Pushing the Frontiers for Floating Solar Photovoltaics -- The Case for South America

Cette étude propose un cadre techno-socio-économique démontrant que les systèmes de photovoltaïque flottant (FSPV) en Amérique du Sud offrent une solution efficiente en termes d'utilisation des terres et compétitive en termes de coûts pour l'accès à l'énergie et la sécurité hydrique, avec un potentiel significatif de co-localisation avec l'hydroélectricité et les centres de données d'IA dans des pays comme le Nicaragua, le Honduras et le Guyana.

L'essentiel

Imaginez l'Amérique du Sud comme un immense jardin ensoleillé qui commence à manquer d'espace pour planter de nouveaux panneaux solaires. Habituellement, pour construire une ferme solaire, il faut défricher des hectares de terrain, ce qui peut entrer en conflit avec les fermes, les forêts ou les quartiers. Mais ce jardin possède une arme secrète : il est rempli de lacs et de réservoirs massifs.

Cet article soutient qu'au lieu de se battre pour la terre, nous devrions transformer ces lacs en fermes solaires. Les auteurs appellent cela le Photovoltaïque Solaire Flottant (PSF). Imaginez que l'on pose un immense radeau de panneaux solaires sur un lac, plutôt que de bétonner un champ.

Voici la décomposition simple de ce que l'étude a découvert, en utilisant des analogies de la vie quotidienne :

1. L'avantage de l'« immobilier » : L'eau coûte moins cher que la terre

Dans de nombreuses parties du monde, la terre est chère et encombrée. L'article compare l'Amérique du Sud à un marché immobilier où la « propriété en bord de mer » est, de manière surprenante, la meilleure affaire.

• L'affirmation : Si l'on regarde la quantité d'électricité qui peut être produite par kilomètre carré d'eau, l'Amérique du Sud est la championne mondiale. Elle possède le potentiel le plus élevé de tous les continents.
• L'analogie : Imaginez que vous essayiez d'installer un stand de limonade. En Asie, vous devez louer un coin de rue très fréquenté (terrain coûteux). En Amérique du Sud, vous pouvez installer votre stand sur un immense radeau gratuit flottant sur un lac calme. Le soleil frappe le radeau avec la même intensité, mais vous n'avez pas à payer pour le sol situé en dessous.

2. L'« effet de refroidissement » : Le lac est un climatiseur naturel

Les panneaux solaires détestent avoir trop chaud. Lorsqu'ils chauffent, ils deviennent grincheux et produisent moins d'électricité (comme un coureur qui ralentit sous la chaleur).

• L'affirmation : L'eau située sous les panneaux flottants agit comme un climatiseur naturel. Elle maintient les panneaux plus frais que des panneaux posés sur un sol brûlant.
• Le résultat : Parce qu'ils restent plus frais, les panneaux flottants travaillent plus dur. L'étude a révélé qu'ils produisent environ 5 % à 6 % d'électricité en plus que les mêmes panneaux posés sur terre dans les mêmes conditions météorologiques. C'est la différence entre courir une course dans une brise fraîche et courir dans une pièce chaude et humide.

3. Les études de cas : Tester les radeaux dans trois pays

Les auteurs ne se sont pas contentés de théorie ; ils ont construit des modèles numériques de fermes solaires dans trois endroits spécifiques pour voir comment ils se comporteraient :

• Nicaragua (Lac Xolotlán et Lac Cocibolca) : Ce sont de grands lacs situés près des villes. L'étude a montré qu'installer des radeaux solaires ici générerait une quantité massive d'énergie, surtout pendant la saison sèche quand le soleil est le plus fort.
• Honduras (Barrage d'El Cajón) : Il s'agit d'un barrage hydroélectrique. Les auteurs proposent un système « hybride ». Imaginez que le barrage dispose déjà de câbles et de pylônes pour envoyer l'électricité vers la ville. Vous pouvez simplement ajouter les panneaux solaires flottants sur l'eau juste à côté du barrage et utiliser les mêmes câbles. Cela permet d'économiser énormément d'argent car vous n'avez pas besoin de construire de nouvelles routes ou lignes électriques.
• Guyana (Groupe du lac de Capoey) : Cette zone est étudiée pour une utilisation très moderne : alimenter des centres de données pour l'IA. Ce sont de gigantesques entrepôts informatiques qui nécessitent une électricité et un refroidissement constants. L'article suggère de placer le solaire flottant juste à côté de ces centres. L'eau refroidit les panneaux solaires, et les panneaux solaires alimentent les ordinateurs, créant ainsi une « île technologique » verte et autonome.

