RETScreen - Production d'électricité - Notes du formateur
DIAPOSITIVE 1 : RETScreen - Projets de production d’électricité
RETScreen permet de déterminer rapidement la viabilité technique et financière d'un grand nombre de projets de production d’électricité, comme par exemple la centrale géothermique de cette photo, située en Islande et qui a une puissance de 120 MW. Cette présentation vous montrera comment analyser des projets de production d’électricité à l'aide du logiciel RETScreen.
DIAPOSITIVE 2 : Aperçu des différents types de projets de production d’électricité
Les projets de production d’électricité fournissent de l'électricité à une charge. Les différents types de charge permettent de distinguer différents types de projets de production d’électricité. Les projets « raccordés à un réseau », comblent les besoins de plusieurs charges interconnectées par un « réseau » mais aussi à d’autres projets qui peuvent fournir de l’électricité à ce même réseau. Un réseau peut être très étendu : c’est le cas d’un réseau dit « central » qui raccorde typiquement les charges et les centrales d'une grande région ou d'un continent entier. Les éoliennes que l’on voit à droite se trouvent à Pori en Finlande. Elles fournissent de l'électricité au réseau central européen via les lignes de transport que l’on voit sur la même photo.
Parfois un réseau reliant des charges et des génératrices interconnectées peut être beaucoup plus petit. Lorsque de petites communautés ou des sites miniers ou industriels se trouvent trop à l’écart du réseau central, ils peuvent être desservis par un réseau local indépendant du réseau central, on appelle un tel réseau un « réseau isolé ». Un réseau isolé peut être alimenté par une centrale Diesel ou par de petites centrales hydroélectriques. La chute d’eau que l’on voit en haut à gauche voisine un projet hydroélectrique comprenant une turbine de 18 MW et trois autres de 1 MW qui permettent d’alimenter les villages de Fort Smith, Fort Resolution et Hay River, dans les Territoires du Nord-Ouest au Canada.
Il est parfois plus simple et logique de combler les besoins d’une seule charge en la raccordement directement à une installation de production électrique sans passer par un réseau. Cela peut arriver quand la charge exige peu de puissance ou que son raccordement à un réseau est trop coûteux parce qu’il est trop éloigné. La photo en bas à gauche montre un groupe diesel électrogène de 3 kW, alimentant une maison dans la région Kalimantan Tengah en Indonésie. Les applications « hors-réseau » comme les relais de télécommunications peuvent aussi être alimentées par des systèmes photovoltaïques solaires. Dans le cas des systèmes de surveillance et de contrôle de puits de gaz naturel, on utilise des générateurs thermoélectriques.
RETScreen peut être employé pour analyser des projets de production d’électricité qu’ils alimentent le réseau central aussi bien qu’un réseau isolé ou pour des applications hors-réseau.
DIAPOSITIVE 3 : Technologies de production d’électricité
Il est possible de produire de l'électricité à l'aide d'une vaste gamme de technologies. Certaines d'entre-elles exploitent directement des sources renouvelables d’énergie. Cette photo montre des modules photovoltaïques installés sur les toits des bâtiments d'une ferme de Bavière, en Allemagne. Ces modules photovoltaïques transforment directement le rayonnement solaire en électricité, qui peut ensuite être soit transmise au réseau, comme dans cet exemple, soit employée hors-réseau.
Depuis le début de cette présentation nous avons déjà évoqué trois autres technologies de production d'électricité de source renouvelable : les éoliennes qui exploitent l'énergie cinétique du vent; les turbines hydroélectriques qui tirent profit de l'énergie potentielle et cinétique de l'eau s'écoulant d’un niveau surélevé; et la géothermie profonde qui exploite la vapeur produite par la chaleur provenant du magma terrestre qui en certains endroits du monde effleure à quelques kilomètres seulement sous le sol; ces mêmes centrales peuvent également fournir le chauffage nécessaire aux immeubles, à l'agriculture et à l'industrie.
Il existe d'autres technologies qui exploitent directement des sources renouvelables d’énergie. Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs semi-conducteurs sensibles aux photons de la lumière solaire qui permettent de générer de l’électricité directement à partir du rayonnement solaire. Le rayonnement peut aussi être converti en chaleur puis en vapeur dans des centrales solaires thermiques à concentration. La vapeur produite peut être convertie en électricité par une turbine à cycle de Clausius-Rankine ou un moteur Stirling.
Plusieurs technologies émergentes cherchent à exploiter l’énergie houlomotrice, c’est à dire l’énergie des vagues des océans ou des mers. L’énergie des vagues peut être exploitée soit en misant sur les mouvements de haut en bas de l’onde qui peut activer un piston dans la partie immergée d’une bouée ancrée au large, soit en misant sur les oscillations d’un flotteur à la surface de l’eau, ou encore en exploitant l’énergie cinétique des vagues qui viennent s’écraser sur la côte. La première centrale houlomotrice de démonstration à pleine échelle a une capacité de 2,25 MW; elle a été mise en service au Portugal en 2008.
Les usines marémotrices et les hydroliennes tirent leur énergie des courants marins. Dans le premier cas, il s’agit d’exploiter les marées quotidiennes dues à l’attraction de la Lune, et à un niveau moindre, du Soleil et qui peuvent, en certains endroits du monde atteindre plusieurs mètres par rapport au niveau moyen de la mer, selon la topographie des fonds et des côtes. À ces endroits, la puissance de la marée est en mesure d'actionner des turbines de production d'électricité. Ces turbines peuvent être installées dans un barrage qui contrôle l’entrée ou la sortie d’eau d’un estuaire ou d’une crique, permettant à son niveau de différer de celui de l'océan. La turbine peut tourner dans les deux sens selon que la marée monte ou descend. D’autres dispositifs sans barrage peuvent simplement exploiter les courants de marée. Le barrage de la Rance en France est une usine marémotrice d’une puissance de 240 MW en exploitation depuis 1967. Il n’existe que peu de projets de ce type au monde, pas seulement à cause du coût de construction élevé d'un barrage mais aussi à cause de ses impacts écologiques possibles sur l'estuaire.
Les courants océaniques ne sont pas dus qu’aux marées. Les grands courants océaniques découlent des gradients de température et de la salinité des eaux en différents endroits du monde. Contrairement à l'action des marées, ces courants sont relativement constants à longueur d'année. Dans certaines zones côtières, ces courants peuvent être très rapides et on envisage immerger des turbines dans le flux de ces courants pour en tirer de l’électricité. Certaines turbines ressemblent aux rotors des éoliennes; on les appelle des hydroliennes. D'autres approches sont en cours de développement. Ces installations connaissent un intérêt de plus en plus marqué et plusieurs projets de démonstration ont été réalisés ou sont à l'étude.
RETScreen contribue à l'analyse de tous ces types de projets; les installations les plus communes, telles que les éoliennes, les minicentrales hydroélectriques et les systèmes photovoltaïques, sont modélisées avec précision.
DIAPOSITIVE 4 : Technologies (suite)
Bien que les technologies d’énergies renouvelables soient de plus en plus courantes, ce sont en majorité des machines thermiques utilisant des combustibles fossiles qui continuent de produire l'électricité dans le monde.
Les machines thermiques transforment, selon les lois de la thermodynamique, l'énergie thermique en énergie mécanique ou en électricité grâce à l'écart de température entre une source chaude et une source froide, un puits de chaleur pouvant absorber les rejets thermique à basse température. Le plus souvent c’est la combustion d'un combustible fossile qui est la source de chaleur, et l’air ambiant ou l'eau d'une rivière ou d'un lac qui absorbent les rejets thermiques. Mais il existe d’autres machines thermodynamiques qui fonctionnent sans combustible fossile comme celles qui sont utilisées dans les projets géothermiques ou les centrales solaires thermiques que nous avons évoqués précédemment.
Une turbine à vapeur est une machine thermique qui exploite la force de la vapeur à haute température et haute pression, et la transforme en mouvement en ramenant cette vapeur à basse température et basse pression, un état où elle doit être évacuée de la machine en cédant de la chaleur à basse température pour retourner à l’état liquide, ce qui permet de réintroduire l’eau dans la bouilloire à haute pression. Ce cycle s’appelle le cycle de Clausius-Rankine, ou parfois simplement le cycle de Rankine. Le flux de vapeur à haute pression agit sur les nombreuses pales radiales de la turbine qui, en tournant, entraîne une génératrice d'électricité. Les centrales modernes basées sur le cycle de Rankine optimisé ont des rendements pouvant atteindre 40 %.
Ce sont les turbines à vapeur de type Rankine qui produisent la majeure partie de l'électricité dans le monde. L’intérêt de passer par la vapeur comme vecteur énergétique est de pouvoir utiliser toutes sortes de combustibles. Une turbine à vapeur a seulement besoin d’une source de chaleur permettant de l’alimenter en vapeur avec les caractéristiques pour lesquelles elle a été conçue. Ces turbines peuvent donc faire partie intégrante de centrales géothermiques ou solaires aussi bien que nucléaires ou à charbon. Nous verrons plus loin qu’une vaste gamme de combustibles divers peuvent être utilisés pour produire de la vapeur, comme des combustibles renouvelables de biomasse.
Une turbine à gaz, un autre type de machine thermique, est beaucoup moins polyvalente, car la combustion se produit à l'intérieur même de la turbine. La plupart des centrales employant des turbines à gaz utilisent du gaz naturel. D’autres turbines à gaz comme les moteurs d’avion utilisent du mazout ou du kérosène. Ce sont les gaz chauds résultant de la combustion qui agissent directement sur les pales de la turbine raccordée à une génératrice; le rendement global peut atteindre 35 à 40 %.
L’avantage des turbines à gaz est leur légèreté, leur faible encombrement et leur mise en place rapide en comparaison des centrales à charbon ou nucléaires qui exigent des infrastructures beaucoup plus lourdes et des investissements beaucoup plus élevés. Les turbines à gaz se mettent en route rapidement et peuvent facilement suivre les aléas de la demande d’électricité. Le prix de revient de l'électricité produite des turbines à gaz est directement lié au coût du gaz naturel. Ce coût est souvent si élevé, que les turbines à gaz ne sont employées qu'en périodes de pointe, étant activées uniquement lorsque les centrales hydroélectriques, les éoliennes ou les centrales nucléaires, plus économiques, ne suffisent pas à répondre à la demande.
Les gaz d'échappement qui sortent d'une turbine à gaz sont très chauds, généralement bien au-dessus de 300 °C. Dans une centrale à gaz à cycle combiné, ces gaz d’échappement sont employés pour produire de la vapeur qui entraîne à son tour une turbine à vapeur. Le rendement d’une centrale combinant ainsi deux types de turbine peut atteindre 60 %. C’est pourquoi cette configuration est celle qui est adoptée dans la plupart des nouvelles centrales alimentées au gaz naturel en Amérique du Nord et en Europe.
Alors que les pales d'une turbine tournent sur un axe, l'expansion des gaz en combustion d'un moteur à explosion force le déplacement alternatif d'un piston dans un cylindre. Les moteurs à pistons communément installés dans les véhicules automobiles sont également employés pour produire de l'électricité. Le moteur à quatre temps utilise le cycle Beau de Rochas. Pendant le premier temps d’admission, le piston aspire en descendant un mélange d'air et de carburant. La soupape d'admission se ferme, le piston remonte : c’est la phase de compression du mélange admis. Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d'allumage. La détente des gaz portés à haute température lors de l’explosion force le piston à descendre pour le troisième temps. Ce mouvement est le seul temps moteur du cycle. Lors du quatrième et dernier temps d'échappement, les gaz brûles sont évacués du cylindre par la remontée du piston.
Un moteur Diesel est une variante du moteur à 4 temps qui emploie des carburants à indice d'octane inférieur qui s'enflamment à plus basse température. Plutôt que d’aspirer un mélange d'air et de carburant, le moteur n'aspire que de l'air. Le carburant est injecté vers la fin de la phase de compression. La compression est plus forte que dans un moteur à essence et la température atteinte en fin de compression est suffisante pour que le carburant injecté s’enflamme de lui-même sans étincelle. La fin du cycle est identique à celle du moteur à essence.
Les groupes électrogènes utilisant des moteurs à pistons peuvent atteindre des rendements de 40 %. Ils sont souvent employés dans des applications en réseau isolé et hors-réseau. Cette technologie éprouvée continue d’être améliorée. Elle est très largement répandue dans le monde. De nouvelles technologies comme les turbines à gaz de faible puissance et les piles à combustible sont encore peu utilisées.
Des petites turbines à gaz ayant des capacités de 1 à 200 kW apparaissent sur le marché. Elles fonctionnent sur le même principe que les plus grandes turbines mais tournent à des vitesses plus élevées. Elles sont généralement intégrées au réseau à l'aide de techniques d'électronique de puissance, et offrent l’avantage d’avoir peu de pièces mobiles. Leur rendement est inférieur à celui des moteurs à piston, surtout si on les utilise à des capacités inférieures à leur puissance nominale.
Une pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction d'un oxydant (l'oxygène de l'air). La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau. Elle transforme directement l'énergie chimique en électricité. C'est un générateur de courant continu, à la différence des machines tournantes qui produisent du courant alternatif.
Une pile à combustible est semblable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure le transfert des ions et donc le passage du courant électrique. Comme une pile classique, elle consomme les produits chimiques et continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et en oxygène. Une pile à combustible alimentée en hydrogène et en air ne produit que de l'eau dont on peut parfois observer directement la condensation lorsqu'elle fonctionne à basse température.
Les lois de la thermodynamique définissent le rendement maximal théorique d'une machine thermique en fonction de l’écart de température entre la source de chaleur et le puits de chaleur. Les piles à combustible ne sont pas assujetties à ces limites, mais d’autres considérations thermodynamiques limitent leur rendement théorique de 50 à 70 % des valeurs difficiles à atteindre en conditions d'exploitation. Les rendements d'exploitation typiques des piles à combustible sont comparables à ceux des moteurs à explosion. Les piles à combustible produisent donc toutes des rejets thermiques. La température de ces rejets dépend du type de pile à combustible.
DIAPOSITIVE 5 : Principes de fonctionnement des installations de production d’électricité
Prenons l’exemple d'une turbine à gaz pour nous familiariser avec quelques un des importants concepts et la terminologie associés à l’exploitation d’une installation de production d’électricité.
L'air de combustion est d’abord aspiré et comprimé. À la sortie du compresseur, le combustible, disons du gaz naturel, est injecté et brûlé, ce qui augmente la température, la pression et la vitesse des gaz résultant de la combustion. Ces gaz chauds à température élevée, activent une turbine qui entraîne à la fois le compresseur et la génératrice électrique. La génératrice transforme en électricité l'énergie mécanique de la turbine en rotation.
