les modules PV permettent de réaliser diverses fonctions clés associées au concept de bâtiment, soit un matériel de toit esthétiquement séduisant, le contrôle de l'ombrage qui régule l'admission de l'énergie solaire et de la lumière, et finalement, la production d'électricité. La capacité totale du système PVIB est de 1 000 kWc, ce qui en faisait le plus grand système PV au monde lors de sa mise en service.
Le système photovoltaïque de grande capacité intégré au bâtiment produit plus de 2,5 fois d'électricité que le centre consomme. La loi allemande sur l'énergie renouvelable (Erneuerbare Energien Gesetz - EEG) favorise l'installation de systèmes PV connectés au réseau avec un prix garanti pour l'électricité sur 20 ans. Ceci améliore de manière importante la rentabilité du système photovoltaïque de l'Académie du Mont-Cenis.
Le système PVIB et l'enveloppe microclimatique globale ont bien fonctionné depuis leur construction.
Description du système
À peu près 10 000 m2 de la surface du toit sont constitués de 925 kWc de modules semi-transparents. Chaque module est incliné légèrement (5°) vers le sud. 75 kWc de modules PV sont aussi installés verticalement sur la façade ouest du bâtiment. Plusieurs types de cellule PV polycristalline sont utilisés, tous fabriqués par Solarex et ASE. Quelque 569 onduleurs individuels Sunny Boy 1500 (1 500 W chacun) sont installés en de multiples séries de rangées pour fournir l'électricité solaire aux bâtiments du Mont-Cenis et au réseau électrique.
Leçons à tirer
La capacité mondiale photovoltaïque installée s'accroît de 20 à 30 % sur une base annuelle depuis le milieu des années 90. Les systèmes PV fournissent maintenant l'équivalent de l'électricité consommée par plus d'un million de personnes. La majeure partie de cette croissance a été alimentée par la volonté des gouvernements européens, et particulièrement allemand, de faire du PV une source d'énergie importante. En conséquence, les coûts des modules et des systèmes continuent de diminuer tandis que l'efficacité et la variété des produits disponibles s'accroissent. Les systèmes photovoltaïques de grande capacité intégrés aux bâtiments offrent plus de flexibilité et de rentabilité en utilisant les modules non seulement pour produire de l'électricité, mais aussi en tant que matériau de construction séduisant et de grande valeur.
Photos
Bâtiment d'éducation - Photovoltaïque, Westfalen, Allemagne - Photo 1
Bâtiment d'éducation - Photovoltaïque, Westfalen, Allemagne - Photo 2
Références
Mandat de l'étude de cas
Votre firme de génie-conseil a été mandatée pour conseiller la municipalité de Herne en Allemagne sur la viabilité financière d'installer un grand système photovoltaïque intégré au bâtiment (PVIB) pour un nouveau centre de formation. Une compétition internationale a d'ailleurs permis de sélectionner un concept de bâtiment intégrant de nombreuses innovations architecturales et environnementales.
Données techniques
Le site est situé à Herne dans l'État de Nordrhein-Westfalen dans l'ouest de l'Allemagne, soit à 60 km au nord-est de Düsseldorf, et environ à 170 km à l'ouest de Kassel.
Le nouveau centre de formation fera la démonstration du concept « d'enveloppe microclimatique », soit une enveloppe de verre et de modules PV semi-transparents qui engloberont une surface de 12 000 m2. Le volume englobé inclura les bâtiments et structures dont les aires de lecture du centre, les salles de réunion, la zone administrative, la bibliothèque, le gymnase et les autres équipements collectifs. L'enveloppe de verre devrait permettre de reproduire au nord de l'Allemagne un climat à l'intérieur méditerranéen doux. Elle protégera, mais n'isolera pas totalement, l'espace intérieur de l'environnement extérieur. De plus, une ventilation naturelle et des brises de ventilation seront générées grâce à l'utilisation d'évents motorisés positionnés sur l'enveloppe externe. Un système sophistiqué d'ombrage obtenu grâce au placement judicieux des modules photovoltaïques permettra d'éviter les surchauffes. L'enveloppe de verre modérera aussi les variations de température intérieure pour réduire les charges de chauffage et de climatisation tout en donnant l'impression d'être à l'extérieur.
La majeure partie de la surface du toit sera recouverte de 925 kWc de modules PV semi-transparents. Les modules installés sur le toit seront inclinés de 5° par rapport à l'horizontale et orientés vers le sud. 75 kWc de modules PV seront aussi installés verticalement sur la façade ouest de l'enveloppe. Un nombre important de petits onduleurs permettront d'alimenter les charges électriques du bâtiment et le réseau électrique, en cas d'excédent.
