Avant-propos
Peut-on produire de l'électricité les jours de pluie ?
C'est l'une des questions qui me sont le plus souvent posées au sujet des systèmes d'énergie solaire. Lorsqu'un client manifeste de l'intérêt pour l'énergie solaire mais hésite encore, l'installateur répond souvent avec assurance : « Bien sûr, cela peut produire de l'électricité ! C'est juste que le rendement sera un peu moindre. » Mais le client a encore des doutes : à quel point le rendement sera-t-il faible ? Combien de jours nuageux ou pluvieux par an affecteront la production d'énergie ?
Ces questions sont tout à fait légitimes. Après tout, un système solaire représente un investissement important, et s'il ne produit quasiment aucune électricité lors de périodes prolongées de ciel couvert ou de pluie, il convient de réévaluer la rentabilité de cet investissement. Il est donc essentiel de comprendre ses performances réelles par temps nuageux ou pluvieux avant de décider d'installer un système solaire.
Le climat africain est extrêmement varié, allant de la chaleur torride du Sahara aux pluies abondantes tout au long de l'année dans la forêt tropicale du Congo, ce qui entraîne une répartition inégale des ressources en énergie solaire. Dans cet article, je commencerai par expliquer le principe de fonctionnement des panneaux solaires, en démontrant pourquoi il est possible de produire de l'électricité même par temps nuageux. Je présenterai ensuite des données de référence basées sur les caractéristiques climatiques de différentes régions d'Afrique, en analysant l'impact des jours nuageux et pluvieux en Afrique de l'Est, en Afrique de l'Ouest, en Afrique australe et en Afrique du Nord. Enfin, je proposerai des pistes de solutions pour faire face à ces variations climatiques.
I. Principe de production d'énergie photovoltaïque
Pour comprendre pourquoi les panneaux solaires peuvent produire de l'électricité même par temps nuageux, il faut d'abord comprendre comment ils la produisent. Le principe de la production d'électricité par les panneaux solaires repose sur l'« effet photovoltaïque ».
Le principe de l'effet photovoltaïque est le suivant : lorsque des photons frappent un matériau semi-conducteur, leur énergie est absorbée par les électrons de ce matériau. Une fois que les électrons ont acquis suffisamment d'énergie, ils se détachent du noyau atomique, formant des paires électron-trou libres. Ces électrons libres se déplacent au sein du semi-conducteur, générant un courant électrique. C'est le principe de base de la production d'électricité par les panneaux solaires. Ce processus ne nécessite pas que la lumière du soleil soit « très chaude » ou « très intense » ; il suffit que des photons frappent les cellules solaires.
Ce principe illustre un point essentiel : les panneaux solaires produisent de l’électricité grâce aux photons, et non grâce à la température. Certains pensent à tort que « plus le soleil brille, plus il produit d’électricité », mais c’est l’inverse qui est vrai : une température excessive réduit en réalité le rendement des panneaux solaires. Dans des conditions de test standard, le rendement des panneaux solaires est mesuré à 25 °C. Pour chaque degré supplémentaire, le rendement diminue d’environ 0,4 % à 0,5 %. Ainsi, dans la région chaude et sèche du Sahara, même si le rayonnement solaire est intense, des températures excessivement élevées peuvent réduire le rendement ; tandis que par temps frais et nuageux, même si le rayonnement solaire est plus faible, la température modérée peut permettre un meilleur rendement que sous un fort ensoleillement.
Par temps nuageux, la lumière du soleil traverse les nuages et atteint le sol, mais son intensité diminue. Elle n'est cependant pas nulle. D'après les données météorologiques, elle représente environ 10 % à 25 % de celle d'une journée ensoleillée. Cela signifie que l'intensité du rayonnement solaire par temps nuageux reste dix à quatre fois inférieure à celle d'une journée ensoleillée, et que les panneaux solaires continuent donc de produire de l'électricité.
Il est important de faire la distinction entre la lumière solaire directe et la lumière diffuse. Par temps ensoleillé, la majeure partie du rayonnement solaire provient directement du soleil ; par temps nuageux, la lumière directe est considérablement réduite par la couverture nuageuse et la diffusion, mais la lumière diffuse peut en réalité augmenter. Les panneaux solaires peuvent utiliser à la fois la lumière solaire directe et la lumière diffuse, mais le rendement de production d'électricité est inférieur pour la lumière diffuse. Par conséquent, même si la production d'électricité est considérablement réduite par temps nuageux, elle ne sera pas nulle.
