Formation OFF-GRID CP

FORMATION OFF-GRID CP : LA MASTERCLASS D'INGÉNIERIE

01 Introduction : L'Indépendance Énergétique Absolue

Un système solaire off-grid (autonome) représente le summum de l'indépendance énergétique. Contrairement aux systèmes raccordés (on-grid) qui s'appuient sur la stabilité du réseau public, une architecture off-grid exige une rigueur d'ingénierie absolue : vous devenez votre propre fournisseur d'électricité.

Cette Masterclass vous plonge dans les arcanes de la conception des systèmes isolés. Nous n'allons pas simplement survoler les concepts ; nous allons décortiquer le dimensionnement des parcs de batteries, analyser les topologies de conversion DC/AC, et maîtriser les flux d'énergie pour garantir une résilience totale, même dans les environnements les plus hostiles.

02 Module 1 : Ingénierie Avancée du Stockage (Batteries)

Le cœur battant de toute installation off-grid est son parc de stockage. La fiabilité de l'ensemble du système repose sur le choix et le dimensionnement précis de cette composante.

1.1 Typologie Électrochimique : Le Spectre des Batteries Plomb

Bien que les technologies Lithium gagnent du terrain, les batteries au plomb restent un standard industriel incontournable pour les systèmes off-grid en raison de leur rapport coût/capacité et de leur robustesse, à condition de maîtriser leurs nuances :

• Plomb Ouvert (OPzS) : La robustesse à l'état pur. Constituée de cellules individuelles de 2V, cette technologie excelle dans les cyclages profonds. Contrainte d'ingénierie : Elles nécessitent une maintenance stricte (ajout d'eau distillée) et dégagent de l'hydrogène explosif lors de la charge. Une salle de batteries ventilée est obligatoire.
• AGM (Absorbed Glass Mat) : L'électrolyte est emprisonné dans de la fibre de verre poreuse. Elles offrent une excellente résistance aux chocs et des courants de crête élevés. Elles sont scellées et sans entretien (VRLA).
• GEL (OPzV) : L'électrolyte est figé par adjonction de silice, formant un gel. Elles sont supérieures aux AGM pour les décharges lentes et profondes, résistant mieux à la stratification de l'acide. C'est le choix privilégié pour les sites isolés sans maintenance.

1.2 La Physique de la Décharge : Capacité et Loi de Peukert

La capacité d'une batterie (exprimée en Ampères-heures, Ah) n'est pas une valeur absolue. Elle dépend intrinsèquement de la vitesse à laquelle l'énergie est tirée. C'est ici qu'intervient le concept critique de temps de décharge (C_t).

• L'effet Peukert : Une batterie de $C_{20} = 200 Ah$ peut fournir 10A pendant 20 heures. Cependant, si vous tirez 40A, elle ne durera pas 5 heures (200/40), mais significativement moins, car les pertes internes (chaleur) augmentent de manière exponentielle avec les forts courants.
• Profondeur de Décharge (DoD - Depth of Discharge) : La durée de vie d'une batterie au plomb chute drastiquement si elle est vidée. Pour garantir des milliers de cycles, une ingénierie off-grid rigoureuse limite la DoD à 20-30% en usage quotidien, et 50% en cas exceptionnel (sauf pour les batteries spécifiquement conçues pour le cyclage profond).

1.3 Les 3 Algorithmes de Charge (La Courbe IUoU)

Pour préserver la chimie interne, la recharge doit suivre un cycle électrotechnique précis, géré par le régulateur :

1. Bulk (Courant Constant) : Le courant maximal que les panneaux peuvent générer (ou que le chargeur autorise) est injecté. La tension de la batterie monte progressivement jusqu'à atteindre le seuil de gazage (environ 80-85% du SoC - State of Charge).

2. Absorption (Tension Constante) : La tension est bloquée à son maximum autorisé (ex: 14.4V pour une batterie 12V). Le courant chute naturellement à mesure que la résistance interne augmente. C'est l'étape critique pour forcer la charge à 100%.

