Dernière mise à jour 12 février 2024 02:36

L’énergie solaire domestique gagne en popularité à cause du potentiel d’économie à long terme, la fiabilité et durabilité des systèmes, et les coûts de plus en plus abordables. Cet article, amplement inspiré de mon expérience personnelle, explore la conception d’un système solaire à usage domestique, les composants nécessaires, les coûts, ainsi que les méthodes de calcul de la consommation électrique domestique et les économies potentielles.

Composants d’un Système Solaire Domestique

Un system solaire domestique est composé de panneaux solaires (et système de montage), d’onduleurs et régulateurs de charge, de batteries, et du câblage électrique, mais aussi d’un système de monitoring et surveillance.

Panneaux solaires

Les panneaux convertissent l’énergie solaire en électricité. Leur efficacité et leur nombre dépendront de vos besoins énergétiques et de l’espace disponible.

• Types : Il existe principalement trois types de panneaux solaires : monocristallin (efficacité supérieure et coût élevé), polycristallin (moins cher mais moins efficace) et amorphe (flexibles, pas chers, mais avec efficacité inférieure). Il existe aussi des panneaux bifaces, qui captent les rayonnements solaires sur la face supérieure et les reflections lumineuses sur l’autre face.
• Puissance : La puissance est généralement mesurée en watts (W). Les panneaux solaires domestiques ont typiquement une puissance allant de 250W à 400W par panneau. Les panneaux bifaces peuvent aller jusqu’à 700W.
• Rendement et efficacité : Le rendement des panneaux (ratio d’énergie électrique produite par rapport à l’énergie lumineuse reçue) varie généralement entre 15% et 24%. Mais leur performance peut varier en fonction de la température et de l’ensoleillement. Un nettoyage régulier (dépoussiérage et lavage) devient souvent nécessaire pour une efficacité maximale.
• Durée de vie : La durée de vie moyenne d’un panneau solaire est d’environ 25-30 ans; il peuvent continuer à fonctionner au-delà de cette durée, mais avec une efficacité réduite; les panneaux perdent environ 1% de leur puissance par année d’utilisation.

Onduleurs et régulateurs de charge

Les onduleurs transforment le courant continu généré par les panneaux en courant alternatif utilisable par les appareils domestiques. Ils sont souvent couplés aux régulateurs de charge qui contrôlent la tension et le courant allant vers les batteries pour éviter la surcharge et la décharge excessives, en vue de prolonger leur durée de vie.

• Types : Les onduleurs se déclinent en onduleurs centraux (pour l’ensemble du système), micro-onduleurs (un pour chaque panneau) et onduleurs à chaîne (combinent les avantages des deux premiers types). Les régulateurs PWM (modulation de largeur d’impulsion) sont plus simples et moins chers, tandis que les régulateurs MPPT (Maximum Power Point Tracking) sont plus efficaces et plus coûteux.
• Puissance : La puissance des onduleurs doit être adaptée à celle des panneaux solaires. Ils sont disponibles dans une large gamme de puissance, adaptés à différents systèmes. Ils sont monophasés ou triphasés, avec des puissance variant entre 3 kW à 20 kW.
• Durée de vie : La durée de vie des onduleurs est généralement de 10 à 15 ans, moins longue que celle des panneaux solaires.

Batteries

Les batteries stockent l’énergie pour une utilisation ultérieure, en particulier la nuit ou lors de journées nuageuses.

• Types : Les batteries au plomb-acide (plus abordables mais avec une durée de vie plus courte) et les batteries au lithium-ion (plus chères mais plus durables et efficaces).
• Capacité de charge : La capacité est mesurée en kilowatt-heures (kWh). La capacité requise dépend de la consommation quotidienne et l’autonomie souhaitée en cas de non-production solaire. Une batterie de 5 kWh est théoriquement capable de fournir 1000 watts de puissance pendant 5 heures (moins en pratique).
• Durée de vie : La durée de vie des batteries varie selon le type et l’utilisation, allant généralement de 5 à 15 ans.

Systèmes de montage, câblage et dispositifs de sécurité, monitoring

Les panneaux sont montés sur des montures fixes orientés vers la direction qui optimise la reflexion solaire ou sur montures mécanisées qui orientent constamment les panneaux vers le soleil pour une efficacité maximale. Certaines montures intègre également un système de nettoyage des panneaux. Les matériaux utilisés doivent être robustes pour résister aux conditions météorologiques et garantir une longue durée de vie.

