Logiciel d`aide a la planification pour l`electrification rurale (LAPER)

LOGICIEL D’AIDE A LA PLANIFICATION POUR L’ELECTRIFICATION RURALE (LAPER)
Valérie Lévy – Franck Thomas - Rainer Fronius – Marc Gratton
Electricité de France – Recherche et Développement
FRANCE
Résumé
Les bienfaits de l’électrification ne font aucun
doute, de même le besoin de services liés à
l’électricité. Les compagnies de distribution
d’électricité privilégient souvent les besoins des
zones urbaines, laissant de côté le monde rural. Un
petit nombre de projets pilotes d’électrification
rurale ont déjà été entrepris, mais leur durée de vie
fut courte, par manque de robustesse technique ou
économique, ou parce qu’ils n’avaient permis de
répondre que partiellement aux besoins.
Le logiciel LAPER est un outil conçu pour
l’électrification durable de vastes régions rurales. Il
utilise toutes les données géographiques
disponibles, crée des types de villages afin d’utiliser
des équipements électriques standardisés, et
compare les coûts de toutes les solutions possibles
d’électrification (mini-réseaux, diesels, panneaux
solaires, petits générateurs hydrauliques ou
éoliens).
Dans une première étape, les données
géographiques
et
socioéconomiques
sont
rassemblées dans la base de données du Système
d’Information Géographique. Les types de villages
sont créés à l’aide du Gestionnaire de Types de
Villages.
La deuxième étape consiste à spécifier les coûts
d’investissement et d’exploitation relatifs aux
différents modes d’électrification. Afin d’initialiser
le code de calcul du plan directeur d’électrification,
un réseau connectant tous les villages doit être
tracé. Ce réseau n’est qu’un point de départ.
L’Optimum Réseau calcule le premier tracé d’un
réseau optimum pour une solution “tout-réseau”.
Dans l’étape suivante, les coûts de l’électrification
par le réseau, par générateur, énergie
photovoltaïque, energie hydroélectrique et éolienne
sont comparés pour chaque village. Si un mode
d’électrification décentralisée est moins cher pour
un village donné, on vérifie que l’augmentation
correspondante du coût réseau pour les autres
villages (due à la non participation du village en
question aux frais de construction et d’exploitation
du réseau) n’excède pas le gain apporté par
l’électrification décentralisée. S’il est établi au
moins pour un village que l’électrification
décentralisée est plus avantageuse, une nouvelle
itération doit avoir lieu. Cela est du au fait qu’à
chaque fois qu’un ou plusieurs villages sont
déconnectés du réseau, les coûts-réseau augmentent
pour les autres villages. Pour ces derniers, la
comparaison avec les modes décentralisés doit
avoir lieu à nouveau.
Le cœur d’un village et sa périphérie ne sont pas
traités de la même façon : la périphérie est toujours
électrifiée par des panneaux solaires. À la fin de
cette itération, les coûts classés par village et par
année sont fournis, de même que les coûts globaux
d’électrification.
La dernière partie du programme fixe l’ordre
d’électrification de l’ensemble des villages. Les
paramètres pris en compte peuvent être politiques,
techniques et géographiques.
Le gestionnaire de la stratégie d’étude permet à
l’utilisateur de simuler différentes situations
économiques ou de lancer le programme avec
différents coûts pour les équipements électriques.
À la fin, une carte contenant le mode
d’électrification de chaque village et le réseau final
est tracé.
LAPER ne fournit pas seulement les coûts
d’électrification de vastes régions rurales mais il
guide aussi l’utilisateur dans la planification et le
choix des équipements, assurant le caractère
durable
des
projets
d’électrification.
LOGICIEL D’AIDE A LA PLANIFICATION POUR L’ELECTRIFICATION RURALE (LAPER)
Valérie Lévy – Franck Thomas - Rainer Fronius – Marc Gratton
Electricité de France – Recherche et Développement
FRANCE
RESUME
Aujourd’hui, environ 40% de la population mondiale ne
dispose pas de l'électricité. Face à ce problème, la
banque mondiale, les bailleurs de fonds et les
gouvernements des PED ont besoin d'une méthode pour
juger de l'adaptation des moyens de production
d'électricité aux contexte local. EDF a développé une
méthodologie d'électrification rurale. Dans ce cadre le
logiciel LAPER établit un schéma directeur
d'électrification pour de vastes régions, voire des pays
entiers, à partir de données géographiques enrichies par
des enquêtes socio-économiques. Les moyens
d'électrification proposés sont : le réseau MT, le groupe
diesel, les panneaux photovoltaïques, les centrales picohydraulique et micro-éolienne. Un plan d'investissement
et un calendrier d'électrification sont établis tenant
compte des critères politique, financier et géographique.
