Le parcours du Groupe Systèmes Photovoltaïques (GSF) de l'Institut de l'Énergie Solaire (IES) de l'Université Polytechnique de Madrid (UPM) dans le domaine de l'électrification photovoltaïque rurale est marqué par la recherche de systèmes solaires de haute qualité. Ce principe est d'autant plus pertinent pour les applications en zones décentralisées, où la rareté des infrastructures, l'isolement et la difficulté d'accès, conjugués à une faible densité de population et à des ressources économiques limitées, rendent impossible l'exploitation et la maintenance nécessaires à une durée de vie raisonnable de ces systèmes. Depuis quarante ans, l'IES fait figure de pionnier dans l'élaboration de normes et de protocoles de contrôle qualité pour de nombreux programmes d'électrification rurale mis en œuvre en Amérique latine et en Afrique.
Depuis 2010, les recherches du GSF en matière d'électrification rurale se concentrent sur deux axes stratégiques : la qualité des programmes d'électrification rurale décentralisés à grande échelle et la fiabilité des systèmes de pompage photovoltaïques.

Programmes d'électrification rurale décentralisée à grande échelle :
Concernant la qualité des programmes d'électrification rurale décentralisée à grande échelle, des études menées par le Photovoltaic Systems Group (GSF) ont mis en évidence la fragilité de ces programmes mis en œuvre dans le monde entier jusqu'à la première décennie du XXIe siècle. Cette fragilité découle de coûts d'exploitation et de maintenance élevés, pouvant entraîner de graves situations d'insolvabilité pour les entreprises impliquées.
À ces difficultés inhérentes à la décentralisation s'ajoute le fait que, généralement, lors de la mise en œuvre d'un tel programme, on part d'une méconnaissance des données de fiabilité réelles des composants du système (régulateurs de charge, onduleurs, luminaires et, surtout, batteries). La compréhension des taux de défaillance des équipements, du temps moyen avant panne et de la durée de vie dans des environnements décentralisés devrait constituer l'outil fondamental pour concevoir des structures de maintenance efficaces et rentables.
Les résultats de l'étude du Programme mondial d'électrification rurale du Maroc (2005-2010), portant sur plus de 13 000 installations solaires résidentielles, ont révélé une durée de vie moyenne des batteries inférieure à un an et une sous-estimation de 20 % des coûts d'exploitation et de maintenance (nécessitant ainsi une infrastructure de maintenance bien plus importante que prévu), ce qui a conduit le soumissionnaire retenu à abandonner le projet.

Grâce à des modèles d'optimisation mathématique, il est possible de concevoir des structures de maintenance capables de garantir la durée de vie des systèmes. Ces outils de modélisation permettent notamment de déterminer l'emplacement des centres de maintenance en fonction de la répartition géographique des installations et de leurs points d'accès, le nombre de techniciens et de véhicules nécessaires, ainsi que les besoins en pièces détachées estimés à partir des données de fiabilité des dispositifs. « Chez GSF, nous avons développé un outil de conception de structures de maintenance que nous avons appliqué au programme marocain. Grâce à une optimisation poussée, nous avons pu améliorer la rentabilité du programme de 20 % dans certaines zones », explique Luis Miguel Carrasco, responsable de la recherche sur l'électrification photovoltaïque rurale au sein du Groupe Systèmes Photovoltaïques (GSF).
La dernière décennie a été marquée par un changement de paradigme, avec l'abandon des modèles traditionnels d'électrification photovoltaïque rurale, comme la facturation à l'usage, au profit de deux nouveaux modèles. Le premier repose sur la vente directe de systèmes solaires résidentiels et de pico-systèmes (petits systèmes compacts et prêts à l'emploi de moins de 10 Wc, équipés de lampes LED et de chargeurs USB pour téléphones portables). Le second consiste à développer des mini-réseaux dans les zones suffisamment densément peuplées, avec des contrats d'achat d'électricité (CAE) pour la vente d'énergie aux utilisateurs.
Dans ce nouveau contexte, le GSF participe en Afrique de l'Ouest, en collaboration avec le Centre de la CEDEAO pour les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique (ECREEE), à l'élaboration d'une nouvelle norme pour les systèmes solaires résidentiels en Afrique de l'Ouest (CEDEAO – Communauté économique des États de l'Afrique de l'Ouest). L'objectif est de garantir la certification des systèmes commercialisés afin d'assurer leur qualité. « Dans le cadre de travaux antérieurs, et conformément à cette recherche, l'IES avait déjà publié les spécifications techniques et les procédures de contrôle qualité des luminaires LED pour les systèmes photovoltaïques résidentiels, en prévision de leur déploiement à grande échelle », explique Luis Narvarte, chercheur principal du Groupe Systèmes Photovoltaïques (GSF).

Fiabilité des systèmes de pompage photovoltaïques
. En 2013, le Groupe Systèmes Photovoltaïques (GSF) a lancé un nouveau programme de recherche axé sur le pompage photovoltaïque de forte puissance pour les applications agricoles. Ces recherches ont abouti au projet MASLOWATEN, financé par le programme Horizon 2020 (H2020) de la Commission européenne. Ce projet a permis d'accroître la puissance de sortie des systèmes d'irrigation photovoltaïques afin de répondre aux besoins des agriculteurs, de résoudre les problèmes liés à l'intermittence de l'alimentation électrique sans recourir à des batteries et d'intégrer le système solaire au système d'irrigation existant grâce à des conceptions innovantes, optimisant ainsi l'utilisation de l'énergie photovoltaïque.
Auparavant, un projet pilote avait été mené au Maroc, financé par l'Université Polytechnique de Madrid (UPM) et l'Agence espagnole de coopération internationale au développement (AECID). Ce projet portait sur un système d'irrigation photovoltaïque décentralisé et a permis de développer les algorithmes de contrôle nécessaires à cette avancée technologique. Le générateur photovoltaïque était alimenté par un système de suivi solaire autonome à axe horizontal nord-sud. Ce projet a joué un rôle déterminant dans le développement de la technologie d'irrigation photovoltaïque et sa commercialisation ultérieure grâce à MASLOWATEN.
La technologie des systèmes d'irrigation photovoltaïques de forte puissance étant désormais bien établie, le GSF a coordonné en 2020 le projet SOLAQUA, également inscrit dans le programme H2020, dont l'objectif est de développer le marché de l'irrigation solaire en combinant les technologies photovoltaïque et hydraulique pour une irrigation à haut rendement.

Parallèlement à ces projets européens, le GSF ouvre un nouveau champ de recherche visant à intégrer les systèmes d'irrigation photovoltaïques de forte puissance dans des environnements décentralisés, grâce au développement de systèmes d'irrigation hautement fiables, minimisant les taux de panne et permettant le contrôle à distance du système. À cette fin, plusieurs aspects clés sont abordés : le développement de générateurs photovoltaïques adaptés à l'irrigation agricole (utilisant des modules solaires bifaciaux sur des structures fixes qui génèrent des profils de puissance constants) ; le développement de systèmes de contrôle universels (compatibles avec différents modèles et marques de variateurs de fréquence) et l'utilisation de systèmes de contrôle à distance robustes et économiques.
« Grâce à ces améliorations, nous visons à accroître la fiabilité des systèmes destinés à l’irrigation agricole dans les environnements ruraux décentralisés, dans le but d’introduire cette technologie sur les marchés des pays en développement », concluent les chercheurs.

LM Carrasco, L. Narvarte, E. Lorenzo, Coûts opérationnels d'un programme d'électrification rurale basé sur 13 000 systèmes solaires domestiques, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 20, 2013, p. 1-7, ISSN 1364-0321.
les systèmes solaires domestiques, Renewable and Sustainable Energy Reviews,
vol. 41, 2015, p. 506-520, ISSN 1364-0321.
L.M. Carrasco, FJ Martín-Campo, L. Narvarte, MT Ortuño, B. Vitoriano, Conception de structures de maintenance pour l'électrification rurale avec des systèmes solaires domestiques. Le cas du programme marocain, Energy, volume 117, partie 1, 2016, pages 47-57, ISSN 0360-5442 ;
L. Narvarte, J. Fernández-Ramos, F. Martínez-Moreno, L.M. Carrasco, R.H. Almeida, I.B. Carrêlo, Solutions pour l’adaptation du photovoltaïque aux grands systèmes d’irrigation pour l’agriculture, Sustainable Energy Technologies and Assessments, volume 29, 2018, pages 119-130, ISSN 2213-1388 ;
C. Lorenzo, R.H. Almeida, M. Martínez-Núñez, L. Narvarte, L.M. Carrasco, Évaluation économique des grands systèmes d’irrigation photovoltaïques dans la région de la CEDEAO, Energy, vol. 155, 2018, pages 992-1003, ISSN 0360-5442.