Techno-economic Analysis of Photovoltaic Distributed Generation Units, Capacitor Banks, and Electric Vehicle Charging Stations on Distribution Network. A Case Study of the Ashanti Region, Ghana

Dans de nombreuses parties du monde, le réseau électrique est une chose fragile. C'est un vaste réseau de fils transportant l'électricité des centrales centrales vers les foyers et les entreprises, mais à mesure que la demande croît et que les infrastructures vieillissent, le système peine souvent à suivre le rythme. Deux problèmes sont particulièrement courants dans ces réseaux sous tension : la perte d'énergie sous forme de chaleur lors de son passage dans les câbles, et la chute de tension, qui provoque l'affaiblissement des lumières et le dysfonctionnement des équipements. Ces problèmes deviennent plus urgents à mesure que les pays tentent d'ajouter de nouvelles sources d'énergie, comme les panneaux solaires, et de nouveaux types de charges lourdes, comme les stations de recharge rapide pour véhicules électriques. Si ces nouveaux éléments sont ajoutés sans une planification minutieuse, ils peuvent aggraver les problèmes existants, menant à des pannes de courant ou à des dommages coûteux. Le défi pour les ingénieurs est de déterminer précisément où placer ces nouveaux actifs et quelle doit être leur taille afin qu'ils corrigent les faiblesses du réseau plutôt que d'en créer de nouvelles.

C'est précisément cette question à laquelle une équipe de chercheurs du Ghana et des États-Unis a cherché à répondre. Ils se sont concentrés sur la région d'Ashanti au Ghana, un réseau électrique réel qui subit actuellement une tension significative. Le réseau y souffre de pertes d'énergie élevées et d'une faible tension généralisée, une condition où la pression électrique chute trop bas pour faire fonctionner correctement les appareils. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un outil de planification informatisé qui traite trois technologies différentes comme une seule équipe interconnectée : des générateurs d'énergie solaire, des bancs de condensateurs (des dispositifs qui aident à stabiliser la pression électrique) et des stations de recharge rapide pour véhicules électriques. Au lieu d'examiner ces technologies de manière isolée, l'étude a demandé comment elles pourraient travailler ensemble pour réparer le réseau. L'équipe a exécuté des milliers de simulations sur un jumeau numérique du réseau réel d'Ashanti, testant des millions de combinaisons différentes de lieux et de tailles pour ces dispositifs afin de trouver l'équilibre parfait entre performance technique et coût.

Les résultats de cette simulation ont été frappants. Les chercheurs ont découvert qu'en coordonnant soigneusement l'emplacement des panneaux solaires, des condensateurs et des stations de recharge, ils pouvaient transformer la performance du réseau. Dans leur scénario le plus réussi, le système a réduit la perte d'énergie de 81 %. Cela signifie que pour chaque unité d'électricité générée, une part bien plus grande parvient réellement au client au lieu d'être perdue sous forme de chaleur dans les câbles. Parallèlement, le plan a éliminé chaque instance de faible tension qui existait dans le réseau d'origine ; avant les changements, près de trente emplacements du réseau présentaient des niveaux de tension trop bas pour être sûrs ou fiables ; après l'optimisation, chaque bus, ou point de connexion, a été rétabli à un niveau sain et stable. L'étude a également montré que cette réparation technique s'accompagnait d'un solide avantage financier. Sur une période de quinze ans, les économies réalisées grâce à la réduction du gaspillage d'énergie et les revenus provenant de la vente de l'énergie solaire et des services de recharge devraient générer un profit net d'environ 36,69 millions de dollars américains, même après avoir pris en compte les 26,60 millions de dollars nécessaires à la construction du système.

Pour parvenir à ces conclusions, les chercheurs ont utilisé deux algorithmes informatiques avancés, qui sont essentiellement des ensembles de règles aidant un ordinateur à chercher la meilleure solution parmi des milliards de possibilités. Un algorithme, que l'équipe a amélioré, s'est avéré nettement plus efficace que l'autre. Il a trouvé une solution qui non seulement résolvait les problèmes techniques, mais offrait également un rendement financier plus élevé. L'étude a comparé cette méthode améliorée à une approche standard et a constaté que la version améliorée pouvait réduire les pertes d'énergie de près de 89 % sur un réseau de test standard, contre seulement 62 % pour la méthode standard. Sur le réseau réel d'Ashanti, la différence était encore plus critique : la méthode améliorée a réduit les pertes de 81 %, tandis que la méthode standard n'a réussi qu'une réduction de 61,5 %. Cela suggère que la manière spécifique dont les chercheurs programment leur algorithme de recherche compte profondément lorsqu'on traite des réseaux complexes du monde réel.

L'étude a également souligné l'importance de considérer l'image financière à long terme, et pas seulement le coût initial. Bien que le plan le plus efficace nécessite un investissement initial plus important de 26,60 millions de dollars américains, les retours sur quinze ans sont substantiels. Les chercheurs ont calculé que l'argent économisé par la non-perte d'électricité, combiné aux revenus de la vente d'énergie solaire et des frais de recharge, permettrait de rembourser le coût initial en seulement deux à trois ans. Après cela, le système continuerait de générer des profits pour le reste de la période de quinze ans. Cette conclusion remet en question l'idée selon laquelle réparer un réseau défaillant est purement une dépense ; elle montre au contraire qu'avec le bon mélange de technologies, une entreprise de services publics peut transformer un réseau en difficulté en un actif rentable. La recherche ne s'est pas arrêtée aux chiffres. Elle a également cartographié précisément où ces dispositifs devraient être placés. Par exemple, elle a identifié des bus spécifiques, ou points de connexion, dans la région d'Ashanti où l'installation d'un grand générateur solaire aurait le plus grand impact sur la réduction du gaspillage, et d'autres endroits spécifiques où un banc de condensateurs stabiliserait le mieux la tension.

