Optimisation de l'efficacité énergétique et conception d'un système électrique de secours (cas du bà¢timent agronomie-bunker de l'Unikin)

III.2.3.3.2. Bibliothèques d'Agronomie

Partant du tableau 23, le tableau 53 nous donne le nom et type de climatiseur à utiliser après optimisation dans ces entités.

Tableau 53. Nombre et type de climatiseur à utiliser après optimisation dans les bibliothèques d'Agronomie

Entités	Nombre	Type	Puissance Unitaire (BTU)	Puissance Total	Temps d'utilisation (h)	Energie Consommée
Bibliothèque Agro	1	Mono split classe A++/A+ R38	9000	2,63543192	6	15,8125915
Bibliothèque 4eme Niveau	1	Mono split classe A++/A+ R38	9000	2,63543192	6	15,8125915
Total				5,27086384		31,625183

En comparant le tableau 23 et le tableau 53, on remarque qu'en dépensant 400 $ nous allons réduire la puissance de 0.58573616 KW et économiser 3.51441698 KWh d'énergie par jour.

III.2.3.4. Résultat de l'Optimisation des climatiseurs ? Pour Bunker

Le résultat final pour l'optimisation de tous les climatiseurs de Bunker, nous donne une réduction de la puissance de 0.8785 KW et une économie journalière d'énergie de 5.8567 KWh en dépensant seulement 600 $.

Si en un jour on économise 5.8567KWh, en un mois nous allons économiser (Eec) :

??é?? = 5.8567 * 26 = 152.274KWh par mois 5.16

Et en une année nous allons économiser : 152.2742 * 12 = 1827.2904 KWh par ans 5.17

Avec 1 KWh = 210.97 Fc, nous allons réduire la facture de 385 503.513 Fc ou de 192.76 $ en une année soit 1 927 517.59 Fc ou 963.76 $ en 5 ans.

? Pour Agronomie

Le résultat final pour l'optimisation de tous les climatiseurs d'Agronomie, nous donne une réduction de la puissance de 36.797057 KW et une économie journalière d'énergie de 236.34 KWh en dépensant 22200 $.

Si en un jour, on économise 236.348 KWh, en un mois nous allons économiser (Eéc) :

??é?? = 236.348 * 26 = 6 145.048 KWh par mois 5.18

Et en une année, nous allons économiser : 6 145.048* 12 = 73 740.576 KWh par ans. 5.19

Avec 1 KWh = 210.97 Fc, nous allons réduire la facture de 15 557 049.3 Fc ou de 7 778.53 $ en une année soit 77 785 246.6 Fc ou 38 892.63 $ en 5 ans.

- 60 -

III.2.4. Résultat final après optimisation ? Pour le bâtiment de Bunker

Après optimisation de ces 2 équipements (climatiseurs et lampes) ; nous constatons qu'en dépensant 1025$ pour le remplacement des équipements de grande puissance aux équipements proposés ayant une puissance faible, nous allons réduire la puissance du bâtiment à 4,18050424 KW et économiser 35.467 KWh d'énergie par jour soit un taux de réduction de 19.2%.

Donc en un mois, le bâtiment va économiser (Eéc) :

??é?? = 35.467 * 26 = 922.1485 KWh p??r mo???? 6.1

Et en une année, nous allons économiser (Eéc/ans):

??é??/?????? = 922.1485 * 12 = 11065.782 KWh p??r ?????? 6.2

Avec 1 KWh= 210.97, le coût de la facture sera réduite de 2 334 548.05 Fc ou 1 167.3 $ par ans soit 11 672 740.2 Fc ou 5 836.4$

Le tableau 54 nous donne la consommation journalière des équipements que l'on rencontre au Bâtiment de Bunker ainsi que la consommation journalière totale du bâtiment après optimisation.

- 61 -

Tableau 54. Consommation journalière des équipements au bâtiment de Bunker après optimisation

Bâtiment de Bunker
Entités	Lampes		Climatiseurs		Ordinateurs		Imprimantes		Autres équipements		Puissance Totale (KW)	Energie totale (KWh)
	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommées (KWh)
Auditoires	1,8	19,008	0	0	0,928	3,06	0	0	2,175	17,4	4,903	39,468
Bureaux	0,18	3,024	5,27086384	42,15299	0,53	4,56	2,82	3,72	0	0	8,80086384	53,45699
Laboratoires	0,288	2,65	0	0	0	0	0	0	0	0	0,288	2,65
Bibliothèque	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Bureautique	0,081	2,63543192	2,63543192	10,530627	0,43	4,3	0,609	2,436	0	0	3,7554319	19,902059
Installation Hygiénique	0,172	0,288	0	0	0	0	0	0	0	0	0,172	0,288
Couloire	0,252	2,419	0	0	0	0	0	0	0	0	0,252	2,419
Eclairage extérieur	0,2	2,2	0	0	0	0	0	0	0	0	0,2	2,2
Autres Entités	0	0	0	0	0,4	3,2	10,696	16,96	2	8	13,096	28,16
Total	2,973	32,224431	7,9062957	52,68361	2,288	15,12	14,125	23,116	4,175	25,4	31,467295	148,544

- 62 -

La consommation journalière dans le bâtiment est maintenant de 148.544 KWh par jour, la consommation mensuelle (Cm) sera donc de :

C?? = 148.544 * 26 = 3 862.144 KWh par ??o???? 6.3

Et en une année, la consommation sera de 46 345.728 KWh par ans.

Avec 1 KWh=210.97, la facture annuelle sera 9 777 558,24 Fc ou 4 888.8 $ soit 4 888 7791,2 Fc ou 24 443.9 $ en 5 ans.

? Pour le bâtiment d'Agronomie

Après optimisation de ces 2 équipements (climatiseurs et lampes) ; nous constatons qu'en dépensant 23 773.5$ pour remplacer les équipements qui consomment plus d'énergie aux équipements proposés consommant moins d'énergie, nous allons réduire la puissance du bâtiment à 43,0961 KW et économiser 633,791 KWh d'énergie par jour soit un taux de réduction de 17.9%.

Donc en un mois, le bâtiment va économiser (Eec) :

??é?? = 633.791 * 26 = 16 478.5515 KWh par ??o???? 6.4
Et en une année, nous allons économiser (Eéc/ans) :

??é??/?????? = 16 478.5515 * 12 = 197 742.618 KWh par a???? 6.5

Avec 1 KWh = 210.97 Fc, le coût de la facture sera réduit de 41 717 796.8 Fc par ans ou 20 858.9$ par ou soit 208 588 984.2 Fc ou 104 294.5 $ en 5 ans.

Le tableau 55 nous donne la consommation journalière des équipements que l'on rencontre au Bâtiment d'Agronomie ainsi que la consommation journalière totale du bâtiment après optimisation.

- 63 -

Tableau 55. Consommation journalière des équipements au bâtiment d'Agronomie après optimisation

Bâtiment d'Agronomie
Entités	Lampes		Climatiseurs		Ordinateurs		Imprimantes		Autres équipement		Puissance Totale (KW)	Energie Totale (KWh)
	Puissance (KW)	Energie Consommées (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie Consommée (KWh)	Puissance (KW)	Energie consommée (KWh)
Auditoires	7,056	64,422	0	0	15,5	8,91	0	0	1,365	10,4	23,921	83,732
Bureaux	4,248	33,732	266,1786	1926,5007	11,22	90	24,943	46,39	2,23	13,88	308,81962	2110,5027
Laboratoires	1,71	17,406	21,083455	168,667643	11,8	103,16	1,6	5,484	35,136	319,89	71,329455	614,60764
Bibliothèque	0,216	1,944	5,27086	31,625183	0,4	3,2	0,66	1,02	0	0	6,5468638	37,78918
Bureautique	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Installation Hygiénique	0,288	1,328	0	0	0	0	0	0	0	0	0,288	1,328
Couloire	1,08	15,8	0	0	0	0	0	0	0	0	1,08	15,8
Eclairage extérieur	0,9	9,9	0	0	0	0	0	0	0	0	0,9	9,9
Autres entités	0,16	0,64	0	0	0,4	3,2	6,289	16,96	0,1	6	6,949	26,8
Total	15,658	145,172	292,532943	2126,79356	39,32	208,47	33,492	69,854	38,831	350,17	419,83394	2900,4595

- 64 -

La consommation journalière dans le bâtiment est maintenant de 2900.4595 KWh par jour, la consommation mensuelle (Cm) sera donc de :

C?? = 2900.4595 * 26 = 75 411.947 KWh par ??ois 6.6

Et en une année, la consommation sera de 904 943.364 KWh par ans.