Le câblage doit être de haute qualité pour minimiser les pertes d’énergie et être adapté à la tension et au courant du système. Les dispositifs de sécurité (disjoncteurs, fusibles et parafoudres) doivent être inclus pour protéger contre les surcharges, les courts-circuits et les surtensions.

Suivi et Monitoring

Le monitoring du système solaire permet de mesurer et suivre l’evolution des flux d’énergie à temps réel (ou en différé); la production solaire, la consommation d’énergie, l’état de fonctionnement des panneaux, la charge des batteries ainsi que l’utilisation du réseau électrique.

Ces systèmes, gérés par les fabricants d’onduleurs, proposent des portails en ligne ou des applications mobiles montrant les données à temps réels ou encore des aggregations horaires, journalières et mensuelles. Ce suivi permet de comprendre les fluctuations de la production (ex. saisonnalité, niveau d’ensoleillement, défaut d’entretien des panneaux solaires) et de la consommation (ex. utilisation d’appareils énergivores), et optimiser le système.

Conception d’un Système Solaire Domestique

Avant de concevoir un système solaire, il est essentiel de mesurer la consommation électrique. Cela peut se faire en examinant les factures d’électricité mensuelles pour évaluer la consommation en kilowattheures (kWh) — Il faut noter que cette analyse est quasi impossible durant les périodes de délestage ou d’absence de courant du réseau électrique. La deuxième option, plus laborieuse, est d’établir la consommation en faisant des calculs directs de consommation; pour cela, il faut cataloguer les appareils électriques utilisés et quantifier leur utilisation quotidienne.

Analyse de la Consommation Énergétique

Comprendre et gérer la consommation électrique domestique est l’étape essentielle dans la mise en place d’un système solaire. Cela garantit non seulement que le système solaire est correctement dimensionné, mais aussi que les économies d’énergie (et de capital) sont optimisées. Cette analyse détaillée comporte plusieurs étapes.

• Examen des Factures d’Électricité : Établir sur la base de 12 derniers mois, une moyenne journalière, mensuelle et saisonnière de la consommation en kWh. La consommation pendant les périodes froides de l’année est différente de celle des périodes chaudes.
• Identification des Appareils Énergivores : Certains appareils consomment beaucoup d’électricité; le chauffe-eau électrique, le climatiseur, le réfrigérateur, le congélateur, le four électrique, le fer à repasser, le lave-linge, le lave-vaisselle, etc. Les appareils ont généralement une plaque qui signale la puissance en watt; mais l’utilisation d’un wattmètre est néanmoins mieux indiqué pour une mesure précise, la consommation n’étant pas régulière. Cet exercice permet d’effecteur un calcul direct de la consommation.
• Identification des Pics de Consommation : Il est important de noter les moments de la journée où la consommation d’électricité est la plus élevée; cela influence directement la conception du système solaire, notamment la capacité de stockage ou la puissance et nombre des panneaux photovoltaïques.

Facteurs Influant la Consommation

• Saisonnalité : La consommation d’énergie varie selon les périodes de l’année; pendant les périodes de fortes chaleurs le réfrigérateur et le climatiseur deviennent de gros consommateurs d’énergie.
• Habitudes de vie : Le nombre de résidents, l’utilisation d’appareils électriques et les habitudes quotidiennes influencent également la consommation d’énergie.
• Amélioration de l’efficacité énergétique : Le remplacement d’appareils anciens et énergivores par des modèles récents à haute efficacité énergétique peut significativement réduire la consommation.
• Comportement éco-responsable : L’adoption d’habitudes comme l’extinction des lumières lorsqu’elles ne sont pas nécessaires, l’utilisation rationnelle des appareils et la reduction de la consommation d’énergie en veille peuvent également réduire la consommation.

Example de calcul direct

Dans l’exemple donné au Tableau 1, nous assumons qu’un réfrigérateur et un congélateur restent allumés 24 heures sur 24. D’autres appareils sont seulement allumés pendant certaines tranches horaires — par exemple, une TV de 150 watts est seulement mise en marche entre 18h et 21h, alors qu’un climatiseur de 1CV (730 watts) est mis en marche entre 13h et 18h. En tout, 50595 watt-heures (ou 50,6 kWh) de courant sont consommés au cours des 24 heures, dont 21,9 kWh la nuit. Il y a deux pics de consommation; le premier (4850 Watts) à 8h du matin, où sont allumés simultanément une machine à café (1500 Watts) , un chauffe-eau (1500 Watts), un four microonde (1100 Watts), ainsi que le réfrigérateur (350 Watts) et le congélateur (400 Watts); et le second pic (2880 Watts) à 20h le soir.