Pour les besoins de l'analyse des réductions d'émissions de gaz à effet de serre, voici les données sur les différentes sources d'énergie pour la production d'électricité que le projet remplacera : 31 % charbon, 7 % gaz naturel, 28 % mazout #6, 30 % nucléaire, et 4 % éolien et autres renouvelables.
Données financières
Une estimation initiale des coûts du projet a été obtenue. En moyenne, les modules PV en silicium polycristallin coûteront environ 5 670 €/kWc, tandis que le coût total des onduleurs sera approximativement de 600 000 €. L'installation de toutes les composantes du système PVIB coûtera environ 860 000 €. L'ingénierie et la planification des tâches, incluant l'étude de faisabilité et tous les coûts de développement de projet, coûteront environ 560 000 €. Finalement, les frais annuels d'exploitation et d'entretien sont estimés à 15 300 € par année.
Les modules PV utilisés comme matériel de toit remplaceront le matériel de recouvrement traditionnel et les systèmes d'ombrage qui seraient autrement requis dans le cadre du concept de ce type de bâtiment. Les coûts évités correspondants sont approximativement de 2,5 millions d'euros.
Pour promouvoir l'installation de systèmes PV, le gouvernement allemand garantit une prime au prix d'achat de l'électricité produite. Le centre de formation intégrant un système photovoltaïque de grande capacité recevra donc 0,457 €/kWh pour une période minimale de 20 ans. De plus, comme il s'agit d'un projet de démonstration important, environ 50 % de l'investissement total sera subventionné par le gouvernement fédéral et les États allemands. La municipalité paiera le reste du coût en capital, sera propriétaire du système, l'opérera et recevra tous les revenus découlant de la vente d'électricité.
Les données financières nécessaires à l'étude sont les suivantes : taux d'indexation du coût en combustible de 3 %, taux d'inflation de 2 % et taux d'actualisation de 8 %. La durée de vie du système est estimée à 30 ans.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- Pour simplifier l'analyse, le système PV a été modélisé en considérant que tous les modules PV étaient installés à un angle de 5° par rapport à l'horizontale.
- La valeur par défaut, disponible dans RETScreen, du rendement nominal des modules PV de type poly-Si a été utilisée.
- La quantité d'électricité réellement produite par le champ PV (700 000 kWh/an) est environ 16 % plus faible que l'énergie renouvelable fournie telle qu'évaluée avec RETScreen.
- Les coûts de transport des modules PV sont estimés égaux aux coûts de transport des matériaux de recouvrement de toits traditionnels. Ces coûts auraient été supportés, même si les modules PV n'avaient pas été utilisés. Par conséquent, les coûts de transport de ces éléments s'annulent l'un l'autre et ne sont donc pas inclus dans l'analyse.
- Tous les coûts périodiques sont annualisés et inclus dans les frais annuels d'exploitation et d'entretien. Les frais de réparation et de remplacement des onduleurs constituent souvent le coût périodique principal des systèmes PV. Dans le cas qui nous intéresse, de nombreux petits onduleurs sont utilisés et il est donc possible d'intégrer aux frais d'exploitation et d'entretien, l'impact des défaillances de ces onduleurs en tenant compte d'un certain taux de défaillance annuel (environ 4 à 6 unités par année).
- Les subventions ou encouragements sont intégrés à l'analyse comme représentant 50 % de l'investissement total (c.-à-d. sans inclure les 2,5 millions d'euros de crédits pour les matériaux remplacés).
Résultats
Après plus de 10 ans de planification et la tenue d'un concours international d'architecture, l'Académie du Mont-Cenis a été construite de 1997 à 1999 à Herne, dans l'État de Nordrhein-Westfalen en Allemagne. Localisée à 60 km au nord-est de Düsseldorf, la ville de Herne est située au coeur historique du développement industriel et de l'exploitation du charbon en Allemagne. L'Académie est elle-même située sur la mine de charbon du Mont-Cenis. Avec son concept environnemental et technique innovateur, le centre constitue un point d'intérêt de notoriété internationale qui est un symbole du renouveau écologique et économique de la région.
