Le Pompage Solaire en Irrigation [PDF]

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Le pompage solaire en irrigation Publié – Agriculture du Maghreb- N° 53 Juillet-Août 2011 BNIAICHE El Amine

INTRODUCTION Avec 3.000 heures d’ensoleillement par an et une irradiation moyenne de plus de 5 KWh/m2, le Maroc dispose d’un potentiel solaire considérable. Le pays entend exploiter massivement cette énergie propre et inépuisable, avec un ambitieux Projet marocain d’énergie solaire (Plan Solaire) présenté en 2009 à Ouarzazate. La mise en œuvre par le Maroc du grand projet d’énergie solaire permettra, de diversifier ses sources énergétiques, d’augmenter sa capacité de production et de réaliser annuellement des économies en pétrole pouvant atteindre près d’un million de tonnes soit une économie de 4 à 6 milliards de dirhams par an et participera à la préservation de l’environnement par la limitation des émissions de gaz à effet de serre.. Ces ressources d'énergies renouvelables sont certes disponibles, mais restent très souvent inexploitées. Leur exploitation est perçue comme étant une des solutions envisageables pour répondre aux défis énergétiques et peut rendre l’application du pompage de l’eau par l’intermédiaire des pompes solaires photovoltaïques comme une solution prometteuse pour l’irrigation répondant parfaitement aux besoins des sites isolés et dont le raccordement au réseau électrique est trop onéreux.

L’IRRIGATION PAR POMPAGE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUES L’agriculture marocaine représente 18,7% de la balance énergétique finale du pays. Cette consommation est dominée par les énergies fossiles représentées par le gasoil et l’essence avec 57%, le butane et le propane avec 28% et en dernier lieu l’électricité qui ne satisfait que 15% des besoins énergétiques de l’agriculture (MEM, 2010). La consommation énergétique, et dans l’absence de mesures d’efficacité énergétique, a connu une croissance de 17% entre 2007 et 2010, soit une hausse de 6% par an après seulement 2 ans de démarrage du Plan Maroc Vert. C’est un taux qui reste alarmant, surtout que les directives de la stratégie agricole prévoient une augmentation de la mécanisation, de l’irrigation localisée, …etc L'irrigation par pompage à petite échelle est l'une des utilisations les plus intéressantes de l'énergie solaire. En effet, l'intensité maximale du rayonnement solaire correspond généralement à la période des besoins en eau de pompage les plus importants. D'autre part le fait que cette énergie est disponible juste au point d'utilisation, l'agriculteur est libéré des problèmes liés à l'approvisionnement en carburant, ou bien à l'existence de lignes de transport de l'électricité facilement accessibles. L’eau ainsi pompée peut être utilisée directement ou stockée dans un réservoir pour une utilisation ultérieure.

TECHNOLOGIE DU POMPAGE SOLAIRE ELECTRIQUE Les principaux composants d'un système solaire de pompage de l'eau sont le générateur photovoltaïque et e groupe moto- pompe. Les systèmes solaires de pompage de l'eau peuvent être conçus avec ou sans moyen de stockage. Il existe des batteries d'accumulateurs conçues spécialement pour fonctionner avec des systèmes PV. La plupart des batteries à décharge profonde ont des rendements d'environ 80% selon la température. Le fonctionnement des systèmes d'énergie photovoltaïque repose sur une propriété bien connue des semi-conducteurs qui est la transformation de l'énergie lumineuse en un courant électrique. Il consiste à utiliser les cellules photoélectriques pour transformer directement le rayonnement solaire en électricité. L’assemblage en série de ces cellules permet de constituer un module photovoltaïque (panneau solaire), qui produit un courant continu.  Les panneaux photovoltaïques Le rendement des panneaux solaires est fonction de l’ensoleillement et de l’angle d’exposition d’une part et de la température des cellules d’autres part. Ces deux paramètres dépendent de la latitude et des caractéristiques climatologiques et géographiques de la zone implantation. Une étude est obligatoire pour chaque cas afin de connaître la surface de panneaux nécessaire à la pompe. La taille du générateur dépendra du modèle de pompe choisie, de la quantité d'eau requise, des conditions climatiques et d'ensoleillement. Les panneaux ont des durées de vie comprises entre 25 et 30 ans avec une dégradation lente de leurs performances. L'énergie PV nécessaire dépend de la quantité d'eau à fournir quotidiennement. A titre d'exemple, dans l'hypothèse de 10% de pertes de charge dues aux canalisations et sur le trajet entre le régulateur et la pompe, un système PV de 180 watts pourrait alimenter en énergie une pompe solaire courant continu performante de 150 watts qui, à son tour, pourrait pomper plus de 1300 litres d'eau en 4 heures d'ensoleillement direct.  Groupes motopompe d'un système photovoltaïque Les systèmes de pompage photovoltaïques comportent nécessairement, outre le générateur, un "sous-système" constitué d'un moteur électrique destiné à faire fonctionner une pompe. Comme un générateur photovoltaïque fournit un courant continu, il faut donc que le moteur électrique soit à courant continu. Avec les moteurs électriques classiques à courant alternatif, il faut adjoindre au système un convertisseur onduleur pour transformer le courant continue en courant alternatif. Les inconvénients liés à l'utilisation des onduleurs sont liés à son coût et aux pertes de puissance dans l'onduleur même. Mais il offre l'opportunité de l'utilisation de pompes électriques relativement peu coûteuses, standard, et fabriquées en série. La taille et le type de pompe dépendent de la quantité d'eau requise (litres par jour), de la hauteur totale de charge (niveau de pression que la pompe doit fournir). Généralement, pour l'irrigation à des faibles hauteurs d'élévation, le dispositif le plus courant et le plus indiqué est