Comme avec la plupart des machines thermiques, les gaz d'échappement qui sortent de la turbine sont encore suffisamment chauds pour transformer de l'eau en vapeur dans un dispositif appelé ‘’générateur de vapeur à récupération de chaleur’’. Nous avons mentionné que cette vapeur peut alimenter une turbine à vapeur qui générera à son tour de l’électricité dans une centrale à cycle combiné. Mais cette vapeur peut également être directement employée dans des procédés industriels ou d'autres applications de chauffage. Les gaz d'échappement qui sortent du générateur de vapeur ne sont généralement plus assez chauds pour produire de la vapeur de qualité, mais peuvent encore être employés pour des usages à basse température comme le chauffage des locaux ou la production d’eau chaude sanitaire.
L'utilisation des rejets thermiques d'une centrale électrique peut augmenter remarquablement le rendement global d’utilisation d’un combustible et générer des revenus additionnels pouvant justifier les investissements à consacrer au projet. Il est possible d'atteindre des rendements globaux supérieurs à 80 %. La réussite de tels projets de cogénération de chaleur et d’électricité, dépend normalement de l'existence, durant presque toute l'année, d'une charge thermique proche de la centrale et exigeant une température inférieure à celle des rejets thermiques. Ces projets de cogénération et les réseaux de distribution de chaleur à basse température sont l'objet du module de formation Analyse RETScreen de projets de cogénération.
Dans RETScreen, le rendement des piles à combustible, des moteurs à pistons et des turbines à gaz est exprimé sous la forme d’une consommation spécifique de chaleur. Il s'agit de la quantité d'énergie, sous forme de combustible, que consomme le projet afin de produire une unité d'électricité; l'unité de mesure employée est le kJ par kWh ou BTU par kWh. L'écart entre l'énergie pouvant être dégagée par la consommation de combustible et l'énergie électrique produite est estimée être disponible sous forme de chaleur pour d'autres applications. Dans un projet de production combinée de chaleur et d'électricité, il existe une charge pour une certaine fraction de cette chaleur, le restant étant dissipé dans l'environnement avant son utilisation à toute autre fin. La fraction utilisable dépendra de la température de la chaleur disponible et de la température minimum de la chaleur requise par la charge. Il dépend aussi des caractéristiques de l'équipement de récupération, d'acheminement et de fourniture de cette chaleur « résiduelle » à la charge. Dans le cadre de RETScreen, cette fraction de chaleur résiduelle disponible pouvant être transmise à une charge se nomme « Taux de récupération de chaleur ». Il s'agit du pourcentage de la quantité de chaleur dégagée par l'équipement de production d'électricité qui est récupérée sous forme d'énergie thermique utile. Si la température d'opération de l'équipement de production d'électricité est trop basse, seule une partie de la chaleur produite peut être récupérée de manière utile.
Les valeurs typiques du taux de récupération de chaleur varient de 50 à 80 %.
DIAPOSITIVE 6 : Types de combustibles
La production d’électricité peut se faire à partir de divers combustibles. C’est pourquoi RETScreen permet de spécifier de nombreux combustibles différents dont il connait le pouvoir calorifique, ce qui lui permet de transformer les quantités produites d’électricité en quantités nécessaires de combustible. Pour ce faire, RETScreen utilise la donnée de la consommation spécifique de chaleur de l’installation. Dans le cas des turbines à vapeur, il utilise aussi le rendement saisonnier de la chaudière pour produire la vapeur ayant les caractéristiques requises d’alimentation de la turbine.
RETScreen traite de tous les combustibles employés par les projets de production de chaleur. La cellule « type de combustible » de RETScreen présente à l'utilisateur une liste déroulante de différents combustibles. Ceux-ci comprennent, dans le cas de combustibles fossiles, le charbon, le diesel, l'essence, le kérosène, le mazout et le gaz propane. Le choix de biocombustibles est encore plus varié, se composant de biodiesel, biogaz, bio-huile, éthanol, méthanol, divers bois et écorces, de la tourbe, divers types de paille, bagasse, panic raide, chanvre et autres déchets agricoles, et bien d'autres. Les autres combustibles de la liste offrent une gamme surprenante de possibilités, pneus usés, biogaz, déchets alimentaires, résidus forestiers, déchets de jardin, déchets de café, compost, cuir, arbres de Noël, litière de volaille et déchets d'emballage. Pour compléter le tout, la liste comprend également les vecteurs énergétiques comme l'hydrogène et l'électricité. Il y a également un combustible qui peut être défini par l'utilisateur.
Avant de spécifier les valeurs des rendements, il est important de ne pas oublier que le contenu énergétique d'un carburant ou d’un combustible peut être défini en incluant ou non la chaleur de condensation de la vapeur d’eau dans les fumées. Pour inclure la chaleur latente de condensation, on utilise le Pouvoir calorifique supérieur ou PCS. C’est cette valeur qui est utilisée par convention en Amérique du Nord. Ailleurs dans le monde, on utilise plus souvent le Pouvoir calorifique inférieur ou PCI, qui exclut cette chaleur latente de condensation. L'utilisateur détermine lui-même dans RETScreen s’il veut utiliser le PCI ou le PCS.
Dans RETScreen, lorsque l'utilisateur choisit un projet d'énergie renouvelable autre que la biomasse, il n’y a plus de consommation de combustible pour produire l’électricité. Ce sont d’autres données qui sont utilisées comme celles touchant le vent, l’ensoleillement, la température du sol, les débits d’eau de rivières ou de courants marins…
DIAPOSITIVE 7 : Analyse RETScreen de projets de production d’électricité
RETScreen évalue la viabilité financière d'un projet de production d’électricité en comparant le projet proposé à un cas de référence. Le projet proposé comprend généralement une technologie d'énergie propre, alors que le cas de référence est typiquement basé sur une technologie conventionnelle. RETScreen compare les différences de coûts à l’investissement et à l’exploitation entre le projet proposé et le cas de référence.
Une analyse de projet RETScreen comporte un certain nombre d'étapes.
Premièrement, pour les systèmes hors-réseau ou reliés à un réseau devant également alimenter une charge interne, l'utilisateur décrit les caractéristiques de la charge et du système de production électrique du cas de référence. Pour les systèmes reliés à un réseau, le cas de référence est l'électricité fournie par le réseau existant. Ainsi, les coûts et les émissions associés à la production de 1 MWh d'électricité du réseau sont directement spécifiés. Deuxièmement, l'utilisateur spécifie les caractéristiques du projet proposé, son rendement et ses surcoûts ou économies en investissement, à l'exploitation et pour son entretien par rapport au cas de référence. Troisièmement, l'utilisateur choisit la stratégie d'exploitation de l’installation proposée. En effet, le modèle Production d’électricité de RETScreen a besoin de savoir ce qui décide du niveau d’utilisation de l’installation en plus de ses caractéristiques et de son rendement pour calculer la quantité d’électricité qu’elle produira et en déduire les économies ou coûts d’exploitation qu’elle générera en comparaison du cas de référence.
Une fois ces paramètres précisés, l'utilisateur peut examiner les résultats du modèle Production d’électricité de RETScreen qui sont regroupés dans un sommaire pour en faciliter l’analyse. S’il le désire, l’utilisateur peut compléter ces résultats sur les consommations annuelles d’énergie par une analyse de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Le modèle calcule alors la différence entre les émissions de GES du projet proposé et celles du cas de référence, selon une méthode normalisée développée en collaboration avec le Programme des Nations Unies pour l’environnement et le Fonds prototype pour le carbone de la Banque mondiale. Enfin, un sommaire financier fournit toutes les informations permettant de juger si le projet est financièrement viable ou non, compte-tenu des flux de trésorerie, des considérations fiscales, de subventions, de crédits pour production d’énergie renouvelable ou de réduction d’émissions de GES. L'analyse financière peut être complétée, sur une base facultative, par une analyse de sensibilité et de risques qui identifie comment les variations de certains paramètres peuvent affecter de façon différence la rentabilité du projet. Cette analyse se réalise en partie grâce à une simulation de type « Monte Carlo » qui choisit 500 combinaisons différentes des paramètres clés en les faisant varier de manière aléatoire à l’intérieur de plages d’incertitude respectives.
Dans le but de faciliter ces analyses, RETScreen a été conçu pour une utilisation conviviale. C’est ainsi que Microsoft Excel a été choisi pour l’accueillir et le présenter sous la forme d’un outil connu de tous. Les fonctions d’Excel ont été complétées de plusieurs dizainnes de milliers de lignes de programmation permettant ainsi à RETScreen d’être aussi puissant et polyvalent.
RETScreen aide également l’utilisateur à choisir les paramètres nécessaires à l'analyse grâce à plusieurs bases de données intégrées. RETScreen contient une base de données climatiques mondiales provenant de 4 700 stations météorologiques au sol. En outre, grâce à une collaboration de longue date avec la NASA, RETScreen incorpore des données climatiques mondiales tirées de 20 ans d'observations par satellite. En plus de la base de données climatique, RETScreen contient une base de données de produits comptant plus de 7 000 dispositifs de production d’électricité, allant des turbines aux piles à combustible.
Un manuel d'aide en ligne de 1 000 pages guide l'utilisateur et fournit des explications détaillées sur les différentes technologies d'énergie propre. De nombreux outils exécutent des calculs techniques précis directement applicables à RETScreen, comme, par exemple, le calcul du rendement d'un échangeur de chaleur géothermique, ou la conversion d'unités de mesure, les propriétés de la vapeur, les équivalences de GES et plus encore.
En plus du logiciel d’analyse, RETScreen est un outil de formation à distance offrant du matériel didactique en plusieurs langues, un manuel détaillé présentant les algorithmes utilisés par RETScreen et fournissant de l'information de base sur les technologies d'énergie propre, des études de cas et des liens vers des cartes de ressources énergétiques.
DIAPOSITIVE 8 : Types d'analyses
En raison de la grande versatilité de RETScreen, l’utilisateur doit configurer le logiciel en fonction de l'analyse voulue. Cette configuration comprend le choix de plusieurs options dans une liste déroulante de la feuille de démarrage RETScreen.
La feuille de démarrage s'affiche lors de l'ouverture de RETScreen. L'utilisateur y spécifie le nom et le lieu du projet, le lieu des données climatiques et quelle convention utiliser pour caractériser le contenu énergétique des combustibles : à savoir le Pouvoir calorifique inférieur ou le Pouvoir calorifique supérieur. L'utilisateur choisit entre la « Méthode 1 » pour une analyse simplifiée tenant sur une seule feuille de calcul, ou la « Méthode 2 » pour une approche plus détaillée présentant des feuilles séparées pour les différents éléments de l'analyse. Pour avoir accès aux options de langue, de devises et de système d'unités, l’utilisateur doit cocher la case « Afficher paramètres ».
Le choix du « type de projet » est une étape importante de la configuration. Une liste déroulante propose une gamme étendue d'options, dont plusieurs se rapportent à des projets de production d’électricité. Si l’utilisateur choisit ‘’Production d’électricité’’, le modèle considère que le projet proposé comprend un seul moyen de production d’électricité qui sera comparé à un seul autre moyen du cas de référence. La technologie employée pour produire l’électricité du projet proposé est choisie dans la feuille de démarrage, parmi les nombreux choix offerts dans la liste déroulante à droite de la cellule « Technologie ». La liste comprend les turbines à vapeur, les turbines à gaz, les turbines à gaz en cycle combiné, les piles à combustible, les moteurs à pistons, l’énergie géothermique, les turbines hydroélectriques, l’énergie des courants marins (océaniques), le photovoltaïque, les éoliennes, le solaire thermique, l’énergie des vagues, l’énergie marémotrice et une catégorie « autre », pour les projets inhabituels, difficiles à classifier.
Si le type de projet choisi est « Production d’électricité- multiples technologies », le projet proposé comporte un système de base, un système intermédiaire et un système de pointe, employant chacun une technologie différente. Le type de technologie de production électrique ne figure plus sur la feuille Démarrage. Il faut alors se rendre sur la feuille Modèle énergétique pour spécifier la technologie employée pour chaque système de production d’électricité.
Pour les projets qui utilisent les rejets thermiques d’une installation de production électrique, l'utilisateur choisira un projet de type « Production de chaleur et d'électricité ». Si le système de production de froid représente une charge électrique significative de la production d’électricité, l'utilisateur trouvera utile de choisir le type « Production de froid et d'électricité ». Tous ces besoins peuvent être combinés dans un projet de type « Production de froid, de chaleur et d'électricité » qui permet même d'employer les rejets thermiques de la production d’électricité pour alimenter la machine frigorifique à sorption. Toutes ces options, dont le type de projet « Électricité – Multiples technologies», permettent de spécifier des systèmes de base, intermédiaire et de pointe employant différentes technologies. Les présentations Analyse d'un projet de cogénération et Analyse d’un projet de production de chaleur et de froid du cours de formation RETScreen contiennent plus d'information sur ces technologies.
RETScreen traite évidemment des technologies autres que celles de production d'électricité. Celles-ci figurent également dans la liste déroulante « Type de projet ».
DIAPOSITIVE 9 : Type de réseau
La feuille Démarrage de RETScreen comporte également une liste déroulante pour le « Type de réseau », à l'aide de laquelle l'utilisateur indique si le projet sera raccordé à un réseau central, à un réseau isolé ou s'il s'agira d'un projet hors-réseau. Pour les projets alimentant une charge interne mais pouvant envoyer sur un réseau les surplus d’électricité non utilisés par la charge interne, RETScreen propose les types « Réseau central et charge interne », et « Réseau isolé et charge interne ». Ces choix d’une charge interne sont particulièrement utiles lorsque le tarif pour l'électricité achetée du réseau diffère du prix que l’on peut obtenir pour l'électricité que l’on envoie vers le réseau. De plus, RETScreen permet d’entrer un autre tarif suite au projet proposé, au cas où ce projet réduirait les achats d'électricité du réseau à un point tel que le client changerait de catégorie tarifaire et perdrait un tarif réservé aux plus gros consommateurs.
Dans un réseau central ou isolé sans charge interne, on considère que la totalité de la production d’électricité sera transmise au réseau. Dans ce cas, RETScreen emploie l'expression « Électricité exportée au réseau ». Il n'est pas nécessaire de décrire avec précision l'équipement du cas de référence, qui serait l'ensemble général des génératrices et installations de transmission composant le réseau; l'utilisateur spécifie plutôt uniquement le « Prix de l'électricité exportée » ou la valeur monétaire du montant payé par un service public ou autre client pour 1 MWh d'électricité envoyé vers le réseau.
