Centrales photovoltaïques : le risque foudre n’est pas une fatalité

La multiplication des centrales photovoltaïques dans des régions à caractères orageux engendrent de plus en plus de dommages causés par la foudre. Les dommages peuvent s’évaluer à plusieurs centaines de milliers d’euros ; il est donc primordial d’appliquer des règles de sécurité et de veiller à étudier les risques avant la création d’un projet.



La croissance de l’énergie photovoltaïque

Depuis quelques années, en raison de la forte baisse de la tarification réglementée d’achat d’électricité d’origine photovoltaïque, les acteurs de la filière se sont orientés vers des projets de centrales au sol de grandes dimensions afin de réaliser d’importantes économies d’échelle et de satisfaire aux critères des appels d’offre d’Etat. De grandes centrales photovoltaïques au sol, dont la puissance nominale atteint plusieurs centaines de MWc (Méga Watts crête), ont vu le jour et continuent à être fabriquées et implantées, en particulier dans les contrées méridionales regorgeant de soleil.

Or dans le Sud, les orages sont fréquents et souvent violents. La densité de foudroiement moyenne dans le sud de la France, en Corse ou en Italie par exemple dépasse la barre des 4 coups de foudre par km² par an. Ce phénomène étant bien entendu plus prononcé lors de la saison estivale.

Par ailleurs, les centrales photovoltaïques sont souvent construites en crête, pour bénéficier du meilleur ensoleillement et chacun sait que la foudre s’abat prioritairement sur les points culminants ! Enfin, dans le relief accidenté et rocailleux de la plupart de ces régions, le sol est particulièrement résistif, ce qui accroît les risques de surtension en augmentant les différences de potentiel entre deux points rapprochés.

Quels sont les effets de la foudre ?

Un coup de foudre, ou éclair nuage-sol, est la décharge électrique qui se produit entre le cumulonimbus et le sol. Cette décharge génère un courant électrique très intense, de plusieurs dizaines de milliers d’Ampères. Lorsqu’un éclair atteint le sol, il peut non seulement provoquer directement des dégâts par effet thermique mais être également à l’origine de phénomènes induits qui peuvent être destructeurs. Autour du point d’impact de l’éclair, un champ électrique se développe dans le sol. A quelques dizaines de mètres du point d’impact, ce champ peut se traduire par une différence de potentiel de plusieurs milliers de volts entre deux points séparés d’un mètre. L’éclair s’accompagne également d’un rayonnement électromagnétique, qui peut induire des courants élevés dans des conducteurs.

La foudre est donc à l’origine de plusieurs phénomènes électriques et électromagnétiques, qui peuvent engendrer des dommages de différentes natures.

Comment se prémunir du risque ?

En premier lieu, il faut rappeler qu’il n’existe aucun système permettant de maîtriser le risque lié à la foudre à 100 %. Toutefois, des solutions existent pour limiter fortement ce risque. La meilleure démarche consiste à réaliser une étude spécifique à chaque centrale, basée sur la norme CEI EN 62305.

• Assurer une bonne interconnexion des masses

Le réseau de terre doit être conçu pour assurer une parfaite équipotentialité entre les masses métalliques (structures supports, cadre des modules photovoltaïques…), afin d’empêcher la présence de différences de potentiel entre plusieurs équipements de la centrale.

S’il est discontinu, il aura un effet inverse à celui attendu : il permettra une remontée de potentiel depuis la terre jusqu’aux équipements, qui se déchargera dans les réseaux de la centrale.

Il est donc essentiel d’assurer une bonne interconnexion des masses, par des systèmes de connectique et de câblage adaptés, respectant la norme C15-100 et le guide spécifique d’application au photovoltaïque UTE C15-712-1.

• Eviter les réseaux de communication de type bus (ethernet, profibus…) dans le champ.

La plupart des centrales au sol sont équipées d’un système de sécurité (alarme, protection périphérique, caméras de vidéosurveillance). Certaines disposent de coffrets secondaires (boitiers de jonction courant continu) équipés d’un système de monitoring permettant de surveiller la production de chaque string (série) de modules photovoltaïques. Les centrales à trackers (systèmes d’optimisation de la production par suivi de la course du soleil) sont équipées d’un réseau supplémentaire pour la commande et l’alimentation de moteurs électriques.

Les réseaux de type bus (communication basse tension) sont très fréquemment atteints par la foudre, générant des dommages sur un équipement qui a la particularité d’être sensible aux surtensions et onéreux (cartes électroniques, systèmes de mesure, caméras, automates…).

Il faut donc éviter d’utiliser ce protocole de communication et préférer la fibre optique ou les réseaux sans fil (wifi).

• Installer des parafoudres DC, AC, com

Les parafoudres, ou parasurtenseurs, sont des équipements permettant de dévier l’énergie d’une surtension vers la terre. Ils permettent de protéger efficacement la plupart des équipements qu’ils soient raccordés sur les réseaux de puissance, sur les réseaux de commande ou sur les réseaux de communication.

Le choix des parafoudres et leur implantation doivent toutefois respecter scrupuleusement les règles de l’art, définies notamment dans le guide UTE C15-443.

• Eviter les boucles d’induction

La tension induite par le champ électromagnétique de la foudre dépend principalement de trois paramètres : la surface comprise entre les conducteurs, la variation et l’intensité du champ magnétique.

Par exemple, à 10 mètres du point d’impact d’un éclair, la tension peut s’élever de plusieurs dizaines de milliers de volts dans des câbles formant une boucle de 20 à 30 m².

Le câblage des modules, des réseaux de terre et de communication doit donc être conçu pour limiter au maximum la présence de boucles : les câbles doivent cheminer ensemble (voir le guide UTE C15-712-1).

Cette mesure préventive peut avoir un coût élevé (longueurs de câbles importantes), ce qui peut pousser les entrepreneurs à fermer les yeux sur cette précaution, pourtant indispensable pour assurer une bonne protection des modules photovoltaïques.

Pourtant, certains constructeurs ont su faire preuve d’inventivité et trouver des compromis technico-économiques satisfaisants, en positionnant tout simplement les modules de façon à respecter cette règle tout en limitant les longueurs de câbles.

En résumé…

En période estivale, les centrales photovoltaïques au sol sont fréquemment atteintes par des éclairs de foudre et surtout leurs effets induits. Les dommages provoqués par un seul éclair peuvent se chiffrer en centaines de milliers d’euros lorsque des surtensions se propagent dans les modules, les onduleurs et les équipements de sécurité.

Des règles de base doivent être observées dès la conception de la centrale pour limiter au maximum les risques. On ne peut que conseiller les développeurs de réaliser en amont une étude spécifique qui permettra d’adapter les moyens de prévention tout en limitant leur coût d’implantation.