4. Le langage de l'argent : Est-ce que cela en vaut la peine ?

Construire du solaire flottant coûte plus cher au départ que de construire sur terre car il faut des radeaux flottants spéciaux et des câbles sous-marins.

• Le bémol : Cela coûte environ 13 % de plus à la construction initiale.
• La récompense : Comme les panneaux fonctionnent mieux (ils sont plus frais) et que vous économisez sur le coût du terrain, le projet devient rentable plus rapidement sur le long terme.
• Le bonus du « Barrage » : L'étude a révélé que si vous construisez sur un barrage (comme au Honduras) et que vous utilisez les lignes électriques existantes, le coût chute tellement que cela devient l'un des moyens les plus économiques de produire de l'électricité au monde — moins cher même que les fermes solaires terrestres.

5. Le « double gain » : Économiser l'eau et l'air

• L'eau : Les panneaux flottants agissent comme un parapluie. Ils font de l'ombre à l'eau, empêchant son évaporation sous le soleil brûlant. Dans les régions arides, cela permet d'économiser une quantité massive d'eau douce (jusqu'à 60 % d'évaporation en moins).
• L'air : En remplaçant l'électricité qui serait produite en brûlant du pétrole ou du gaz, ces fermes solaires stoppent la pollution. L'étude a calculé que pour chaque unité d'énergie produite au barrage du Honduras, on pourrait empêcher le rejet de tonnes de dioxyde de carbone et d'autres gaz formant du smog.

6. Les obstacles : Tout n'est pas un long fleuve tranquille

L'article est honnête sur les défis. Installer de l'électronique sur l'eau est délicat :

• Eaux agitées : Les grosses vagues et les vents forts peuvent stresser les radeaux flottants. Ils doivent être construits comme des navires, et non comme de simples radeaux.
• Nature et populations : Si un lac est utilisé pour la pêche ou le tourisme, installer un immense radeau solaire pourrait gêner les pêcheurs ou gâcher la vue. L'article prévient qu'on ne peut pas simplement déposer ces radeaux n'importe où ; il faut discuter avec les communautés locales et s'assurer que l'on ne bloque pas leurs moyens de subsistance.

Résumé

Le message principal de l'article est simple : l'Amérique du Sud a une opportunité en or. Elle possède de grands lacs, beaucoup de soleil et un besoin d'énergie propre. En transformant ces lacs en fermes solaires flottantes, la région peut générer plus d'électricité, économiser de l'eau et réduire les coûts — surtout si elle construit ces fermes à côté de barrages existants ou de centres de données. C'est une façon d'utiliser l'eau que nous avons déjà pour alimenter notre avenir, sans prendre plus de place sur la terre.

Résumé technique

Résumé Technique : Repousser les frontières du solaire photovoltaïque flottant – Le cas de l'Amérique du Sud

Énoncé du Problème
L'accès à une électricité fiable, abordable et durable demeure un obstacle critique au développement dans de nombreuses régions, particulièrement au sein des communautés marginalisées et géographiquement isolées. Bien que la technologie solaire photovoltaïque (PV) soit une pierre angulaire de la transition énergétique mondiale, les systèmes conventionnels montés au sol font face à des contraintes significatives en Amérique latine et dans les Caraïbes (ALC). Celles-ci incluent des conflits d'usage des sols avec l'agriculture et le développement urbain, une fragmentation de la propriété foncière et la dégradation thermique des modules dans les climats tropicaux. De plus, de nombreuses nations d'ALC dépendent fortement de l'hydroélectricité, ce qui rend leurs réseaux vulnérables à la variabilité climatique et aux sécheresses. Bien que les systèmes de Solaire Photovoltaïque Flottant (FSPV) offrent une voie pour utiliser les surfaces aquatiques sous-utilisées, éviter les conflaux fonciers et fournir des bénéfices de refroidissement, leur déploiement en Amérique du Sud reste limité par rapport à l'Asie. Il existe un manque de cadres technico-socio-économiques intégrés qui évaluent le potentiel du FSPV spécifiquement dans les contexts énergétiques diversifiés des nations sud-américaines, particulièrement concernant l'intégration hybride hydro-FSPV et la performance comparative par rapport aux systèmes terrestes.