2.
Saisie de l’état initial
3.
Recherche du schéma cible optimal
4.
Détermination de l’ordre d’électrification
5.
Résultats
Ces différentes étapes du traitement d’une étude par
LAPER se font dans deux modules distincts
communicant entre eux : le Système d’Information
Géographique (SIG) et le module LAPER à proprement
parler.
Le schéma ci-dessous représente l’organisation LAPER
/ SIG :
INTRODUCTION
L’électrification rurale est une préoccupation croissante
depuis plusieurs années. Alors qu’une part importante
de la population mondiale demeure aujourd’hui privée
d’électricité, les autorités de nombreux pays en
développement ont cherché à évaluer les différentes
possibilités d’étendre la fourniture d’électricité sur leur
territoire, jusque dans les régions reculées. L’évolution
des logiciels de planification des réseaux et l’apparition
de logiciels dédiés à la problématique de
l’électrification rurale a rendu possible un partenariat
entre les Etats demandeurs et les compagnies
d’électricité.
Le logiciel LAPER développé par EDF Recherche et
Développement est l’aboutissement de recherches
menées conjointement par EDF et l’Agence de
Développement et de Maîtrise de l’Energie depuis
plusieurs années. Les spécifications et les évolutions de
LAPER sont aujourd’hui assurées à EDF R&D.
Plusieurs études ont déjà été réalisées par EDF
International avec ce logiciel, dans les pays suivants :
Madagascar, Vietnam, Maroc, Territoires Palestiniens,
Egypte, Jordanie.
LAPER se distingue par sa facilité d’utilisation et sa
grande souplesse. Nous allons présenter ses principales
caractéristiques de fonctionnement en distinguant
5 étapes principales :
1.
Collecte des données : besoins et moyens
Le SIG permet la saisie et le chargement d’un certain
nombre d’informations, ainsi que l’affichage de la zone
de travail et de ses caractéristiques. Le module LAPER
permet la saisie des données relatives aux modes
d’électrification (dont le détail est donné dans le
paragraphe suivant), le calcul de la solution optimale et
des caractéristiques économiques associées. LAPER
procède en réduisant autant qu’il est rentable de le faire
la part du réseau MT dans l’alimentation électrique des
villages, et en testant les différentes alternatives
décentralisées.
COLLECTE DES DONNEES
Les besoins
Les données nécessaires à la détermination du schéma
d’électrification optimal sont de natures diverses. Parmi
toutes celles concernant les villages de la zone à
électrifier , on retiendra deux exemples importants :
- classement de la population par profils de charge
(types de consommation)
- évolution de la consommation
Le premier classement regroupe les consommateurs en
trois grandes catégories : Gros Clients, Equipements
Collectifs, Clients Résidentiels. Les caractéristiques de
consommation de ces trois groupes sont évidemment
différentes, mais il est possible d’affiner encore le
classement, en définissant des catégories de
consommation pour les clients résidentiels, et en
indiquant pour chaque village les proportions de clients
appartenant à chaque catégorie.
En agrégeant les investissements pour chaque type de
matériel, on obtient les montants correspondant à
chaque solution (IBT, IMT, Ihydr, IPV, Idies..), et les coûts
d’exploitation associés.
Par ailleurs, il faut prendre en compte le fait que,
contrairement aux équipements standards du réseau MT,
certains équipements d’électrification décentralisée ont
une durée de vie courte, ou un dimensionnement initial
limité. Des investissements d’extension de certains
équipements, et des investissements de renouvellements
successifs pendant la période de l’étude doivent donc
être pris en compte dans le calcul.
Le budget disponible pour la réalisation du plan
d’électrification est également renseigné dans LAPER,
ainsi que la répartition annuelle de ce budget. Nous
verrons par la suite que cette répartition annuelle joue
un
rôle
important
dans
l’échéancier
final
d’électrification.