Avec 1 KWh=210.97, la facture annuelle sera 190 915 901.5 Fc ou 95 457.95 $ soit 954 579 507.5 Fc ou 477 289.8 $ en 5 ans.

III.3. Conception et dimensionnement du générateur de secours pour les bâtiments Agro-Bunker

La conception et le dimensionnement d'un champ photovoltaïque précis est en réalité un processus relativement complexe car il y a des nombreux paramètres à prendre en compte, une certaine dose d'impondérable (la météorologie), et surtout des multiples interactions entre les choix.

Les consommations du régulateur de charge, de l'onduleur, de la batterie, doivent être ajoutées à celle des récepteurs pour définir la consommation totale du système. Or, le choix de ces paramètres dépend de la taille du champ photovoltaïque, lui-même déterminé par la consommation Donc la conception d'un système photovoltaïque est le résultat d'une optimisation réalisée par itérations (BENKHERIF, 2018).

III.3.1. Diffèrent étapes de la conception et Dimensionnement

La littérature nous a permis d'établir les différentes étapes de conception et relations présenté ci- dessous (Luc, 1996):

Etape 1 : L'estimation des besoins journaliers de l'utilisateur en électricité. Etape 2 : L'estimation de l'énergie à produire de l'utilisateur.

Etape 3 : Estimation du champ photovoltaïque (tension et puissance crête installée et nombre. de modules)

Etape 4 : Estimation de la capacité de stockage de la batterie et choix de la technologie.

Etape 5 : Choix du régulateur et de l'onduleur.

III.3.1.1. L'estimation des besoins journaliers de l'utilisateur en électricité

Il s'agit d'estimer la consommation d'équipements supposés connus. L'objectif est d'obtenir la consommation totale moyenne par jour.

L'énergie totale moyenne nécessaire chaque jour est la somme des consommations énergétiques des divers équipements constituant le système à étudier.

Vu que ce dernier est un système de secours, la conception de celui-ci est faite dans le but d'alimenter que les lampes et les PC donc pendant le fonctionnement de notre système de secours, les climatiseurs seront mis à l'arrêt.

Donc : E?? = 75250

0.67 ??????3??3. ??33Wh 7.2

- 65 -

Après évaluation, la consommation énergétique journalière des entités que le système de secours prendra en charge est de 932.04 KWh.

En suivant le profil de consommation (figure 16) nous avons une consommation journalière pic de 75.25 KWh par jour.

Profile de consommation

Fraction de l'energie journalière (KWh)	80 70 60 50 40 30 20 10 0
		0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Temps (h)

Figure 8. Profil de consommation du Bâtiment Agro-Bunkers III.3.1.2. L'estimation de l'énergie à produire pour l'utilisateur

E??

E?? = 7.1
??

Avec :

Ep : Énergie à produire (Wh)

K : Coefficient correcteur qui tient compte des facteurs suivants (K=0.67) :

- L'incertitude météorologique ;

- L'inclinaison non corrigée des modules suivant la saison ;

- Le point de fonctionnement des modules qui est rarement optimal et qui peut être

aggravé par la baisse des caractéristiques des modules, la perte de rendement des

modules dans le temps (vieillissement et poussières) ;

- Le rendement des cycles de charge et de décharge de la batterie (90%) ;

- Le rendement du chargeur et de l'onduleur (de 90 à 95%) ;

- Les pertes dans les câbles et connexions

- 66 -

III.3.1.3. Estimation du champ photovoltaïque (puissance crête installée et nombre de modules)

III.3.1.3.1. Détermination de la puissance crête des générateurs photovoltaïques nécessaires

La puissance crête (Pc) est calculée sous la forme suivante :

E??

???? = 7.3
????

Avec Ir: l'irradiation solaire du milieu

La puissance crête des panneaux à installer dépend de l'irradiation du lieu d'installation.

En République Démocratique du Congo(RDC), l'étude du Potentiel solaire a été réalisée par la Commission Nationale de l'Energie (CNE) depuis quelques années.

Ces mesures d'ensoleillements obtenues en RDC montrent que la valeur minimale de l'ensoleillement est de 3,34 KWh/m² et 6,73 KWh/m² comme maximale.

Dès lors que la valeur minimale pour l'électrification par système photovoltaïque est de 1 KWh/m², on conclut que l'énergie solaire offre un énorme potentiel dans notre pays.

Mais selon la carte solaire de la RDC, l'ensoleillement de la région de Kinshasa est de 4,5 KWh/m²j.

100333.3

Donc : ??_C = = ??????????.???? W 7.4

4.5

III.3.1.3.2. Nombre de panneaux solaires

Le nombre des panneaux est fonction de la puissance crête de l'installation en fonction de la puissance crête du Panneau. Dans ce cadre, nous avons choisi le type de panneaux solaires SW 150 COMO BK polycristallin 150 WC / 12 coûtant 190$ la pièce.

??_C

?????? = 7.5
?? ??????t????????

NT P : Nombre de panneau

PC : Puissance crête (W)

PUnitaire : Puissance unitaire du panneau solaire (W)

24958.54

Donc ?????? = = ??????. ???? p????????????x sol????????s 7.6

150

Nous allons arrondir à 168 panneaux solaires.

Cb : Intensité de la batterie (Ah) Ec : Energie Consommée (Wh)

- 67 -

? Nombre de Panneau en Série

Le nombre total de panneau en série est égal à :

??D??

?????? = 7.7

??_m

NPS : Nombre de panneau en série

UDC : Tension DC nominal Du Système (V) Um : Tension nominal d'un module (V)

72

Donc ?????? = = ?? ??anneaux en ??er??e 7.8

12

? Nombre de panneau en parallèle

Le nombre total de panneau en parallèle est égal à :

??????

?????? = 7.9

??????

NPP : Nombre de panneau en parallèle

NTP : Nombre total de panneau solaire du système parallèle NPS : Nombre de panneau en série

168

Donc : ?????? = = ???? ??anneaux en ??arallèle 7.10

6

Pour notre système, nous aurons besoin 168 panneaux solaires de 150 W pour un coût total de 31 920$.

III.3.1.4. Estimation de la capacité de stockage de la batterie et choix de la Technologie

Il est certes vrai que, l'énergie en courant continu peut être stockée afin de l'utiliser durant la nuit ou pendant qu'il y a la pluie où le rayonnement solaire est sensiblement faible. Cette capacité dépend du nombre d'heures ou jours d'autonomie souhaitée. Nous avons opté pour les batteries 12-CS-11PS Plomb-acide 12V/296Ah coûtant 180$.

III.3.3.4.1. Nombre d'accumulateurs nécessaires ? Trouvons la capacité de la batterie La capacité de la Batteries est égale à :

E??

???? = 7.11

??

- 68 -

U : Tension unitaire d'une batterie (V)

75250

????= 12

= ????????. ???? Ah 7.12

Le parc batterie sera constitué d'accumulateurs solaires de 12V ; 296 Ah. ? Nombre de batterie en parallèle

Le nombre de batterie en parallèle est égal à :

??B

??B?? = 7.13
????

NBP : Nombre de batteries en parallèle CT: Capacité totale de batteries (Ah)

CU : Capacité unitaire de la batterie (Ah)

6270.83

Donc ??B?? = = 21.18 ? ???? batteries en ??arallèle 7.14

296

? Nombre de Batteries en série

??D??

??B?? = 7.15
??

NBS : Nombre de batteries en série

UDC : Tension DC nominal Du Système (V) U : Tension unitaire d'une batterie (V)

Nous aurons donc 21 batteries en parallèle ayant une tension de 12 volts. Notre système fonctionnera sous 96 V et aura une autonomie de 8 heures d'où le nombre de batteries en série sera de :

96

??B?? = 12 = ?? batteries en série 7.16

? Nombre total de batteries

Le nombre total de batteries est égal à :

??T = ?????? * ??B?? 7.17

Avec :

NT B : Nombre total de batteries

NBS : Nombre de batteries en série NBP : Nombre de batteries en parallèle

- 69 -

NT = 21 * 8 = ?????? ?????????????????? 7.18

Pour notre système, nous aurons besoin 168 batteries de 12V/296Ah pour un coût total de 30 240$.

III.3.1.5. Choix du régulateur et de l'onduleur

Le régulateur photovoltaïque, pièce centrale de l'installation, doit être compatible avec les autres éléments (champ photovoltaïque et parc de batteries), que contrôle la charge et décharge pour protéger les batteries (Adelbacer, 2005)

> Critère de choix du régulateur

"régul??teur > ??????????????????é Urégul??teur = Ugé??ér??teur

Ié??trée du régul??teur ??d????????????le > Imax du ????dule

"??????

I????rt??e du régul??teur = 8.1
Ugé??ér??teur

Nous avons opté pour l'utilisation du régulateur Universal controller with MPPT converter ayant un Coefficient de température -5.0 mV/°C/elem.7 coûtant 800$.

> Choix Onduleur

?????? "???? = ??

8.2

Pon : Puissance onduleur (W)

Ppc : Puissance de pointe de charge (W) ?? : Rendement de l'onduleur (0.9)

75.25

"???? =		= 83.6 ??? 85 ???? 8.3
	0.9

Normalement on devait utiliser un onduleur de 83.6 KW mais sur le marché, nous avons trouvé un onduleur chargeur de batterie de 85 KW que nous allons utiliser coûtant 7500$.

III.3.2. Evaluation du coût d'Investissement

Pour cette étude, les dépenses suivantes peuvent être envisagées :

- Modules PV (Pnom = 150 Wc) coûtant 190 $ / unité donc les 168 va nous coûter 31 920$

- Batteries (12 V/296 Ah) coûtant 180 $/unité donc les 168 batteries va nous coûter 30 240 $

- Supports et intégration 2 $ / module 336 $

- régulateur 800 $

- 70 -

- Onduleur 7 500 $

- Construction, câblage coûtera 500 $

- Main d'oeuvre + imprévus (20% du coût d'investissement)

Le coût d'investissement total est de 85 555.2$

Avec l'autonomie de nos batteries qui est de 8 heures, notre système pourrait être en mesure de prendre en charge une consommation journalière de 602 KWh. Ce qui pourrait entrainer une réduction d'énergie, si on isolait la consommation de ces équipements au réseau pendant un temps donné (pendant que nos batteries sont pleines). Il réduira de 22.0764 KWh l'énergie dans le Bunker soit 14.9% dans le bunker et de 579.923KWh soit de 19.9% dans le bâtiment d'agronomie.

Si ces équipement devient dépendant du système de secours, en un mois nous allons réduire la consommation (C) des deux bâtiments de :

????é??u????e en un ???????? = 602 * 26 = ???? ?????? KWh ?????? ???????? 9.1

Et en une année, la consommation sera réduite de :

????é??u????e en une ??nnée = 15652 * 12 = ??8?? 8???? KWh ?????? ?????? 9.2

Avec 1 KWh=210.97, la facture de ces deux bâtiments sera réduite de 39 625 229.3 Fc par ans ou 19 812.62 $ soit 198 126 146 Fc ou 99 063.1$ en 5 ans.

III.3.3. Simulations par le logiciel PVSYST

Le programme PVSYST est un logiciel de calcul et simulations de systèmes photovoltaïques, développé initialement par le Groupe de Physique Appliquée (GAP) de l'Université de Genève (Figures 17 et 18). Ce logiciel est conçu pour être utilisé par les architectes, ingénieurs et chercheurs, mais aussi un outil pédagogique très utile. Il inclut une aide contextuelle approfondie, qui explique en détail la procédure et les modèles utilisés et offre une approche économique avec guide dans le développement d'un projet. PVSYST permet d'importer des données météo d'une dizaine de sources différentes ainsi que des données personnelles (BENKHERIF, 2018).