L'un des enseignements clés de ce travail est que ces trois technologies — l'énergie solaire, les condensateurs et les stations de recharge — doivent être planifiées ensemble, et non séparément. Si une entreprise de services publics installait des panneaux solaires à un endroit et des stations de recharge à un autre sans considérer comment ils affectent les uns les autres, le résultat pourrait être un réseau qui reste inefficace ou instable. L'étude a démontré que lorsque ces actifs sont traités comme un système coordonné unique, les générateurs solaires et les bancs de condensateurs peuvent travailler de concert pour compenser l'impact des stations de recharge de véhicules électriques. Les panneaux solaires fournissent la production d'énergie active pour répondre à la demande, tandis que les bancs de condensateurs fournissent l'énergie réactive pour stabiliser la tension, contrecarrant efficacement le stress que les stations de recharge de véhicules électriques imposent au réseau en tant que charges supplémentaires. Cette approche coordonnée a permis aux chercheurs d'éliminer toutes les violations de tension dans le réseau, un exploit qu'aucune des deux technologies ne pourrait accomplir seule dans ce contexte spécifique. L'étude a également noté que les stations de recharge de véhicules électriques, modélisées comme des charges supplémentaires augmentant la demande, contribuaient en fait à la santé financière du projet en fournissant un flux régulier de revenus via les frais de recharge.

Les chercheurs ont veillé à ancrer leurs conclusions dans la réalité du contexte ghanéen. Ils ont utilisé des données réelles du réseau de la région d'Ashanti, incluant le tracé réel des câbles, la charge réelle d'électricité utilisée et les coûts spécifiques des équipements dans cette région. Ils ne se sont pas appuyés sur des conditions idéalisées ou des hypothèses théoriques qui pourraient ne pas tenir compte de la pratique. Par exemple, ils ont tenu compte du fait que les panneaux solaires ne produisent pas d'énergie la nuit et que la recharge des véhicules électriques se produit à des moments précis de la journée. Ils ont également intégré le coût de remplacement des équipements, tels que les onduleurs, qui sont les dispositifs convertissant l'énergie solaire en une forme utilisable par le réseau. En incluant ces coûts et contraintes du monde réel, l'étude fournit un modèle que les entreprises de services publics au Ghana et dans des régions similaires pourraient réellement suivre. Les résultats suggèrent que même dans des réseaux qui luttent actuellement contre des pertes élevées et une faible tension, il existe une voie vers un avenir stable et rentable, à condition que la planification soit faite avec précision et coordination.

L'étude a également comparé ses conclusions avec des recherches antérieures sur des réseaux similaires pour s'assurer de la validité de ses méthodes. Lorsqu'elle a été testée sur un réseau standard et bien connu utilisé par les chercheurs du monde entier, l'algorithme amélioré a été plus performant que de nombreuses méthodes existantes, réduisant plus efficacement les pertes d'énergie et trouvant des solutions plus proches de l'idéal. Cela a donné aux chercheurs la confiance quant à la robustesse de leur approche. Cependant, ils ont également reconnu les limites de leur travail. Les résultats sont basés sur des simulations informatiques, qui sont des outils puissants pour tester des idées avant de les construire, mais qui ne sont pas une garantie de ce qui se passera dans le monde réel. La performance réelle dépendra de facteurs tels que les modèles météorologiques, les changements de la demande d'électricité et le comportement précis des équipements. Malgré ces limites, l'étude offre un argument clair et convaincant pour une nouvelle façon de penser la planification du réseau. Elle s'éloigne de l'ancienne idée consistant à simplement ajouter plus de puissance ou à réparer un problème à la fois, et propose plutôt une approche holistique où différentes technologies sont tissées ensemble pour créer un tout plus fort et plus efficace.

En fin de compte, ce travail sert de démonstration de la manière dont les outils de planification modernes peuvent aider les nations en développement à franchir les étapes obsolètes et inefficaces du développement des réseaux électriques. En utilisant des algorithmes avancés pour trouver le meilleur mélange de solaire, de condensateurs et de stations de recharge, les chercheurs ont montré qu'il est possible de transformer un réseau faible et à pertes élevées en un système fiable et rentable. Les conclusions sont particulièrement pertinentes pour des régions comme l'Ashanti, où le réseau est sous pression à la fois par une infrastructure vieillissante et une croissance rapide des nouvelles demandes énergétiques. L'étude suggère que la solution ne consiste pas à choisir entre différentes technologies, mais à comprendre comment elles peuvent travailler ensemble. Avec une planification adéquate, le réseau peut être réhabilité, le gaspillage d'énergie peut être considérablement réduit, et le système peut générer suffisamment de profits pour s'autofinancer pendant des années. La voie à suivre, selon cette recherche, est celle de la coordination, de la précision et d'une vision à long terme.