Lorsqu'une charge interne est présente, RETScreen ajoute une feuille « Charge et réseau » où l'utilisateur spécifie les caractéristiques de la charge des projets de production d’électricité proposé et du cas de référence. L’utilisateur indique donc les valeurs de la charge moyenne mensuelle, la charge de pointe annuelle, et le prix de l’électricité du cas de référence. RETScreen calcule la portion des besoins annuels en énergie électrique de la charge interne qui est assurée par le projet proposé, l'économie de coûts résultante et quelle quantité d’électricité le projet proposé est capable de produire pour exportation au réseau.
Pour les projets de réseau isolé avec charge interne, l'utilisateur peut également spécifier une capacité maximale d'absorption par le réseau isolé de l’énergie excédentaire produite par le projet proposé. Toute production du projet proposé qui dépasse ce seuil fera l'objet d'un avertissement par RETScreen.
Lorsque l’on choisit un projet « hors-réseau », les paramètres de la charge de base et la description de la charge exigés par RETScreen dépendent du projet et du type de technologie. Dans la plupart des cas, l'utilisateur spécifiera sur la feuille Charge et réseau les charges électriques moyennes mensuelles hors-réseau, comme pour une charge interne. Contrairement à un projet raccordé à un réseau, l'utilisateur devra également fournir des renseignements sur l’installation du cas de référence, comme le combustible employé, la capacité et le rendement, et les coûts annuels d'exploitation et d'entretien.
Si un projet de production d’électricité simple, c'est-à-dire utilisant une seule technologie est choisi pour un projet hors-réseau, les technologies proposées pour la production d’électrcité se limitent aux cinq suivantes : photovoltaïque, éolienne, moteur à pistons, turbine hydroélectrique, ou « Autres ». Dans ce cas, la feuille Charge et réseau disparait et c’est l’information dans la feuille Modèle énergétique qui devient plus volumineuse. On doit maintenant choisir le système électrique du cas de référence, soit moteur à explosion, électricité de réseau (c.-à-d., raccordement de l'installation hors-réseau à un réseau existant), turbine à gaz ou autre. Son type de combustible, sa capacité, son rendement, et ses coûts annuels d'exploitation et d'entretien doivent être spécifiés. La charge quotidienne doit ensuite être spécifiée, soit grâce à l'énumération détaillée des exigences des diverses charges qui seront raccordées au système électrique, ou en spécifiant la consommation totale de courant électrique CA et CC. L'utilisateur peut également indiquer comment la charge quotidienne change de mois en mois, et si les charges ont une corrélation positive, negative ou zéro entre les besoins en électricité et du rayonnement solaire, du vent ou d'autres ressources intermittentes alimentant le système du projet proposé.
DIAPOSITIVE 10 : Stratégie d'exploitation
Dans bien des projets énergétiques, un opérateur peut choisir le niveau de puissance auquel l'équipement fonctionne. Par exemple, il est possible d'opérer un moteur à explosion à plein rendement ou à un niveau inférieur au-dessus d’un seuil minimum. RETScreen permet à l'utilisateur d'en tenir compte grâce au choix d'une « Stratégie d'exploitation ».
Parfois RETScreen n'offre aucun choix de stratégie d'exploitation, celle-ci étant déterminée par les types de projet, de technologie et de réseau. Par exemple, dans un projet d’éoliennes reliées au réseau central, RETScreen comprend que c’est le vent qui fixe la puissance produite par les éoliennes et que celle-ci est entièrement absorbée par le réseau.
En revanche, un système électrique avec charge interne relié à un réseau pourrait être exploité de deux manières : à sa capacité nominale en continu, une stratégie appelée « Pleine puissance électrique », ou en fonction des besoins de la charge, une stratégie appelée « asservi à la charge électrique ». Pour les projets de production d’électricité n’utilisant pas de source d’énergie renouvelable, une stratégie de production à pleine puissance entraîne une production uniforme d'électricité sur l'ensemble de l'année, comme c’est le cas du système de « Production d’électricité de base » de ce graphique. La stratégie d’asservissement à la charge électrique amène des variations de la production au cours de l'année, en fonction de la variation de la charge électrique, comme le montre le profil de charge du graphique pour le système électrique de pointe. Une stratégie d’asservissement à la charge électrique est logique si le prix que l’on peut tirer d’un kWh envoyé au réseau est très faible en comparaison de la valeur du même kWh utilisé sur place pour combler les besoins de la charge interne.
Dans un projet de production de chaleur et d'électricité, la stratégie « asservi à la charge de chaleur » peut être souhaitable. Dans ce cas, l’installation de production électrique régule la puissance électrique produite de façon à ce que les rejets thermiques produits ne soient jamais supérieurs aux besoins de la charge de chaleur et ne soient pas ainsi gaspillés.
Dans le cas des turbines à vapeur, une partie du flux de vapeur peut être extrait à un niveau de pression intermédiaire de la turbine afin de répondre à une charge thermique bien particulière. RETScreen permet à l'utilisateur de spécifier si les stratégies de production à pleine puissance ou asservie à la charge électrique permettent d’extraire ou non de la vapeur à une pression intermédiaire dans le but de combler une portion de la charge de chaleur qui ne pourrait pas être comblée par les seuls rejets de vapeur en sortie de turbine.
DIAPOSITIVE 11 : Analyse des émissions et analyse financière
Le modèle RETScreen pour projets de production d’électricité produit les mêmes analyses d’émissions et financières que pour tous les autres projets d’énergie. Pour des analyses simplifiées tenant sur une seule feuille de calcul, sélectionner la Méthode 1 de la page de démarrage. Pour des analyses plus approfondies comportant des feuilles séparées d’analyse pour les missions et un sommaire financier individuels, sélectionner la Méthode 2.
DIAPOSITIVE 12 : Exemple de projet 1 - Projet raccordé à un réseau
Voyons à l’aide quelques exemples, comment RETScreen aide à évaluer la viabilité d’un projet de production d’électricité. Le premier exemple est un projet raccordé au réseau central, à Bergen en Norvège. Dans ce projet, le biogaz capté d'un site d'enfouissement plutôt que d'être brûlé dans des torchères, est utilisé pour alimenter un moteur à pistons qui entraîne une génératrice. La capacité de la centrale électrique est de 1,3 MW, avec un rendement de 37 %. L’électricité produite peut être vendue au distributeur d’électricité à un coût de 3 ¢ de $US/kWh.
Cette étude de cas fait partie de la base de données de projets RETScreen. Ouvrons la base de données de projets, sélectionnons l'onglet Études de cas et choisissons ensuite Production d’électricité - Moteur à pistons – Norvège – Bergen- 1300 kW, Gaz d’enfouissement. Une description précise de ce projet est disponible en cliquant sur le bouton d'aide dans la partie inférieure droite de la fenêtre de la base de données de projets. Récupérons l'analyse RETScreen du projet en cliquant sur la coche verte.
Une fois l'étude de cas ouverte à la feuille Démarrage, on constate que RETScreen a bien été configuré pour un projet de production d’électricité employant un moteur à pistons et raccordé au réseau central. On voit que le contenu énergétique du combustible est défini par son Pouvoir calorifique inférieur; c’est la convention généralement utilisée en Europe où se situe ce projet. Même si elles ne sont pas nécessaires à l’étude, les données climatiques pour Bergen, Norvège ont été choisies dans la base de données climatiques.
Lorsque l'on clique sur l'onglet Modèle énergétique, la feuille modèle énergétique s'affiche. Les quelques paramètres qui apparaissent en premier décrivent l’installation électrique du projet proposé. Le moteur sera en mesure de fonctionner environ 8 000 heures par année, ce qui correspond à une disponibilité de 91 %; il ne consomme qu'un seul combustible, du biogaz disponible gratuitement, ce qui se traduit par un prix du combustible de 0 $ par m³.
La capacité de production de ce projet est de 1 300 kW, et son coût a été évalué à 1,3 M$ US. Si on a besoin de savoir comment évaluer le coût d’un tel projet, on peut utiliser le manuel d’aide en ligne. Pour ce faire, on se positionne sur la cellule « Surcoûts à l’investissement » du projet proposé, puis on clique sur l'icône d'aide, un point d'interrogation, de la barre flottante d'outils RETScreen. Un texte d'aide s'affiche. Si nous suivons le lien jusqu'à Total des coûts d’investissement – Projets de production d’électricité, on peut voir que le coût d’une installation avec un moteur à pistons dans cette gamme de puissance, se situe à environ 1 400 $ canadiens par kW. Cela se situe donc dans le même ordre de grandeur de coût de projet.
RETScreen nous montre qu'une centrale électrique de 1,3 MW offrant une disponibilité annuelle de 8 000 heures, exportera 10,4 GWh par année au réseau. Avec une consommation spécifique de 9 692 kJ par kWh, ceci exigera 12,6 GJ de combustible. Il n'est pas évident de vérifier si cette consommation spécifique correspond bien au rendement de 37 % mentionné précédemment. Nous verrons plus tard, dans un instant que RETScreen offre un outil pratique à ce sujet.
Le prix de l'électricité exportée au réseau de 30 $US/MWh reflète bien le prix de 0,03$US/kWh auquel l’électricité produite pourra être vendue au distributeur d’électricité.
L'analyse d'émissions calcule la réduction annuelle nette d'émissions de GES. Dans ce cas particulier, les émissions associées à la production d'électricité du projet proposé sont comparées aux émissions pour l'électricité de réseau qu'il remplace.
Le lieu du projet est la Norvège. RETScreen nous indique qu’en Norvège, un pays où l'hydroélectricité prédomine largement, le facteur moyen d'émissions de GES n'est que de 0,004 tonnes d'équivalent CO2 par MWh d'électricité de réseau. Cela comprend des pertes moyennes de transport et de distribution de 5 %, des centrales hydroélectriques jusqu’aux consommateurs. Puisque le site d'enfouissement se situe aux environs de Bergen, la deuxième ville de Norvège, il est plus près des charges électriques que les centrales hydroélectriques du réseau le sont en moyenne. C’est pourquoi les pertes de transport et de distribution ont été réduites à seulement 1 %.
Sur la base de cette information, RETScreen calcule que la réduction annuelle nette d'émissions de GES émanant de ce projet se situe à environ 41 000 tonnes d'équivalent CO2. Le calculateur d'équivalences de RETScreen nous aide à évaluer concrètement cette valeur. Il nous indique que 41 000 tonnes d'équivalent CO2 annuel est comparable au retrait de la circulation de 8 200 voitures ou camionnettes, l'effet de 41 000 foyers nord-américains réduisant leur consommation énergétique de 20 %, ou la consommation de 85 000 barils de pétrole brut en moins.
Dans l'étude de cas, la valeur des réductions d'émissions de GES à été estimées à 5,00 $ par tonne d'équivalent CO2 pour une période de 10 ans, avec une une augmentation annuelle de 2 %.
RETScreen demande de fournir les valeurs de plusieurs paramètres nécessaires à l’analyse financière, notamment le taux d'inflation, le taux d'intérêt sur la dette, la durée de vie du projet et le ratio d'endettement. Des coûts d'exploitation et d'entretien de 104 000 $ par année ont également été pris en compte. Le modèle fournit d’une part le total des frais annuels et des paiements de la dette du projet, et d’autre part le total des économies et des revenus annuels qu’il génère. L’écart entre les deux fournit le revenu net du projet sur lequel est basée l’analyse financière.
Un graphique des flux monétaires cumulatifs en est déduit. Ce graphique montre tout de suit que ce projet est très intéressant. RETScreen montre qu’avec un temps de retour simple sur investissement de 3,6 années, le projet permet au promoteur d’obtenir un taux de rendement interne (TRI) avant impôt de 63 % sur les capitaux propres investis qui s’élèvent à 30 % de la valeur totale du projet.
Ceci complète les principales feuilles de présentation de l’étude de cas, mais ce n’est qu’un simple aperçu des multiples fonctionnalités de RETScreen. Par exemple, il existe une troisième feuille de calcul identifiée par l’onglet Outils. On découvre une possibilité de choix de multiples outils. L’outil Gaz d'enfouissement compte parmi les outils que nous pourrions trouver utiles pour ce projet. On découvre que le volume de déchets accumulés sur le site entre 1970 et 2003 a été indiqué par l’utilisateur avec certaines caractéristiques des déchets et du site d'enfouissement. Avec ces données, RETScreen est capable de fournir un premier estimé du potentiel de génération de biogaz que ce site va produire au cours des prochaines années. On peut facilement voir que ce site ayant commencé à être exploité en 1993 fournira assez de gaz pour alimenter notre projet sur sa durée de vie utile qui a été prévue de 10 ans.
Votre attention a peut-être été attirée par un élément étrange de l’analyse de GES : même si l'hydroélectricité distribuée sur le réseau de Norvège est associée à un très bas niveau d'émissions, notre projet génère d’importantes réductions nettes d'émissions. Comment cela est-il possible? Le calculateur de gaz d'enfouissement offre une réponse. Dans le cas de référence, nous supposons que 10 % du gaz d'enfouissement est brûlé et que le restant est libéré dans l'atmosphère. Le biogaz, essentiellement du méthane, est un puissant gaz à effet de serre, et donc, si nous captons ce biogaz et le brûlons dans notre projet énergétique, nous réduisons fortement les émissions du site d'enfouissement. Si, par contre, la norme est de brûler par torchère le biogaz, on observe que les réductions des émissions sont réduites considérablement.
Pour mieux évaluer cet aspect de l’analyse, nous devons tenir compte de ces émissions de manière plus précise. Jusqu'à maintenant, nous avons employé l’analyse simplifiée de la Méthode 1. Revenons à la feuille Démarrage et choisissons une analyse de Méthode 2. L'analyse des coûts comporte maintenant des feuilles de travail séparées, soit l'analyse des émissions, l'analyse financière et l'analyse des risques.
La nouvelle feuille Analyse d'émissions montre plus en détail le résultat de la récupération et de la combustion des gaz d'enfouissement, dans les torchères d’une part, dans le moteur d’autre part, sur les réductions émissions de GES. Enfin, le modèle montre séparément les réductions d’émissions liées à la production d’électricité de réseau qui a été évitée par la production d’électricité du projet proposé. Les résultats de l'analyse d'émissions sont directement liés aux données du calculateur de gaz d'enfouissement.
