Alimentation électrique instable

[Eric_S (Eric)]

J’ouvre un fil de discussion sur les problèmes d’alimentation électriques qu’on peut rencontrer dans certains pays. Ceci est basé sur mon expérience à Madagascar. Je vais le faire en plusieurs épisodes.

J’ai établi une typologie des coupures de courant :

• On a les coupures de quelques secondes à quelques minutes qui doivent correspondre à des manœuvres sur le réseau.
• Coupures de quelques heures correspondant à une insuffisance de production. Ça peut être les barrages vides en saison sèche, un groupe en panne à la centrale à mazout du coin… alors ils organisent un délestage tournant sur les quartiers.
• Grosses coupures de courant, style 20 heures sur 24. Typiquement, la centrale principale de la ville est en panne et ils tournent sur un groupe de secours.
• Trois jours de coupure, les fournisseurs de gasoil ayant coupé le robinet suite aux impayés de la compagnie d’électricité (en attendant que le gouvernement crache au bassinet).
• Je n’ai pas connu mais je peux imaginer des coupures de plusieurs jours suite à des évènements climatiques comme des cyclones.
• Même quand il n’y a pas de coupure de courant, la tension à la prise peut baisser significativement en dessous de 200 V, typiquement en soirée.

À suivre.

[Eric_S (Eric)]

Sur le principe, on veut mettre une alimentation de secours qui va permettre de tenir pendant les coupures de courant.

Pour tenir le plus longtemps possible, on va essayer de réduire la consommation électrique au maximum. En pratique, il n’y a pas trop de marge de manœuvre. J’évalue la consommation base (Orange Pi+F9P)+hub ethernet+box 4G à 10 W. On va partir sur cette base pour les calculs d’autonomie.

Par ailleurs, on va partir sur l’hypothèse que, même avec protection, il peut quand même y avoir rupture d’alimentation. Il faut privilégier des équipements qui redémarrent tous seuls au retour du courant. Il se trouve que la base habituelle a tendance à ne pas redémarrer toute seule après une coupure de courant, en raison de corruptions de la carte SD. Éventuellement, on va privilégier la protection électrique de la base elle-même au détriment des appareils qui redémarrent tous seuls.

[cquest (Christian Quest (OSM-FR / Panoramax))]

Si les appareils à alimenter peuvent l’être avec des tensions continues (typiquement du 12V), il sera préférable d’avoir juste un chargeur de batteries, une batterie et de se brancher dessus.

Cela limitera les pertes liés aux onduleurs et adapteurs 220V vers les tensions attendues par les appareils.

Avec une batterie de voiture on doit pouvoir tenir des heures !

[Eric_S (Eric)]

La première idée qui vient est d’utiliser un onduleur/UPS. Sauf, qu’en pratique, l’onduleur passe sur batterie quand la tension réseau baisse trop, même sans coupure de courant. Le résultat est que la batterie est déjà vide quand la vraie coupure de courant arrive, voir que l’onduleur se coupe même sans coupure de courant.

[cquest (Christian Quest (OSM-FR / Panoramax))]

@Eric_S

La première idée qui vient est d’utiliser un onduleur/UPS

Pour ça que je propose une autre approche.

Un onduleur est très peu efficace aussi sur le plan énergétique, grosse perte à recréer du 220V AC depuis une batterie en 12V DC alors que nos appareil fonctionnent avec des basses tensions DC.

Un chargeur de batterie, chargera la batterie en permanence, quelle que soit la tension du réseau et en même temps, la batterie alimente les équipements BT/DC sans conversion secteur AC si jamais il y a une vraie coupure et ce pendant plusieurs heures.

[Eric_S (Eric)]

La réponse est déjà dans le topic sur ma base à Mada. Là, j’essaie juste de faire un truc pédagogique pour d’autres personnes qui pourraient rencontrer le même problème. Comme je n’ai pas le courage de tout écrire d’un coup, je fais par étape.

[Eric_S (Eric)]

Donc, je continue.

L’idée, c’est d’alimenter tous les équipements directement en 12 V DC (courant continu) depuis une batterie. La batterie elle-même est chargée en permanence depuis le secteur. Il faut des équipements qu’on puisse alimenter directement en 12 V. Souvent, c’est le cas par défaut avec un adaptateur secteur qui fournit du 12 V. En ce qui me concerne, la box 4G et le hub ethernet prennent du 12V. On bricole une prise jack adaptée qu’on connecte à la batterie. Il reste ensuite des équipements qui s’alimentent en USB. Il faut utiliser des convertisseurs 12V→USB comme le suivant :

(vente ici).