Coût d’un Système Solaire Domestique

Après l’évaluation minutieuse des besoins énergétiques vient le calcul de l’investissement nécessaire, qui peut être considérable. Le coût dépend de plusieurs facteurs tels que la taille du système, les composants choisis, les frais d’installation, mais aussi du type de système à installer; système hors-réseau ou hybride. Un avantage comparatif doit également être tiré; quand l’électricité de réseau est amplement disponible, à bon marché, et de bonne qualité, un système solaire ne présente pas beaucoup d’avantages. Par contre, quand il y a un deficit énergétique ou un prix élevé du kilowatt-heure du réseau électrique, les avantages deviennent évidents. Le stockage du courant par des batteries est généralement le gros de l’investissement.

Systèmes Solaires Hybrides

Un système hybride combine l’énergie solaire avec l’accès au réseau électrique. Pendant les périodes de forte production solaire, l’électricité est fournie essentiellement par les panneaux solaires; le réseau électrique fournit de l’électricité quand la production solaire baisse ou disparait à la tombée du soleil. Les systèmes hybrides peuvent également inclure des batteries pour le stockage de l’énergie, tout en gardant le réseau électrique comme ultime recours.

Systèmes Solaires Hors Réseau

Un système solaire hors réseau fonctionne indépendamment du réseau électrique. Il est idéal pour les zones isolées ou lorsque le réseau électrique est défaillant. Cette option nécessite un système de stockage d’énergie plus important pour assurer une alimentation constante, ou le recours (facultatif) à un groupe électrogène.

Ensoleillement et Production Electrique

Le niveau d’ensoleillement est très élevé en Afrique; avec environ 3000 heures d’ensoleillement par an, les reserves théoriques disponibles annuellement sont estimés à plus de 60 millions de TWh. Le graphique ci-dessous montre la production théorique (mesurée à Bamako) d’un panneau photovoltaïque. La puissance maximale est produite entre 12h30 et 13h30. Un panneau de 280W produit dans les conditions idéales environ 2160 Wh de courant dans une journée, entre 7h et 19h.

Pendant les heures sans grande luminosité, il faut combler le deficit énergétique. Cela est réalisé en basculant sur le réseau électrique, les batteries ou encore un groupe électrogène. Dans l’exemple de consommation vu plus haut (voir Tableau 1), il ya 50,6 kWh de courant consommé. Pour satisfaire cette demande, il faut produire au moins cette quantité d’électricité. Dans les options (ci-dessous), nous donnons un scénario qui couvre entièrement cette demande et une seconde qui ne la couvre qu’en partie.

Dans ce premier scénario (Graphique 3), il y’a 7000 Watts de puissance photovoltaïque installée, une production totale de 54,2 kWh et donc un excès de 3,2 kWh sur les 24h. Durant la période d’ensoleillement, l’excès cumulé s’élève à 25,5 kWh. Dans certains pays, il y a possibilité d’envoyer cet excès sur le réseau électrique, faisant tourner le compteur dans le sens contraire, créant ainsi un capital à réutiliser la nuit venue. L’excès peut être également utilisé dans la recharge de batteries. Dans notre exemple, les batteries doivent produire 21,9 kWh d’énergie (nuitamment) pour éviter le recours à une autre source d’énergie.

Dans le deuxième scénario (Graphique 4), la puissance installée est réduite à 5000 Watts; ces panneaux produisent 38,7 kWh dans la journée et il y a un deficit de 11,9 kWh sur les 24h. Durant la période d’ensoleillement, l’excès cumulé s’élève à 10 kWh, pas assez pour combler le besoin de 21,9 kWh nécessaires la nuit. Avec ce scenario, des batteries peuvent être utilisées, mais il faut absolument une autre source de courant, le réseau ou un groupe électrogène.

Equipements et Coûts

Le coût dépend de plusieurs facteurs tels que la taille du système, les équipements et composants choisis, les frais d’installation, et le coût des éventuelles modifications structurelles. La taille du système doit généralement être majorée pour tenir compte des contraintes liées aux appareils, les aléas de la météo, la saisonnalité, ainsi que les variations et augmentations de la consommation. Le coût du matériel donné ci-dessous est simplement à titre indicatif – les prix varient énormément selon la qualité du matériel (et son origine), l’adaptation au climat chaud, le prestataire de service, etc. Les taxes (TVA de 5% au Mali) ne sont pas pris en compte.