L’analyse selon la Méthode 2 de la feuille Démarrage présente donc des analyses des coûts et financière à la fois plus détaillées et adaptables au contexte particulier d’un projet. Si nous le souhaitions, nous pourrions fournir une ventilation plus précise des coûts dans la feuille d'analyse des coûts, que ce soit au niveau des études de faisabilité et de développement, des frais imprévus, des intérêts courus durant la construction et des coûts périodiques à prévoir au cours de la période d’exploitation du projet. La feuille Analyse des coûts démontre que les 12,6 GJ/h de combustible exigés par notre projet, tel qu'établi dans la feuille Modèle énergétique, correspond à 5,4 millions de m³ de biogaz par année. La feuille Analyse financière permet de préciser notre analyse à l'aide de nouveaux paramètres financiers, dont un taux d'indexation du prix de l’électricité exportée au réseau différent non seulement du taux d’inflation mais aussi du taux d’indexation des combustibles. La feuille Analyse financière fournit également un ensemble plus complet d'indicateurs de la viabilité financière du projet, notamment deux indicateurs reconnus pour leur fiabilité d’analyse de la viabilité, à savoir la valeur actuelle nette du projet ou VAN et le taux de recouvrement de dette qui indique si les revenus cumulés du projet suffisent en tout temps à assurer le remboursement de la dette. Ce projet présente un coût de réduction de GES négatif de -6 $ par tonne d'équivalent CO2, démontrant que nous sommes en mesure de réduire les émissions de manière rentable.
Repassons à la feuille Modèle énergétique. Vous vous souviendrez que nous avons émis l’hypothèse que la consommation spécifique qui apparaissait correspondait bien au rendement de 37 % que nous connaissons du moteur. RETScreen peut nous aider à confirmer que c’est bien le cas. Allons à la feuille Outils et choisissons l'outil « Consommation spécifique ». Nous pouvons connaître le rendement qui correspond à une consommation spécifique de 9 692 kJ par kWh. Grâce à l'option Méthode 3 de l'outil, nous entrons la capacité de 1 300 kW, la consommation spécifique et le taux de récupération de chaleur de 0 %, et RETScreen indique que cela correspond réellement à un rendement de 37,1 %.
Si nous devions créer cette étude de cas en partant de zéro, cet outil nous permettrait de déterminer quelle consommation spécifique correspond à un rendement de 37 %. Nous pourrions le faire par tâtonnements, ou nous pourrions employer la fonction Valeur cible d’Excel. En sélectionnant la cellule rendement, en cliquant sur le bouton Valeur cible de la barre d'outils RETScreen, en entrant une valeur cible de 37 % et en commandant à la fonction Valeur cible de calculer la consommation spécifique permettant d’obtenir le rendement ciblé, nous obtenons une consommation spécifique de 9 730 kJ par kWh correspondant presque parfaitement au rendement de 37 %. N'oublions pas que RETScreen utilise Excel et que nous pouvons donc exploiter toutes les fonctions d'Excel, incluant des outils tels que la fonction « Valeur cible » et l'emploi de formules à l'intérieur de cellules.
Des moteurs à pistons sont souvent employés dans les réseaux isolés. Regardons comment RETScreen peut nous aider à analyser un tel projet selon la Méthode 1. Dans la feuille Démarrage, choisissons Réseau isolé et charge interne comme type de réseau. Une feuille Charge et réseau apparait alors. Nous pouvons y indiquer la charge de pointe du réseau, la charge électrique minimale annuelle du réseau, les charges électriques moyennes brutes mensuelles, un prix de l'électricité pour le cas de référence et déterminer la charge de pointe annuelle.
Certains paramètres supplémentaires doivent être indiqués sur la feuille Modèle énergétique. Le « Prix d'électricité – projet proposé » permet de déterminer le coût que l’on devra payer pour s’approvisionner en électricité du réseau pour fournir à la charge interne les quantités additionnelles d’énergie que l’installation de production électrique sera incapable de combler. Un changement de tarif est à envisager à cause du fait que l le système proposé réduit la demande du consommateur vue par le réseau. Le cleint peut alors changer de tranche tarifaire. Ce tarif est appliqué uniquement aux achats d’électricité nécessaires pendant les 9 % du temps durant lequel l’installation proposée ne suffit pas à combler les besoins de la charge interne.
RETScreen permet de choisir entre deux stratégies d'exploitation : production à pleine puissance ou asservi à la charge électrique. La première est nettement plus rentable.
Les moteurs à pistons sont relativement rares sur un réseau central, sauf pour les systèmes de cogénération habituellement situés soit dans les bâtiments, soit dans les usines. La plupart des nouvelles installations de grande envergure utilisent des turbines à gaz en cycle combiné. Si c’est une telle technologie que nous aimerions maintenant analyser, il suffit de retourner à la feuille Démarrage et de choisir comme technologie « Turbine à gaz - cycle combiné » et comme type de réseau « Réseau central ». Rappelons-nous que dans une centrale à cycle combiné, on fait tourner une turbine à vapeur avec la vapeur produite en récupérant l’énergie des gaz d’échappement d’une turbine à gaz. Sur la feuille Modèle énergétique, nous constatons que nous devons maintenant fournir les caractéristiques des turbines à gaz et à vapeur qui seront employées.
Un tel projet consommerait normalement beaucoup plus de gaz que ce site d'enfouissement ne pourrait en fournir. Par contre, si l'on vouvait l'approvisionner à 95 % en gaz naturel et seulement à 5 % en biogaz, RETScreen pourrait nous permettre de modéliser un tel approvisionnement en énergie grâce à la méthode de choix de combustible « Plusieurs combustibles - pourcentage ».
Nous pourrions vous montrer une foule d'autres fonctionnalités de RETScreen, mais nous espérons vous avoir convaincu des multiples possibilités offertes par cet outil d’analyse qui peut s’adapter à vos besoins pour étudier la viabilité économique de toutes sortes de projets de production électrique raccordés à un réseau.
RETScreen permet de déterminer rapidement la viabilité technique et financière d'un grand nombre de projets de production d’électricité, comme par exemple la centrale géothermique de cette photo, située en Islande et qui a une puissance de 120 MW. Cette présentation vous montrera comment analyser des projets de production d’électricité à l'aide du logiciel RETScreen.
DIAPOSITIVE 2 : Aperçu des différents types de projets de production d’électricité
Les projets de production d’électricité fournissent de l'électricité à une charge. Les différents types de charge permettent de distinguer différents types de projets de production d’électricité. Les projets « raccordés à un réseau », comblent les besoins de plusieurs charges interconnectées par un « réseau » mais aussi à d’autres projets qui peuvent fournir de l’électricité à ce même réseau. Un réseau peut être très étendu : c’est le cas d’un réseau dit « central » qui raccorde typiquement les charges et les centrales d'une grande région ou d'un continent entier. Les éoliennes que l’on voit à droite se trouvent à Pori en Finlande. Elles fournissent de l'électricité au réseau central européen via les lignes de transport que l’on voit sur la même photo.
Parfois un réseau reliant des charges et des génératrices interconnectées peut être beaucoup plus petit. Lorsque de petites communautés ou des sites miniers ou industriels se trouvent trop à l’écart du réseau central, ils peuvent être desservis par un réseau local indépendant du réseau central, on appelle un tel réseau un « réseau isolé ». Un réseau isolé peut être alimenté par une centrale Diesel ou par de petites centrales hydroélectriques. La chute d’eau que l’on voit en haut à gauche voisine un projet hydroélectrique comprenant une turbine de 18 MW et trois autres de 1 MW qui permettent d’alimenter les villages de Fort Smith, Fort Resolution et Hay River, dans les Territoires du Nord-Ouest au Canada.
Il est parfois plus simple et logique de combler les besoins d’une seule charge en la raccordement directement à une installation de production électrique sans passer par un réseau. Cela peut arriver quand la charge exige peu de puissance ou que son raccordement à un réseau est trop coûteux parce qu’il est trop éloigné. La photo en bas à gauche montre un groupe diesel électrogène de 3 kW, alimentant une maison dans la région Kalimantan Tengah en Indonésie. Les applications « hors-réseau » comme les relais de télécommunications peuvent aussi être alimentées par des systèmes photovoltaïques solaires. Dans le cas des systèmes de surveillance et de contrôle de puits de gaz naturel, on utilise des générateurs thermoélectriques.
RETScreen peut être employé pour analyser des projets de production d’électricité qu’ils alimentent le réseau central aussi bien qu’un réseau isolé ou pour des applications hors-réseau.
DIAPOSITIVE 3 : Technologies de production d’électricité
Il est possible de produire de l'électricité à l'aide d'une vaste gamme de technologies. Certaines d'entre-elles exploitent directement des sources renouvelables d’énergie. Cette photo montre des modules photovoltaïques installés sur les toits des bâtiments d'une ferme de Bavière, en Allemagne. Ces modules photovoltaïques transforment directement le rayonnement solaire en électricité, qui peut ensuite être soit transmise au réseau, comme dans cet exemple, soit employée hors-réseau.
Depuis le début de cette présentation nous avons déjà évoqué trois autres technologies de production d'électricité de source renouvelable : les éoliennes qui exploitent l'énergie cinétique du vent; les turbines hydroélectriques qui tirent profit de l'énergie potentielle et cinétique de l'eau s'écoulant d’un niveau surélevé; et la géothermie profonde qui exploite la vapeur produite par la chaleur provenant du magma terrestre qui en certains endroits du monde effleure à quelques kilomètres seulement sous le sol; ces mêmes centrales peuvent également fournir le chauffage nécessaire aux immeubles, à l'agriculture et à l'industrie.
Il existe d'autres technologies qui exploitent directement des sources renouvelables d’énergie. Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs semi-conducteurs sensibles aux photons de la lumière solaire qui permettent de générer de l’électricité directement à partir du rayonnement solaire. Le rayonnement peut aussi être converti en chaleur puis en vapeur dans des centrales solaires thermiques à concentration. La vapeur produite peut être convertie en électricité par une turbine à cycle de Clausius-Rankine ou un moteur Stirling.
Plusieurs technologies émergentes cherchent à exploiter l’énergie houlomotrice, c’est à dire l’énergie des vagues des océans ou des mers. L’énergie des vagues peut être exploitée soit en misant sur les mouvements de haut en bas de l’onde qui peut activer un piston dans la partie immergée d’une bouée ancrée au large, soit en misant sur les oscillations d’un flotteur à la surface de l’eau, ou encore en exploitant l’énergie cinétique des vagues qui viennent s’écraser sur la côte. La première centrale houlomotrice de démonstration à pleine échelle a une capacité de 2,25 MW; elle a été mise en service au Portugal en 2008.
Les usines marémotrices et les hydroliennes tirent leur énergie des courants marins. Dans le premier cas, il s’agit d’exploiter les marées quotidiennes dues à l’attraction de la Lune, et à un niveau moindre, du Soleil et qui peuvent, en certains endroits du monde atteindre plusieurs mètres par rapport au niveau moyen de la mer, selon la topographie des fonds et des côtes. À ces endroits, la puissance de la marée est en mesure d'actionner des turbines de production d'électricité. Ces turbines peuvent être installées dans un barrage qui contrôle l’entrée ou la sortie d’eau d’un estuaire ou d’une crique, permettant à son niveau de différer de celui de l'océan. La turbine peut tourner dans les deux sens selon que la marée monte ou descend. D’autres dispositifs sans barrage peuvent simplement exploiter les courants de marée. Le barrage de la Rance en France est une usine marémotrice d’une puissance de 240 MW en exploitation depuis 1967. Il n’existe que peu de projets de ce type au monde, pas seulement à cause du coût de construction élevé d'un barrage mais aussi à cause de ses impacts écologiques possibles sur l'estuaire.
Les courants océaniques ne sont pas dus qu’aux marées. Les grands courants océaniques découlent des gradients de température et de la salinité des eaux en différents endroits du monde. Contrairement à l'action des marées, ces courants sont relativement constants à longueur d'année. Dans certaines zones côtières, ces courants peuvent être très rapides et on envisage immerger des turbines dans le flux de ces courants pour en tirer de l’électricité. Certaines turbines ressemblent aux rotors des éoliennes; on les appelle des hydroliennes. D'autres approches sont en cours de développement. Ces installations connaissent un intérêt de plus en plus marqué et plusieurs projets de démonstration ont été réalisés ou sont à l'étude.
RETScreen contribue à l'analyse de tous ces types de projets; les installations les plus communes, telles que les éoliennes, les minicentrales hydroélectriques et les systèmes photovoltaïques, sont modélisées avec précision.
DIAPOSITIVE 4 : Technologies (suite)
Bien que les technologies d’énergies renouvelables soient de plus en plus courantes, ce sont en majorité des machines thermiques utilisant des combustibles fossiles qui continuent de produire l'électricité dans le monde.
Les machines thermiques transforment, selon les lois de la thermodynamique, l'énergie thermique en énergie mécanique ou en électricité grâce à l'écart de température entre une source chaude et une source froide, un puits de chaleur pouvant absorber les rejets thermique à basse température. Le plus souvent c’est la combustion d'un combustible fossile qui est la source de chaleur, et l’air ambiant ou l'eau d'une rivière ou d'un lac qui absorbent les rejets thermiques. Mais il existe d’autres machines thermodynamiques qui fonctionnent sans combustible fossile comme celles qui sont utilisées dans les projets géothermiques ou les centrales solaires thermiques que nous avons évoqués précédemment.
Une turbine à vapeur est une machine thermique qui exploite la force de la vapeur à haute température et haute pression, et la transforme en mouvement en ramenant cette vapeur à basse température et basse pression, un état où elle doit être évacuée de la machine en cédant de la chaleur à basse température pour retourner à l’état liquide, ce qui permet de réintroduire l’eau dans la bouilloire à haute pression. Ce cycle s’appelle le cycle de Clausius-Rankine, ou parfois simplement le cycle de Rankine. Le flux de vapeur à haute pression agit sur les nombreuses pales radiales de la turbine qui, en tournant, entraîne une génératrice d'électricité. Les centrales modernes basées sur le cycle de Rankine optimisé ont des rendements pouvant atteindre 40 %.
Ce sont les turbines à vapeur de type Rankine qui produisent la majeure partie de l'électricité dans le monde. L’intérêt de passer par la vapeur comme vecteur énergétique est de pouvoir utiliser toutes sortes de combustibles. Une turbine à vapeur a seulement besoin d’une source de chaleur permettant de l’alimenter en vapeur avec les caractéristiques pour lesquelles elle a été conçue. Ces turbines peuvent donc faire partie intégrante de centrales géothermiques ou solaires aussi bien que nucléaires ou à charbon. Nous verrons plus loin qu’une vaste gamme de combustibles divers peuvent être utilisés pour produire de la vapeur, comme des combustibles renouvelables de biomasse.