Entrée 12V au choix, jack ou bornier. En sortie, il y a une prise USB et une sortie par bornier. On désossera une rallonge USB pour faire une seconde prise USB.

Un boitier plastique autour, ça peut être pas mal pour éviter les court-circuits accidentels:

On peut aussi chercher en équipement auto/camping-car un hub USB sur prise allume-cigare, du style :

On enlèvera la prise allume-cigare pour brancher plus directement sur la batterie.

Globalement, on essaie de faire un montage électrique propre. Autant que possible, on va essayer de visser les câbles dans des borniers. J’ai utilisé des borniers 230 V AC pour faire une distribution du courant 12 V en sortie de la batterie :

(Normalement, on n’utilise pas ça pour du 12 V DC parce qu’il peut y avoir des forts courants mais juste pour une base RTK, ça va).

Au niveau de la batterie, j’ai mis des cosses à œillet :

Par contre, j’ai des pinces crocro depuis le chargeur. À éviter, normalement.

Des recommandations de la part de Victron, à partir du chapitre 4.3 : Wiring Unlimited.

Prochain épisode : choix de la batterie et du chargeur.

[Eric_S (Eric)]

Pour les ordres de grandeur, si on veut tenir sur la batterie pendant 24 h et que la puissance consommée est de 10 W, il faut 10x24 = 240 W.h. Pour une batterie 12 V, ça fait une capacité de 240/12=20 A.h. Avec les pertes, on peut partir sur 24 A.h.

Quel choix de technologie entre plomb (Pb) et Lithium (en stationnaire, on prend du Lithium Fer Phosphate LiFePO4 plus sûr)?

Batteries Pb

Avantages

Facile à trouver sur place, y compris des modèles spécifiques solaire (typiquement AGM).

Peu cher. On va trouver une batterie 12V 24Ah pour 50 €.

Inconvénients

C’est lourd ce qui va forcer à acheter la batterie sur place.

C’est sensible à la surcharge donc il faut un bon chargeur qui va bien respecter la tension maximale, idéalement en tenant compte de la température parce qu’il faut baisser la tension appliquée quand la batterie est plus chaude.

Il faut éviter les décharges profondes (et le stockage déchargé) mais ça ne doit pas concerner un système de secours.

Les batteries Pb sont sensibles à la chaleur et ça va réduire leur espérance de vie. Dans un coin où il fait plus de 30°C tous les jours de l’année, il ne faut pas espérer tenir plus de 5 ou 6 ans. Ça pose aussi un problème à l’achat. Si la batterie a été stockée trop longtemps au chaud, elle peut être morte ou bien fatiguée à l’achat. On essaiera de voir la date de fabrication et on évitera de prendre une batterie ayant plus de 6 mois. On peut aussi essayer d’acheter la batterie dans des coins moins chauds du pays.

La vitesse de charge ne doit pas être trop élevée. On parle de charge en C/10, c’est-à-dire qu’on charge au dixième par heure. Pour une batterie 24 A.h, ça revient à ne pas dépasser 2,4 A de charge. Sachant que pour notre système de secours, la charge est exceptionnelle, on peut monter à C/5 soit 4,8 A.

Batterie Li

Avantages

On peut les charger rapidement. Suivant les modèles (à vérifier pour chaque modèle), jusqu’à C/1 c’est-à-dire charge complète en une heure. Pour une batterie 12V 24Ah, ça serait une charge à 24A.

Les batteries lithium sont supposées mieux supporter les hautes températures. À vérifier sur le long terme.

Leur densité d’énergie est plus grande, ce qui permet d’avoir des batteries moins lourdes.

Inconvénients

La charge des batteries Li est plus compliquée que celle des batteries Pb, avec des risques sur la sécurité. Il ne faut prendre que des batteries avec contrôleur de charge intégré (BMS : battery management system).

