Comme vous le savez, chez Artisans écologiques, on fait le pari de l’intelligence des humains et donc de nos clients. Nous essayons d’éclairer du mieux que nous pouvons nos solutions afin d’aider nos clients à faire leur choix. Voici un article proposé par SMA (marque d’onduleur) qui vise sans le dire la marque SolarEdge (lien vers l’article ).
D’après une étude universitaire, la technologie d’optimisation SMA ShadeFix est plus performante que la plupart des solutions hardware conventionnelles pour la gestion de l’ombrage, y compris dans les situations partiellement ombragées. Dans cette série en trois parties, nous allons démystifier les idées reçues les plus courantes et faire la lumière sur l’impact des technologies MLPE sur les performances d’une installation photovoltaïque.
Comprendre la technologie des optimiseurs traditionnels
Pour comprendre le fonctionnement d’un optimiseur de puissance, il faut d’abord comprendre qu’un optimiseur de puissance n’est autre qu’un convertisseur DC-DC avec des communications intégrées. Il fonctionne en ajustant simplement la tension DC vers le haut ou vers le bas. Les onduleurs strings modernes intègrent également ce composant, mais il est communément appelé entrée MPPT (Maximum Power Point Tracking).
L’architecture d’un système basé sur un optimiseur de puissance est en fait construite sur la topologie d’un onduleur string. Des groupes de modules photovoltaïques sont connectés ensemble dans des strings en série. La principale différence réside dans le fait que la partie DC:DC de l’onduleur n’est pas intégrée à l’onduleur, mais qu’elle est répartie sur le groupe de modules PV. Ce que les optimiseurs de puissance font en fait, c’est « optimiser » la tension des strings pour qu’elle corresponde à la tension d’entrée de l’onduleur (typ. 380 ou 400 Vdc pour les systèmes monophasés).
C’est logique, non ? Bon, passons maintenant aux mythes :
Mythe n° 1 : Les optimiseurs de puissance génèrent plus d’énergie pour les panneaux photovoltaïques ombragés.
Ce mythe est basé sur des affirmations commerciales selon lesquelles les optimiseurs de puissance produisent plus de puissance lorsqu’un ou plusieurs modules photovoltaïques sont ombragés. Bien que la base de cette affirmation soit vraie, plus de puissance ne se traduit pas toujours par un meilleur rendement énergétique. Permettez-moi de m’expliquer : Comme je l’ai mentionné plus haut, l’optimiseur de puissance remplit la même fonction que la partie DC:DC d’un onduleur string moderne – la principale différence étant qu’elle est répartie sur le champ photovoltaïque plutôt qu’intégrée à l’onduleur. Tout comme le dispositif de suivi du point de puissance maximale d’un onduleur string moderne, les optimiseurs de puissance ajustent la tension de fonctionnement des modules PV pour qu’elle corresponde à la tension continue de la chaîne requise pour faire fonctionner l’onduleur. Lorsqu’un ou plusieurs modules PV de la chaîne sont fortement ombragés (par rapport aux autres modules de la chaîne), la fonction de l’optimiseur de puissance ressemble beaucoup à celle du MPPT, car le chemin du courant à travers ces parties ombragées des modules PV a été essentiellement contourné (non pas par l’optimiseur, mais plutôt par les diodes de dérivation des modules PV). L’optimiseur de puissance fera donc fonctionner (1/3) ou (2/3) du module à un point de puissance maximale en fonction de la tension de sortie réduite du module ombragé.
Considérons maintenant que le moment de la journée où les ombres durent le plus longtemps est le début de la matinée et la fin de l’après-midi. À ces moments de la journée, l’irradiance est également la plus faible. Par conséquent, un gain de puissance de 4 à 5 % le matin ne se traduit pas par un rendement énergétique supplémentaire très important. En fait, un certain nombre d’études suggèrent que la consommation d’énergie interne des optimiseurs, qui augmentent et diminuent la tension toute la journée, l’emporte sur la production d’énergie supplémentaire en début et en fin de journée. Les optimiseurs de puissance n’apporteraient un avantage significatif en termes de rendement énergétique que si un ou plusieurs modules étaient fortement ombragés en milieu de journée. Dans ce cas, je m’interrogerais sur l’intérêt de placer le(s) module(s) à cet endroit en premier lieu. Si l’ensemble du réseau est uniformément ombragé (par exemple par un nuage), les optimiseurs de puissance n’apportent aucune puissance ou énergie supplémentaire significative.