Une turbine à gaz, un autre type de machine thermique, est beaucoup moins polyvalente, car la combustion se produit à l'intérieur même de la turbine. La plupart des centrales employant des turbines à gaz utilisent du gaz naturel. D’autres turbines à gaz comme les moteurs d’avion utilisent du mazout ou du kérosène. Ce sont les gaz chauds résultant de la combustion qui agissent directement sur les pales de la turbine raccordée à une génératrice; le rendement global peut atteindre 35 à 40 %.
L’avantage des turbines à gaz est leur légèreté, leur faible encombrement et leur mise en place rapide en comparaison des centrales à charbon ou nucléaires qui exigent des infrastructures beaucoup plus lourdes et des investissements beaucoup plus élevés. Les turbines à gaz se mettent en route rapidement et peuvent facilement suivre les aléas de la demande d’électricité. Le prix de revient de l'électricité produite des turbines à gaz est directement lié au coût du gaz naturel. Ce coût est souvent si élevé, que les turbines à gaz ne sont employées qu'en périodes de pointe, étant activées uniquement lorsque les centrales hydroélectriques, les éoliennes ou les centrales nucléaires, plus économiques, ne suffisent pas à répondre à la demande.
Les gaz d'échappement qui sortent d'une turbine à gaz sont très chauds, généralement bien au-dessus de 300 °C. Dans une centrale à gaz à cycle combiné, ces gaz d’échappement sont employés pour produire de la vapeur qui entraîne à son tour une turbine à vapeur. Le rendement d’une centrale combinant ainsi deux types de turbine peut atteindre 60 %. C’est pourquoi cette configuration est celle qui est adoptée dans la plupart des nouvelles centrales alimentées au gaz naturel en Amérique du Nord et en Europe.
Alors que les pales d'une turbine tournent sur un axe, l'expansion des gaz en combustion d'un moteur à explosion force le déplacement alternatif d'un piston dans un cylindre. Les moteurs à pistons communément installés dans les véhicules automobiles sont également employés pour produire de l'électricité. Le moteur à quatre temps utilise le cycle Beau de Rochas. Pendant le premier temps d’admission, le piston aspire en descendant un mélange d'air et de carburant. La soupape d'admission se ferme, le piston remonte : c’est la phase de compression du mélange admis. Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d'allumage. La détente des gaz portés à haute température lors de l’explosion force le piston à descendre pour le troisième temps. Ce mouvement est le seul temps moteur du cycle. Lors du quatrième et dernier temps d'échappement, les gaz brûles sont évacués du cylindre par la remontée du piston.
Un moteur Diesel est une variante du moteur à 4 temps qui emploie des carburants à indice d'octane inférieur qui s'enflamment à plus basse température. Plutôt que d’aspirer un mélange d'air et de carburant, le moteur n'aspire que de l'air. Le carburant est injecté vers la fin de la phase de compression. La compression est plus forte que dans un moteur à essence et la température atteinte en fin de compression est suffisante pour que le carburant injecté s’enflamme de lui-même sans étincelle. La fin du cycle est identique à celle du moteur à essence.
Les groupes électrogènes utilisant des moteurs à pistons peuvent atteindre des rendements de 40 %. Ils sont souvent employés dans des applications en réseau isolé et hors-réseau. Cette technologie éprouvée continue d’être améliorée. Elle est très largement répandue dans le monde. De nouvelles technologies comme les turbines à gaz de faible puissance et les piles à combustible sont encore peu utilisées.
Des petites turbines à gaz ayant des capacités de 1 à 200 kW apparaissent sur le marché. Elles fonctionnent sur le même principe que les plus grandes turbines mais tournent à des vitesses plus élevées. Elles sont généralement intégrées au réseau à l'aide de techniques d'électronique de puissance, et offrent l’avantage d’avoir peu de pièces mobiles. Leur rendement est inférieur à celui des moteurs à piston, surtout si on les utilise à des capacités inférieures à leur puissance nominale.
Une pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction d'un oxydant (l'oxygène de l'air). La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau. Elle transforme directement l'énergie chimique en électricité. C'est un générateur de courant continu, à la différence des machines tournantes qui produisent du courant alternatif.
Une pile à combustible est semblable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure le transfert des ions et donc le passage du courant électrique. Comme une pile classique, elle consomme les produits chimiques et continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et en oxygène. Une pile à combustible alimentée en hydrogène et en air ne produit que de l'eau dont on peut parfois observer directement la condensation lorsqu'elle fonctionne à basse température.
Les lois de la thermodynamique définissent le rendement maximal théorique d'une machine thermique en fonction de l’écart de température entre la source de chaleur et le puits de chaleur. Les piles à combustible ne sont pas assujetties à ces limites, mais d’autres considérations thermodynamiques limitent leur rendement théorique de 50 à 70 % des valeurs difficiles à atteindre en conditions d'exploitation. Les rendements d'exploitation typiques des piles à combustible sont comparables à ceux des moteurs à explosion. Les piles à combustible produisent donc toutes des rejets thermiques. La température de ces rejets dépend du type de pile à combustible.
DIAPOSITIVE 5 : Principes de fonctionnement des installations de production d’électricité
Prenons l’exemple d'une turbine à gaz pour nous familiariser avec quelques un des importants concepts et la terminologie associés à l’exploitation d’une installation de production d’électricité.
L'air de combustion est d’abord aspiré et comprimé. À la sortie du compresseur, le combustible, disons du gaz naturel, est injecté et brûlé, ce qui augmente la température, la pression et la vitesse des gaz résultant de la combustion. Ces gaz chauds à température élevée, activent une turbine qui entraîne à la fois le compresseur et la génératrice électrique. La génératrice transforme en électricité l'énergie mécanique de la turbine en rotation.
Comme avec la plupart des machines thermiques, les gaz d'échappement qui sortent de la turbine sont encore suffisamment chauds pour transformer de l'eau en vapeur dans un dispositif appelé ‘’générateur de vapeur à récupération de chaleur’’. Nous avons mentionné que cette vapeur peut alimenter une turbine à vapeur qui générera à son tour de l’électricité dans une centrale à cycle combiné. Mais cette vapeur peut également être directement employée dans des procédés industriels ou d'autres applications de chauffage. Les gaz d'échappement qui sortent du générateur de vapeur ne sont généralement plus assez chauds pour produire de la vapeur de qualité, mais peuvent encore être employés pour des usages à basse température comme le chauffage des locaux ou la production d’eau chaude sanitaire.
L'utilisation des rejets thermiques d'une centrale électrique peut augmenter remarquablement le rendement global d’utilisation d’un combustible et générer des revenus additionnels pouvant justifier les investissements à consacrer au projet. Il est possible d'atteindre des rendements globaux supérieurs à 80 %. La réussite de tels projets de cogénération de chaleur et d’électricité, dépend normalement de l'existence, durant presque toute l'année, d'une charge thermique proche de la centrale et exigeant une température inférieure à celle des rejets thermiques. Ces projets de cogénération et les réseaux de distribution de chaleur à basse température sont l'objet du module de formation Analyse RETScreen de projets de cogénération.
Dans RETScreen, le rendement des piles à combustible, des moteurs à pistons et des turbines à gaz est exprimé sous la forme d’une consommation spécifique de chaleur. Il s'agit de la quantité d'énergie, sous forme de combustible, que consomme le projet afin de produire une unité d'électricité; l'unité de mesure employée est le kJ par kWh ou BTU par kWh. L'écart entre l'énergie pouvant être dégagée par la consommation de combustible et l'énergie électrique produite est estimée être disponible sous forme de chaleur pour d'autres applications. Dans un projet de production combinée de chaleur et d'électricité, il existe une charge pour une certaine fraction de cette chaleur, le restant étant dissipé dans l'environnement avant son utilisation à toute autre fin. La fraction utilisable dépendra de la température de la chaleur disponible et de la température minimum de la chaleur requise par la charge. Il dépend aussi des caractéristiques de l'équipement de récupération, d'acheminement et de fourniture de cette chaleur « résiduelle » à la charge. Dans le cadre de RETScreen, cette fraction de chaleur résiduelle disponible pouvant être transmise à une charge se nomme « Taux de récupération de chaleur ». Il s'agit du pourcentage de la quantité de chaleur dégagée par l'équipement de production d'électricité qui est récupérée sous forme d'énergie thermique utile. Si la température d'opération de l'équipement de production d'électricité est trop basse, seule une partie de la chaleur produite peut être récupérée de manière utile.
Les valeurs typiques du taux de récupération de chaleur varient de 50 à 80 %.
DIAPOSITIVE 6 : Types de combustibles
La production d’électricité peut se faire à partir de divers combustibles. C’est pourquoi RETScreen permet de spécifier de nombreux combustibles différents dont il connait le pouvoir calorifique, ce qui lui permet de transformer les quantités produites d’électricité en quantités nécessaires de combustible. Pour ce faire, RETScreen utilise la donnée de la consommation spécifique de chaleur de l’installation. Dans le cas des turbines à vapeur, il utilise aussi le rendement saisonnier de la chaudière pour produire la vapeur ayant les caractéristiques requises d’alimentation de la turbine.
RETScreen traite de tous les combustibles employés par les projets de production de chaleur. La cellule « type de combustible » de RETScreen présente à l'utilisateur une liste déroulante de différents combustibles. Ceux-ci comprennent, dans le cas de combustibles fossiles, le charbon, le diesel, l'essence, le kérosène, le mazout et le gaz propane. Le choix de biocombustibles est encore plus varié, se composant de biodiesel, biogaz, bio-huile, éthanol, méthanol, divers bois et écorces, de la tourbe, divers types de paille, bagasse, panic raide, chanvre et autres déchets agricoles, et bien d'autres. Les autres combustibles de la liste offrent une gamme surprenante de possibilités, pneus usés, biogaz, déchets alimentaires, résidus forestiers, déchets de jardin, déchets de café, compost, cuir, arbres de Noël, litière de volaille et déchets d'emballage. Pour compléter le tout, la liste comprend également les vecteurs énergétiques comme l'hydrogène et l'électricité. Il y a également un combustible qui peut être défini par l'utilisateur.
Avant de spécifier les valeurs des rendements, il est important de ne pas oublier que le contenu énergétique d'un carburant ou d’un combustible peut être défini en incluant ou non la chaleur de condensation de la vapeur d’eau dans les fumées. Pour inclure la chaleur latente de condensation, on utilise le Pouvoir calorifique supérieur ou PCS. C’est cette valeur qui est utilisée par convention en Amérique du Nord. Ailleurs dans le monde, on utilise plus souvent le Pouvoir calorifique inférieur ou PCI, qui exclut cette chaleur latente de condensation. L'utilisateur détermine lui-même dans RETScreen s’il veut utiliser le PCI ou le PCS.
Dans RETScreen, lorsque l'utilisateur choisit un projet d'énergie renouvelable autre que la biomasse, il n’y a plus de consommation de combustible pour produire l’électricité. Ce sont d’autres données qui sont utilisées comme celles touchant le vent, l’ensoleillement, la température du sol, les débits d’eau de rivières ou de courants marins…
DIAPOSITIVE 7 : Analyse RETScreen de projets de production d’électricité
RETScreen évalue la viabilité financière d'un projet de production d’électricité en comparant le projet proposé à un cas de référence. Le projet proposé comprend généralement une technologie d'énergie propre, alors que le cas de référence est typiquement basé sur une technologie conventionnelle. RETScreen compare les différences de coûts à l’investissement et à l’exploitation entre le projet proposé et le cas de référence.
Une analyse de projet RETScreen comporte un certain nombre d'étapes.
Premièrement, pour les systèmes hors-réseau ou reliés à un réseau devant également alimenter une charge interne, l'utilisateur décrit les caractéristiques de la charge et du système de production électrique du cas de référence. Pour les systèmes reliés à un réseau, le cas de référence est l'électricité fournie par le réseau existant. Ainsi, les coûts et les émissions associés à la production de 1 MWh d'électricité du réseau sont directement spécifiés. Deuxièmement, l'utilisateur spécifie les caractéristiques du projet proposé, son rendement et ses surcoûts ou économies en investissement, à l'exploitation et pour son entretien par rapport au cas de référence. Troisièmement, l'utilisateur choisit la stratégie d'exploitation de l’installation proposée. En effet, le modèle Production d’électricité de RETScreen a besoin de savoir ce qui décide du niveau d’utilisation de l’installation en plus de ses caractéristiques et de son rendement pour calculer la quantité d’électricité qu’elle produira et en déduire les économies ou coûts d’exploitation qu’elle générera en comparaison du cas de référence.
Une fois ces paramètres précisés, l'utilisateur peut examiner les résultats du modèle Production d’électricité de RETScreen qui sont regroupés dans un sommaire pour en faciliter l’analyse. S’il le désire, l’utilisateur peut compléter ces résultats sur les consommations annuelles d’énergie par une analyse de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Le modèle calcule alors la différence entre les émissions de GES du projet proposé et celles du cas de référence, selon une méthode normalisée développée en collaboration avec le Programme des Nations Unies pour l’environnement et le Fonds prototype pour le carbone de la Banque mondiale. Enfin, un sommaire financier fournit toutes les informations permettant de juger si le projet est financièrement viable ou non, compte-tenu des flux de trésorerie, des considérations fiscales, de subventions, de crédits pour production d’énergie renouvelable ou de réduction d’émissions de GES. L'analyse financière peut être complétée, sur une base facultative, par une analyse de sensibilité et de risques qui identifie comment les variations de certains paramètres peuvent affecter de façon différence la rentabilité du projet. Cette analyse se réalise en partie grâce à une simulation de type « Monte Carlo » qui choisit 500 combinaisons différentes des paramètres clés en les faisant varier de manière aléatoire à l’intérieur de plages d’incertitude respectives.
Dans le but de faciliter ces analyses, RETScreen a été conçu pour une utilisation conviviale. C’est ainsi que Microsoft Excel a été choisi pour l’accueillir et le présenter sous la forme d’un outil connu de tous. Les fonctions d’Excel ont été complétées de plusieurs dizainnes de milliers de lignes de programmation permettant ainsi à RETScreen d’être aussi puissant et polyvalent.
RETScreen aide également l’utilisateur à choisir les paramètres nécessaires à l'analyse grâce à plusieurs bases de données intégrées. RETScreen contient une base de données climatiques mondiales provenant de 4 700 stations météorologiques au sol. En outre, grâce à une collaboration de longue date avec la NASA, RETScreen incorpore des données climatiques mondiales tirées de 20 ans d'observations par satellite. En plus de la base de données climatique, RETScreen contient une base de données de produits comptant plus de 7 000 dispositifs de production d’électricité, allant des turbines aux piles à combustible.