Options	Option A (7 kW)	Option B (5 kW)
Panneaux	20 panneaux de 380 Watts (total 7600 W) 1,8 à 2,1M FCFA	14 panneaux de 380 Watts (total 5320 W) 1,2 à 1,5M FCFA
Onduleurs	8 kW ( x 1) 1,2 à 1,7M FCFA	5 kW ( x 1) 0,9 à 1,2M FCFA
Batteries	10 kWh ( x 3) 4,0 à 5M FCFA	10 kWh (x1) 1,3 à 1,6M FCFA
Total Matériel	7,0 à 8,8M FCFA	3,4 à 4,3M FCFA 2,1 à 2,7M FCFA ( sans batterie)

Economies énergétiques

Les économies peuvent être estimées en comparant la consommation d’électricité de réseau et le coût du système solaire sur sa durée de vie, généralement de 20 à 25 ans. Nous verrons ci-dessous que les systèmes peuvent être rentabilisés en l’espace de 2 ou 3 ans.

Simulation de facture

Dans l’exemple donné plus haut, la consommation journalière est de 50,6 kWh, soit 1518 kWh dans le mois – une consommation purement hypothétique. La facture ci-dessous est une simulation utilisant les tarifs d’Energie du Mali (EDM), une taxe sur la valeur ajoutée (TVA) de 18%, et des redevances perçues au Mali. EDM applique une tarification par palier – les premiers 200 kWh sont facturés à 109 FCFA et la tranche au-dessus à 130 FCFA. La facture mensuelle s’élève à 229 534 FCFA, taxes incluses.

	Prix Unitaire	kWh Cons.	Montant HT	Montant TTC
Tranche 1	109 FCFA	200	21 800 F	25 724 F
Tranche 2	130 FCFA	1318	171 340 F	202 181 F
Total		1518	193 140 F	227 905 F
Frais Compteur	540 FCFA			637 F
Redevances	592 FCFA			592 F
Timbre Fisc.	400 FCFA			400 F
			Total TTC	229 534 Francs

L’option A permet permet d’éliminer carrément la consommation venant du réseau électrique; la nouvelle facture s’élève à 1 629 FCFA (voir Tableau 4). Pour l’option B avec une batterie de 10 kWh, la nouvelle facture s’élève à 60 948 FCFA; sans la batterie, la facture est de 97 764 FCFA. Et selon les options, les équipements peuvent être rentabilisées entre 16 et 39 mois (voir le tableau ci-dessous).

	Option A	Option B	Option B (sans batterie)
Facture Initiale	229 534 FCFA
Nouvelle Facture	1 629 FCFA	60 948 FCFA	97 764 FCFA
Economies Réalisées	227 905 FCFA	168 587 FCFA	131 771 FCFA
Cout Système Solaire  (Hors taxes)	7,0 à 8,8M FCFA	3,4 à 4,3M FCFA	2,1 à 2,7M FCFA
Durée de rentabilisation	31 à 39 mois	20 à 26 mois	16 à 20 mois

La conception d’un système solaire domestique nécessite une évaluation minutieuse des besoins énergétiques et un investissement initial considérable. Cependant, les avantages à long terme, tels que les économies sur les factures d’électricité et la réduction de l’empreinte carbone, en font une option attrayante et durable. Avec les progrès technologiques, l’énergie solaire devient de plus en plus accessible aux ménages cherchant à réduire leur dépendance des sources d’énergie traditionnelles et systèmes de distributions défaillants.

Il faut également noter qu’un système solaire peut être installé de façon évolutif; les panneaux et l’onduleur peuvent être installés en premier, avec éventuellement l’ajout de batteries, de panneaux et d’onduleurs additionnels, permettant une maitrise des coûts. Des possibilités de financement existent également sur le marché.

Dans toute démarche, les étapes suivantes sont nécessaires:

• Determiner l’objectif premier – palier le manque d’électricité, créer un système totalement indépendant, reduction de facture électrique, etc.
• Determiner la consommation et les besoins énergétiques
• Consulter des professionnels du secteur et obtenir plusieurs devis personnalisés incluant les coûts d’installations (qui peuvent être très élevés)
• Effectuer des visiter de familiarisation sur des lieux déjà équipés de systèmes solaires — et poser beaucoup de questions