3. Float (Maintien) : La tension est abaissée à un niveau de sécurité (ex: 13.5V) pour compenser l'auto-décharge naturelle sans faire bouillir l'électrolyte.

03 Module 2 : Gestion de l'Énergie (Régulateurs de Charge)

Le régulateur est le cerveau du système DC. Il protège les batteries contre la surcharge mortelle et la décharge profonde (Low Voltage Disconnect).

2.1 PWM (Pulse Width Modulation) vs MPPT (Maximum Power Point Tracking)

• PWM (La Méthode Coupe-Circuit) : Fonctionne comme un simple interrupteur ultra-rapide. Il abaisse la tension du panneau solaire pour "matcher" celle de la batterie.
• Le Problème PWM : Si vous avez un panneau de 30V et une batterie de 12V, le PWM force le panneau à travailler à 12V. La différence de tension est perdue sous forme de coupure. Il est inefficace pour les grands panneaux.
• MPPT (Le Convertisseur DC/DC Intelligent) : L'algorithme MPPT balaie en continu la courbe I-V (Courant-Tension) du panneau pour trouver le point de puissance maximale absolue.
• L'avantage MPPT : Il agit comme une boîte de vitesses. Il prend les 30V / 10A du panneau (300W) et les convertit activement en 12V / 25A pour la batterie (toujours 300W, moins les pertes de conversion de ~2%). C'est un gain net de 20 à 30% d'énergie récoltée, particulièrement crucial par temps nuageux ou froid (quand la tension du panneau (Voc) augmente).

04 Module 3 : Topologies de Conversion DC/AC (Onduleurs)

L'onduleur off-grid doit convertir le courant continu (DC) des batteries en un courant alternatif (AC) parfait pour le confort domestique, tout en gérant les appels de puissance massifs (courants d'appel) des moteurs.

3.1 La Qualité du Signal : THD (Total Harmonic Distortion)

• Onduleurs Quasi-Sinus (Pseudo-Sine) : Créent une onde AC "en escalier". Ils sont économiques mais dangereux pour l'électronique sensible (PC, télévisions LED) et font surchauffer les moteurs asynchrones. Le THD est très élevé.
• Onduleurs Pur Sinus (Pure Sine Wave) : Utilisent des étages de filtrage inductif et capacitif (filtres LC) pour recréer une sinusoïde parfaite, identique (voire supérieure en stabilité) au réseau public. C'est le standard obligatoire pour toute ingénierie moderne. Le THD doit être systématiquement $\le 3\%$.

3.2 Dimensionnement de la Puissance Apparente (kVA vs kW)

Un onduleur ne se choisit pas uniquement sur la puissance nominale. Il doit encaisser le courant de démarrage. Par exemple, un compresseur de réfrigérateur de 200W peut exiger 1000W à 1500W pendant 50 millisecondes pour vaincre l'inertie mécanique. L'onduleur doit avoir une capacité de surcharge de pointe (Surge Power) typiquement de 2x sa puissance nominale pendant quelques secondes.

05 Module 4 : Dimensionnement Complet Par l'Exemple

Abandonnons la théorie pour la pratique brute. Voici le protocole d'ingénierie complet, pas à pas.

Étape 1 : Le Bilan Énergétique Avancé

Tout commence par une modélisation précise des besoins. On somme les puissances (W) et on les multiplie par la durée d'utilisation (h) pour obtenir l'Énergie requise par jour (Wh/j).

| Appareil | Quantité | Puissance Unitaire (W) | Puissance Totale (W) | Durée (h/jour) | Énergie Totale (Wh/j) |

| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |

| Éclairage LED | 20 | 15 | 300 | 8 | 2400 |

| TV / Multimédia | 5 | 85 | 425 | 8 | 3400 |

| Réfrigérateur (A++) | 1 | 220 | 220 | 13 (actif) | 2860 |

| Divers (Chargeurs, Box) | - | - | 150 | 24 | 3600 |

| Bilan Total | | | 1095 W | | $E_j = 12 260$ Wh/j |

\Note : Il est impératif d'intégrer une marge d'erreur de +20%. Le besoin réel d'ingénierie ($B_j$) est donc fixé à ~15 000 Wh/jour (15 kWh/j).*

Étape 2 : Dimensionnement du Champ Photovoltaïque (La Source)

Nous devons capter ces 15 kWh même lors des mois défavorables.