- 71 -

Figure 9. Interface de logiciel PVSYST

Figure 10. Etapes de simulation avec PVSYST

- 72 -

III.3.3.1. Résultat de la simulation

Figure 11. Rapport de simulation

- 73 -

Figure 12. Perceptive de la scène d'ombrage du bâtiment Agro-Bunker

La connaissance du mouvement apparent du soleil pour un point donné de la surface terrestre est nécessaire pour toute application solaire (Figure 18). La position du soleil est définie par deux angles : sa hauteur HS (angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu) et son Azimut AZ (angle avec la direction du Sud, compté négativement vers l'Est) (BENKHERIF, 2018).

Figure 13. Diagramme d'Iso-Ombrage

Figure 14. Rapport de simulation de paramètres principaux du système

Figure 15. Diagramme des productions normalisées

Figure 16. Diagramme d'indice de performance et fraction solaire

- 74 -

- 75 -

Tableau 56. Bilans et résultats principaux

Figure 17. Balance de CO2 pendant un temps donné

- 76 -

Le système PV est exposé à plusieurs paramètre de dégradation qui est interprété par de facteur de perte (Figure 26) : perte de champ (Température, qualité des modules, résistance...), la perte Onduleur globales.

Figure 18. Diagramme des pertes sur l'année entière

Nous avons remarqué sur figure 26 que l'irradiation globale incidente n'est pas complètement exploitable à cause des facteurs et pertes sur les différentes partie du système. Nous aurons une énergie totale de 32.89 MWh.

- 77 -

Figure 19. Schéma synoptique du système

Figure 20. Schéma simplifié du système

- 78 -

III.4. Conclusion

L'optimisation par remplacement était l'un de moyen qui nous avait permis de réduire la consommation énergétique dans les deux bâtiments. Cette méthode consistait à remplacer les équipements (les lampes et les climatiseurs) ayant une grande puissance augmentant ainsi la consommation énergétique du bâtiment aux équipements de faible puissance économiquement abordable.

Les résultats obtenus après optimisation de ces deux équipement (lampes et climatiseurs) nous montrent que :

- Pour le bâtiment de Bunker, qu'en dépensant 1 025$ pour le remplacement des équipements de grande puissance aux équipements proposés ayant une puissance faible, nous allons réduire la puissance du bâtiment à 4,18050424 KW et économiser 27,76995 KWh d'énergie par jour soit un taux de réduction de 15.8%.

- Pour le bâtiment d'Agronomie, nous constatons qu'en dépensant 23 773.5$ pour remplacer les équipements qui consomment plus d'énergie aux équipements proposés consommant moins d'énergie, nous allons réduire la puissance du bâtiment à 43,0961 KW et économiser 633,791 KWh d'énergie par jour soit un taux de réduction de 17.9%.

Après optimisation, on devrait prévoir une source de secours pour assurer la continuité d'énergie de certains équipements dans les entités lors de la défaillance du réseau et nous avons opté pour le système PV comme générateur de secours.

Deux méthodes de calcul ont étés utilisés pour le dimensionnement de notre système, la méthode analytique qui nous a permis, grâce aux différentes formules de trouver le nombre de panneaux solaire, de batterie, de régulateur et d'onduleur à utiliser ; et la méthode de calcul à l'aide du logiciel PVSYST, qui au-delà de nous fournir le résultat sur le nombre de panneaux ou batterie, il nous a permis de faire la simulation.

Le système de secours est conçu pour ne prendre en charge que les lampes de certaines entités et les ordinateurs. Pendant la mise en marche du système tous les appareils énergivores tels que les climatiseurs seront en arrêt. D'où la mise en place d'un système de gestion efficace d'énergie permettrait d'adapter le fonctionnement de ces équipements aux besoins.

- 79 -

CHAPITRE IV. CONCEPTION, SIMULATION ET PROTOTYPAGE DU SYSTEME DE GESTION EFFICACE D'ENERGIE DANS LES BATIMENTS AGRO-BUNKER