Growing Pain #3 : Mesures sur site dans le domaine de l'énergie solaire à grande échelle

Concevoir et exploiter un projet solaire à grande échelle sans comprendre pleinement sa production potentielle augmente inévitablement les risques tout au long de son cycle de vie. Pour les développeurs, une partie de la solution réside dans les données validées sur les ressources solaires, calculées à l'aide de modèles basés sur des satellites, qui permettent de produire des calculs de rendement énergétique précis.

Cependant, pour réduire l'incertitude de ces calculs - et le risque financier - il existe un autre élément clé d'une stratégie de données solaires : les mesures sur site.

Pour les projets solaires de moins de 10 MW, le coût d'une campagne de mesures sur site selon les meilleures pratiques peut ne pas être rentable. Pour les projets à grande échelle, cependant, l'investissement dans les mesures solaires apporte des améliorations importantes dans la conception technique et les décisions financières.

Conscients de cela, les développeurs de projets solaires ont de plus en plus recours aux mesures sur site pour étayer les données des modèles satellitaires et atténuer les risques financiers et techniques. La prochaine étape pour l'industrie est de s'assurer que les meilleures pratiques sont toujours suivies pour les campagnes de mesure sur site, afin que cet investissement ne soit pas gaspillé par des données de mauvaise qualité.

Ce numéro de Growing Pains explique pourquoi il est vital de garantir la précision des mesures sur site et explique comment les deux défis les plus courants peuvent être surmontés : un équipement inadéquat et une mise en œuvre incorrecte.

Introduction aux campagnes de mesures précises sur site

Le développement d'un projet photovoltaïque à grande échelle nécessite un long historique de données solaires et météorologiques, 20 ans ou plus dans le meilleur des cas. Les modèles fournissent des données historiques, en suivant des variables telles que la température, le vent et le rayonnement solaire, mais leur granularité spatiale et temporelle est limitée.

Les modèles mondiaux couvrent de vastes étendues de territoire, mais ne sont pas toujours assez détaillés pour rendre compte du climat local, qui peut varier considérablement sur une distance de plusieurs kilomètres, voire de plusieurs centaines de mètres. Par exemple, la température, le vent et les précipitations dans une ville côtière seront différents de ceux d'un site situé un peu plus à l'intérieur des terres. Des différences significatives sont également observées dans les régions vallonnées.

En outre, la résolution temporelle standard des ensembles de données mondiales est d'une heure, mais pour la modélisation détaillée de la conception technique, des données peuvent être nécessaires à la minute près. Cela est particulièrement important pour les projets d'énergie solaire et de stockage.

La solution consiste à compléter les données historiques des modèles par des mesures locales détaillées et spécifiques au site, prises sur une période d'au moins un an. Cela permet aux développeurs de recalibrer les données modélisées et de les rendre plus représentatives du microclimat du site, tout en réduisant l'incertitude des données. Les données du modèle historique adapté localement sont ensuite utilisées pour prédire de manière précise et fiable la production d'énergie photovoltaïque pour les 20 à 25 prochaines années. Les données du modèle adapté représentent de manière fiable non seulement les moyennes climatiques à long terme, mais aussi les extrêmes météorologiques, ce qui est important pour comprendre les schémas de risque.

Éléments d'une campagne de mesure des meilleures pratiques

Une année de mesures sur site nécessite un investissement dans des pyranomètres ou d'autres instruments solaires, des capteurs météorologiques, des enregistreurs de données et d'autres équipements. L'installation et le fonctionnement de l'équipement doivent comprendre un nettoyage et un entretien réguliers, conformément aux meilleures pratiques et aux normes définies par l'Organisation météorologique mondiale.

L'objectif est de maintenir une faible incertitude des mesures sur site pendant toute la durée de la campagne. Pour ce faire, il faut

• Au moins deux pyranomètres de classe A, mesurant l'irradiation horizontale globale avec une unité de ventilation, sont utilisés pour assurer la redondance.
• Dans les climats plus difficiles, ou pour les projets plus importants (plus de 100 MW), d'autres composantes de la ressource solaire telles que l'irradiation normale directe et l'irradiation horizontale diffuse sont mesurées. Ces paramètres solaires supplémentaires peuvent être mesurés par divers suiveurs solaires, le radiomètre rotatif à bande d'ombre (RSR) ou le pyranomètre SPN1.
• D'autres paramètres météorologiques tels que la température de l'air, la vitesse et la direction du vent, la pression atmosphérique et les précipitations sont mesurés. Pour les projets utilisant la technologie des modules photovoltaïques bifaciaux, l'albédo est également mesuré.
• Les pyranomètres et les équipements météorologiques sont nettoyés et entretenus selon les meilleures pratiques.