Méthodologie
Cette étude développe un cadre technico-socio-économique intégré pour évaluer le déploiement du FSPV sur des plans d'eau sélectionnés au Nicaragua, au Honduras et au Guyana. La méthodologie comprend :

1. Évaluation des ressources : Identification de plans d'eau représentatifs (Lac Xolotlán et Lac Cocibolca au Nicaragua ; Lac Yojoa et Réservoir d'El Cajón au Honduras ; et le complexe Lac Capoey–Mainstay–Tapakuma au Guyana) basés sur la surface, l'accessibilité et la connectivité au réseau.
2. Simulation technique : Modélisation détaillée de systèmes FSPV allant de 50 MW à 398 MW. L'analyse inclut l'architecture du système électrique (sous-stations collectrices, configurations de câbles et dimensionnement des onduleurs), les calculs de ratio de performance et les simulations de rendement énergétique annuel sous des conditions climatiques spécifiques au site.
3. Analyse comparative : Comparaison directe de la performance du FSPV par rapport à des systèmes PV terrestes (LBPV) équivalents sous des profils climatiques régionaux identiques pour isoler l'impact du refroidissement par l'eau et de la réduction de l'encrassement.
4. Évaluation technico-économique : Calcul du coût actualisé de l'énergie (LCOE), de la valeur actuelle nette (VAN), du taux de rendement interne (TRI) et des périodes de récupération. L'étude distingue les installations FSPV autonomes des configurations hybrides hydro-FSPV qui tirent parti des infrastructures hydroélectriques existantes.
5. Analyse de cas d'usage spécial : Examen de la colocalisation du FSPV avec des centres de données d'IA (Guyana) et des réservoirs hydroélectriques (Honduras), incluant les calculs de déplacement des émissions de gaz à effet de serre (GES).
6. Revue des politiques : Synthèse des politiques d'énergie renouvelable de l'Argentine, du Brésil et du Chili pour en tirer des leçons habilitantes pour la région.

Principales Contributions

• Quantification du potentiel régional : L'étude étabète que l'Amérique du Sud possède le potentiel de génération FSPV normalisé le plus élevé au monde, estimé à environ 38,26 TWh par million d'acres de surface d'eau, dépassant significativement l'Asie (18,15 TWh) et l'Afrique (11,59 TWh).
• Cadre intégré : Elle fournit un modèle d'évaluation unifié combinant la disponibilité des ressources, la performance technique, l'analyse comparative avec le LBPV, l'intégration hydroélectrique et la faisabilité du déploiement pour la région ALC.
• Référencement de performance : À travers des études de cas détaillées, l'article quantifie les avantages opérationnels du FSPV, démontrant des rendements énergétiques et des facteurs de capacité plus élevés par rapport aux systèmes terrestes grâce à l'effet de refroidissement passif de l'eau.
• Viabilité économique : L'étude présente des modèles financiers pour les configurations autonomes et hybrides, soulignant comment les infrastructures partagées dans les systèmes hydro-FSPV peuvent réduire considérablement les dépenses d'investissement (CAPEX).
• Impact environnemental : Elle quantifie le potentiel de réduction des GES, estimant spécifiquement les compensations d'émissions de CO2, de NOx et de SO2 lorsque le FSPV remplace la production issue de combustibles fossiles dans les scénarios hybrides.