un groupe motopompe immergé. La pompe peut être installée en surface, mais l'auto-amorçage est un facteur essentiel en cas d'utilisation de l'énergie solaire, sinon l'utilisateur serait amené à réamorcer la pompe chaque fois que le rayonnement solaire est affaibli par les nuages. Le rendement optimal d'un groupe motopompe est obtenu pour un couple de valeurs données de la tension et de l'intensité. C’est un facteur important à prendre en compte dans le choix d'une pompe solaire. Car avec les prix élevés des générateurs photovoltaïques, toute baisse du rendement se traduit par la nécessité d'avoir de générateurs photovoltaïques plus gros et par suite plus coûteux. Ainsi, le projeteur du système photovoltaïque aura toujours à adapter le groupe motopompe au générateur de sorte que pour les conditions types du rayonnement solaire, le point de fonctionnement sera défini par des tensions et des courants aussi proches que possible de la partie en courbe de la caractéristique du module photovoltaïque. Or, chaque générateur est normalement caractérisé par des conditions de fonctionnement optimales permettant l'obtention d'une puissance maximale dans toutes les conditions d'ensoleillement  Dimensionnement du pompage solaire Le dimensionnement du système de pompage PV permet d’obtenir la performance souhaitée. Il met en jeu quatre paramètres essentiels, à savoir : le débit journalier, la hauteur de pompage, l’ensoleillement et la température, et enfin les différents rendements des sous systèmes. Il est absolument indispensable que la détermination des caractéristiques d'un générateur de pompe solaire soit faite d'une manière précise, afin d'avoir le système le plus adaptée à la fonction demandée, et d'avoir ainsi le système dont le rapport coût efficacité est le meilleur. Quand les conditions de fonctionnement ne sont pas bien définies, l'approche qui est techniquement valable consiste à choisir le système dont la capacité est supérieure aux besoins réels, pour couvrir la puissance requise même par excès. Mais le coût du système va augmenter proportionnellement à la puissance nominale choisie. Les caractéristiques des pompes solaires d'irrigation doivent être déterminées pour le "mois critique". C'est-à-dire quand le système est pratiquement en pleine charge par rapport à l'énergie disponible. Il s'agit normalement du mois de pointe des besoins en eau d'irrigation. Ce mois coïncide, fort heureusement, avec les mois d'ensoleillement maximum. En effet, il y a toujours une relation directe entre les besoins d'eau d'irrigation des cultures et l'énergie solaire disponible. La définition du mois critique, la détermination des besoins moyens en eau , ainsi que du rayonnement solaire moyen quotidien devraient être le point de départ pour la détermination des caractéristiques d'une pompe solaire. Les relevés statistiques du rayonnement solaire peuvent être obtenus auprès de la plupart des services de météorologie. Comme les données publiées sont plutôt à l'échelle d'une région que d'un site déterminé, on ne doit pas donc s'attendre à des estimations trop précises en se basant uniquement sur les statistiques régionales du rayonnement solaire. Il y’a des méthodes rigoureuses de calcul des systèmes solaires photovoltaïques. Cependant d'autres méthodes empiriques simples peuvent être adoptées (comme celle ci-dessous indiquée) si l'on veut avoir des résultats rapides et plus ou moins précis. De toute façon, la plupart des constructeurs de systèmes photovoltaïques ont déjà établi des programmes de calcul sur ordinateur. Ces programmes comprennent généralement une base de données couvrant pratiquement toutes les régions. Les constructeurs peuvent déterminer les caractéristiques optimales pour chaque utilisation et offrir des prix avantageux. L'acheteur éventuel de ces systèmes devrait donc solliciter des offres de plusieurs sources et comparer les puissances et