Les trois défis critiques pour les campagnes de mesure sur site

Cette section décrit trois défis communs pour l'acquisition et l'utilisation des données de mesure des sites solaires. Ces défis sont les suivants

1. L'utilisation d'instruments et d'équipements inadaptés
2. Un processus de mise en œuvre incorrect
3. Le rapprochement des mesures au sol avec les séries temporelles des modèles satellitaires.

Défi 1 : Utilisation d'un équipement inadapté

L'un des principaux avantages des campagnes de mesure est la réduction des écarts systématiques dans les ensembles de données des modèles solaires. Si cet objectif n'est pas atteint en raison de l'inexactitude des données fournies par les pyranomètres et autres instruments météorologiques, l'ensemble des efforts déployés n'a pas permis d'utiliser les ressources de manière efficace.

Comme les coûts initiaux d'une campagne de mesure rigoureuse et scientifiquement crédible ne sont pas négligeables - environ 20 000 USD par an ou plus - les parties prenantes d'un projet solaire peuvent chercher à réaliser des économies en réduisant la quantité de pyranomètres utilisés ou en optant pour l'instrumentation la moins chère.

En raison d'investissements inadéquats, qui se traduisent par l'absence de capteurs, l'utilisation d'équipements inférieurs aux normes et mal conçus ou l'absence de redondance des mesures, les développeurs de projets à grande échelle s'exposent aux risques suivants :

• Des relevés de données peu fiables conduisant à des statistiques incomplètes et faussées.
• Sous-prédiction/sur-prédiction systématique du rendement énergétique à long terme, entraînant une sous-performance ou une sous-évaluation financière.
• Défauts de conception technique de l'installation photovoltaïque en raison de l'absence de prise en compte des caractéristiques spécifiques du microclimat, y compris des conditions météorologiques extrêmes.
• Dégradation accrue des composants photovoltaïques et augmentation des coûts d'exploitation et de maintenance, en raison d'un manque de compréhension des risques environnementaux locaux tels que les vents forts, l'augmentation de la pollution, la poussière, la corrosion, les fortes variations de température ou l'humidité élevée.

Pour plus d'informations sur les risques financiers et techniques liés à l'inexactitude des données solaires, veuillez lire Growing Pain #1 : Project Design (en anglais)

Pour atténuer ces risques, Solargis recommande aux développeurs et à leurs partenaires de mesure :

• Investir dans des stations météorologiques, qui comprennent des instruments complémentaires de haut niveau pour permettre une vérification systématique de la cohérence et de la stabilité des données.
• Intégrer la redondance dans la campagne. Cela permet de réduire l'impact de tout point de données erroné dû à un dysfonctionnement ou à une maintenance incorrecte.
• Investissez en pensant au long terme. Un bon pyranomètre peut coûter jusqu'à 1500 euros, mais les économies initiales réalisées en achetant un équipement moins cher peuvent être bien inférieures aux coûts liés à l'utilisation de données inexactes pour la conception d'un projet solaire à grande échelle.

Défi 2 : Mise en œuvre incorrecte des campagnes de mesure

Même avec les meilleurs instruments disponibles sur le marché, la campagne de mesure ne fournira pas de données utiles si les stratégies de déploiement et de maintenance ne sont pas également conformes aux meilleures pratiques.

Pour les projets solaires à grande échelle en particulier, deux questions essentielles se posent :

1. La stratégie de nettoyage, d'exploitation et de maintenance est-elle adaptée ?
2. Les mesures effectuées reflètent-elles les conditions réelles du site?

La stratégie de nettoyage, d'exploitation et de maintenance est-elle adaptée ?

Pour les grands projets photovoltaïques, des dizaines de pyranomètres sont souvent installés. Cependant, le nombre de pyranomètres n'est pas suffisant pour fournir des données fiables. Un nettoyage et une maintenance sous-optimaux, ainsi qu'un réétalonnage différé, peuvent rapidement diminuer la valeur des données obtenues lors d'une campagne de mesure.

Pour réduire les coûts, l'industrie solaire a tendance à mettre en œuvre des campagnes de mesure en interne plutôt que de faire appel à des entrepreneurs expérimentés dans ce domaine.

Cependant, contrairement aux mesures de température, les équipements de mesure du rayonnement solaire doivent être placés avec soin et faire l'objet d'une maintenance systématique. La majorité des équipements météorologiques installés sur les sites de développement le sont dans des conditions qui ne sont pas optimales :

• À l'ombre des modules photovoltaïques, des objets ou du terrain qui obstruent la lumière du soleil
• Réflexions des modules photovoltaïques, des surfaces brillantes du terrain ou de l'eau.
• Positionnement incorrect, par exemple à une hauteur excessive, ce qui ne facilite pas l'entretien.
• Nettoyage insuffisant, permettant l'accumulation de poussière, de terre ou de rosée, qui obscurcit les capteurs.
• Problèmes de batterie, d'Internet ou d'enregistreur de données, certificats d'étalonnage annulés, contrôle de la qualité des données manquant ou insuffisant.