Les problèmes de sécurité sur les batteries Li font qu’elles sont l’objet de restriction sur leur transport. En avion, c’était seulement en bagage à main. Jusqu’à présent, c’était 160 W.h maxi mais la limite est en train de descendre vers 100 W.h, suivant les compagnies. Par exemple, la batterie LiFePO4 12,8V 10,5Ah BMS LIONTRON pouvait passer (mais on se retrouve avec une autonomie limitée à 12 heures pour une base). L’expédition en fret aérien n’est théoriquement possible que dans des avions dédiés fret, sans passager. En pratique, bonne chance pour trouver un transporteur. Pour le fret maritime, en théorie plus facile mais avant de trouver un transporteur…

Les batteries LiFePO4 sont plus chères que les Pb pour la même capacité. Une batterie LiFePO4 12V 20 Ah va être dans les 200 € en France. Elles sont pour le moment difficile à trouver dans les pays économiquement peu développés et plus encore chères. La même batterie à Madagascar va être à 400 €.

Si on part sur du Pb, je conseillerais de partir sur une batterie de 50-60 A.h avec un chargeur pouvant fournir 10 A. Dans le scénario bien dégradé à 20 h de coupure par jour, les 4 heures de réseau suffisent à recharger suffisamment pour les 20 heures suivantes. Sur une grosse coupure ponctuelle, on peut tenir 2 jours et demi.

Si on part sur du LiFePO4, je conseillerais seulement une capacité de 24 A.h avec un chargeur vers 12 A. Deux heures de courant par jour suffisent au fonctionnement. Par contre, pour la grosse coupure ponctuelle, on tient à peine plus de 24 heures.

Pour mon cas particulier, j’ai d’autres services à côté de ma base d’où une consommation évaluée à 14 W. Initialement, j’avais une batterie Pb 12V 24Ah qui n’était déjà pas fraîche à l’achat (2 ans de stockage) et qui est morte 3 ans après. Maintenant, j’ai trouvé une batterie LiFePO4 12V 60Ah pour une bouchée de pain sur leboncoin. Je l’ai envoyée par bateau, version route grise. Il y a dessus un chargeur 10 A. Un scénario à 3 heures de courant par jour doit passer. En cas de grosse coupure, ça doit tenir deux jours.

Dans tous les cas, on voit qu’on ne peut pas tenir dans l’hypothèse, rare, d’avoir trois jours de coupure. Dans la suite, on va regarder ce qu’on peut faire avec du solaire.

[Eric_S (Eric)]

Pour le solaire, on va commencer par dimensionner une installation totalement autonome, non connectée au réseau.

On va utiliser PVGIS, l’outil en ligne de l’Union Européenne pour simuler une installation solaire :

(1) : on cherche le lieu et on le valide.

(2) : on doit avoir les coordonnées du lieu (et le pointage sur la carte).

(3) : on va commencer par évaluer la production avec l’onglet Couplé au réseau.

(4) : on indique l’orientation du panneau solaire. En première approximation, le panneau doit être orienté sur l’axe nord-sud avec une inclinaison opposée à la latitude. En France métropolitaine, on va incliner le panneau vers 45° sud. À Antananarivo (Madagascar), on va le mettre à 20° nord vers le nord (Inclinaison : 20 et Azimut : 180 dans l’interface). On peut demander à l’outil de déterminer lui-même la meilleure inclinaison voir l’inclinaison et l’orientation en même temps. Si on n’a pas le choix, avec, par exemple, un seul pan de toit accessible, hé bien, on met les caractéristiques du toit. On met toujours une pente d’au moins 10° à un panneau, même proche de l’équateur, pour que la pluie ne stagne pas et nettoie les poussières.

(5) : on lance le calcul qui suppose qu’il n’y a pas de d’ombre projetée (autre bâtiment, végétation) tout au long de la journée.

C’est surtout le graphique qui nous intéresse. On va repérer le plus mauvais mois de l’année. On passe la souris dessus et ça affiche la production théorique. On divise par le nombre de jours du mois et ça donne un ordre de grandeur de la production quotidienne. Ici, pour juillet, ça fait 112/31 = 3,6 Wh/j par Wc de panneau. Comme on a vu plus haut qu’il nous fallait 240 Wh par jour, il faudrait 66 Wc de panneau. Sauf que c’est une valeur moyenne alors, les jours de mauvais temps, ça ne va pas marcher. (Pour Antananarivo, la mauvaise production de juillet correspond juste à du ciel habituellement bouché en cette saison.) Pour éviter ça, il va falloir surdimensionner l’installation.