Les caractéristiques des journées nuageuses varient considérablement selon les régions d'Afrique. L'Afrique du Nord, dans ses régions arides, connaît très peu de jours nuageux et bénéficie d'un fort ensoleillement direct ; les zones côtières d'Afrique de l'Ouest, comme Lagos, connaissent un temps plus pluvieux et nuageux ; les hauts plateaux d'Afrique de l'Est, comme Nairobi, jouissent d'un climat relativement doux ; et le bassin du Congo est l'une des régions d'Afrique où les jours pluvieux et nuageux sont les plus fréquents. Dans la majeure partie de l'Afrique, la production d'électricité des panneaux solaires monocristallins en silicium résidentiels par temps nuageux représente environ 10 % à 30 % de celle obtenue par temps ensoleillé.
II. Données réelles provenant de diverses régions d'Afrique
Après avoir compris les principes de la production d'énergie, examinons maintenant des données spécifiques provenant de différentes régions d'Afrique concernant les différences de production d'énergie par temps nuageux.
Commençons par l'Afrique du Nord. La région du Sahara, au sud de l'Égypte, de la Libye et de l'Algérie, bénéficie du plus fort ensoleillement de tout le continent africain, avec plus de 3 500 heures d'ensoleillement par an. Le soleil y brille presque toute l'année, les jours nuageux ou pluvieux étant très rares. Dans ces régions, les pertes annuelles de production d'électricité dues aux jours nuageux ou pluvieux sont d'environ 5 à 10 %, un impact négligeable. Un système de 5 kilowatts dans ces zones peut produire de 25 à 30 kWh par temps ensoleillé et de 5 à 8 kWh par temps nuageux. Il est toutefois important de noter que les températures estivales y sont extrêmement élevées et que l'impact de ces fortes chaleurs sur le rendement doit être pris en compte.
La situation en Afrique de l'Est est plus complexe. Les hauts plateaux du Kenya, de la Tanzanie et de l'Éthiopie bénéficient d'environ 2 500 à 3 000 heures d'ensoleillement par an, offrant ainsi d'excellentes conditions d'ensoleillement. À Nairobi, par exemple, la saison des pluies s'étend de mars à mai et d'octobre à décembre. Durant cette période, les journées nuageuses sont nombreuses, mais il ne pleut pas tous les jours ; il s'agit généralement d'averses. Un système de 5 kilowatts produit environ 20 à 25 kilowattheures par temps ensoleillé et environ 3 à 8 kilowattheures par temps nuageux. Bien que la production d'électricité diminue sensiblement pendant la saison des pluies, les journées ensoleillées restent majoritaires et les pertes totales dues à la pluie et à la couverture nuageuse sont d'environ 15 à 20 %.
Les régions côtières d'Afrique de l'Ouest sont caractérisées par un ciel souvent couvert et des pluies fréquentes. Les villes côtières de pays comme le Nigeria, le Ghana et la Côte d'Ivoire, notamment Lagos et Accra, connaissent des précipitations abondantes tout au long de l'année, avec environ 1 800 à 2 200 heures d'ensoleillement annuel. Ces régions connaissent deux saisons des pluies par an, caractérisées par des averses fréquentes et prolongées. Un système de 5 kW dans ces zones peut produire environ 15 à 20 kWh d'électricité par temps ensoleillé, mais lors de périodes prolongées de ciel couvert et de pluie, la production d'énergie peut chuter à seulement 2 à 5 kWh. Les pertes annuelles de production d'énergie dues au ciel couvert et à la pluie sont estimées entre 25 % et 35 %. Dans ces conditions, l'installation de batteries de stockage d'énergie est quasiment indispensable.
La situation de l'Afrique du Sud est relativement meilleure. La majeure partie du pays bénéficie d'environ 2 500 à 3 200 heures d'ensoleillement par an, grâce à un potentiel solaire abondant. Dans les grandes villes comme Johannesburg et Le Cap, les précipitations sont concentrées en été (de novembre à mars), le reste de l'année étant caractérisé par un temps ensoleillé. Un système de 5 kilowatts produit, dans la plupart des régions d'Afrique du Sud, environ 20 à 28 kilowattheures d'électricité par temps ensoleillé et 3 à 8 kilowattheures par temps nuageux. Les pertes annuelles dues à la pluie et à la couverture nuageuse sont d'environ 15 à 25 %.