Un manuel d'aide en ligne de 1 000 pages guide l'utilisateur et fournit des explications détaillées sur les différentes technologies d'énergie propre. De nombreux outils exécutent des calculs techniques précis directement applicables à RETScreen, comme, par exemple, le calcul du rendement d'un échangeur de chaleur géothermique, ou la conversion d'unités de mesure, les propriétés de la vapeur, les équivalences de GES et plus encore.
En plus du logiciel d’analyse, RETScreen est un outil de formation à distance offrant du matériel didactique en plusieurs langues, un manuel détaillé présentant les algorithmes utilisés par RETScreen et fournissant de l'information de base sur les technologies d'énergie propre, des études de cas et des liens vers des cartes de ressources énergétiques.
DIAPOSITIVE 8 : Types d'analyses
En raison de la grande versatilité de RETScreen, l’utilisateur doit configurer le logiciel en fonction de l'analyse voulue. Cette configuration comprend le choix de plusieurs options dans une liste déroulante de la feuille de démarrage RETScreen.
La feuille de démarrage s'affiche lors de l'ouverture de RETScreen. L'utilisateur y spécifie le nom et le lieu du projet, le lieu des données climatiques et quelle convention utiliser pour caractériser le contenu énergétique des combustibles : à savoir le Pouvoir calorifique inférieur ou le Pouvoir calorifique supérieur. L'utilisateur choisit entre la « Méthode 1 » pour une analyse simplifiée tenant sur une seule feuille de calcul, ou la « Méthode 2 » pour une approche plus détaillée présentant des feuilles séparées pour les différents éléments de l'analyse. Pour avoir accès aux options de langue, de devises et de système d'unités, l’utilisateur doit cocher la case « Afficher paramètres ».
Le choix du « type de projet » est une étape importante de la configuration. Une liste déroulante propose une gamme étendue d'options, dont plusieurs se rapportent à des projets de production d’électricité. Si l’utilisateur choisit ‘’Production d’électricité’’, le modèle considère que le projet proposé comprend un seul moyen de production d’électricité qui sera comparé à un seul autre moyen du cas de référence. La technologie employée pour produire l’électricité du projet proposé est choisie dans la feuille de démarrage, parmi les nombreux choix offerts dans la liste déroulante à droite de la cellule « Technologie ». La liste comprend les turbines à vapeur, les turbines à gaz, les turbines à gaz en cycle combiné, les piles à combustible, les moteurs à pistons, l’énergie géothermique, les turbines hydroélectriques, l’énergie des courants marins (océaniques), le photovoltaïque, les éoliennes, le solaire thermique, l’énergie des vagues, l’énergie marémotrice et une catégorie « autre », pour les projets inhabituels, difficiles à classifier.
Si le type de projet choisi est « Production d’électricité- multiples technologies », le projet proposé comporte un système de base, un système intermédiaire et un système de pointe, employant chacun une technologie différente. Le type de technologie de production électrique ne figure plus sur la feuille Démarrage. Il faut alors se rendre sur la feuille Modèle énergétique pour spécifier la technologie employée pour chaque système de production d’électricité.
Pour les projets qui utilisent les rejets thermiques d’une installation de production électrique, l'utilisateur choisira un projet de type « Production de chaleur et d'électricité ». Si le système de production de froid représente une charge électrique significative de la production d’électricité, l'utilisateur trouvera utile de choisir le type « Production de froid et d'électricité ». Tous ces besoins peuvent être combinés dans un projet de type « Production de froid, de chaleur et d'électricité » qui permet même d'employer les rejets thermiques de la production d’électricité pour alimenter la machine frigorifique à sorption. Toutes ces options, dont le type de projet « Électricité – Multiples technologies», permettent de spécifier des systèmes de base, intermédiaire et de pointe employant différentes technologies. Les présentations Analyse d'un projet de cogénération et Analyse d’un projet de production de chaleur et de froid du cours de formation RETScreen contiennent plus d'information sur ces technologies.
RETScreen traite évidemment des technologies autres que celles de production d'électricité. Celles-ci figurent également dans la liste déroulante « Type de projet ».
DIAPOSITIVE 9 : Type de réseau
La feuille Démarrage de RETScreen comporte également une liste déroulante pour le « Type de réseau », à l'aide de laquelle l'utilisateur indique si le projet sera raccordé à un réseau central, à un réseau isolé ou s'il s'agira d'un projet hors-réseau. Pour les projets alimentant une charge interne mais pouvant envoyer sur un réseau les surplus d’électricité non utilisés par la charge interne, RETScreen propose les types « Réseau central et charge interne », et « Réseau isolé et charge interne ». Ces choix d’une charge interne sont particulièrement utiles lorsque le tarif pour l'électricité achetée du réseau diffère du prix que l’on peut obtenir pour l'électricité que l’on envoie vers le réseau. De plus, RETScreen permet d’entrer un autre tarif suite au projet proposé, au cas où ce projet réduirait les achats d'électricité du réseau à un point tel que le client changerait de catégorie tarifaire et perdrait un tarif réservé aux plus gros consommateurs.
Dans un réseau central ou isolé sans charge interne, on considère que la totalité de la production d’électricité sera transmise au réseau. Dans ce cas, RETScreen emploie l'expression « Électricité exportée au réseau ». Il n'est pas nécessaire de décrire avec précision l'équipement du cas de référence, qui serait l'ensemble général des génératrices et installations de transmission composant le réseau; l'utilisateur spécifie plutôt uniquement le « Prix de l'électricité exportée » ou la valeur monétaire du montant payé par un service public ou autre client pour 1 MWh d'électricité envoyé vers le réseau.
Lorsqu'une charge interne est présente, RETScreen ajoute une feuille « Charge et réseau » où l'utilisateur spécifie les caractéristiques de la charge des projets de production d’électricité proposé et du cas de référence. L’utilisateur indique donc les valeurs de la charge moyenne mensuelle, la charge de pointe annuelle, et le prix de l’électricité du cas de référence. RETScreen calcule la portion des besoins annuels en énergie électrique de la charge interne qui est assurée par le projet proposé, l'économie de coûts résultante et quelle quantité d’électricité le projet proposé est capable de produire pour exportation au réseau.
Pour les projets de réseau isolé avec charge interne, l'utilisateur peut également spécifier une capacité maximale d'absorption par le réseau isolé de l’énergie excédentaire produite par le projet proposé. Toute production du projet proposé qui dépasse ce seuil fera l'objet d'un avertissement par RETScreen.
Lorsque l’on choisit un projet « hors-réseau », les paramètres de la charge de base et la description de la charge exigés par RETScreen dépendent du projet et du type de technologie. Dans la plupart des cas, l'utilisateur spécifiera sur la feuille Charge et réseau les charges électriques moyennes mensuelles hors-réseau, comme pour une charge interne. Contrairement à un projet raccordé à un réseau, l'utilisateur devra également fournir des renseignements sur l’installation du cas de référence, comme le combustible employé, la capacité et le rendement, et les coûts annuels d'exploitation et d'entretien.
Si un projet de production d’électricité simple, c'est-à-dire utilisant une seule technologie est choisi pour un projet hors-réseau, les technologies proposées pour la production d’électrcité se limitent aux cinq suivantes : photovoltaïque, éolienne, moteur à pistons, turbine hydroélectrique, ou « Autres ». Dans ce cas, la feuille Charge et réseau disparait et c’est l’information dans la feuille Modèle énergétique qui devient plus volumineuse. On doit maintenant choisir le système électrique du cas de référence, soit moteur à explosion, électricité de réseau (c.-à-d., raccordement de l'installation hors-réseau à un réseau existant), turbine à gaz ou autre. Son type de combustible, sa capacité, son rendement, et ses coûts annuels d'exploitation et d'entretien doivent être spécifiés. La charge quotidienne doit ensuite être spécifiée, soit grâce à l'énumération détaillée des exigences des diverses charges qui seront raccordées au système électrique, ou en spécifiant la consommation totale de courant électrique CA et CC. L'utilisateur peut également indiquer comment la charge quotidienne change de mois en mois, et si les charges ont une corrélation positive, negative ou zéro entre les besoins en électricité et du rayonnement solaire, du vent ou d'autres ressources intermittentes alimentant le système du projet proposé.
DIAPOSITIVE 10 : Stratégie d'exploitation
Dans bien des projets énergétiques, un opérateur peut choisir le niveau de puissance auquel l'équipement fonctionne. Par exemple, il est possible d'opérer un moteur à explosion à plein rendement ou à un niveau inférieur au-dessus d’un seuil minimum. RETScreen permet à l'utilisateur d'en tenir compte grâce au choix d'une « Stratégie d'exploitation ».
Parfois RETScreen n'offre aucun choix de stratégie d'exploitation, celle-ci étant déterminée par les types de projet, de technologie et de réseau. Par exemple, dans un projet d’éoliennes reliées au réseau central, RETScreen comprend que c’est le vent qui fixe la puissance produite par les éoliennes et que celle-ci est entièrement absorbée par le réseau.
En revanche, un système électrique avec charge interne relié à un réseau pourrait être exploité de deux manières : à sa capacité nominale en continu, une stratégie appelée « Pleine puissance électrique », ou en fonction des besoins de la charge, une stratégie appelée « asservi à la charge électrique ». Pour les projets de production d’électricité n’utilisant pas de source d’énergie renouvelable, une stratégie de production à pleine puissance entraîne une production uniforme d'électricité sur l'ensemble de l'année, comme c’est le cas du système de « Production d’électricité de base » de ce graphique. La stratégie d’asservissement à la charge électrique amène des variations de la production au cours de l'année, en fonction de la variation de la charge électrique, comme le montre le profil de charge du graphique pour le système électrique de pointe. Une stratégie d’asservissement à la charge électrique est logique si le prix que l’on peut tirer d’un kWh envoyé au réseau est très faible en comparaison de la valeur du même kWh utilisé sur place pour combler les besoins de la charge interne.
Dans un projet de production de chaleur et d'électricité, la stratégie « asservi à la charge de chaleur » peut être souhaitable. Dans ce cas, l’installation de production électrique régule la puissance électrique produite de façon à ce que les rejets thermiques produits ne soient jamais supérieurs aux besoins de la charge de chaleur et ne soient pas ainsi gaspillés.
Dans le cas des turbines à vapeur, une partie du flux de vapeur peut être extrait à un niveau de pression intermédiaire de la turbine afin de répondre à une charge thermique bien particulière. RETScreen permet à l'utilisateur de spécifier si les stratégies de production à pleine puissance ou asservie à la charge électrique permettent d’extraire ou non de la vapeur à une pression intermédiaire dans le but de combler une portion de la charge de chaleur qui ne pourrait pas être comblée par les seuls rejets de vapeur en sortie de turbine.
DIAPOSITIVE 11 : Analyse des émissions et analyse financière
Le modèle RETScreen pour projets de production d’électricité produit les mêmes analyses d’émissions et financières que pour tous les autres projets d’énergie. Pour des analyses simplifiées tenant sur une seule feuille de calcul, sélectionner la Méthode 1 de la page de démarrage. Pour des analyses plus approfondies comportant des feuilles séparées d’analyse pour les missions et un sommaire financier individuels, sélectionner la Méthode 2.
DIAPOSITIVE 12 : Exemple de projet 1 - Projet raccordé à un réseau
Voyons à l’aide quelques exemples, comment RETScreen aide à évaluer la viabilité d’un projet de production d’électricité. Le premier exemple est un projet raccordé au réseau central, à Bergen en Norvège. Dans ce projet, le biogaz capté d'un site d'enfouissement plutôt que d'être brûlé dans des torchères, est utilisé pour alimenter un moteur à pistons qui entraîne une génératrice. La capacité de la centrale électrique est de 1,3 MW, avec un rendement de 37 %. L’électricité produite peut être vendue au distributeur d’électricité à un coût de 3 ¢ de $US/kWh.
Cette étude de cas fait partie de la base de données de projets RETScreen. Ouvrons la base de données de projets, sélectionnons l'onglet Études de cas et choisissons ensuite Production d’électricité - Moteur à pistons – Norvège – Bergen- 1300 kW, Gaz d’enfouissement. Une description précise de ce projet est disponible en cliquant sur le bouton d'aide dans la partie inférieure droite de la fenêtre de la base de données de projets. Récupérons l'analyse RETScreen du projet en cliquant sur la coche verte.
Une fois l'étude de cas ouverte à la feuille Démarrage, on constate que RETScreen a bien été configuré pour un projet de production d’électricité employant un moteur à pistons et raccordé au réseau central. On voit que le contenu énergétique du combustible est défini par son Pouvoir calorifique inférieur; c’est la convention généralement utilisée en Europe où se situe ce projet. Même si elles ne sont pas nécessaires à l’étude, les données climatiques pour Bergen, Norvège ont été choisies dans la base de données climatiques.
Lorsque l'on clique sur l'onglet Modèle énergétique, la feuille modèle énergétique s'affiche. Les quelques paramètres qui apparaissent en premier décrivent l’installation électrique du projet proposé. Le moteur sera en mesure de fonctionner environ 8 000 heures par année, ce qui correspond à une disponibilité de 91 %; il ne consomme qu'un seul combustible, du biogaz disponible gratuitement, ce qui se traduit par un prix du combustible de 0 $ par m³.
La capacité de production de ce projet est de 1 300 kW, et son coût a été évalué à 1,3 M$ US. Si on a besoin de savoir comment évaluer le coût d’un tel projet, on peut utiliser le manuel d’aide en ligne. Pour ce faire, on se positionne sur la cellule « Surcoûts à l’investissement » du projet proposé, puis on clique sur l'icône d'aide, un point d'interrogation, de la barre flottante d'outils RETScreen. Un texte d'aide s'affiche. Si nous suivons le lien jusqu'à Total des coûts d’investissement – Projets de production d’électricité, on peut voir que le coût d’une installation avec un moteur à pistons dans cette gamme de puissance, se situe à environ 1 400 $ canadiens par kW. Cela se situe donc dans le même ordre de grandeur de coût de projet.
RETScreen nous montre qu'une centrale électrique de 1,3 MW offrant une disponibilité annuelle de 8 000 heures, exportera 10,4 GWh par année au réseau. Avec une consommation spécifique de 9 692 kJ par kWh, ceci exigera 12,6 GJ de combustible. Il n'est pas évident de vérifier si cette consommation spécifique correspond bien au rendement de 37 % mentionné précédemment. Nous verrons plus tard, dans un instant que RETScreen offre un outil pratique à ce sujet.
Le prix de l'électricité exportée au réseau de 30 $US/MWh reflète bien le prix de 0,03$US/kWh auquel l’électricité produite pourra être vendue au distributeur d’électricité.