Mythe n° 2 : Les optimiseurs de puissance traditionnels génèrent plus d’énergie supplémentaire qu’ils n’en consomment.
Les optimiseurs de puissance sont soumis à des pertes de tare associées au fonctionnement de l’électronique de puissance embarquée et des communications par courant porteur. Ces dispositifs consomment de l’énergie de traitement et aspirent cette énergie des modules PV à chaque fois que les modules PV sont en fonctionnement. De plus, les optimiseurs de puissance sont presque constamment en train d’augmenter ou de diminuer la tension, toute la journée, tous les jours. N’oubliez pas : contrairement à un micro-onduleur qui fonctionne vraiment de manière indépendante, le rôle d’un optimiseur de puissance est de faire fonctionner le module à une tension qui permet à l’ensemble du groupe d’une chaîne de correspondre à la tension du bus DC (380 ou 400 V) nécessaire au fonctionnement de l’onduleur. Dans des conditions de fonctionnement non optimales (par exemple, en cas d’inadéquation des modules ou d’ombrage), les optimiseurs sont contraints d’ajuster leur tension de fonctionnement de manière à réduire leur efficacité. Plus les conditions de fonctionnement sont mauvaises, plus l’efficacité de l’optimiseur diminue, car les dispositifs sont contraints de travailler davantage pour ajuster la tension.
Et puis, il y a la chute de tension accrue (qui n’est pas prise en compte dans la fiche technique de l’optimiseur de puissance). Un optimiseur de puissance ajoute 2,5 mètres de câble supplémentaire de section 2.5mm² (incluant les câbles d’entrée et de sortie) à chaque module auquel il est connecté. Ce seul câble supplémentaire crée une chute de tension d’environ 0,27 volt par optimiseur en plein soleil. Cela représente plus de 145 watts de puissance perdue dans un système de 12 kWc, ce qui correspond à plus de 265 kWh de production solaire perdue par an, uniquement à cause du câblage supplémentaire. Remarque : ce calcul ne tient pas compte des pertes résistives supplémentaires associées aux quatre connecteurs supplémentaires par optimiseur de puissance.
En fin de compte, les propriétaires d’installations se soucient surtout des économies, qui sont directement liées au rendement énergétique.
Mythe n° 3 : les optimiseurs de puissance détectent les modules PV « défaillants ».
Pour comprendre ce mythe, il faut d’abord savoir quand et comment les modules PV tombent en panne. Ce sujet mériterait à lui seul un article, mais en résumé, le taux de défaillance des modules PV est incroyablement faible, surtout si on le compare au taux de défaillance des optimiseurs de puissance.
Les principales causes de défaillance des modules sont les suivantes :
#1) Dommages causés aux câbles par les rongeurs ou la gestion des fils. Cela se traduit généralement par un défaut de terre ou un défaut d’arc. Dans les deux cas, l’ensemble de l’installation photovoltaïque sera (ou est censé être) hors ligne. Les optimiseurs n’auront pas d’impact sur ce scénario.
#2) Le stress environnemental qui entraîne des défaillances de la soudure, une délamination ou une pénétration d’humidité. Le résultat est souvent un court-circuit à l’intérieur du module PV. Cette situation est (censée être) détectée par la mesure d’isolement de l’onduleur et rendrait l’ensemble de l’installation PV inopérante tant que la situation persiste. Les optimiseurs n’auront pas d’impact sur ce scénario.
#3) Points chauds dus à l’ombrage « persistant » d’objets proches. L’optimiseur de puissance n’empêchera pas ce phénomène. Seules les meilleures pratiques de conception du système en matière de placement des modules permettront d’éviter cette situation.
La triste vérité est que la plupart des installateurs utilisent les capteurs de surveillance du niveau des modules intégrés aux optimiseurs de puissance pour détecter – devinez quoi – les optimiseurs de puissance défaillants !
Mythe n° 4 : Les optimiseurs de puissance traditionnels sont efficaces à 99 %.