les prix proposés. Il faut aussi éviter de se limiter au choix du système le moins cher qui pourrait être sous-dimensionné par rapport aux besoins à assurer. Pour que les pompes solaires puissent être économiquement compétitives, il faut remplir au moins les deux conditions suivantes:  la valeur de pointe journalière du produit charge-débit doit être inférieure à 150m3/j  le rayonnement solaire moyen journalier doit être supérieur à 4,2 kwh/m2 (soit 15 MJ/m2) au cours du mois critique. La méthode empirique suivante peut être utilisée pour déterminer d'une manière approximative la taille d'un générateur photovoltaïque:  estimer la valeur de pointe de la demande en énergie hydraulique quotidienne nécessaire (en kwh), par exmple à partir de la relation suivante :

E









Q( m 3 / j ) * H ( m ) 367

kWh / j

avec Q le débit en m3/j, H la hauteur d'eau en m. Par exemple, pour une dose d'arrosage de 8 mm d'eau sur une parcelle de 0,3 ha et une hauteur de pompage de 10 m, le débit d'eau par jour est de 24 m3/j. Donc la puissance hydraulique serait de (24 x 10)/367 = 0,654 kwh/jour; se donner une valeur du rendement du système secondaire, c'est-à-dire du rendement de conversion de l'énergie électrique en énergie hydraulique (circuit électrique- circuit hydraulique). Des indications sont parfois données dans les catalogues des constructeurs ou bien dans les publications techniques. Toutefois, pour des hauteurs d'eau faibles (2-5 m), un rendement de 30% serait une très bonne estimation. Tandis que pour les systèmes plus puissants et fonctionnant à des hauteurs d'eau plus élevées le rendement serait plutôt d'environ 40%; diviser l'énergie hydraulique quotidienne par la valeur prise du rendement afin de déterminer les besoins journaliers en énergie électrique du système. Par exemple, avec les mêmes données, 0,65 kwh/0,40 = 1,625 kwh (en supposant un rendement du système secondaire égal à 40%); D’une façon générale, il suffit de prendre la valeur de l’indice moyen du rayonnement extra-terrestre global (en kWh/m2 )correspondant à la latitude de l'emplacement considéré , et de la multiplier par l'indice de clarté indiqué par la carte(ensoleillement relatif en % à l’emplacement considéré), et de réduire le résultat ainsi obtenu de 20% pour tenir compte des mois pour lesquels le rayonnement est inférieur à la moyenne et des erreurs inhérentes à cette technique d'estimation. Par exemple si on prend pour l’indice moyen du rayonnement global et l’indice de clareté respectivement les valeurs de 8,3 kWh/m2 et 60 % on obtiendra le rayonnement quotidien moyen 0,6*8,3*0,8=4kWh/m2 diviser la valeur obtenue de la demande en énergie électrique par le rayonnement quotidien calculé ci-dessus et multiplier le résultat par 1200 afin d'obtenir la valeur approchée de la puissance nominale du générateur solaire nécessaire en watt-crête. Dans l'exemple ci-dessus, cette valeur serait égale à (1,625/ 4) x 1200  487 W (crête).

NB : La puissance crête (puissance sous un ensoleillement de 1 000 W/m², une température normalisée de cellule de 25 °C) d’un panneau photovoltaïque est de l’ordre de 100 à 200 watts/m2 (soit un rendement de 10 à 20 %, les fabricants annonçant environ 15 % pour leurs meilleurs panneaux), ce qui donne une puissance crête de 50 à 250 W par panneau, selon ses caractéristiques, notamment sa taille.



enfin, puisque les générateurs photovoltaïques sont fournis par module d'une puissance nominale de 50 à 250 watts, il faut diviser le résultat obtenu par 50 ou 250 W (selon le cas). Ensuite d'arrondir au nombre entier de modules immédiatement supérieur. Ainsi, avec des modules de 50 Watts, on obtient 487/50  10 ; il faut par conséquent 10 modules de 50 watts pour obtenir une puissance nominale efficace de 500 watts environ.

une expérience édifiante est réalisée en 2012 dans la région de Oujda pour l’irrigation d’une superficie de 6 ha d’olivier dont la consommation journalière s’élève à 120 m3. La source d’énergie utilisée était du gasoil puisque l’exploitation désenclavée n’était pas reliée au réseau électrique public Mais vu l’augmentation du prix du gasoil et les réductions des subventions, l’irrégularité de la livraison de carburant et la fiabilité du moteur thermique, les risques d’arroser convenablement ses terres sont devenus imminents, d’où la hausse des coûts de production, et par conséquent une baisse de compétitivité. L’exploitant a décidé alors de remplacer les pompes alimentées en combustibles fossiles par des pompes solaires. .