L'analyse d'émissions calcule la réduction annuelle nette d'émissions de GES. Dans ce cas particulier, les émissions associées à la production d'électricité du projet proposé sont comparées aux émissions pour l'électricité de réseau qu'il remplace.
Le lieu du projet est la Norvège. RETScreen nous indique qu’en Norvège, un pays où l'hydroélectricité prédomine largement, le facteur moyen d'émissions de GES n'est que de 0,004 tonnes d'équivalent CO2 par MWh d'électricité de réseau. Cela comprend des pertes moyennes de transport et de distribution de 5 %, des centrales hydroélectriques jusqu’aux consommateurs. Puisque le site d'enfouissement se situe aux environs de Bergen, la deuxième ville de Norvège, il est plus près des charges électriques que les centrales hydroélectriques du réseau le sont en moyenne. C’est pourquoi les pertes de transport et de distribution ont été réduites à seulement 1 %.
Sur la base de cette information, RETScreen calcule que la réduction annuelle nette d'émissions de GES émanant de ce projet se situe à environ 41 000 tonnes d'équivalent CO2. Le calculateur d'équivalences de RETScreen nous aide à évaluer concrètement cette valeur. Il nous indique que 41 000 tonnes d'équivalent CO2 annuel est comparable au retrait de la circulation de 8 200 voitures ou camionnettes, l'effet de 41 000 foyers nord-américains réduisant leur consommation énergétique de 20 %, ou la consommation de 85 000 barils de pétrole brut en moins.
Dans l'étude de cas, la valeur des réductions d'émissions de GES à été estimées à 5,00 $ par tonne d'équivalent CO2 pour une période de 10 ans, avec une une augmentation annuelle de 2 %.
RETScreen demande de fournir les valeurs de plusieurs paramètres nécessaires à l’analyse financière, notamment le taux d'inflation, le taux d'intérêt sur la dette, la durée de vie du projet et le ratio d'endettement. Des coûts d'exploitation et d'entretien de 104 000 $ par année ont également été pris en compte. Le modèle fournit d’une part le total des frais annuels et des paiements de la dette du projet, et d’autre part le total des économies et des revenus annuels qu’il génère. L’écart entre les deux fournit le revenu net du projet sur lequel est basée l’analyse financière.
Un graphique des flux monétaires cumulatifs en est déduit. Ce graphique montre tout de suit que ce projet est très intéressant. RETScreen montre qu’avec un temps de retour simple sur investissement de 3,6 années, le projet permet au promoteur d’obtenir un taux de rendement interne (TRI) avant impôt de 63 % sur les capitaux propres investis qui s’élèvent à 30 % de la valeur totale du projet.
Ceci complète les principales feuilles de présentation de l’étude de cas, mais ce n’est qu’un simple aperçu des multiples fonctionnalités de RETScreen. Par exemple, il existe une troisième feuille de calcul identifiée par l’onglet Outils. On découvre une possibilité de choix de multiples outils. L’outil Gaz d'enfouissement compte parmi les outils que nous pourrions trouver utiles pour ce projet. On découvre que le volume de déchets accumulés sur le site entre 1970 et 2003 a été indiqué par l’utilisateur avec certaines caractéristiques des déchets et du site d'enfouissement. Avec ces données, RETScreen est capable de fournir un premier estimé du potentiel de génération de biogaz que ce site va produire au cours des prochaines années. On peut facilement voir que ce site ayant commencé à être exploité en 1993 fournira assez de gaz pour alimenter notre projet sur sa durée de vie utile qui a été prévue de 10 ans.
Votre attention a peut-être été attirée par un élément étrange de l’analyse de GES : même si l'hydroélectricité distribuée sur le réseau de Norvège est associée à un très bas niveau d'émissions, notre projet génère d’importantes réductions nettes d'émissions. Comment cela est-il possible? Le calculateur de gaz d'enfouissement offre une réponse. Dans le cas de référence, nous supposons que 10 % du gaz d'enfouissement est brûlé et que le restant est libéré dans l'atmosphère. Le biogaz, essentiellement du méthane, est un puissant gaz à effet de serre, et donc, si nous captons ce biogaz et le brûlons dans notre projet énergétique, nous réduisons fortement les émissions du site d'enfouissement. Si, par contre, la norme est de brûler par torchère le biogaz, on observe que les réductions des émissions sont réduites considérablement.
Pour mieux évaluer cet aspect de l’analyse, nous devons tenir compte de ces émissions de manière plus précise. Jusqu'à maintenant, nous avons employé l’analyse simplifiée de la Méthode 1. Revenons à la feuille Démarrage et choisissons une analyse de Méthode 2. L'analyse des coûts comporte maintenant des feuilles de travail séparées, soit l'analyse des émissions, l'analyse financière et l'analyse des risques.
La nouvelle feuille Analyse d'émissions montre plus en détail le résultat de la récupération et de la combustion des gaz d'enfouissement, dans les torchères d’une part, dans le moteur d’autre part, sur les réductions émissions de GES. Enfin, le modèle montre séparément les réductions d’émissions liées à la production d’électricité de réseau qui a été évitée par la production d’électricité du projet proposé. Les résultats de l'analyse d'émissions sont directement liés aux données du calculateur de gaz d'enfouissement.
L’analyse selon la Méthode 2 de la feuille Démarrage présente donc des analyses des coûts et financière à la fois plus détaillées et adaptables au contexte particulier d’un projet. Si nous le souhaitions, nous pourrions fournir une ventilation plus précise des coûts dans la feuille d'analyse des coûts, que ce soit au niveau des études de faisabilité et de développement, des frais imprévus, des intérêts courus durant la construction et des coûts périodiques à prévoir au cours de la période d’exploitation du projet. La feuille Analyse des coûts démontre que les 12,6 GJ/h de combustible exigés par notre projet, tel qu'établi dans la feuille Modèle énergétique, correspond à 5,4 millions de m³ de biogaz par année. La feuille Analyse financière permet de préciser notre analyse à l'aide de nouveaux paramètres financiers, dont un taux d'indexation du prix de l’électricité exportée au réseau différent non seulement du taux d’inflation mais aussi du taux d’indexation des combustibles. La feuille Analyse financière fournit également un ensemble plus complet d'indicateurs de la viabilité financière du projet, notamment deux indicateurs reconnus pour leur fiabilité d’analyse de la viabilité, à savoir la valeur actuelle nette du projet ou VAN et le taux de recouvrement de dette qui indique si les revenus cumulés du projet suffisent en tout temps à assurer le remboursement de la dette. Ce projet présente un coût de réduction de GES négatif de -6 $ par tonne d'équivalent CO2, démontrant que nous sommes en mesure de réduire les émissions de manière rentable.
Repassons à la feuille Modèle énergétique. Vous vous souviendrez que nous avons émis l’hypothèse que la consommation spécifique qui apparaissait correspondait bien au rendement de 37 % que nous connaissons du moteur. RETScreen peut nous aider à confirmer que c’est bien le cas. Allons à la feuille Outils et choisissons l'outil « Consommation spécifique ». Nous pouvons connaître le rendement qui correspond à une consommation spécifique de 9 692 kJ par kWh. Grâce à l'option Méthode 3 de l'outil, nous entrons la capacité de 1 300 kW, la consommation spécifique et le taux de récupération de chaleur de 0 %, et RETScreen indique que cela correspond réellement à un rendement de 37,1 %.
Si nous devions créer cette étude de cas en partant de zéro, cet outil nous permettrait de déterminer quelle consommation spécifique correspond à un rendement de 37 %. Nous pourrions le faire par tâtonnements, ou nous pourrions employer la fonction Valeur cible d’Excel. En sélectionnant la cellule rendement, en cliquant sur le bouton Valeur cible de la barre d'outils RETScreen, en entrant une valeur cible de 37 % et en commandant à la fonction Valeur cible de calculer la consommation spécifique permettant d’obtenir le rendement ciblé, nous obtenons une consommation spécifique de 9 730 kJ par kWh correspondant presque parfaitement au rendement de 37 %. N'oublions pas que RETScreen utilise Excel et que nous pouvons donc exploiter toutes les fonctions d'Excel, incluant des outils tels que la fonction « Valeur cible » et l'emploi de formules à l'intérieur de cellules.
Des moteurs à pistons sont souvent employés dans les réseaux isolés. Regardons comment RETScreen peut nous aider à analyser un tel projet selon la Méthode 1. Dans la feuille Démarrage, choisissons Réseau isolé et charge interne comme type de réseau. Une feuille Charge et réseau apparait alors. Nous pouvons y indiquer la charge de pointe du réseau, la charge électrique minimale annuelle du réseau, les charges électriques moyennes brutes mensuelles, un prix de l'électricité pour le cas de référence et déterminer la charge de pointe annuelle.
Certains paramètres supplémentaires doivent être indiqués sur la feuille Modèle énergétique. Le « Prix d'électricité – projet proposé » permet de déterminer le coût que l’on devra payer pour s’approvisionner en électricité du réseau pour fournir à la charge interne les quantités additionnelles d’énergie que l’installation de production électrique sera incapable de combler. Un changement de tarif est à envisager à cause du fait que l le système proposé réduit la demande du consommateur vue par le réseau. Le cleint peut alors changer de tranche tarifaire. Ce tarif est appliqué uniquement aux achats d’électricité nécessaires pendant les 9 % du temps durant lequel l’installation proposée ne suffit pas à combler les besoins de la charge interne.
RETScreen permet de choisir entre deux stratégies d'exploitation : production à pleine puissance ou asservi à la charge électrique. La première est nettement plus rentable.
Les moteurs à pistons sont relativement rares sur un réseau central, sauf pour les systèmes de cogénération habituellement situés soit dans les bâtiments, soit dans les usines. La plupart des nouvelles installations de grande envergure utilisent des turbines à gaz en cycle combiné. Si c’est une telle technologie que nous aimerions maintenant analyser, il suffit de retourner à la feuille Démarrage et de choisir comme technologie « Turbine à gaz - cycle combiné » et comme type de réseau « Réseau central ». Rappelons-nous que dans une centrale à cycle combiné, on fait tourner une turbine à vapeur avec la vapeur produite en récupérant l’énergie des gaz d’échappement d’une turbine à gaz. Sur la feuille Modèle énergétique, nous constatons que nous devons maintenant fournir les caractéristiques des turbines à gaz et à vapeur qui seront employées.
Un tel projet consommerait normalement beaucoup plus de gaz que ce site d'enfouissement ne pourrait en fournir. Par contre, si l'on vouvait l'approvisionner à 95 % en gaz naturel et seulement à 5 % en biogaz, RETScreen pourrait nous permettre de modéliser un tel approvisionnement en énergie grâce à la méthode de choix de combustible « Plusieurs combustibles - pourcentage ».
Nous pourrions vous montrer une foule d'autres fonctionnalités de RETScreen, mais nous espérons vous avoir convaincu des multiples possibilités offertes par cet outil d’analyse qui peut s’adapter à vos besoins pour étudier la viabilité économique de toutes sortes de projets de production électrique raccordés à un réseau.
DIAPOSITIVE 13 : Exemple de projet 2 Hors-réseau
Dans cet exemple, nous examinerons un projet de production d’électricité hors-réseau. Il s'agit d'un système électrique pour un petit village de 6 maisons en Syrie. Le village est très éloigné du réseau électrique; Aleppo étant la ville la plus proche. Le cas de référence est une génératrice diesel existante de 3 kW produisant, en moyenne, 8,4 kWh d'électricité par jour. La charge de pointe est 2,4 kW. L'achat de ce groupe diesel électrogène coûte 1 000 $US, mais a une durée de vie de seulement 5 ans. Un tel groupe exige des frais annuels de 150 $ pour son entretien et consomme 13 400 L de carbruant Diesel par an. À l’époque de cette analyse, le carburant diesel coûtait 0,15 $ le litre, avec une prévision d'augmentation annuelle de ce coût de 15 %.
Le système proposé pour remplacer cette génératrice diesel est un champ de modules photovoltaïques assorti d'une batterie assez importante pour alimenter la charge pendant 4 jours, sans apport solaire. Les cellules photovoltaïques coûtent 6 500 $US par kWcrête et le coût des accumulateurs, de l'onduleur et de l'installation est évalué à 17 000 USD. La vie utile des modules photovoltaïques devrait atteindre 20 ans, et celle des éléments électroniques seraient de 10 ans, alors que les batteries n’auraient une durée de vie de 8 ans.
Ce projet fait l'objet d'une étude de cas de la base de données de projets, identifiée comme Production d’électricité – Photovoltaïque – Syrie. Nous avons accès à une description plus détaillée du projet, contenue dans le manuel d'aide, ainsi qu’à l'analyse RETScreen. Dans la feuille Démarrage, le type de réseau est bien « hors-réseau », les données climatiques RETScreen sont celles de Aleppo. Ces données climatiques sont essentielles à cette étude de cas, car c’est le rayonnement solaire qui est à la base des calculs de l’énergie électrique qui sera produite par le système photovoltaïque proposé. En ouvrant la base de données climatiques, nous constatons qu'elle contient les données complètes pour tous les pays. Un pays comme la Syrie offre de nombreux emplacements de données climatiques parmi lesquels choisir. Les données climatiques contiennent des paramètres tels que la température moyenne mensuelle du sol et les degrés jours de chauffage, des données qui ne sont toutefois pas utiles à l’étude d’un projet photovoltaïque, mais utiles pour des projets de pompe à chaleur géothermiuqe par exemple. Les cellules « Source » indiquent la provenance des données; dans le cas de ce site, la plupart des paramètres proviennent d'observations au sol, mais pour d'autres sites, la plupart, voire l'ensemble des données proviennent d'observations par satellite.
Puisque nous avons choisi un type de projet « hors-réseau » et une technologie « photovoltaïque », RETScreen s'est configuré automatiquement pour l’analyse d’une telle installation de petite envergure tel que mentionné sur la diapositive « Type de réseau » de cette présentation. Il n'y a aucune feuille Charge et réseau, en revanche le Modèle énergétique prévoit une description de l'équipement du cas de référence, et non pas seulement un montant de coût d'électricité.
Les paramètres décrivant l’installation Diesel électrogène ont déjà été entrés. La consommation spécifique est très élevée, typique d’un petit groupe électrogène à bas coût, utilisé à une fraction seulement de sa capacité nominale, ce qui est fréquent dans une telle application. Le système est donc peu efficace. En l'absence d'information sur le rendement énergétique de l’installation, nous devons nous servir d’autres sources d’information pour pouvoir évaluer la consommation spécifique. Nous avons accès au coût total d’achat de carburant 13 400 L de diesel à 0,15 $ le litre, soit 2 010 $ par année. La chaleur spécifique de l’installation doit donc permettre de refléter ce coût total d’approvisionnement en combustible.
