Comment les micro-réseaux solaires pourraient apporter de l'électricité à des millions de personnes

Le village de Tanjung Batu Laut semble naître d'une mangrove sur une île au large de la côte malaisienne de Bornéo. Les maisons, sur pilotis au-dessus de l'eau, sont bricolées avec du vieux contreplaqué, de l'acier ondulé et du grillage rouillé. Mais marchez à l'intérieur des terres et vous atteignez une clairière recouverte d'une centaine de panneaux solaires montés sur de nouveaux cadres métalliques brillants. Des câbles épais transmettent la puissance des panneaux dans un bâtiment robuste avec de nouvelles portes et fenêtres. Entrez et la forte humidité cède la place à de l'air frais et sec. Des lampes fluorescentes illuminent une rangée d'armoires en acier contenant des lumières clignotantes et des écrans d'ordinateur.

Le bâtiment est le centre de contrôle d'une petite centrale électrique vieille de deux ans qui fournit de l'électricité aux quelque 200 personnes du village. Des ordinateurs gèrent l'énergie provenant des panneaux solaires et des générateurs diesel, stockant une partie dans de grandes batteries au plomb et distribuant le reste pour répondre à la demande locale croissante. Avant l'installation de la petite centrale, le village n'avait pas accès à une électricité fiable, même si quelques familles disposaient de petits générateurs diesel. Désormais, tous les résidents disposent d'une alimentation pratiquement illimitée 24 heures sur 24.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2012

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De nombreux toits en tôle ondulée du village portent de manière incongrue des antennes paraboliques de télévision. Certaines maisons, avec des toits affaissés et des trous grossiers dans les murs pour les fenêtres, contiennent des téléviseurs à écran plat, des ventilateurs de plafond, des appareils énergivores comme des fers à repasser et des cuiseurs à riz, et des appareils qui doivent fonctionner jour et nuit, comme des congélateurs. Un samedi après-midi de cet été, des enfants se sont promenés avec des quartiers de pastèque qu'ils avaient achetés à Tenggiri Bawal, le propriétaire d'un petit magasin situé dans l'une des parties les plus instables des passerelles en bois surélevées qui relient les maisons. Trois jours auparavant, elle avait pris livraison d'un réfrigérateur, où elle conserve désormais pastèques, sodas et autres produits. Bawal a souri pendant que les enfants se rassemblaient devant son magasin et a dit, dans son anglais limité, les affaires vont bien.

Les micro-réseaux fournissent [une nouvelle façon] d'apporter des services énergétiques aux communautés hors réseau. La question est, est-ce que ce sera juste une chose de développement mignonne? Ou fera-t-il partie de l'économie traditionnelle ?

Dans le monde, un milliard et demi de personnes manquent d'électricité, pour la plupart des habitants des zones rurales. (En Inde, par exemple, 268 millions de personnes sont sans électricité dans les zones rurales, mais seulement 21 millions dans les villes.) L'Agence internationale de l'énergie affirme que le type de centrale électrique installée à Batu Laut, connue sous le nom de micro-réseau hybride, sera essentiel pour apporter le pouvoir à beaucoup d'entre eux. En effet, connecter une communauté éloignée au réseau électrique conventionnel, avec ses grandes centrales centralisées, coûte cher et peut prendre plus d'une décennie. Dans certains cas, la géographie et l'économie peuvent ne jamais permettre l'accès au réseau. Les micro-réseaux hybrides peuvent fournir une électricité fiable en combinant intelligemment l'énergie provenant de plusieurs sources locales, et leur construction est beaucoup moins chère et plus rapide que d'étendre le réseau aux zones où vivent la plupart des personnes sans électricité.

Optimal Power Solutions (OPS), la société australienne qui a conçu le microgrid de Batu Laut, double cette année ses installations en Asie du Sud-Est et en Inde. Et plusieurs autres sociétés, y compris des géants industriels comme GE et ABB, développent et vendent une technologie similaire (voir Microgrid Keeps the Power Local, Cheap, and Reliable ).

La réalité est cependant bien plus compliquée. Certains des premiers micro-réseaux ont rencontré des problèmes et l'électricité qu'ils fournissent est plus chère que celle des réseaux électriques centraux de la ville, dans certains cas près de 10 fois plus cher. La technologie impliquée dans les micro-réseaux et les systèmes utilisés pour les faire fonctionner et les entretenir devront s'améliorer considérablement s'ils veulent apporter une alimentation fiable à des centaines de millions de personnes.