• Gisement Solaire : On utilise le concept d'Irradiation Globale Horizontale (ex: 4.5 kWh/m²/j au Maroc en hiver).
• Facteur de Performance (PR - Performance Ratio) : Le rendement global du système (pertes câbles, chauffe des panneaux, pertes de charge). Pour un off-grid avec batteries, on retient un $PR = 0.65$.

Calcul de la Puissance Crête ($P_c$) requise :

Si nous choisissons des modules de haute puissance (ex: 460 Wc) :

Étape 3 : L'Architecture du Stockage (Batteries)

Nous utiliserons un bus DC de 48V (standard pour diminuer les courants et pertes Joule). L'autonomie désirée ($N_j$) est de 1 jour sans soleil, avec une Profondeur de Décharge max ($DoD$) stricte de 50% pour préserver le parc.

Calcul de la Capacité requise ($C_{sys}$) :

$C_{sys} = \frac{E_j \times N_j}{U_{sys} \times DoD} \Rightarrow \frac{15000 \times 1}{48V \times 0.50} = 625 Ah$ sous 48V.

Pour atteindre cette valeur avec des batteries standard (ex: 12V / 150Ah) :

• Mise en série : Pour atteindre 48V, il faut $4 \times 12V$ en série.
• Mise en parallèle : Pour atteindre 625Ah, il faut $\frac{625}{150} = 4.16 \Rightarrow$ 4 ou 5 branches en parallèle.

Étape 4 : L'Ingénierie des Section de Câbles (Loi d'Ohm)

Un câble sous-dimensionné entraîne un risque d'incendie et des pertes massives. La chute de tension absolue tolérée est de $ \epsilon = 3\% $.

$S = \frac{2 \times L \times \rho \times I_{max}}{\epsilon \times V}$

• Côté Onduleur (Courant Extrême) : Un appel de pointe de 7000W sous 48V génère un courant de $\approx 150A$. La section entre le parc de batterie et l'onduleur doit souvent être de 50mm² ou 70mm², avec la longueur la plus courte possible (moins d'un mètre).

06 Module 5 : Architecture de Protection DC et AC

La sécurité d'un système off-grid est primordiale car il n'y a pas de disjoncteur réseau pour vous sauver en cas de défaut franc.

• Coffret DC (Courant Continu) : Il gère les tensions létales des strings solaires (souvent $> 150V$ DC). Il doit impérativement inclure des porte-fusibles cylindriques gPV pour isoler chaque chaîne en cas de retour de courant, et un Parafoudre DC (Type 2) relié à une terre de haute qualité ($\le 100 \Omega$).
• Coffret AC (Courant Alternatif) : À la sortie de l'onduleur, un tableau électrique complet est exigé : Parafoudre AC, et surtout un Disjoncteur Différentiel Type A (30mA) pour la protection des personnes contre les contacts indirects, suivi des disjoncteurs divisionnaires classiques magnéto-thermiques.

07 Conclusion : L'Art du Maître d'Œuvre

L'autonomie énergétique n'est pas un concept abstrait, c'est l'application chirurgicale des lois de l'électromagnétisme. À la fin de ce parcours, vous avez dépassé le stade d'installateur : vous pensez désormais en véritable ingénieur système, capable de garantir confort et pérennité dans n'importe quel contexte, indépendamment des grilles centralisées.