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Conception d’un jumeau numérique global pour évaluation de l’impact du dérèglement climatique sur la production des centrales photovoltaïques.

La production d'électricité d'origine photovoltaïque (PV) augmente très fortement dans le monde, autour de +20 % chaque année.

Toutefois la question se pose de savoir
comment les effets du dérèglement climatique affecteront les performances des installations PV à l’avenir.

Certaines études démontrent déjà que le seul effet du réchauffement pourrait entrainer une réduction moyenne de la production annuelle de 15kWh/kWp à l’horizon 2100, avec des pertes de production pouvant aller jusqu’à 50kWh/kWp pour les régions les plus touchées [1].

D’autres études montrent qu’à l’échelle de l’Europe la perte de production liée aux modifications de la ressource solaire devrait être dans la fourchette ( -14% ; +2%) d’ici la fin de ce siècle par rapport aux estimations faites dans les conditions climatiques actuelles [2].

Dans les deux cas ces prédictions sont basées sur des modèles climatiques associé à des modèles électriques qui sont pour les seconds souvent très simplifiés car ne prenant en compte que la perte de rendement des panneaux PV lié à l’élévation de température.

En parallèle d’un point de vue économique il s’avère que les marges de rentabilité des centrales actuelles sont de plus en plus minces et une perte de rendement de quelques pourcents pourrait remettre en question certaines installation. Ceci pose la question de la sensibilité des technologies actuelles aux nouvelles conditions climatiques rencontrées et de leur éventuel remplacement par des
technologies plus robustes.

Dans ce contexte l’objectif du projet que nous proposons est de concevoir un outil de modélisation numérique (jumeau numérique) permettant d’évaluer de façon globale le rendement d’une centrale PV avec une précision suffisante pour répondre aux enjeux économiques et climatiques actuels et à venir.

A terme ce jumeau numérique devra permettre de prendre en compte les principaux changements environnementaux (élévation de la température, évolution du spectre solaire, pollution atmosphérique …) et ce sur tous les composants de la centrale (modules, électronique, câbles…).

Pour réaliser cela une modélisation multi-échelle constituée de modèles physiques, que ce soit au niveau des cellules, des modules et de l’électronique de puissance est nécessaire. La modélisation de ces systèmes complexes, de grande échelle, est difficilement accessible aux méthodes traditionnelles basées sur une représentation physique pure.

Un autre challenge concerne l’intégration des données indispensables à la représentation de cette complexité.

Les modèles physiques pourront être hybridés avec des modèles basés sur les données (de type Machine-Learning) pour améliorer la précision tout en conservant des temps de calculs raisonnables. Dans un premier temps ce modèle devra être validé par comparaison avec les données de production des centrales existantes et devrait permettre dans un deuxième temps d’évaluer la robustesse des technologies actuelles en fonction des différents scénarios associés au dérèglement climatique. Du fait qu’il sera construit à partir de « briques physiques » le jumeau numérique envisagé devra permettre à terme d’évaluer l’impact de chacune des briques constitutives de la centrale sur son comportement global.

Ardalan Nasri
Doctorant
Yvan Cuminal (IES)
Direction
Frédéric Martinez (IES)
Direction
Corinne Alonzo (LAAS)
Co-encadrement

Point d’étape présenté lors du séminaire annuel PV-STAR le 21 mai 2024

En cours de réalisation, plus d’informations prochainement.