Le bassin du Congo représente un autre cas extrême. Les pays situés le long de l'équateur, comme la République démocratique du Congo, le Cameroun et le Gabon, connaissent des températures élevées et des précipitations abondantes tout au long de l'année, avec moins de 1 200 heures d'ensoleillement annuel. Dans ces conditions, l'utilisation de systèmes d'énergie solaire pure est fortement limitée et nécessite généralement des batteries de stockage d'énergie de grande capacité ou des générateurs diesel. L'installation de systèmes solaires dans ces régions implique donc des prévisions de production d'électricité plus prudentes et des configurations de stockage d'énergie plus importantes.
De manière générale, la plupart des pays africains disposent de ressources solaires considérables. L'Afrique bénéficie globalement d'un ensoleillement supérieur à celui de la plupart des régions d'Europe et d'Asie. Même en Afrique de l'Ouest et au Congo, régions aux précipitations plus fréquentes, les conditions d'ensoleillement sont meilleures que dans des pays européens comme le Royaume-Uni et les Pays-Bas. L'enjeu principal est d'adapter la configuration des systèmes et la production d'énergie attendue aux caractéristiques climatiques spécifiques de chaque région.
III. L'impact réel des jours de pluie
Quelle quantité d'électricité est perdue en une année ? À l'aide de plusieurs scénarios typiques comme exemples, nous estimons les pertes réelles causées par les jours de pluie.
Scénario 1 : Nairobi, Kenya, Afrique de l’Est. Système de 5 kW. La production annuelle totale d’électricité est d’environ 12 000 kWh. Les jours de pluie entraînent une perte d’environ 20 %, soit environ 2 400 kWh. Sur la base du prix local de l’électricité, d’environ 0,15 USD par kWh (le prix de l’électricité pour les particuliers se situe entre 0,1 et 0,2 USD), la perte annuelle est d’environ 360 USD. Ce chiffre doit être considéré au regard des avantages globaux : les prix de l’électricité à Nairobi sont élevés, et l’énergie solaire permet d’économiser environ 0,15 USD par kWh, soit une économie annuelle d’environ 1 800 USD. Les jours de pluie représentent environ 20 % des économies totales.
Scénario 2 : À Lagos, au Nigéria, un système de 5 kW produit environ 9 000 kWh d’électricité par an. Les intempéries entraînent une perte d’environ 30 %, soit environ 2 700 kWh. Avec un prix de l’électricité à Lagos d’environ 0,08 $ par kWh, cela représente une perte annuelle d’environ 216 $. Bien que les économies réalisées grâce à l’énergie solaire soient relativement limitées en raison du faible prix local de l’électricité, la fiabilité aléatoire du réseau électrique et les fréquentes coupures de courant font que la garantie d’approvisionnement fournie par le système solaire compense largement les économies réalisées.
Scénario 3 : Johannesburg, Afrique du Sud. Un système de 5 kW produit environ 14 000 kWh d’électricité par an. Les pertes dues aux précipitations s’élèvent à environ 15 %, soit environ 2 100 kWh. Le prix de l’électricité résidentiel local étant d’environ 0,12 USD par kWh, la perte annuelle est d’environ 252 USD. L’Afrique du Sud bénéficie d’un ensoleillement abondant et d’une production d’électricité importante ; même après déduction des pertes dues aux précipitations, les revenus restent considérables.
Ces calculs montrent que l'impact des conditions météorologiques nuageuses et pluvieuses est relativement faible en Afrique du Nord et du Sud, mais plus important dans les régions de forêt tropicale humide. Cependant, même dans les zones les plus nuageuses et pluvieuses, le rendement des systèmes solaires reste généralement bon. Les pertes dues aux conditions météorologiques nuageuses et pluvieuses sont acceptables dans la plupart des cas ; l'essentiel est d'en tenir compte dès la conception du système.
L'installation de batteries de stockage d'énergie est la solution la plus efficace pour faire face aux jours de pluie. Dans les régions où les précipitations sont fréquentes, il est recommandé de prévoir une capacité de stockage suffisante pour au moins deux à trois jours afin de garantir une alimentation électrique continue même en cas de pluies continues. Bien entendu, les batteries de stockage d'énergie augmentent considérablement le coût du système ; il convient donc d'évaluer ce coût en fonction des besoins réels et du budget disponible.
IV. Faire face aux jours de pluie
Suggestions pratiques pour améliorer la production d'énergie des systèmes solaires en Afrique : Bien que les jours nuageux et pluvieux aient un impact sur la production d'énergie solaire, certaines mesures peuvent être prises pour minimiser cet impact et améliorer les performances globales du système.
Le nettoyage régulier des panneaux solaires est une pratique essentielle. Dans de nombreuses régions d'Afrique, les tempêtes de poussière affectent fortement la production d'électricité. Au Sahel, au sud du Sahara, les fréquentes tempêtes de sable favorisent l'accumulation de poussière sur les panneaux. Un nettoyage rapide après les premières fortes pluies de la saison des pluies permet d'augmenter significativement la production d'électricité. Certains installateurs recommandent la mise en place de systèmes de rinçage à basse pression au-dessus des panneaux pour un nettoyage régulier ; un petit investissement aux résultats probants.
Il est également crucial de bien dimensionner le système. Dans les régions où les jours de pluie sont fréquents, il est recommandé de prévoir une capacité supérieure de 20 à 30 % à la demande théorique, calculée à partir des données d'ensoleillement locales. Cela permettra de garantir la satisfaction de la demande en électricité, même pendant la saison des pluies. Bien entendu, cela engendrera un investissement initial plus important, nécessitant un équilibre entre coût et bénéfice.
Les batteries de stockage d'énergie sont quasiment indispensables dans des régions comme l'Afrique de l'Ouest et le bassin du Congo. Les batteries lithium-fer-phosphate sont recommandées en raison de leur longue durée de vie et de leur grande sécurité. Compte tenu des données historiques locales sur les précipitations, la capacité de stockage d'énergie doit être dimensionnée pour garantir l'alimentation électrique des ménages, même en cas de fortes pluies prolongées. Il est généralement conseillé de prévoir une autonomie de deux à trois jours.
Envisager une solution énergétique hybride est également une option pragmatique. En Afrique, où le réseau électrique est instable, une solution hybride combinant énergie solaire, stockage d'énergie et groupes électrogènes diesel permet de concilier les avantages d'une énergie propre et d'un approvisionnement électrique fiable. L'énergie solaire est la principale source d'énergie les jours ensoleillés, le stockage d'énergie complétant la consommation nocturne, tandis que les groupes électrogènes sont activés pour pallier l'absence de pluie ou de couverture nuageuse prolongée. Cette solution présente le coût le plus élevé, mais offre également la meilleure fiabilité et la plus grande adaptabilité.
Enfin, avant d'acheter un système solaire, il est recommandé de consulter les données climatiques historiques locales et les données sur le potentiel solaire. Les services météorologiques ou énergétiques de nombreux pays africains publient des rapports d'évaluation du potentiel solaire, qui permettent de prévoir avec plus de précision la production annuelle d'électricité du système et l'impact des jours nuageux ou pluvieux. Vous pouvez également consulter des installateurs locaux, car ils possèdent une connaissance approfondie des conditions climatiques locales et des performances des systèmes.
Conclusion
Bien que les jours nuageux et pluvieux affectent la production d'électricité des panneaux solaires, ils ne rendent pas le système solaire inutilisable. Même dans les régions les plus pluvieuses, les panneaux solaires peuvent produire de l'électricité par temps nuageux, atteignant généralement 10 % à 30 % de la production des jours ensoleillés. Bien que cette quantité d'électricité ne soit pas importante, elle contribue tout de même de manière significative à la production annuelle d'électricité propre.
La majeure partie de l'Afrique bénéficie d'un ensoleillement abondant et d'un climat généralement ensoleillé tout au long de l'année. Même sur la côte ouest-africaine et dans le bassin du Congo, où les jours nuageux et pluvieux sont relativement plus fréquents, l'ensoleillement est meilleur qu'on ne le pense souvent. L'essentiel est de concevoir la configuration du système et la production d'énergie attendue en fonction des caractéristiques climatiques spécifiques de la région avant d'installer un système d'énergie solaire.
Dans les régions où les jours de pluie sont fréquents, le déploiement de batteries de stockage d'énergie est un moyen important d'améliorer l'utilisation du réseau. Ces batteries permettent de stocker l'électricité excédentaire les jours ensoleillés et de la restituer les jours de pluie, garantissant ainsi la satisfaction des besoins essentiels en électricité. Bien que les batteries de stockage d'énergie représentent un investissement initial plus important, cet investissement est rentable à long terme.
Nous espérons que cet article aidera les lecteurs africains à mieux comprendre les performances réelles des systèmes solaires par temps nuageux ou pluvieux, et ainsi à prendre des décisions d'installation plus éclairées. Que vous soyez aux abords du Sahara en Afrique du Nord, sur la côte humide d'Afrique de l'Ouest ou sur les hauts plateaux d'Afrique de l'Est, l'énergie solaire peut être une excellente solution pour améliorer vos conditions de vie et de travail.
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