Date de publication : 11 décembre 2006

L'utilisation de l'énergie solaire au pompage hydraulique est la solution la plus adoptée pour les zones rurales et désertiques (Algérie)

Résumé

La consommation d'énergie mondiale et dans notre pays ne cesse d'augmenter. La grande partie de l'énergie consommée provient des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon, …etc) dont l'utilisation massive peut conduire à l'épuisement de ces réserves et menace réellement l'environnement. Cette menace c'est manifesté principalement à travers la pollution et le réchauffement global de la terre par effet de serre. En effet, la grande préoccupation du monde actuel est d'atténuer cette pollution par l'adaptation des sources d'énergie classiques à des critères très sévères et par l'utilisation des énergies renouvelables.

Les énergies renouvelables en particulier l'énergie photovoltaïque (solaire) ne nécessitent aucun apport extérieur de combustible; de plus, le générateur photovoltaïque (PV) lui-même ne contient aucune pièce mobile et ne requiert donc pratiquement pas d'entretien. Par conséquent, les coûts récurrents d'opération et de maintenance sont relativement faibles et en plus c'est une énergie propre non polluante. Pour ces raisons, cette source d'énergie convient particulièrement bien pour les utilisations en milieu rural où les populations sont réparties dans de petites communautés et où la demande énergétique est relativement faible. Son utilisation au niveau du pompage s'est répandue rapidement dans les régions rurales des pays en développement et dans les zones hors réseaux des pays plus industrialisés. Elle est, entre autres, très utilisée en Afrique sahélienne. Les caractéristiques de cette région justifient d'ailleurs pleinement son utilisation.

L'objectif de notre étude des performances des systèmes de pompage photovoltaïque fonctionnent au fil du soleil basé sur un moteur asynchrone (courant alternatif) entraîne une pompe centrifuge qui aspire l'eau d'un puit et le refoulé (stockage) dans un réservoir. Application sur deux sites Algériennes (site de Tlemcen et de Bouzaréah). Enfin, nous avons présenté une analyse économique du système de pompage photovoltaïque fonctionne au fil du soleil en tenant compte du coût relatif des composants du système, et enfin nous avons donnée une estimation du coût du mètre cube d'eau pompée.

Mots clés : énergies renouvelables, énergie solaire, énergie propre, pompage photovoltaïque au fil du soleil.

1. Introduction

De nos jours, la production mondiale d'énergie est réalisée à 74 % à partir de combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz), à 20 % par les énergies renouvelables (hydraulique, biomasse, solaire, éolien) et à 6 % par le nucléaire [1]. De nombreuses études sur l'appauvrissement des ressources fossiles convergent vers le résultat suivant : la quantité d'énergie fossile disponible diminuera à l'horizon 2010-2020 et sera épuisée avant la fin de ce siècle. Notre avenir énergétique doit se baser sur les énergies nucléaires et renouvelables.

Les ressources renouvelables sont variées et inépuisables. Leur conversion en énergie thermique, chimique ou électrique présente peu de dangers humains et écologiques. De plus, la production peut être centralisée ou décentralisée. En revanche, elle se caractérise par un rendement relativement faible, un coût important et une intermittence de la ressource. Des systèmes utilisant l'énergie solaire, éolienne, hydraulique ainsi que la biomasse fonctionnent dans de nombreuses régions du monde. Ils deviennent de plus en plus efficaces et rentables.

2. AVANTAGES, INCONVIENTS DE L'ENERGIE SOLLAIRE :

L' énergie solaire reçue par la Terre représente par an près de 15 000 fois la totalité de la consommation énergétique mondiale actuelle.

Tous système de production d'énergie a ses avantages et ses inconvénients :

2.1. Avantages :

•  Une haute fiabilité. L'installation ne comporte pas de pièces mobiles qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.

•  Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du Milliwatt au MégaWatt.

•  Le coût de fonctionnement est très faible vu les entretiens réduits et il ne nécessite ni combustible, ni son transport, ni personnel hautement spécialisé.

•  La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant (électricité propre), silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n'est par l'occupation de l'espace pour les installations de grandes dimensions.