Alors que le composant d’inversion de puissance (c’est-à-dire l’onduleur) du système peut avoir un rendement européen de 98.8%. Il n’existe aucune méthode normalisée pour tester ou vérifier le rendement européen d’un optimiseur de puissance au niveau du module. La fiche technique peut indiquer un « rendement pondéré » pour l’optimiseur de puissance, mais il s’agit d’un terme commercial sans définition commune ni test normalisé. Bien qu’il puisse y avoir un point de fonctionnement d’un optimiseur où il opère à une efficacité de 99 %, la plupart des points de fonctionnement opèreront probablement à une efficacité bien inférieure à 99 %, attribuable à des pertes supplémentaires dans votre système PV.
Plus la tension réelle de la chaîne est éloignée de la tension de fonctionnement fixe de l’onduleur (aussi appelée » tension optimisée « ), plus le rendement de la chaîne PV est faible.
Mythe n° 5 : Les optimiseurs de puissance traditionnels m’aident à concevoir des strings plus longs… et c’est une bonne chose.
En fait, c’est l’un des pires compromis de conception que l’on puisse faire. Dans un effort pour réduire le nombre de câbles et le travail nécessaire pour tirer un deuxième string, on peut être tenté de pousser la longueur du string au-delà de 20 modules (un maximum de 25 est techniquement autorisé). Mais c’est vraiment une décision de conception terrible. Laissez-moi vous expliquer : si nous supposons que la tension opérationnelle native d’un seul module PV est de 40 volts, il suffit d’environ 10 modules en série pour atteindre la tension de fonctionnement de 380/400 V de l’onduleur dans des conditions d’essai standard. Si d’autres modules sont connectés à la chaîne, les optimiseurs de puissance sont obligés d’ajuster la tension du module PV à une tension beaucoup plus basse pour correspondre à la plage de tension d’entrée de l’onduleur. Cette opération est connue sous le nom de « bucking » de la tension par l’optimiseur. À ce stade, l’optimiseur fonctionne à un rendement bien inférieur au rendement « de pointe » annoncé. Plus l’optimiseur est obligé d’ajuster la tension, plus il doit » travailler « , c’est-à-dire que les pertes augmentent et que le rendement diminue. Par conséquent, l’ajout de modules PV « supplémentaires » à un string peut vous faire économiser un peu de câbles, mais au prix de pertes supplémentaires encourues dans l’ensemble du système PV, en forçant tous les optimiseurs à passer en mode « buck » intensif.
Mythe n° 6 : Les optimiseurs de puissance traditionnels sont intrinsèquement plus sûrs
Bien que l’optimiseur limite la tension de sortie à un niveau sûr en cas d’incendie (mais seulement si l’optimiseur n’a pas atteint sa fin de vie, n’a pas été endommagé avant ou pendant/par l’incendie et même si c’est en fait le courant électrique qui est bien plus dangereux pour les pompiers que la tension), en faisant fonctionner le MLPE sur le toit, vous augmentez le risque d’incendie, ce qui, je l’admets, est plutôt contre-intuitif. Tout se résume à la loi de la probabilité totale. En augmentant le nombre de points de défaillance potentiels dans le circuit DC (qu’il s’agisse de connecteurs, de condensateurs ou de tout autre composant interne), vous augmentez la possibilité qu’un composant tombe en panne. Le courant continu a la fâcheuse habitude de former un arc persistant. Plus la tension du module est élevée, moins l’arc est susceptible de s’éteindre de lui-même. Les circuits AFCI sont (censés être) conçus pour éviter cela, mais les produits qui ont été certifiés selon la norme UL 1699B Outline of Investigation (par opposition à la norme officielle UL 1699B disponible seulement depuis août 2018) ne fonctionnent pas toujours comme prévu – demandez à Walmart. Dans tous les cas, le circuit AFCI doit toujours être considéré comme le mécanisme de sécurité de secours ou secondaire. Les meilleures pratiques en matière de gestion des câbles et de raccordement adéquat des connecteurs doivent toujours être considérées comme le mécanisme de sécurité principal – pour prévenir les arcs électriques en premier lieu – et non les optimiseurs de puissance, qui augmentent la probabilité de survenue d’arcs électriques.
Mythe n° 7 : Les optimiseurs de puissance traditionnels réduisent mes coûts d’exploitation et d’entretien.