Parmi l'ensemble des innovations énergétiques et environnementales, l'élément le plus notable du bâtiment de 12 000 m² est son « enveloppe microclimatique », une vaste enveloppe de verre et de modules PV semi-transparents. L'enveloppe de verre englobe un certain nombre de bâtiments et de structures dont les aires de lecture du centre, les salles de réunion, la zone administrative, la bibliothèque, le gymnase et les autres équipements collectifs. Bien que les bâtiments soient chauffés l'hiver, l'espace dans l'enveloppe ne l'est pas. Un système de ventilation mécanisé à grande échelle, et une variation stratégique de la densité des cellules PV pour l'ombrage sont utilisés afin de reproduire un climat méditerranéen doux à l'intérieur de l'enveloppe.
Les modules PV permettent de réaliser diverses fonctions clés associées au concept de bâtiment, soit un matériel de toit esthétiquement séduisant, le contrôle de l'ombrage qui régule l'admission de l'énergie solaire et de la lumière, et finalement, la production d'électricité. La capacité totale du système PVIB est de 1 000 kWc, ce qui en faisait le plus grand système PV au monde lors de sa mise en service.
Le système photovoltaïque de grande capacité intégré au bâtiment produit plus de 2,5 fois d'électricité que le centre consomme. La loi allemande sur l'énergie renouvelable (Erneuerbare Energien Gesetz - EEG) favorise l'installation de systèmes PV connectés au réseau avec un prix garanti pour l'électricité sur 20 ans. Ceci améliore de manière importante la rentabilité du système photovoltaïque de l'Académie du Mont-Cenis.
Le système PVIB et l'enveloppe microclimatique globale ont bien fonctionné depuis leur construction.
Description du système
À peu près 10 000 m2 de la surface du toit sont constitués de 925 kWc de modules semi-transparents. Chaque module est incliné légèrement (5°) vers le sud. 75 kWc de modules PV sont aussi installés verticalement sur la façade ouest du bâtiment. Plusieurs types de cellule PV polycristalline sont utilisés, tous fabriqués par Solarex et ASE. Quelque 569 onduleurs individuels Sunny Boy 1500 (1 500 W chacun) sont installés en de multiples séries de rangées pour fournir l'électricité solaire aux bâtiments du Mont-Cenis et au réseau électrique.
Leçons à tirer
- Les cellules photovoltaïques intégrées à l'enveloppe du bâtiment peuvent réaliser plusieurs fonctions (c.-à-d. protection contre le climat, ombrage, éclairage naturel et production d'électricité), ce qui améliore significativement leurs valeur et rentabilité.
- Les systèmes photovoltaïques de grande capacité intégrés au bâtiment permettent des économies d'échelle et peuvent résulter en de faibles coûts du kWc installé.
- Des circonstances imprévisibles telles que des températures plus hautes sous le toit intégrant les modules PV et un ombrage léger dû à la configuration en dent de scie des modules inclinés peuvent résulter en une perte de performance de l'ensemble du système.
- L'utilisation de nombreux petits onduleurs facilite le remplacement des unités défectueuses et élimine les coûts périodiques élevés associés aux défaillances des onduleurs centralisés de grande taille.
- Un système photovoltaïque de grande capacité intégré au bâtiment peut constituer un élément rentable et au fort potentiel d'attraction en matière de durabilité et de haute technologie pour toute une communauté.
La capacité mondiale photovoltaïque installée s'accroît de 20 à 30 % sur une base annuelle depuis le milieu des années 90. Les systèmes PV fournissent maintenant l'équivalent de l'électricité consommée par plus d'un million de personnes. La majeure partie de cette croissance a été alimentée par la volonté des gouvernements européens, et particulièrement allemand, de faire du PV une source d'énergie importante. En conséquence, les coûts des modules et des systèmes continuent de diminuer tandis que l'efficacité et la variété des produits disponibles s'accroissent. Les systèmes photovoltaïques de grande capacité intégrés aux bâtiments offrent plus de flexibilité et de rentabilité en utilisant les modules non seulement pour produire de l'électricité, mais aussi en tant que matériau de construction séduisant et de grande valeur.
Photos
Bâtiment d'éducation - Photovoltaïque, Westfalen, Allemagne - Photo 1
Bâtiment d'éducation - Photovoltaïque, Westfalen, Allemagne - Photo 2
Références
- Belotserkovsky, V., « Communications personnelles », GPCo Inc., 2003.
- IEA Photovoltaic Power Systems Program, http://www.oja-services.nl/iea-pvps/cases/index.htm.
- Krause, « Communications personnelles », Scheuten Solar Technology GmBH, 2003.
- Lee, E.J., « Communications personnelles », Korea Institute of Energy Research (KIER) et Korean Solar Energy Society (KSES), 2003.
- Mletzko, L. (Ed.), Impressum: Akademie Mont-Cenis Herne, Susa-Verlag, 1999.