Selon Daniel Kammen, professeur d'énergie à l'Université de Californie à Berkeley et conseiller pour le programme Énergie durable pour tous des Nations Unies. Les micro-réseaux offrent une opportunité de réfléchir à un modèle vraiment nouveau sur la façon d'apporter des services énergétiques aux communautés hors réseau. La question est, est-ce que ce sera juste une chose de développement mignonne? Ou fera-t-il partie de l'économie traditionnelle ?

Près du village de Tanjung Batu Laut, une grande rangée de panneaux solaires (à droite) alimente un ensemble de batteries plomb-acide (à gauche) à l'intérieur d'un bâtiment. Des générateurs diesel installés sur le pont couvert complètent la centrale électrique du micro-réseau.

Avide de pouvoir

Il est difficile d'exagérer l'importance de l'électricité pour le développement économique et social. Les ventilateurs de refroidissement rendent les salles de classe plus propices à l'apprentissage, et les lumières permettent aux élèves de lire et de faire leurs devoirs la nuit. Les réfrigérateurs empêchent la nourriture et les vaccins de se détériorer. Un approvisionnement régulier en électricité peut alimenter le développement économique, en commençant souvent par de modestes exemples de commerce élargi comme le magasin de Bawal. Au fur et à mesure que les gens gagnent de l'argent grâce à de telles entreprises, ils peuvent se permettre plus d'électricité, ce qui rend possibles des projets plus ambitieux, mettant en place un cycle d'augmentation de la richesse ; c'est un modèle que les économistes ont documenté dans un pays après l'autre. À plus long terme, donner aux entreprises l'accès à une énergie abondante, fiable et abordable permet de développer un secteur manufacturier robuste avec des installations telles que des usines de fabrication de puces et des usines automobiles. Dans la quête pour atteindre les objectifs de développement durable de l'ONU, a déclaré le secrétaire général Ban Ki-Moon, l'outil le plus important sera clairement l'énergie.

La fourniture de cette énergie nécessitera une alternative à la technologie de réseau classique : l'AIE estime que plus des deux tiers des habitants des zones rurales qui manquent d'électricité aujourd'hui auront besoin d'électricité provenant d'une sorte de source distribuée, soit des micro-réseaux ou des systèmes d'alimentation autonomes pour les ménages individuels , car ils sont éloignés du réseau ou vivent dans une zone géographiquement inaccessible (voir Dans le monde en développement, le solaire est moins cher que les combustibles fossiles ).

Certaines parties de l'intérieur de la Malaisie ne peuvent pas être connectées au réseau, elles n'ont pas de routes. Les micro-réseaux sont donc la seule solution, déclare Ramdan Baba, responsable des programmes d'électrification rurale de la Malaisie, s'exprimant depuis le 23e étage d'un immeuble de bureaux imposant dans un quartier gouvernemental tentaculaire près de Kuala Lumpur. Le gouvernement a calculé, par exemple, que connecter un groupe de villages à 130 kilomètres de la ligne électrique la plus proche coûterait 250 millions de ringgits malais, soit environ 80 millions de dollars. C'est une énorme somme d'argent juste pour électrifier 10 villages avec un total de 800 habitants, dit-il. Un micro-réseau ne coûterait qu'environ 92 millions de ringgits [30 millions de dollars] et fournirait un approvisionnement fiable en électricité 24 heures sur 24.

Baba affirme que le gouvernement atteindra probablement son objectif d'apporter de l'électricité à 95 % de la population de Bornéo en Malaisie d'ici la fin de l'année (au début du projet il y a deux ans, 25 % de cette population n'avait pas d'électricité). Le succès de la technologie jusqu'à présent a conduit le gouvernement à augmenter la mise. Dans le but d'alimenter en électricité des zones encore plus difficiles à atteindre et d'électrifier 99 % de la Malaisie de Bornéo, il prévoit d'augmenter les installations de micro-réseaux d'ici 2015.

Aujourd'hui, le voisin moins aisé de la Malaisie, l'Indonésie, et d'autres parties de l'Asie du Sud-Est commencent également à utiliser ces systèmes. L'Inde a expérimenté les micro-réseaux ; son gouvernement réfléchit à la manière dont la technologie pourrait être utilisée plus largement dans les zones rurales et pour renforcer le réseau urbain notoirement peu fiable (voir Comment les pannes de courant en Inde peuvent être évitées un jour). Dans les pays les plus pauvres, comme le Bangladesh, où près de 60 pour cent de la population manque d'électricité, les gouvernements et les bailleurs de fonds extérieurs sont actuellement plus intéressés par les sources d'énergie à plus petite échelle, telles que les lanternes solaires et les chargeurs de téléphones portables ou les petits panneaux solaires montés sur les maisons individuelles. Il en va de même pour les pays africains comme le Kenya, où 84 pour cent de la population manque d'électricité. Pourtant, les lanternes solaires n'apportent pas bon nombre des avantages d'un réseau électrique local. Les micro-réseaux, conclut l'AIE dans son langage mesuré, sont une solution compétitive dans les zones rurales et peuvent permettre une croissance future de la demande.

Alors que les micro-réseaux alimentent les zones reculées en électricité, les villageois branchent des téléviseurs, des chaînes stéréo et des appareils tels que des réfrigérateurs (en haut à gauche) et un propriétaire de dépanneur commence à vendre des sucettes glacées (en bas). Une scierie fonctionne sur un micro-réseau (en haut à droite).

Si l'expérience en Malaisie est une indication, cependant, le déploiement des systèmes pourrait être lent et inefficace, en partie parce que les gouvernements et les services publics peuvent se méfier des nouvelles technologies. À Batu Laut, le gouvernement a demandé à OPS d'installer 600 kilowatts de capacité de production de diesel de secours, même si le micro-réseau a été conçu pour une charge de pointe de seulement 200 kilowatts, car les responsables n'étaient pas sûrs que cela fonctionnerait comme annoncé. L'histoire peut s'avérer similaire en Inde. C'est encore un nouveau concept, explique Himanshu Gupta, consultant auprès de la commission gouvernementale de planification en Inde. Les bureaucrates ne connaissent rien aux microgrids.

Panneaux solaires moisis

Situé dans une partie reculée du nord-est de Bornéo, non loin d'un bassin profond et obscurci par des falaises qui n'a été découvert par des étrangers que dans les années 1950, le village de Kalabakan n'avait pas de route goudronnée appropriée jusqu'à il y a quelques années, et les résidents se sont contentés de quelques heures d'électricité la nuit. Il y a trois ans, le gouvernement malaisien y a financé un micro-réseau et la demande d'électricité est montée en flèche ; les nouveaux clients comprennent une paire de scieries qui desservent l'industrie forestière locale. Contrairement à son homologue légèrement plus récent à Batu Laut, cependant, le micro-réseau de Kalabakan est déjà de retour dans la jungle.

Cet endroit est en train de s'effondrer, déclare Ritesh Lutchman, cadre supérieur chez OPS, alors qu'il se rend sur le terrain de la centrale électrique du micro-réseau. La route goudronnée, bien qu'elle n'ait que quelques années, est profondément creusée et déformée, victime du sol meuble de la Malaisie et des fortes pluies. Les panneaux solaires sont recouverts d'une fine couche de moisissure, ce qui diminue la puissance de sortie. La croissance tropicale est presque aussi élevée qu'un panneau solaire ; à un endroit, il commence à bloquer le soleil. Un employé local qui aide à entretenir la centrale électrique ne trouve pas la clé de la salle de contrôle et doit crocheter la serrure avec un tournevis. A l'intérieur, il fait chaud car un ventilateur de refroidissement automatique est tombé en panne. Lutchman soupçonne que la chaleur pourrait endommager l'équipement coûteux, raccourcissant sa durée de vie.

Pire encore, la moitié du micro-réseau n'est même pas alimenté. Parce que la sortie de ses générateurs diesel n'était pas synchronisée, un seul générateur peut fonctionner à la fois, et on ne peut pas fournir assez d'électricité pour alimenter les deux réseaux de distribution qui fournissent l'électricité. Lutchman n'était pas au courant du problème car, quelques jours auparavant, les travailleurs locaux avaient déconnecté le hub de données qui était le seul lien de communication entre le microgrid et OPS. Les travailleurs l'utilisaient pour surfer sur le Web, ce que Lutchman n'a appris que lorsque OPS a reçu une grosse facture.

Le problème à Kalabakan reflète un problème plus profond : il n'y a pas de modèle pratique en place pour maintenir et exploiter un micro-réseau. Le gouvernement paie pour le système; des entreprises telles qu'OPS le conçoivent, l'installent et le maintiennent en état de fonctionnement pendant une période de garantie de deux ans ; et ensuite, dans le cas de la Malaisie, ils confient le contrôle à l'entreprise locale, ce qui s'est produit à Kalabakan. Alors qu'OPS surveille toujours les micro-réseaux qu'il a installés, après les deux premières années, il n'est plus payé pour les entretenir.