Pour résoudre ce problème, Solargis recommande :

• Faire appel à un partenaire spécialisé qui connaît les bonnes pratiques en matière de déploiement et de disposition des instruments, et qui a l'expérience de la protection contre le vol et les animaux.
• Installer un nombre limité de pyranomètres de meilleure qualité et bien entretenus, couplés de manière optimale avec des instruments RSR ou SPN1.
• Lors de l'établissement du budget de la campagne, consacrer une part importante du budget global au nettoyage, au fonctionnement et à l'entretien, plutôt que d'acheter du matériel supplémentaire qui ne pourra pas être entretenu correctement par la suite.

Les mesures effectuées reflètent-elles les conditions réelles du site ?

Les projets solaires à grande échelle sont souvent situés dans des zones reculées. La sécurité et la surveillance d'un équipement météorologique de grande valeur sur un site éloigné incitent à organiser la campagne de mesure à proximité des établissements humains, où l'équipement peut être déployé et entretenu à moindre coût.

Cependant, le microclimat local peut être très variable, ce qui signifie que les mesures prises sont inexactes pour le site de projet prévu. C'est particulièrement le cas dans les régions montagneuses ou côtières.

En outre, les projets à grande échelle utilisent de plus en plus des modules bifaciaux, qui captent l'irradiation solaire réfléchie par la surface. Les mesures d'albédo doivent être effectuées sur le même type de surface ou sur une surface similaire prévue pour l'exploitation du projet.

Pour atténuer ce problème, Solargis recommande ce qui suit :

• Dans le cas de grandes centrales solaires, les mesures sont prises à plusieurs endroits afin de s'assurer que les variations locales du climat et de la surface sont pleinement prises en compte.
• La saisonnalité est prise en compte - dans le cas des mesures d'albédo, une surface présente des caractéristiques différentes en hiver et en été, ou pendant les saisons sèches et humides ; il est donc essentiel d'effectuer des mesures pendant au moins 12 mois.
• Les données de mesure sont contrôlées, validées et certifiées par des experts en ressources solaires compétents et dignes de confiance.

Défi 3 : Réconcilier les mesures au sol avec les séries temporelles des modèles satellitaires

Les développeurs solaires sont souvent confrontés à d'importantes difficultés pour intégrer les données issues des campagnes de mesure sur site dans les modèles satellitaires existants. C'est particulièrement le cas lorsque la qualité des données issues des campagnes de mesure sur site n'est pas contrôlée.

Les données issues des campagnes de mesure sur site peuvent être

• Peu fiables - elles contiennent des points de données anormaux et suspects, qui diffèrent les uns des autres et/ou sont différents des valeurs du modèle.
• Incomplètes - données manquantes pendant de longues périodes en raison d'une panne ou d'un mauvais étalonnage de l'équipement.
• Formatées de manière incohérente - avec des horodatages et des métadonnées différents.

Cela peut entraîner des inefficacités importantes pour les développeurs, en particulier lorsque les experts en données doivent corriger et aligner manuellement les données à l'aide d'outils logiciels inadéquats, tels que des feuilles de calcul, qui n'offrent pas de fonctionnalités spécifiques au domaine.

Pour gérer efficacement la qualité des données, Solargis recommande aux développeurs d'investir dans un outil de visualisation et d'analyse des données conçu pour être utilisé dans le secteur solaire et capable de :

• D'importer et de visualiser facilement les données afin d'identifier les points à corriger.
• Créer des séries chronologiques harmonisées en comblant les lacunes par des données provenant de mesures alternatives ou de séries chronologiques modélisées.
• Aligner les données des séries temporelles et corriger les horodatages hétérogènes.
• Ajouter des métadonnées au niveau de détail requis.
• Vérifier les données à l'aide d'outils basés sur la physique solaire.
• Valider les mesures à l'aide de séries temporelles issues de modèles de satellites.

En fin de compte, les séries temporelles de mesures fonctionnent mieux lorsqu'elles sont utilisées pour compléter des ensembles de données solaires vérifiées et précises dérivées de satellites. Les données des modèles satellitaires et les mesures comportent toutes deux une part d'incertitude. La combinaison des sources de données permet d'atteindre le niveau d'incertitude le plus bas possible lors de l'évaluation de la performance solaire d'un site.

Fort de son expérience dans le traitement des mesures solaires et des données de modèles, Solargis a récemment lancé un outil logiciel pour aider les développeurs et les opérateurs solaires à gérer efficacement la qualité de leurs données. Solargis Analyst permet de comparer directement des ensembles de données, provenant de mesures sur site ou de modèles, et garantit la cohérence de la qualité des données.

Pour en savoir plus sur la manière dont Solargis peut vous conseiller sur la mise en œuvre et la validation des campagnes de mesure sur site pour les projets solaires à grande échelle, contactez-nous à l'adresse suivante : https://solargis.com/contact-us