•  Ils fonctionnent de façon rentable dans les régions éloignées et dans de nombreuses applications résidentielles et commerciales.

•  Ils sont flexibles et peuvent être élargis à n'importe quel moment pour répondre à vos besoins en matière d'électricité.

•  Temps de réalisation d'une centrale PV minimum.

•  Ils ont une longe durée de vie.

•  On élimine les frais et les risque de transport associé des énergies fossiles.

2.2. Inconvénients :

•  La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements d'un coût élevé.

•  Le rendement réel de conversion d'un module est faible, de l'ordre de 10-15 % avec une limite théorique pour une cellule de 28%.

•  Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs diesel que pour des faibles demandes d'énergie en régions isolées.

•  Tributaire des conditions météorologiques.

•  Beaucoup d'appareils vendus dans le marché fonctionnent au 220 à 230V alternatif. Or, l'énergie issue du générateur PV est unidirectionnelle et de faible voltage (< 30V), elle doit donc être transformée par l'intermédiaire d'un onduleur.

•  Le stockage de l'énergie électrique dans des accumulateurs qui sont les plus souvent des batteries au Plomb. Sachant que les batteries ne doivent pas se décharger à plus de 60% (70% maximum) de leur capacité maximale. En outre, les batteries ont une faible durée de vie (3 à 5ans), ce qui entraîne un surcoût au fonctionnement.

3. Présentation du système de pompage solaire

Généralement, un système de pompage photovoltaïque est constitué d'un générateur photovoltaïque (PV), un convertisseur, un sous-système de pompage (moteur et pompe), la tuyauterie et accessoires et enfin un système de stockage (batteries ou réservoir d'eau). Pour les systèmes de pompages photovoltaïques fonctionnent au fil du soleil, le stockage de l'eau dans les réservoirs est la solution la plus adoptée par rapport au stockage électrochimique dans les batteries [1].

Figure (1) : Configuration générale d'un système de pompage photovoltaïque au fil du soleil

4. Caractéristiques des sites :

Les caractéristiques des sites de Tlemcen et Bouzaréah sont données par les grandeurs météorologiques suivantes :

Tableau (1) : Les caractéristiques des sites de Tlemcen et Bouzaréah

5. Energie captée :

•  Le générateur photovoltaïque :

Le générateur photovoltaïque est composé par des cellules photovoltaïques qui servent à convertir l'énergie lumineuse du Soleil en énergie électricité. Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs à semi-conducteurs, généralement faits de silicone. Elles ne mettent en oeuvre aucun fluide et ne contiennent pas de substances corrosives, ni aucune pièce mobile. Elles produisent de l'électricité du moment qu'elles sont exposées au rayonnement solaire. Elles ne nécessitent pratiquement aucun entretien ; elles ne polluent pas et ne produisent aucun bruit. Les cellules photovoltaïques sont donc la façon la plus sûre et la plus écologique de produire de l'énergie.

5.2. L'inclinaison du champ PV :

L'étude de l'orientation et de l'inclinaison d'un capteur est très importante pour l'estimation d'énergie captée par un champ PV. L'inclinaison proche de ß = f (f latitude du site) favorise le captage maximum d'énergie annuelle d'un site [1].

6. Optimisation de la quantité d'eau pompée

Cette étude fixe alors comme objectif la maximisation de cette quantité stockée par la méthode du Trapèze, et on aura alors comme expression explicite [3]:

(6)

T j  : période ensoleillée de la journée.

•  Pour un éclairement maximale E max =1000 W/m 2 [1].

•  Pour une hauteur fixe H = 20 m [1].

7. Coût des systèmes photovoltaïques :

Pour évaluer le coût global actualisé du m 3 d'eau pompé, il est nécessaire d'avoir certaines données, les unes sont connues, les autres sont estimables [9] :

•  La durée de vie

•  Le coût ou l'investissement initial

•  Les coûts de maintenance annuels relatifs au système photovoltaïque

•  Les coûts de remplacements des différents sous- systèmes.

•  Les profits réalisés.