On passe à l’onglet Hors réseau :

Dans un premier temps, on va mettre la puissance solaire (Wp) trouvée à l’étape précédente. On laisse la capacité de la batterie à 600 Wh, comme ce qu’on a mis pour la batterie Pb chargée par le réseau. On fixe la limite de décharge 1% (on accepte que la batterie soit complètement vidée). On met la consommation par à 240 Wh.On pense à remettre l’orientation des panneaux. Et on demande à visualiser les résultats.

Premier chiffre qui fait mal, 63% des jours de l’année, la batterie fini vide et ça va couper dans la nuit. En allant sur l’onglet Charge batterie, on a ça :

Une batterie Pb doit finir sa journée au-dessus du trait rouge (2/3 de charge) sinon elle va mourir vite, en un an par exemple.

Si on remonte les panneaux à 100 Wc, il n’y a plus que 3,79% de jours avec batterie vide. Ça fait encore en moyenne 14 jours de coupure par an. À 120 Wc, 0,79% de jour vide, ça soit trois jours. Si on continue à augmenter les panneaux, il faut aussi augmenter la capacité de la batterie Pb pour ne pas la charger trop vite. On gardera un rapport 5 entre les deux (le C/5). 140 Wc de panneau, 700 Wh de batterie, on a 0,17% de défaillance, un jour tous les deux ans. Ouf.

Pour charger avec ses puissances relativement faibles, un chargeur de type PWM est suffisant. On se méfiera des cochonneries chinoises qu’on peut trouver sur place. Elles vont appliquer des consignes de tension trop élevées, faisant croire à une charge efficace mais tuant prématurément les batteries. Je recommande vivement les produits Victron, surtout si vous avez des batteries Pb :

Il y a même des sorties USB mais je n’ai pas essayé de faire tourner un Raspberry dessus (Todo list).

Prochain épisode : hybride solaire/réseau.

[Eric_S (Eric)]

Il existe des systèmes pour coupler réseau électrique et solaire mais pas pour des puissances aussi faibles. Simplement, on va mettre en parallèle le chargeur réseau et le chargeur solaire. Sachant qu’il y a normalement du réseau, au moins un peu dans la journée, on peut calculer la partie solaire au plus serré et espérer qu’on n’a pas en même temps mauvais temps et coupure de trois jours (ce n’est pas à exclure non plus en cas de cyclone). On va prendre un panneau qui va produire en moyenne ce qu’il faut sur 24h. Pour la batterie, 24 heures d’autonomie suffisent, soit 240 Wh.

Dans l’exemple précédent, on va par exemple prendre un panneau à 75 Wc. En batterie Pb, comme il faut au moins 5 fois, ça fait une capacité de 375 Wh, soit 30 Ah. En Li, on peut rester à 12 V 20 Ah.

Pour les chargeurs solaires, j’ai oublié de préciser que pour un chargeur PWM, la tension du panneau solaire doit être la même que celle de la batterie sinon le rendement sera mauvais (et les calculs tous faux). Si on a des panneaux en 18 V, 20 V, 24 V (ou deux panneaux 12 V en série), il faut utiliser un chargeur de type MPPT. Pour dimensionner les chargeurs solaires, il faut tenir compte des panneaux solaires qu’on met dessus. Pour un PWM, en première approximation, on prend la puissance théorique du panneau et on divise par la tension de batterie. Exemple 75 Wc / 12 V = 6,25 A. On prend un PWM à 10 A. En plus rigoureux, on regarde le courant de court-circuit du panneau (Isc). Pour les MPPT, c’est plus compliqué. On peut aller voir le calculateur MPPT de Victron.

Pour le chargeur réseau, sachant que le solaire peut fournir l’essentiel de l’énergie, ça va juste être un complément. On va prendre un petit chargeur. Chez Victron, le plus petit modèle délivre 1,1 A, soit ~13W. C’est suffisant pour alimenter la base et le solaire complètera pendant la journée. Idéalement, on va baisser les tensions de consigne du chargeur réseau (si possible) pour charger en priorité depuis le solaire. (L’économie financière sera négligeable. À la louche 29 kWh/an soit 6 € en France).

Si vous avez des questions ou des projets, n’hésitez pas à me demander ou poster ici.