Résultats

• Rendement énergétique et efficacité : Les systèmes FSPV simulés sur les sites sélectionnés ont atteint des rendements énergétiques annuels allant de 1 950 à 2 140 kWh/kW, avec des facteurs de capacité CC supérieurs à 20 %.
  • Lac Xolotlán (Nicaragua) : Un système de 50 MW a produit 2 265 kWh/kW avec un facteur de capacité de 25,9 %.
  • Lac Cocibolca (Nicaragua) : Un système de 50 MW a produit 2 082 kWh/kW avec un facteur de capacité de 23,8 %.
  • Lac Yojoa (Honduras) : Un système de 50 MW a produit 2 075 kWh/kW avec un facteur de capacité de 23,7 %.
  • Barrage d'El Cajón (Honduras) : Un système de 398 MW a produit 2 065 kWh/kW avec un facteur de capacité de 23,6 %.
  • Lac Capoey–Mainstay–Tapakuma (Guyana) : Un système de 95 MW a produit 2 144 kWh/kW avec un facteur de capacité de 24,5 %.
• Performance comparative : Dans toutes les études de cas, les systèmes FSPV ont surpassé les systèmes LBPV équivalents de 5 % à 6 % en termes de production d'énergie CA annuelle. Cet avantage est attribué à la réduction des températures de fonctionnement des modules (diminuant les pertes thermiques) et à la diminution des pertes par encrassement.
• Métriques économiques :
  • Autonome (Lac Managua, Nicaragua) : Le système FSPV de 50 MW a présenté un LCOE de 0,0476 $/kWh, un TRI de 24,1 % et une période de récupération actualisée de 5,1 ans. Bien que le CAPEX ait été 13,3 % plus élevé que le LBPV (1 500 $/kW contre 1 324 $/kW), le rendement énergétique plus élevé a permis d'obtenir une VAN 13,8 % supérieure.
  • Hybride (El Cajón, Honduras) : Le système de 398 MW colocalisé avec l'hydroélectricité a démontré une réduction du CAPEX d'environ 37 % (à 950 $/kW) grâce au partage des sous-stations et des infrastructures de transmission. Cela a abouti à un LCOE très compétitif de 0,045 $/kWh, un TRI de 22,1 % et une période de récupération actualisée de 5,6 ans.
• Impact environnemental : Au site d'El Cajón, le déploiement du FSPV pour remplacer 25 % de la production de combustibles fossiles a permis d'estimer une réduction des émissions d'environ 130,2 tonnes de CO2, 2,2 tonnes de NOx et 2,6 tonnes de SO2 par MW de production déplacée.
• Cas d'usage spéciaux :
  • Centres de données d'IA : L'étude souligne le potentiel des systèmes FSPV couplés en CC et des systèmes de stockage par batterie pour fournir une énergie derrière le compteur pour les centres de données, répondant à la congestion du réseau et offrant une source d'énergie renouvelable dans les zones riches en eau comme le Guyana.
  • Intégration hydroélectrique : La colocalisation avec les réservoirs hydroélectriques permet de partager les infrastructures de transmission et d'améliorer la flexibilité du réseau, préservant l'eau pendant les périodes de haute production solaire.

Signification et Revendications
L'article affirme que le FSPV représente une solution évolutive et techniquement viable pour étendre l'accès à l'énergie propre en Amérique du Sud, particulièrement pour les communautés marginalisées et les régions à faible potentiel énergétique. En utilisant les plans d'eau existants, le FSPV contourne les conflaux d'usage des sols et tire parti de l'effet de refroidissement de l'eau pour améliorer l'efficacité des systèmes dans les climats tropicaux. L'étude souligne que les configurations hybrides hydro-FSPV offrent un avantage économique distinct en utilisant les infrastructures hydroélectriques existantes, réduisant ainsi le LCOE et accélérant le déploiement. De plus, le cadre proposé sert de modèle aux décideurs politiques et aux investisseurs pour accélérer l'adoption du FSPV, renforcer le nexus eau-énergie et soutenir la transition vers des systèmes énergétiques à faible émission de carbone, conformément à l'Objectif de Développement Durable 7 (ODD7). Les auteurs affirment que bien que des défis concernant la dégradation des matériaux, les impacts écologiques et l'acceptation sociale existent, les avantages technico-économiques constituent un argument solide pour prioriser le FSPV dans la stratégie énergétique de la région.