1-Equipements et matériels solaires : générateur photovoltaïque, onduleur, moteur (moteur asynchrone) et la pompe (pompe centrifuge).

2-Etude technique et réalisation : étude de prospection et visite du site.

3-Travaux de génie civil : réalisation du puit et du réservoir d'eau.

4-Installation : réalisation et l'installation du système sur les sites prévu.

5-L'entretient du système de pompage : remplacements des composantes (modules, onduleur, moteur et la pompe) et l'entretient du génie civile.

8. Conclusion :

Cette étude, nous a permis d'analyser les différents paramètres caractéristiques du système de  pompage photovoltaïque : puissance solaire, durée d'insolemment, débit, hauteur totale de pompage et la situation géographique du site. Pour cette dernière, nous avons utilisé les données de deux sites de l'Algérie.

Le système de pompage solaire photovoltaïque (énergie propre non polluante et gratuite) peut contribuer énormément dans le développement socio-économique des régions enclavées en Algérie.

Les résultats obtenues par simulation présentés montrent que la puissance hydraulique extrait du système de pompage photovoltaïque fonctionnant au fil du soleil dépend du (système de captage : générateur photovoltaïque, onduleur, groupe motopompe, tuyauteries d'aspiration et de refoulement).

L'utilisation d'un moteur asynchrone dans un système de pompage, et par suite des avantages qu'il s'offre montre se montre comme étant l'actionneur le plus adapté aux système implantés dans les régions isolées.

La quantité journalière d'eau pompé dépend de :

•  L'éclairement maximal sur le site.

•  La hauteur manométrique totale (hauteur entre le niveau d'eau dans le puits et le réservoir)

L'étude économique montre clairement l'avantage du système de pompage photovoltaïque par rapport à l'énergie conventionnelle qui présente les contraintes de l'éloignement du réseau électrique et les contraintes du transport du combustible et les entretiens périodiques pour les moteurs diesels. La réduction du coût des systèmes photovoltaïques est souhaitable pour que cette source d'énergie propre soit utilisée et intégrée dans la stratégie énergétique du pays.

Références :

[1]  R. Maouedj, « Application de l'énergie photovoltaïque au pompage hydraulique sur les sites de Tlemcen et de Bouzaréah », Thèse de Magister, Université de Tlemcen 2005.

[2] K. Khousem and L. Khousem, « optimum matching of direct-coupled electromechanical loads to a photovoltaic generator », IEEE trans. on energy conversion, Vol8, No 3, 1993.

[3] A. Betka, « Optimisation d'un système de pompage photovoltaïque au fil du soleil », Thèse de Magister, Centre universitaire Biskra 1997.

[4] S. Bouazza, « Contribution a l'étude d'un générateur photovoltaïque dote de système de suivi du soleil comparaison et application au site de Tlemcen », Thèse de Magister, Université de Tlemcen, 2004.

[5] F. Benyarou « Conception assistée par ordinateur des systèmes photovoltaïques modélisation, dimensionnement et simulation », Thèse de Doctorat d'état. Université de Tlemcen Juillet 2004.

[6] S. Diaf, « Expérimentation d'un système de pompage photovoltaïque sur site saharien », Thèse d'ingénier d'état, CDER, 1992.

[7] A. Betka, A. Moussi and B. Azoui, « Optimum design of photovoltaic pumping system », UPEC99, Leicester UK, 1999.

[8] S. Diaf « étude et optimisation des systèmes de pompage photovoltaïque », Thèse de Magister, Université de Boumerdès, 2002.

[9]  A. Hamidat, « Simulation des systèmes de pompage photovoltaïques destines pour l'alimentation en eau potable et pour la petite irrigation », Thèse de doctorat, Université de Tlemcen 2004.

[10] B. Bouzidi et A. Malek, « Introduction aux critères micro économiques des systèmes photovoltaïque- pompage », 2002

Auteur(s) :

R. Maouedj et B. Benyoucef - Unité de recherche des matériaux et énergies renouvelables (URMER),
Faculté des Sciences, Université Abou Bekr Belkaïd,
B. P 119, 13000 Tlemcen. Algérie - ra_maouedj@yahoo.fr