Contrairement à son homologue légèrement plus récent à Batu Laut, le microgrid de Kalabakan est déjà de retour dans la jungle. La croissance tropicale est presque aussi élevée qu'un panneau solaire ; à un endroit, il commence à bloquer le soleil.

Les services publics ne sont pas configurés pour les micro-réseaux, explique Lutchman : parfois, le service public fait appel à quelqu'un qui comprend les générateurs, mais il ne comprend pas comment ils se connectent au reste du système. La panne de courant partielle actuelle s'est produite après qu'un générateur diesel a été mis hors ligne pour une révision régulière. Lorsqu'il a été reconnecté, sa tension de sortie n'a pas été ajustée pour correspondre aux spécifications du système de contrôle automatique du micro-réseau. Réparer cela est un simple ajustement, dit Lutchman, mais que les travailleurs des services publics locaux ne savaient pas faire. Les services publics n'ont même pas demandé les micro-réseaux, dit-il. On leur a juste donné, sans la formation dont ils auraient besoin pour les entretenir.

A Bornéo, au milieu de vastes plantations de palmiers à huile, le réseau électrique s'arrête brutalement. Le gouvernement étend le réseau partout où cela est économiquement sensé.

La Banque mondiale a récemment publié un rapport qui met en garde contre certains des défis. Pepukaye Bardouille, responsable des opérations à la Société financière internationale de l'agence, déclare que son groupe est enthousiasmé par les microgrids, mais qu'ils essaient d'injecter une dose de réalisme. Bardouille explique : Ce qui a tendance à se produire, c'est que quelques exemples sont présentés comme une solution sur la base de la technologie ou simplement du coût. Mais les moyens de fournir la technologie et de la maintenir font en fait tellement partie de la solution que si ces choses ne sont pas traitées, ce n'est tout simplement pas durable.

Ramdan Baba dit que son gouvernement travaille sur une nouvelle façon de financer et d'entretenir les micro-réseaux. L'entreprise qui conçoit et installe la technologie obtiendra une licence pour l'exploiter et recevra un prix garanti pour l'électricité qu'elle produit ; il ne sera rentable que s'il parvient à maîtriser les coûts et à maintenir la production d'électricité sur le réseau pendant toute la durée du contrat.

Cet été, au siège d'OPS en Malaisie à Kuala Lumpur, les ingénieurs et les responsables de l'entreprise étaient occupés par des appels téléphoniques, des réunions avec des représentants du gouvernement et des calculs de dernière minute. Le problème clé était d'estimer le coût par kilowattheure de l'électricité produite par le micro-réseau, ce qui serait essentiel pour établir le prix que OPS et d'autres entreprises seraient payés. Trop élevé et OPS récolterait une aubaine au détriment du gouvernement malais ; trop bas et l'entreprise serait bloquée en maintenant une opération déficitaire.

Problèmes de batterie

Les micro-réseaux sont confrontés à un autre problème imminent, celui-ci technique. Les panneaux solaires et les générateurs diesel peuvent durer des décennies, mais les batteries qui les rendent possibles tombent en panne beaucoup plus rapidement. Avec un micro-réseau, vous avez généralement besoin d'un système de stockage d'énergie que, avec la technologie actuelle, vous devez remplacer tous les trois, cinq ou sept ans. C'est un coût en capital énorme, explique Katherine Steel, une ingénieure formée au MIT qui dirige le programme Lighting Africa de la Banque mondiale. Si les batteries de remplacement ne sont pas dans le budget, la durée de vie effective du micro-réseau est limitée à quelques années seulement.

Selon OPS, les batteries plomb-acide maintiennent le prix des micro-réseaux relativement élevé non seulement parce qu'elles doivent être remplacées fréquemment, mais parce qu'elles sont si chères que les concepteurs de micro-réseaux s'appuient fortement sur la production de diesel pour fournir de l'électricité toute la nuit. Il est moins coûteux de faire fonctionner des générateurs diesel que d'ajouter suffisamment de panneaux solaires et de batteries pour fournir de l'électricité 24 heures sur 24. Pour surmonter ce problème, OPS teste actuellement une batterie d'Aquion, une entreprise dérivée de l'Université Carnegie Mellon à Pittsburgh ; cela pourrait presque éliminer le besoin de diesel dans les micro-réseaux, réduisant les émissions et réduisant considérablement les coûts d'exploitation.