Composants du système Le système a été conçu avec deux pompes. L’une sert à extraire l’eau à une profondeur de 40 m et à la pomper dans un bassin de stockage de 30 m3.Une seconde pompe de reprise sert à pomper l’eau du bassin vers la culture à arroser. Les pompes sont reliées via un contrôleur aux panneaux photovoltaïques comprenant 40 modules d’une puissance totale de 10 kWp

Comparaison des coûts énergétiques : L’analyse des coûts d’exploitation des 2 systèmes d’énergie (gasoil et solaire) révèlent que sur une période de cinq ans, le recours à l’énergie solaire entraînera sensiblement moins de frais (0,67 dh contre 1,1 dh pour l’utilisation du gasoil) pour la mobilisation d’un mètre cube d’eau aux fins d’irrigation

Données techniques : Pompe immergée (puits) 120 m3/jour ; Pompe immergée (bassin) 120 m3/jour ; Profondeur 40 m Puissance totale des modules photovoltaïques 10 kWp ; Retour sur investissement 4.5 ans

.

Comparaison des coûts énergétiques Besoins en eau journaliers: 120 m3 Source énergétique

Gasoil

Photovoltaïque

30%

100%

100kWh

100kWh

Puissance calorifique du carburant

9,29

0

Consommation du carburant Coût/unité

10,76 8,2

0 0

Efficacité Besoins en énergie

coût de carburant /j 88,232 coûts de carburant/an (y compris la livraison) 36883,52

0 0

Coûts sur 5 ans Carburant

184417,6

0

Maintenance moteur/pièces de rechange

30780

Coûts initiaux

20520

143640

Coûts totaux

235717,6

143640

1,091

0,67

Coûts au m

3

0

CONCLUSION Le gouvernement marocain subventionne le gasoil ainsi que le butane. Ces subventions font l’objet d’une réforme sachant qu’elles ont atteint un niveau dépassant les 6 % du PIB, soit une somme totale de 32 milliards de dirhams. Ces subventions risquent d’être fortement réduites. Tout décision prise dans le futur par l’Etat pour ne pas continuer à supporter constamment le fardeau de la subvention de la facture d’importation énergétique conjuguée aux éventuelles hausses des prix du marché pétrolier, laissent présager que la solution solaire deviendra plus compétitive. De telle conjoncture, réclame d’intégrer les systèmes d'énergie solaire dans le programme d'électrification des zones rurales où "leurs petites dimensions et leur caractère modulaire les rendent particulièrement adaptés aux populations reculées et dispersées ayant de faibles et intermittents besoins énergétiques". Les économies résultantes du pompage de l'eau grâce à l'énergie solaire sont instantanées et continues, se conjuguant aux coûts d'entretien minimum dans les régions où les coûts initiaux d'extension du réseau électrique sont supérieurs à celui du système solaire de pompage de l'eau. La viabilité économique de l'utilisation de l'énergie solaire pour l'irrigation est actuellement limitée aux hauteurs d'élévation et aux puissances très faibles. Toutefois, du fait du progrès technique notable dans le domaine de l'énergie solaire et de la baisse des coûts actuels, on peut correctement s'attendre à ce que le prix en termes réels des cellules solaires va subir encore une baisse et faire des pompes solaires une option économiquement viable pour l'irrigation a petite échelle et pour des hauteurs d'élévation élevées. L’installation des panneaux photovoltaïques pour un système de pompage d’eau ne pose aucun problème sur le plan technique, le problème majeur c’est au plan économique. Par rapport aux combustibles fossiles, les systèmes d'énergie solaire sont souples, propres, demandent très peu d'entretien et ménagent l'environnement, mais ils ont leurs limites. Les agriculteurs les plus défavorisés ne peuvent généralement pas accéder aux systèmes solaires. Mais les barrières financières et institutionnelles peuvent être surmontées si le secteur privé puisse développer le marché en touchant la clientèle rurale et l’Etat soutienne ce marché. Il serait intéressant d’inviter un panel d’agriculteurs et d’experts qui parlent de ces différentes applications, soit à partir de leur propre expérience, soit pour expliquer les possibilités, les coûts initiaux et les économies réalisées : il est donc important que les personnes invitées expliquent en détail les économies qu’elles ont réalisées depuis l’installation solaire. Ainsi il serait bon d’avoir des chiffres précis pour prouver que les systèmes solaires individuels permettent de faire des économies substantielles par rapport aux sources d’énergie traditionnelles, etc: