Conseils et bonnes pratiques pour atténuer les risques liés à la grêle
Les propriétaires et les assureurs ont subi des pertes record liées à la grêle en 2022. John Sedgwick, président du cabinet de conseil en ingénierie VDE Americas, partage des conseils d'expert pour atténuer ces risques dans pv magazine.
Le risque de grêle dans les projets solaires s'accroît en raison d'une conjoncture défavorable résultant à la fois d'évolutions du marché et de progrès technologiques. Sur le plan technologique, les modules photovoltaïques deviennent de moins en moins résistants à la grêle au fil du temps, les fabricants cherchant à optimiser les coûts en proposant des produits de plus grand format et dotés d'un verre avant plus fin. Parallèlement, le développement de projets aux États-Unis s'intensifie au Texas et dans d'autres régions exposées à la grêle.
L'installation de modules moins résistants à la grêle dans des zones plus exposées à ce phénomène nécessite de meilleures pratiques en matière d'atténuation des risques. « Pour concilier les besoins des assureurs, des promoteurs de projets et des acteurs financiers, nous devons encourager le déploiement de systèmes plus résilients », explique Sara Kane, co-responsable du pôle Énergie et énergies renouvelables au sein du courtier en assurance CAC Speciality.
Le risque de grêle de gros calibre est inévitable dans certaines régions du monde, mais les pertes importantes liées à ces projets ne le sont pas. Voici quelques enseignements tirés de l’expérience, ainsi que les meilleures pratiques pour identifier, quantifier et atténuer le risque de grêle violente dans les parcs solaires en exploitation.
Les fortes chutes de grêle sont localisées.
La grêle se forme lorsque les courants ascendants des orages convectifs transportent des gouttelettes d'eau vers des zones extrêmement froides de l'atmosphère, où elles gèlent et grossissent par accrétion. L'Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique (NOAA) classe globalement les risques de grêle en fonction de la taille des grêlons. Selon ces catégories de base, on parle de « grêle violente » lorsque le diamètre des grêlons est supérieur à 19 millimètres (0,75 pouce) et de « grêle importante » lorsque ce diamètre est supérieur à 50,8 millimètres (2 pouces).
Bien que la grêle puisse se former partout où des orages se produisent, les cartes climatologiques de la NOAA relatives à la grêle sur le territoire continental des États-Unis révèlent l’existence d’un « couloir de grêle » bien distinct qui s’étend du sud du Texas jusqu’aux Dakotas, au nord. Dans cette perspective régionale, la plupart des sites de projets situés aux États-Unis à l’est des Rocheuses sont exposés à un risque élevé de grêle.
Le risque de grêle est local.
Le secteur de l'assurance a généralement envisagé le risque de grêle à l'échelle de zones relativement vastes, telles que celles correspondant à un degré de longitude sur un degré de latitude, soit environ 10 000 kilomètres carrés (3 800 miles carrés). Malheureusement, cette approche n'est pas bien adaptée pour caractériser le risque de grêle à l'échelle des installations solaires montées sur toiture ou au sol.
« Les risques liés à la grêle ont une échelle spatiale bien plus réduite que celle des autres aléas généralement pris en compte par les assureurs », explique le Dr John Allen, climatologue spécialisé dans la prévision de la fréquence et de la taille des grêlons à des échelles de temps opérationnelles. « L'analyse des pertes probabilistes à long terme liées à la grêle au niveau local nécessite des approches novatrices qui combinent les atouts de plusieurs ensembles de données. »
Afin d'appuyer les évaluations des risques de grêle menées par VDE Americas, le Dr Allen a mis au point un outil qui utilise l'analyse du big data pour combiner des données d'observation au sol et des données radar, de manière à pallier les limites et les biais propres à chaque ensemble de données.
La certification n'offre qu'une protection limitée.
Les normes fondamentales de sécurité et de performance des modules photovoltaïques sont de nature « réussite/échec » et ne permettent pas de distinguer les différentes conceptions de produits en fonction de leur durabilité à long terme sur le terrain. Les normes de la Commission électrotechnique internationale (CEI) relatives aux modules photovoltaïques à panneau plat prévoient des essais de résistance aux impacts balistiques. Cependant, les énergies cinétiques mises en jeu sont modestes et insuffisantes pour caractériser la résistance à des chutes de grêle violentes.
« La grande majorité des modules sortent indemnes des essais de choc requis pour leur certification », explique Cherif Kedir, président-directeur général du RETC (Renewable Energy Test Center). « Pour évaluer la résistance à la grêle, nous devons étudier la résistance aux chocs au seuil des dommages, juste au-delà de ce seuil, et jusqu’à la rupture du matériau. Cela nécessite des énergies cinétiques supérieures à 20 joules. »
Conformément à la norme CEI 61215, les produits doivent être conçus pour résister à 11 impacts d’une boule de glace de 25 millimètres (1 pouce) se déplaçant à sa vitesse terminale, ce qui correspond à une force d’impact de 1,99 joules. En d’autres termes, l’énergie cinétique est d’un ordre de grandeur inférieure à celle requise pour caractériser la résistance à la grêle sur toute la durée de vie d’une centrale photovoltaïque.
Des tests plus poussés permettent de distinguer les différentes conceptions.
Les fabricants de modules et les laboratoires d'essais doivent soumettre les conceptions de produits à des énergies d'impact plus élevées afin de mieux comprendre les effets de la grêle extrême dans des conditions réelles d'utilisation. Contrairement aux essais de certification, les essais de résistance renforcés ne sont pas de nature à déterminer si un produit est « conforme » ou « non conforme ». Ces essais, qui vont au-delà des exigences de certification, fournissent plutôt des données comparatives permettant de différencier les conceptions des produits.
En mai 2019, la grêle a endommagé environ 400 000 modules du parc solaire de Midway, dans l'ouest du Texas, entraînant des pertes assurées d'un montant jusqu'alors inimaginable de 80 millions de dollars. En réponse à cet événement, RETC a mis au point le premier programme de tests renforcés du secteur destiné à simuler des conditions de grêle extrême.
« Le programme HDT [Hail Durability Test, essai de résistance à la grêle] élargit et améliore les exigences de l’UL et de la CEI », explique Kedir. « Premièrement, le programme soumet les modules à des énergies d’impact cinétique plus élevées afin de mieux refléter le risque posé par la grêle sur une durée de vie de 25 ou 30 ans. Deuxièmement, il examine de manière approfondie toute une gamme de conséquences possibles — allant de la fissuration des cellules à la rupture du verre —, ce qui fournit des données précieuses pour les analyses probabilistes. Enfin, le programme HDT comprend des essais de cycles thermiques et de points chauds afin de mettre en évidence les modes potentiels de dégradation à long terme des modules. »
Les acteurs qui développent des projets dans des régions exposées à la grêle devraient encourager, voire exiger, des fournisseurs de modules qu'ils fournissent ces données d'essais de résistance à la grêle allant au-delà des exigences de certification, et prendre leurs décisions en matière de conception des systèmes et d'achat de produits en conséquence.
Faites attention à l'épaisseur du pare-brise.
En l'absence de données spécifiques au produit, l'épaisseur du verre avant fournit une indication générale de la résistance à la grêle. Des données anonymisées issues d'essais de résistance à la grêle indiquent que les modules photovoltaïques dotés d'un verre avant plus fin sont moins résistants à la grêle de grand diamètre que ceux dotés d'un verre avant plus épais. Cela s'explique en partie par le fait que le verre plus fin présente une section transversale plus réduite pour absorber un choc sans se briser. De plus, les verres avant plus fins ne peuvent pas être entièrement trempés par des moyens traditionnels et doivent être renforcés par d'autres méthodes.
Le bon fonctionnement du système est essentiel.
Les énergies d'impact associées à une tempête de grêle varient en fonction de l'angle d'inclinaison du parc solaire, ainsi que de la direction et de la vitesse du vent. Si les angles d'inclinaison des parcs solaires sont fixes dans les installations montées sur toiture, les systèmes équipés de suiveurs solaires ne sont pas statiques. Cette capacité à se mettre à l'abri avant l'arrivée d'une tempête est relativement unique dans l'environnement bâti.
De nombreuses installations photovoltaïques à grande échelle intègrent des suiveurs solaires à un axe dotés d’un système de commande intelligent, capables de mettre en œuvre des stratégies de protection spécifiques en cas de danger. Grâce à ces fonctionnalités, les exploitants peuvent orienter, manuellement ou automatiquement, un générateur photovoltaïque monté sur un suiveur vers un angle d’inclinaison optimal afin de réduire les risques liés à la grêle. Cette position défensive permet de réduire l’énergie d’impact des grêlons et la surface exposée aux impacts, ce qui diminue efficacement le nombre de impacts directs et l’énergie d’impact des grêlons.
D'une manière générale, les modules photovoltaïques montés sur suiveurs sont plus vulnérables à la grêle lorsqu'ils sont en position horizontale, comme c'est le cas au midi solaire. L'énergie d'impact est maximale lorsque les grêlons frappent perpendiculairement au plan du champ photovoltaïque. De plus, la surface d'impact exposée est la plus grande lorsque le champ est orienté à zéro degré. Certains suiveurs sont également sensibles aux instabilités provoquées par le vent lorsque les modules sont à l'horizontale.
Si les exploitants d'une centrale souhaitent déplacer un ensemble de panneaux dans une position horizontale avant l'arrivée d'une tempête, ils doivent tenir compte du temps nécessaire pour mener à bien cette opération en toute sécurité avant l'arrivée des vents. Pour obtenir les meilleurs résultats, collaborez avec le fournisseur du système de suivi afin de réduire la latence et d'améliorer la vitesse de réaction lors du repliement.
Faites attention à la vitesse et à la direction du vent.
Faites preuve de prudence lorsque vous prenez des mesures pour limiter les risques liés à la grêle, afin d'éviter d'aggraver involontairement les dégâts causés par le vent. Lors d'orages convectifs violents, la direction du vent est imprévisible et peut même être variable et tourbillonnante. Le choix entre s'aligner dans le sens du vent dominant ou s'en éloigner dépendra de variables spécifiques au matériel utilisé et aux caractéristiques de l'orage.
Toutes choses égales par ailleurs, on obtient une protection maximale contre la grêle en orientant le réseau selon l'angle d'inclinaison maximal, dos au vent, car cela permet de réduire au minimum l'énergie d'impact et la surface exposée. Malheureusement, cette orientation dos au vent entraîne également un important effet de voile, susceptible de poser des problèmes de stabilité face au vent.
Utilisez les services d'alerte météo.
Pour réussir à mettre les modules à l'abri avant l'arrivée d'une violente tempête de grêle, il est nécessaire de faire appel à un service météorologique d'alerte précoce réputé. Un prestataire performant sera en mesure d'envoyer une alerte précoce indiquant la direction d'approche prévue de la tempête, le diamètre maximal des grêlons et le délai de préavis. Les exploitants des centrales peuvent alors utiliser cette alerte pour mettre en œuvre une réponse adaptée à la situation visant à atténuer les risques.
Installez des capteurs de grêle.
Les projets de grande envergure mis en œuvre dans des régions exposées à la grêle devraient intégrer des capteurs de grêle au sein d'un système de surveillance des cultures. Les épisodes de grêle catastrophiques ne sont pas seulement coûteux et pénibles pour toutes les parties concernées ; ils constituent également une occasion unique d'apprendre. Les données issues des capteurs de grêle sont utiles pour mener des analyses approfondies tant des épisodes ayant causé des dégâts que de ceux qui n'en ont pas causé, ainsi que pour cibler les efforts de remédiation. Ces données empiriques peuvent également contribuer à améliorer les modèles d'évaluation des risques liés à la grêle et les futures stratégies d'atténuation.
Savoir, c'est pouvoir.
S'appuyant sur des données météorologiques combinées de manière intelligente et sur des données spécifiques à chaque produit concernant la résistance à la grêle, les rapports d'ingénierie permettent de caractériser le risque de grêle à l'échelle locale d'une centrale photovoltaïque. Les courtiers en assurance et les consultants en gestion des risques, tels que CAC Specialty, utilisent déjà les résultats de ces évaluations du risque de grêle, fondées sur la science et l'ingénierie, pour étayer leurs discussions avec les assureurs concernant les pertes probabilistes à long terme liées aux vulnérabilités propres à chaque projet.
Afin de mieux soutenir un écosystème sectoriel plus large, VDE Americas donne la priorité au développement d'une plateforme logicielle en ligne s'appuyant sur les moteurs d'analyse qui sous-tendent nos évaluations des risques liés à la grêle. L'objectif de cette initiative est de fournir au secteur de l'énergie solaire un accès à des données probabilistes de qualité concernant les risques liés à la grêle et leurs implications financières.
Grâce aux données d'évaluation des risques liés à la grêle, les parties prenantes du projet seront en mesure d'analyser, d'affiner et d'optimiser rapidement la conception des installations en fonction des caractéristiques spécifiques au site et au produit. Il est probable que les fabricants, les développeurs, les ingénieurs, les gestionnaires d'actifs et les promoteurs utilisent ces données de manière innovante afin de générer des avantages supplémentaires en matière d'atténuation des risques et de favoriser des innovations technologiques ou de modèles économiques.
—Une version remaniée de cet article a été initialement publiée dans le numéro de décembre 2022 du magazinepv . Pour en savoir plus sur les risques liés à la grêle pour les installations solaires,regardez cette vidéo issue de notre webinaire organisé parpv magazine .