Les micro-réseaux utilisent encore une bonne quantité de diesel, explique Jay Whitacre, un professeur de Carnegie Mellon qui a inventé la technologie d'Aquion. L'étape suivante consiste à passer à une situation où ils ont un générateur diesel présent, mais ils ne sont presque jamais allumés. Notre batterie pourrait le permettre. Les batteries Aquion fonctionnent un peu comme les batteries lithium-ion à durée de vie relativement longue utilisées dans les voitures électriques, qui sont beaucoup plus chères que les batteries plomb-acide. Mais la technologie de l'entreprise utilise des matériaux beaucoup moins chers et est plus facile à fabriquer, ce qui permet de maintenir des coûts compétitifs par rapport aux batteries moins durables qui sont désormais largement utilisées dans les micro-réseaux (voir Construire des batteries bon marché pour contourner le réseau). Notre batterie coûtera à peu près autant qu'une batterie au plomb de haute qualité à l'avance, dit-il. Mais cette batterie au plomb devra être conservée au frais, et elle devra être remplacée après quelques milliers de cycles. Le nôtre ira bien plus longtemps que cela, deux ou trois fois plus longtemps.

Les économies résultant de la réduction de la consommation de diesel pourraient être importantes. Le micro-réseau de Batu Laut est conçu pour tirer une grande partie de son énergie du diesel, mais un système conçu autour de batteries moins chères pourrait n'avoir besoin de générateurs que pour les urgences et les longues périodes de mauvais temps. La réduction des coûts des batteries et de la consommation de diesel pourrait faire passer le coût par kilowattheure d'un dollar à 40 cents seulement.

Pourtant, même cela est plus élevé que le prix de l'électricité du réseau. Le gouvernement malaisien subventionne l'électricité des micro-réseaux afin que les villageois paient quelque chose de comparable aux tarifs de la ville, mais il ne peut pas continuer à le faire pour toujours, en partie parce qu'à chaque kilowatt-heure supplémentaire que les villageois consomment, le coût des subventions augmente. Dans les pays les plus pauvres comme l'Inde, le coût élevé de l'électricité des micro-réseaux pourrait être un obstacle encore plus important à un déploiement généralisé.

Pour que les micro-réseaux soient une technologie de pointe comme les téléphones portables, ils devraient offrir un service équivalent ou supérieur au réseau à un coût inférieur, dit Steel. Mais je pense que c'est une transition qui doit encore avoir lieu, et je ne dirais pas que c'est tout de suite au coin de la rue.

Un scénario plus probable est que les micro-réseaux et le réseau conventionnel se complèteront. À mesure que le réseau conventionnel s'étend à partir des villes et que l'amélioration des routes rend les communautés moins éloignées, étendre le réseau à celles-ci sera plus logique sur le plan économique. Là où des micro-réseaux existent, nombre d'entre eux finiront par être absorbés par le réseau électrique plus vaste. En période de pointe de demande, les services publics peuvent faire appel à l'électricité stockée dans les batteries des micro-réseaux ou utiliser leurs générateurs diesel pour fournir un surcroît de puissance. Si cela se produit, les micro-réseaux hybrides rendront le réseau existant beaucoup plus résilient. En effet, à mesure que les coûts des batteries diminuent, les micro-réseaux sont une option de plus en plus attrayante dans les villes où l'alimentation électrique conventionnelle n'est pas fiable ; ils pourraient garantir que les usines et les autres utilisateurs disposent d'une source d'électricité fiable.

Ces types de grands changements d'infrastructure prendront des années et nécessiteront des investissements importants. Pendant ce temps, cependant, les micro-réseaux ont déjà commencé à faire une différence dans certaines vies. De retour à Batu Laut, le système continue de bourdonner tranquillement et les villageois ont de nouvelles idées sur la façon d'utiliser l'électricité. Une femme a fait l'acquisition d'une machine à broder et espère vendre des uniformes personnalisés. Le chef du comité de développement du village fait pression pour obtenir une subvention du gouvernement pour construire une usine de transformation des aliments qui fonctionnerait à l'électricité du micro-réseau. Et maintenant que le village dispose d'une électricité fiable, les enseignants de l'école locale quittent la ville sur le continent pour vivre sur l'île.

Kevin Bullis est Revue de la technologie du MIT rédacteur en chef pour l'énergie.

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