Différentes stratégies d’électrification peuvent être
rassemblées dans une seule étude à l’aide d’un
gestionnaire de stratégies présenté ci-dessous.
Par ailleurs, chaque village ayant fait l’objet d’un
examen approfondi permettant d’identifier au mieux le
mode d’électrification le plus approprié, la table Village
contient un nombre important d’informations
quantitatives
(localisation,
vitesse
du
vent,
ensoleillement, proximité d’une source hydraulique,
relief, etc…) ou plus qualitatives (sociologiques ou
socioéconomiques…). La collecte d’informations
constitue la base préalable de l’étude.
Les moyens
Les
caractéristiques
des
différents
moyens
d’électrification sont saisies dans le module LAPER.
Ces moyens sont :
- le réseau MT,
- le photovoltaïque,
- l’hydraulique,
- le diesel / éolien.
LAPER calcule les coûts relatifs à chaque mode en
tenant compte des éléments de coûts unitaires et des
niveaux de performance fournis par l’utilisateur. Le
calcul du coût distingue les investissements en matériel
des frais d’exploitation. Les pertes MT et BT sont prises
en compte dans les frais d’exploitation, sauf dans le cas
de l’hydraulique, dont le coût de combustible est nul et
du photovoltaïque qui n’a pas besoin d’un réseau
électrique intérieur au village.
Un calcul spécifique est effectué afin de déterminer
l’intérêt du mode éolien comme alternative à la solution
diesel. Si l’éolien est rentable sur une durée non nulle, la
solution est mixte diesel / éolien, sinon le diesel est seul.
SAISIE DE L’ETAT INITIAL
L’interface graphique permet de visualiser directement
la répartition géographique des villages de la zone, ainsi
que leur environnement (relief, cours d’eau, voirie,
etc…) grâce aux fonds de plan.
L’utilisateur dessine ensuite le réseau MT qui lui semble
le plus adapté pour alimenter un maximum de villages.
Il a le choix entre divers types de réseau, l’artère
principale du réseau MT étant triphasée, et les branches
secondaires monophasées ou de type SWER. Une
validation du réseau saisi est effectuée. LAPER
procédant par substitution des modes d’électrification
alternatifs au réseau MT, le réseau initial dessiné par
l’utilisateur est donc le réseau maximal. En fin d’étude,
le réseau sera a priori moins important.
RECHERCHE DU SCHEMA CIBLE OPTIMAL
L’algorithme de recherche de la solution optimale est
simple. Il s’agit de minimiser la fonction de coût global
actualisé associée à l’électrification de toute la zone.
Cette fonction est la somme actualisée des
investissements et des dépenses d’exploitation sur toute
la durée de l’étude, en considérant que toute la zone est
électrifiée à t = 0.
T
F (T ) = ∑
t =0
A(t ) + C (t )
, on utilise ici l’annuité A(t)
(1 + i ) t
de l’investissement I, pour prendre en compte le fait que
les durées de vie des différents équipements sont
différentes, et peuvent excéder la durée de l’étude. Cette
annuité est obtenue en multipliant chaque
investissement élémentaire I calculé pour chaque
matériel dans la partie Moyens par le facteur d’annuité
correspondant à sa durée de vie. Le taux d’actualisation
est noté avec i.
On rappelle que pour un matériel de durée de vie D, le
facteur d’annuité vaut :
Une fois que le système est stable (i-e : plus aucune
déconnexion n’est rentable), l’état cible est atteint.
Il reste alors à déterminer le plan d’électrification en
trouvant l’ordre dans lequel les différents villages vont
être électrifiés.
DETERMINATION
D’ELECTRIFICATION
DE
L’ORDRE
Au moment de la saisie des caractéristiques des villages,
l’utilisateur a eu la possibilité de rassembler ceux-ci en
sous-groupes. LAPER divise ensuite ces groupes en
sous-groupes de villages électrifiés par le même mode
(dans le graphique ci-dessous : PV=photovoltaïque,
GE=éolien-diesel, Rés=réseau MT, HY=hydraulique).
On présente ci-dessous un exemple de découpage de la
zone d’étude avec les groupes (1, 2, 3) et sousgroupes
(1 à 10).
i × (1 + i ) D
(1 + i ) D − 1
Pour le réseau MT, chaque village finance intégralement
les parties de lignes qui le desservent exclusivement.
Pour les parties communes à plusieurs villages, on
considère que les frais sont partagés au pro rata de la
puissance consommée.
Dans un premier temps, le moyen d’électrification dont
la fonction de coût est la plus basse est retenu, pour
chaque village. Ensuite on procède par test en
déconnectant un par un les villages du réseau MT
(quand ce n’est pas déjà le cas dans l’état initial, et
uniquement lorsque la solution décentralisée est moins
coûteuse pour ce village que la solution MT). Le village
en question aura donc une fonction de coût inférieure,
associée à son mode décentralisé, et la fonction de coût
réseau MT des autres villages raccordés au réseau
augmentera pour chacun d’eux, puisqu’ils auront à
supporter éventuellement le financement de tronçons
commun qu’ils partageaient avec le village déconnecté.
Pour les autres villages déjà alimentés en mode
décentralisé, la fonction de coût reste inchangée. Pour la
communauté, il convient donc de comparer, avant et
après la déconnexion d’un village x :
tous .villages − village .x
réseau
F1 = F
+F
village .x
réseau
et
tous .villages − village .x
village .x
F2 = Fréseau
+ Fdécentrali
sé
Si F2 est inférieur à F1, alors on peut déconnecter
définitivement le village i et passer au village suivant.
Plusieurs critères permettent alors de fixer l’ordre dans
lequel les villages sont électrifiés. La valeur des critères
peut varier selon le village. L’utilisateur a la possibilité,
selon le contexte, de pondérer ces différents critères. Ils
sont les suivants :
Trois critères dont les valeurs par village sont fixées par
l’utilisateur :
- Critère politique (Critp)
- Critère de solvabilité (Crits)
- Critère de développement(Critd)
Deux critères calculés dans le module LAPER :
- Critère financier (Critf)
(traduit la distance entre le village et la source
d’électricité)
- Critère d’équilibre interrégional (Crite)
(permet une électrification aussi homogène que possible
par sous-groupes : moins un groupe de village possède
de sous-groupes électrifiés, plus ces sous-groupes seront
prioritaires dans l’électrification).
On remarque que le dernier critère peut évoluer chaque
année, en fonction de l’état d’électrification des
différents sous-groupes.
En notant ps, pf, pe, pp, pd, les poids (compris entre 0 et
1) de chaque critère, le critère annuel de priorité pour un
village vaut :
Crit = p s ⋅ Crit s + p f ⋅ Crit f + p e ⋅ Crit e
+ p p ⋅ Crit p + p d ⋅ Crit d
Budget
L’enveloppe budgétaire annuelle participe également à
l’échelonnement de l’électrification. En effet, la
prochaine électrification de village prévue par le
programme ne peut être réalisée que si le budget
disponible est suffisant. Ainsi, il peut se passer une ou
plusieurs années sans électrification si le budget est
insuffisant (et en fin d’étude, certains villages peuvent
ne pas avoir été électrifiés).
Pour parer à la difficulté de trouver le budget adéquat à
l’électrification d’une zone on peut indiquer la durée
maximale au bout de laquelle l’électrification doit être
achevée laissant ainsi le programme déterminer le
budget nécessaire pour chaque année d’étude.
RESULTATS
Les résultats d’une étude sont visualisables sous
diverses formes.
Il est possible de consulter dans le module LAPER l’état
de chaque village en fin d’étude : année
d’électrification, mode d’électrification, investissements, recettes, nombre de clients électrifiés. On peut
aussi obtenir les résultats globaux sur toute la zone, ou
année par année.
Ces résultats peuvent être exportés du module LAPER
vers le SIG. Dans celui-ci on peut alors consulter une
table indiquant les caractéristiques du réseau dans l’état
final. Par ailleurs, il est possible de visualiser l’état
d’électrification de la zone année par année jusqu’à la
dernière année d’étude.
A chaque fois que des calculs sont relancés dans
LAPER après modifications de certains paramètres,
l’exportation des résultats permet de rafraîchir
l’interface graphique du SIG et de visualiser les
nouveaux états d’électrification.
Tous les résultats numériques disponibles dans le SIG
peuvent être exporté vers un tableur ou encore
directement exploités sous la forme de diagramme et de
courbes. Le SIG permet également de créer rapidement
des rapports contenant tableaux, cartes et diagrammes.
On présente ci-dessous un exemple de visualisation de
résultats dans le SIG.