Le coût de l’intervention pour réparer un module défectueux (ou plus probablement un optimiseur de puissance défectueux) peut varier de quelques centaines d’euros à quelques milliers. Le pire scénario dont j’ai entendu parler est celui du centre-ville de San Francisco, où un ascenseur mécanique est nécessaire pour accéder aux toits des maisons mitoyennes équipées de panneaux photovoltaïques. Quelle que soit la situation, il est clair que l’électronique de puissance devra un jour être remplacée et que le risque d’intervention pour l’installateur offrant une garantie de 10 ans (ou même de 25 ans sur un système financé) est important. En fin de compte, c’est le cycle thermique (chaud-froid-chaud) qui provoque la défaillance des optimiseurs de puissance. Les meilleures études indépendantes que j’ai vues sur la caractérisation des optimiseurs de puissance dans une chambre climatique sont de 2 000 cycles (simulant environ 5,5 ans de fonctionnement continu). Malheureusement, les appareils ne tombent pas non plus tous en panne en même temps, ce qui rend très probable la multiplication des interventions.
L’alternative est de retarder une visite de service jusqu’à ce que plusieurs pannes se soient produites, mais cela risque de compromettre la satisfaction du client en réduisant la production d’énergie et pourrait finalement avoir un impact sur la réputation de l’installateur.
Mythe n°8 : les optimiseurs de puissance (ou micro-onduleurs) sont nécessaires pour la conformité au risque incendie.
Il s’agit d’un faux récit qui est trop souvent mal compris. Peut-être qu’un jour, j’écrirais un article entier sur le sujet mais en attendant, je dirai simplement que les principaux bénéficiaires de cette idée reçue sont les fabricants de MLPE et non les pompiers. La plupart des équipements MLPE réduisent la tension dans le générateur. Le problème avec cette méthode est qu’elle ne spécifie qu’une limite de tension alors que c’est en fait le courant qui est dangereux. Elle n’offre donc pas une sécurité absolue.
Mythe n° 9 : En standardisant les optimiseurs de puissance, je réalise des économies dans mon activité d’installation.
Mais le fait indéniable est qu’en adoptant une stratégie de fournisseur unique, votre entreprise est beaucoup plus exposée à des défaillances épidémiques dues à des défauts de fabrication ou à des problèmes de qualité de conception ou, pire encore, à la faillite du fabricant, qui ne respecte pas toutes ses promesses de service et de garantie et qui n’a pas d’autre fournisseur en vue en raison des restrictions persistantes des droits de propriété intellectuelle pour l’ensemble du système. Les risques liés au service à vie et à l’O&M sont importants (voir le mythe n° 8). Vous êtes également exposé aux fluctuations de prix dues aux tarifs d’importation, à l’offre et à la demande, ainsi qu’aux risques liés à la disponibilité et à la pénurie des produits. En choisissant un système qui repose sur des communications propriétaires plutôt que sur des communications universelles, il y a toujours un risque d’incompatibilité future des produits. Enfin, vos possibilités d’innover et d’intégrer de nouvelles technologies (comme les modules PV à haut rendement et à haute tension) sont l’otage de la feuille de route des produits de votre fournisseur unique.
Mythe n° 10 : Les optimiseurs de puissance traditionnels sont bons pour l’environnement
Outre l’énergie intégrée dans les dispositifs eux-mêmes, il y a l’impact environnemental de l’ajout d’interrupteurs sujets à des défaillances à presque tous les modules photovoltaïques de toiture (ou tous les autres).
En juin 2020, SolarEdge affirme avoir expédié plus de 50 millions d’optimiseurs de puissance dans le monde. Ces dispositifs sont entièrement encapsulés et ne sont donc pas recyclables. D’ici la fin de la prochaine décennie, près de 52 millions de kilos de matériaux non recyclables (contenant des volumes élevés de matériaux précieux tels que l’aluminium et le cuivre, entre autres, qui deviendront finalement des déchets) seront déployés sur les toits du monde entier.
Une attitude plus écologiquement responsable consisterait à réduire l’utilisation de matériaux en se concentrant sur des stratégies de produits qui éliminent les composants superflus. Le concept même de MLPE est en contradiction avec la valeur écologique sur laquelle l’industrie de l’énergie solaire a été fondée.
Découvrez une façon supérieure d’optimiser les systèmes photovoltaïques et informez-vous sur toutes les ressources à votre disposition dans le troisième article de cette série. Restez connectés !