Tout ce que nous savons des besoins en électricité du village est la valeur moyenne quotidienne de 8,4 kWh et la charge de pointe de 2,4 kW. Ces besoins sont en courant alternatif. Ces valeurs ont été inscrites comme caractéristiques de la charge. La « corrélation ressource intermittente - charge » a été réglée sur « négative ». Cela signifie que les besoins d’électricité varient en opposition par rapport à la ressource solaire. En effet, celle-ci atteint sa valeur maximale en milieu de journée alors que les charges d’un tel village, notamment d’éclairage, des postes radio et peut-être même des télévisions fonctionneront essentiellement en soirée. Si nous possédions une évaluation de la consommation électrique quotidienne de chacun des appareils électriques de chaque maison, nous pourrions choisir la Méthode 2 pour caractériser en détail les charges électriques. Dans le même ordre d'idées, si nous savions que les charges peuvent varier d’un mois à l’autre, nous pourrions activer et utiliser le tableau « Portion d’utilisation dans le mois ».
Un onduleur a été spécifié comme premier élément du système proposé. Il est de puissance suffisante pour répondre à la charge de pointe de 2,4 kW. Vient ensuite la description des accumulateurs. Nous avons indiqué que nous voulons une batterie de 48 V offrant 4 jours d'autonomie, c'est-à-dire, pouvant alimenter la charge durant 4 jours sans apport solaire. Nous supposons que les accumulateurs offrent un rendement de 85 %, qu'ils peuvent se vider jusqu’à une profondeur de décharge de 80 % sans que leur durée de vie en soit affectée notablement, et que leur recharge par le champ photovoltaïque se fait à l'aide d'un contrôleur de charge à haut rendement. Nous indiquons aussi que ces accumulateurs sont maintenus à la température ambiante de l'air. RETScreen estime que notre batterie doit disposer d'une capacité de 1 046 Ah; nous avons spécifié une capacité environ 5 % supérieure.
La section suivante spécifie l’installation solaire dans son ensemble.
Commençons par la ressource solaire. Les données climatiques ne fournissent que l’ensoleillement sur un plan horizontal. Nous voulons installer notre champ face au sud (c'est-à-dire, avec un azimut de 0 degrés), avec 45 degrés d'inclinaison. RETScreen calcule le rayonnement solaire quotidien dans le plan du champ incliné, ainsi que l'électricité transmise à la charge. En faisant varier l'angle d'inclinaison, nous pourrions constater que c’est lorsqu’il est incliné à un angle égal à la latitude, soit 33 degrés, que le champ photovoltaïque produirait le plus d'électricité sur une base annuelle. Cependant, comme ce système doit alimenter la charge toute l’année, nous devons nous préoccuper d’optimiser sa production d’énergie pendant les mois les moins ensoleillés de décembre et de janvier. Nous en arrivons alors à la conclusion qu'une inclinaison légèrement supérieure à 45 degrés est optimale.
Nous passons ensuite aux spécifications du champ de modules photovoltaïques. Nous avons opté pour la technologie du silicium monocristallin. Dans la base de données de produits, ouverte à l'aide de l'hyperlien bleu, nous avons spécifié 3,6 kW de puissance en 72 modules. La capacité des modules provient de la base de données de produits. Nous avons choisi d'exploiter le champ photovoltaïque à la tension permettant d’en tirer la puissance maximale plutôt que de la laisser fixe et égale à la tension de la batterie d’accumulateurs. La méthode de contrôle est celle d’un « Optimiseur de puissance fournie ». Les pertes de ce système sont considérées négligeables.
Dans la section Sommaire, RETScreen évalue le facteur d’utilisation du système et la quantité d'électricité transmise à la charge. Celle-ci est bien supérieure à la charge sur une base annuelle, ce qui est une indication que le système solaire a été dimensionné pour pouvoir combler la charge durant les mois les moins ensoleillés.
La section Analyse financière indique un investissement total de 43 000 $. Cette valeur reflète à 10% près le coût d’une capacité de 3,6 kW de champ photovoltaïque à 6 500 $/kWcrête plus 17 000 $ pour l'installation et divers autres coûts. Pour obtenir une ventilation détaillée des coûts, on devra utiliser la Méthode 2 de la page Démarrage, puis accéder à la feuille Analyse des coûts. Le coût de 1 000 $ du groupe Diesel a été déduit des coûts d’investissement du système solaire, pour faire porter l’analyse de rentabilité uniquement sur le surcoût de l’option solaire par rapport à l’option Diesel. De plus, les coûts annuels d'entretien et de carburant diesel, les coûts périodiques pour le remplacement de la batterie et le crédit périodique pour l'absence de groupe Diesel à remplacer aux 5 ans ont également été pris en compte.
Si nous revenons à l'analyse financière de la Méthode 1, nous constatons que ce projet n'est financièrement pas viable. Cela n'est pas surprenant : avec le prix du diesel à 0,15 $ le litre, il est difficile de justifier un système photovoltaïque. Mais il suffit que le coût du carburant passe à 0,30 $ le litre, un prix tout de même assez bas par rapport aux coûts normaux du carburant Diesel dans le reste du monde, pour que le projet devienne rentable, avec un taux de rendement interne de presque 14 %.
RETScreen est donc un outil qui permet de procéder à l’analyse de la rentabilité de petits systèmes électriques hors-réseau aussi bien que d’installations de bien plus grande envergure raccordées à un réseau.
DIAPOSITIVE 14 : Questions?
Ceci termine cette présentation sur l'analyse de projets de Production d’électricité à l'aide de RETScreen.
Dans cet exemple, nous examinerons un projet de production d’électricité hors-réseau. Il s'agit d'un système électrique pour un petit village de 6 maisons en Syrie. Le village est très éloigné du réseau électrique; Aleppo étant la ville la plus proche. Le cas de référence est une génératrice diesel existante de 3 kW produisant, en moyenne, 8,4 kWh d'électricité par jour. La charge de pointe est 2,4 kW. L'achat de ce groupe diesel électrogène coûte 1 000 $US, mais a une durée de vie de seulement 5 ans. Un tel groupe exige des frais annuels de 150 $ pour son entretien et consomme 13 400 L de carbruant Diesel par an. À l’époque de cette analyse, le carburant diesel coûtait 0,15 $ le litre, avec une prévision d'augmentation annuelle de ce coût de 15 %.
Le système proposé pour remplacer cette génératrice diesel est un champ de modules photovoltaïques assorti d'une batterie assez importante pour alimenter la charge pendant 4 jours, sans apport solaire. Les cellules photovoltaïques coûtent 6 500 $US par kWcrête et le coût des accumulateurs, de l'onduleur et de l'installation est évalué à 17 000 USD. La vie utile des modules photovoltaïques devrait atteindre 20 ans, et celle des éléments électroniques seraient de 10 ans, alors que les batteries n’auraient une durée de vie de 8 ans.
Ce projet fait l'objet d'une étude de cas de la base de données de projets, identifiée comme Production d’électricité – Photovoltaïque – Syrie. Nous avons accès à une description plus détaillée du projet, contenue dans le manuel d'aide, ainsi qu’à l'analyse RETScreen. Dans la feuille Démarrage, le type de réseau est bien « hors-réseau », les données climatiques RETScreen sont celles de Aleppo. Ces données climatiques sont essentielles à cette étude de cas, car c’est le rayonnement solaire qui est à la base des calculs de l’énergie électrique qui sera produite par le système photovoltaïque proposé. En ouvrant la base de données climatiques, nous constatons qu'elle contient les données complètes pour tous les pays. Un pays comme la Syrie offre de nombreux emplacements de données climatiques parmi lesquels choisir. Les données climatiques contiennent des paramètres tels que la température moyenne mensuelle du sol et les degrés jours de chauffage, des données qui ne sont toutefois pas utiles à l’étude d’un projet photovoltaïque, mais utiles pour des projets de pompe à chaleur géothermiuqe par exemple. Les cellules « Source » indiquent la provenance des données; dans le cas de ce site, la plupart des paramètres proviennent d'observations au sol, mais pour d'autres sites, la plupart, voire l'ensemble des données proviennent d'observations par satellite.
Puisque nous avons choisi un type de projet « hors-réseau » et une technologie « photovoltaïque », RETScreen s'est configuré automatiquement pour l’analyse d’une telle installation de petite envergure tel que mentionné sur la diapositive « Type de réseau » de cette présentation. Il n'y a aucune feuille Charge et réseau, en revanche le Modèle énergétique prévoit une description de l'équipement du cas de référence, et non pas seulement un montant de coût d'électricité.
Les paramètres décrivant l’installation Diesel électrogène ont déjà été entrés. La consommation spécifique est très élevée, typique d’un petit groupe électrogène à bas coût, utilisé à une fraction seulement de sa capacité nominale, ce qui est fréquent dans une telle application. Le système est donc peu efficace. En l'absence d'information sur le rendement énergétique de l’installation, nous devons nous servir d’autres sources d’information pour pouvoir évaluer la consommation spécifique. Nous avons accès au coût total d’achat de carburant 13 400 L de diesel à 0,15 $ le litre, soit 2 010 $ par année. La chaleur spécifique de l’installation doit donc permettre de refléter ce coût total d’approvisionnement en combustible.
Tout ce que nous savons des besoins en électricité du village est la valeur moyenne quotidienne de 8,4 kWh et la charge de pointe de 2,4 kW. Ces besoins sont en courant alternatif. Ces valeurs ont été inscrites comme caractéristiques de la charge. La « corrélation ressource intermittente - charge » a été réglée sur « négative ». Cela signifie que les besoins d’électricité varient en opposition par rapport à la ressource solaire. En effet, celle-ci atteint sa valeur maximale en milieu de journée alors que les charges d’un tel village, notamment d’éclairage, des postes radio et peut-être même des télévisions fonctionneront essentiellement en soirée. Si nous possédions une évaluation de la consommation électrique quotidienne de chacun des appareils électriques de chaque maison, nous pourrions choisir la Méthode 2 pour caractériser en détail les charges électriques. Dans le même ordre d'idées, si nous savions que les charges peuvent varier d’un mois à l’autre, nous pourrions activer et utiliser le tableau « Portion d’utilisation dans le mois ».
Un onduleur a été spécifié comme premier élément du système proposé. Il est de puissance suffisante pour répondre à la charge de pointe de 2,4 kW. Vient ensuite la description des accumulateurs. Nous avons indiqué que nous voulons une batterie de 48 V offrant 4 jours d'autonomie, c'est-à-dire, pouvant alimenter la charge durant 4 jours sans apport solaire. Nous supposons que les accumulateurs offrent un rendement de 85 %, qu'ils peuvent se vider jusqu’à une profondeur de décharge de 80 % sans que leur durée de vie en soit affectée notablement, et que leur recharge par le champ photovoltaïque se fait à l'aide d'un contrôleur de charge à haut rendement. Nous indiquons aussi que ces accumulateurs sont maintenus à la température ambiante de l'air. RETScreen estime que notre batterie doit disposer d'une capacité de 1 046 Ah; nous avons spécifié une capacité environ 5 % supérieure.
La section suivante spécifie l’installation solaire dans son ensemble.
Commençons par la ressource solaire. Les données climatiques ne fournissent que l’ensoleillement sur un plan horizontal. Nous voulons installer notre champ face au sud (c'est-à-dire, avec un azimut de 0 degrés), avec 45 degrés d'inclinaison. RETScreen calcule le rayonnement solaire quotidien dans le plan du champ incliné, ainsi que l'électricité transmise à la charge. En faisant varier l'angle d'inclinaison, nous pourrions constater que c’est lorsqu’il est incliné à un angle égal à la latitude, soit 33 degrés, que le champ photovoltaïque produirait le plus d'électricité sur une base annuelle. Cependant, comme ce système doit alimenter la charge toute l’année, nous devons nous préoccuper d’optimiser sa production d’énergie pendant les mois les moins ensoleillés de décembre et de janvier. Nous en arrivons alors à la conclusion qu'une inclinaison légèrement supérieure à 45 degrés est optimale.
Nous passons ensuite aux spécifications du champ de modules photovoltaïques. Nous avons opté pour la technologie du silicium monocristallin. Dans la base de données de produits, ouverte à l'aide de l'hyperlien bleu, nous avons spécifié 3,6 kW de puissance en 72 modules. La capacité des modules provient de la base de données de produits. Nous avons choisi d'exploiter le champ photovoltaïque à la tension permettant d’en tirer la puissance maximale plutôt que de la laisser fixe et égale à la tension de la batterie d’accumulateurs. La méthode de contrôle est celle d’un « Optimiseur de puissance fournie ». Les pertes de ce système sont considérées négligeables.
Dans la section Sommaire, RETScreen évalue le facteur d’utilisation du système et la quantité d'électricité transmise à la charge. Celle-ci est bien supérieure à la charge sur une base annuelle, ce qui est une indication que le système solaire a été dimensionné pour pouvoir combler la charge durant les mois les moins ensoleillés.
La section Analyse financière indique un investissement total de 43 000 $. Cette valeur reflète à 10% près le coût d’une capacité de 3,6 kW de champ photovoltaïque à 6 500 $/kWcrête plus 17 000 $ pour l'installation et divers autres coûts. Pour obtenir une ventilation détaillée des coûts, on devra utiliser la Méthode 2 de la page Démarrage, puis accéder à la feuille Analyse des coûts. Le coût de 1 000 $ du groupe Diesel a été déduit des coûts d’investissement du système solaire, pour faire porter l’analyse de rentabilité uniquement sur le surcoût de l’option solaire par rapport à l’option Diesel. De plus, les coûts annuels d'entretien et de carburant diesel, les coûts périodiques pour le remplacement de la batterie et le crédit périodique pour l'absence de groupe Diesel à remplacer aux 5 ans ont également été pris en compte.
Si nous revenons à l'analyse financière de la Méthode 1, nous constatons que ce projet n'est financièrement pas viable. Cela n'est pas surprenant : avec le prix du diesel à 0,15 $ le litre, il est difficile de justifier un système photovoltaïque. Mais il suffit que le coût du carburant passe à 0,30 $ le litre, un prix tout de même assez bas par rapport aux coûts normaux du carburant Diesel dans le reste du monde, pour que le projet devienne rentable, avec un taux de rendement interne de presque 14 %.
RETScreen est donc un outil qui permet de procéder à l’analyse de la rentabilité de petits systèmes électriques hors-réseau aussi bien que d’installations de bien plus grande envergure raccordées à un réseau.
DIAPOSITIVE 14 : Questions?
Ceci termine cette présentation sur l'analyse de projets de Production d’électricité à l'aide de RETScreen.
