Dans de nombreuses régions où opèrent des fonderies — Afrique subsaharienne, Asie du Sud, certaines parties du Moyen-Orient — le réseau électrique est soit inexistant, soit peu fiable. Une fonderie raccordée à un réseau fragile peut subir des baisses de tension, des variations de fréquence et des coupures imprévues, rendant impossible la fusion par induction sans groupe électrogène de secours. Les groupes électrogènes diesel ont longtemps constitué la solution traditionnelle, mais le coût du gazole (0,25 à 0,50 $ par kWh, en tenant compte du carburant, de la maintenance et de l'amortissement du groupe électrogène) rend la fusion prohibitive.
MONTE INTELLIGENCE travaille sur des systèmes d'alimentation hybrides solaires-diesel pour les applications de fusion par induction. Le principe est simple : utiliser l'énergie solaire photovoltaïque pour alimenter la charge électrique de base pendant la journée, tandis que des générateurs diesel prennent le relais par temps nuageux et la nuit. Ce système permet de réduire la consommation de diesel de 40 à 60 %, ce qui suffit à amortir l'investissement solaire en 3 à 5 ans aux prix habituels du diesel.
L'architecture du système comprend cinq composants principaux. Premièrement, le champ photovoltaïque : des panneaux au sol ou sur le toit, dimensionnés pour fournir la fraction souhaitée de la consommation énergétique journalière du four. Pour un four à induction de 1 MW fonctionnant 8 heures par jour, la consommation énergétique journalière est d'environ 8 MWh (en supposant une consommation de 1 000 kWh/tonne pour la fusion du fer et le traitement de 8 tonnes par jour, ou un fonctionnement à puissance réduite pour des volumes de fusion plus faibles). Un champ solaire fournissant 50 % de cette énergie doit produire 4 MWh par jour.
Le dimensionnement d'un champ photovoltaïque dépend de l'ensoleillement du site. Dans une région bénéficiant de 5 heures d'ensoleillement maximal par jour (cas typique de nombreuses régions tropicales et subtropicales), un champ photovoltaïque de 1 MW (CC) produit environ 5 MWh par jour, sous réserve de pertes système de 15 à 20 % dues au rendement de l'onduleur, au câblage, à l'encrassement et à la dégradation de la puissance en fonction de la température. Le champ nécessite environ 1,2 à 1,5 hectare de terrain par MW, ou 0,6 à 0,8 hectare s'il est installé sur le toit de la fonderie.
Deuxièmement, le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) assure la transition entre la production photovoltaïque variable et la charge du four à induction. La fusion par induction nécessite une puissance élevée et une charge variable : le four peut consommer 1 MW en phase de fusion et entre 100 et 200 kW en phase de maintien. La batterie doit fournir ou absorber la différence entre la production photovoltaïque et la charge du four en temps réel, garantissant ainsi la stabilité de la tension du bus CC requise par l'onduleur. Les batteries lithium-fer-phosphate (LFP) sont privilégiées en raison de leur longue durée de vie (4 000 à 6 000 cycles à 80 % de profondeur de décharge), de leurs bonnes caractéristiques de sécurité et de leur coût en baisse (actuellement d'environ 80 à 120 $ par kWh au niveau du pack en 2026).
La capacité de la batterie est dimensionnée pour la période maximale de faible production solaire prévue pendant un cycle de fusion, soit généralement 2 à 4 heures de fonctionnement à pleine charge pour un système conçu pour une haute fiabilité. Pour le four de 1 MW, une batterie de 4 MWh assure 4 heures de fonctionnement à pleine puissance sans apport solaire, ce qui couvre la plupart des épisodes nuageux et permet à l'opérateur de terminer une fusion en cours plutôt que de l'interrompre. La batterie peut être rechargée lorsque la production photovoltaïque dépasse la demande du four, ou pendant la nuit grâce au groupe électrogène diesel si le lendemain s'annonce nuageux.
Troisièmement, l'onduleur hybride — l'électronique de puissance qui convertit le courant continu (CC) provenant du générateur photovoltaïque et de la batterie en courant alternatif (CA) pour le four. Il ne s'agit pas d'un onduleur solaire standard ; il doit gérer les caractéristiques de charge du four à induction, notamment un faible facteur de puissance (0,15 à 0,25 pour la bobine d'induction seule, corrigé à plus de 0,95 par la batterie de condensateurs du four) et un taux élevé d'harmoniques provenant de l'alimentation électrique moyenne fréquence. L'onduleur doit être dimensionné en fonction de la demande en kVA, et non seulement en kW, et doit intégrer un filtrage des harmoniques afin d'empêcher les harmoniques du four de se réinjecter dans le système photovoltaïque et de provoquer des déclenchements intempestifs de l'onduleur.
Quatrièmement, le groupe électrogène diesel — dimensionné pour fournir la pleine puissance du four lorsque ni l'énergie solaire ni la batterie ne peuvent couvrir la demande, généralement lors de périodes nuageuses prolongées ou en fonctionnement nocturne. La puissance du groupe électrogène doit être environ 1,2 à 1,5 fois supérieure à la puissance nominale du four afin de compenser le courant d'appel au démarrage et le facteur de puissance. Pour un four de 1 MW, un groupe électrogène de 1,5 MVA est généralement suffisant. Le groupe électrogène ne fonctionne qu'en cas de besoin ; le contrôleur hybride le démarre et l'arrête automatiquement en fonction du niveau de charge de la batterie et des prévisions de production photovoltaïque.
Cinquièmement, le système de gestion de l'énergie hybride (EMS) – le contrôleur qui décide, seconde par seconde, de la répartition de la puissance entre le générateur photovoltaïque, la batterie et la chaudière. La logique de l'EMS est la suivante : si la production photovoltaïque dépasse la demande de la chaudière, charger la batterie ; si la demande de la chaudière dépasse la production photovoltaïque, décharger la batterie ; si le niveau de charge de la batterie descend en dessous de 20 %, démarrer le générateur ; si les prévisions météorologiques annoncent une couverture nuageuse prolongée, démarrer le générateur plus tôt afin de préserver la capacité de la batterie ; si l'alimentation du réseau est disponible (pour les systèmes raccordés au réseau), utiliser le réseau en complément.
L'analyse économique d'un système hybride solaire-diesel est simple : il suffit de comparer le coût actualisé de l'électricité solaire (incluant le coût du cycle de vie des batteries) au coût marginal de la production d'électricité au diesel. Le coût actualisé de l'énergie solaire pour un système hybride, avec remplacement des batteries tous les 8 à 10 ans, est d'environ 0,06 à 0,10 $ par kWh. Le coût de production d'électricité au diesel est de 0,25 à 0,50 $ par kWh. L'économie réalisée par kWh solaire est de 0,15 à 0,44 $. Pour un système produisant 1 500 MWh d'électricité solaire par an, les économies annuelles s'élèvent à 225 000 à 660 000 $, ce qui permet d'amortir un investissement initial de 1,5 million de dollars en 2,3 à 6,7 ans.
MONTE INTELLIGENCE propose la conception de systèmes hybrides solaires-diesel pour les applications de fusion par induction, incluant l'évaluation des ressources solaires, le dimensionnement du système et l'intégration avec nos ensembles de fours à induction.
Pour une étude de faisabilité d'un système hybride solaire-diesel pour votre fonderie, contactez helenxu@cnlymonte.com.
