ETUDE POUR LA MISE EN PLACE DU SYSTEME DE POMPAGE

Transcription

ETUDE POUR LA MISE EN PLACE DU SYSTEME DE
POMPAGE SOLAIRE D’UN CHAMP DE NEUF HECTARE
POUR UNE IRRIGATION GOUTTE A GOUTTE A SEHEBA AU
TCHAD
.
Mémoire pour l’obtention du
MASTER SPECIALISE EN GENIE ELECTRIQUE, ENERGETIQUE ET
ENERGIES RENOUVELABLES………..
OPTION : ENERGIES RENOUVELABLES.....................
Présenté par :
LARY LIGRING
Travaux dirigés par : Prénom NOM
HENRI KOTTIN : Enseignant, Maitre de mémoire
UTER : GENIE ENERGETIQUE ET INDUSTRIEL
NICOLAS BAKARGUE KOUMAKOYE, Ing Energies Renouvelables,
directeur de GEC-TCHAD, maitre de stage.
Jury d’évaluation du stage :
Membres et correcteurs:
Dr. Sayon Sidibé
Moussa Kadri SANI
Promotion d’octobre [2011/2012]
Institut International d’Ingénierie Rue de la Science - 01 BP 594 - Ouagadougou 01 - BURKINA FASO Tél. : (+226) 50. 49. 28.
00 - Fax : (+226) 50. 49. 28. 01 - Mail : [email protected] - www.2ie-edu.org
CITATIONS
.
Pour
assurer
le
Développement nous avons
besoins de l’énergie, mais
pour
assurer
le
développement,
faire
reculer les frontières de la
pauvreté et
laisser
héritage un
environnement
viable
aux
futures,
nous
besoins
en
de
générations
avons
promouvoir
les
énergies
renouvelables.
i
DEDICACE
A mon très cher et regretté papa, Ligring Deidjang Salomon, je dédie ce mémoire.
ii
REMERCIEMENTS
Par le présent canal, j’ai le plaisir de dire un sincère merci, à tous ceux qui ont contribué sous
une forme quelconque à la réussite de ma formation et à la réalisation de ce mémoire.
En particulier j’exprime ici, ma profonde gratitude à l’endroit de mon maître de mémoire,
Henri KOTTIN Ingénieur Génie Energétique, Enseignant au 2iE, pour son accompagnement,
ainsi qu’à mon maître de stage Nicolas Bakargué Koumakoy, Ingénieur Energéticien,
Directeur de GEC-TCHAD pour sa disponibilité sans faille tout au long du processus
d’élaboration de ce document.
Je voudrais aussi, remercier :
- Les responsables pédagogiques de la formation : Messieurs Yao AZOUMAH et Yézouma
COULIBALY, Enseignants au 2iE ;
- Les responsables et coordonnateurs de la formation à distance au 2iE, particulièrement
Messieurs
Koné TOFANGUY et Madame Ouédraogo Sylvie respectivement Chef du
Service de la formation à distance et Coordonnateur de la filière du Master spécialisé M2
GEER ;
- Les enseignants du 2iE pour leur tutorat très apprécié et leur esprit pédagogique ;
- Aux camarades de la première promotion du Master II Spécialisé GEER, notamment
Messieurs Dokaldé
Francis et Kemnda
Allarekingar pour leur assistance et
encouragement ;
- A tous mes amis et à toutes mes amies qui m’ont soutenu de diverses manières ;
- Mon épouse Nine Clémentine pour son esprit d’écoute et d’attention, mes enfants
Koumabeng Bienvenue, Labe Béatrice et Koumassen Dorcas, ma mère Mouri
MARTHE, ainsi que mes frères et sœurs.
iii
RESUME
La disponibilité d’une source importante d’énergie solaire et la situation géographique
de notre pays peut rendre l’application du pompage de l’eau par l’intermédiaire des pompes
solaires photovoltaïques comme une solution très séduisante pour l’irrigation des surfaces
agricoles et pour l’alimentation en eau potable en sites isolés. Le travail que nous présentons
dans ce mémoire fait l’objet d’une étude d’un système de pompage photovoltaïque qui peut
être utilisé pour l’irrigation goutte à goutte dans une région sahélienne.
Le choix d’un système énergétique doit obéir et respecter certaines règles. Le système
énergétique choisi doit démontrer au préalable sa compétitivité vis-à-vis d’autres systèmes
pour le même service rendu. Sa crédibilité doit reposer sur des bases économiques et
techniques. Le présent travail
se propose l’analyse de la rentabilité économique d’une
installation de pompage photovoltaïque par la méthode de la valeur actuelle nette (VAN) et du
taux de rendement interne (TRI). Cette étude a permis de dimensionner, pour le site de
Seheba, des modules photovoltaïques (26 modules de 265W et 12V), une pompe centrifuge
PS4000 C-SJ17-4 de puissance 3.5KW et un château de stockage d’eau de capacité 90m .
De cette analyse, découlera le choix sur l’investissement à effectuer, car l’analyse des
coûts et de la rentabilité est un préalable incontournable avant toute décision d’investissement
sur des équipements énergétiques que ce soit en énergie solaire ou en une autre énergie
conventionnelle (diesel ou autres).
L’opportunité de ce travail est double. Il permet d’avoir une idée précise sur les coûts
d’investissement en connaissant les besoins de l’usager et le site d’implantation d’une part, et
d’autre part optimiser l’installation photovoltaïque en fonction des divers éléments.
Mots Clés :
Energie solaire photovoltaïque, Pompage d’eau, Irrigation goutte à goutte, Analyse
économique et Rentabilité.
iv
ABSTRACT
The availability of an important solar energy and the geographic situation of our
country, offer the solution to supply water for irrigation and drinking in remote region. The
object of this work is to study a photovoltaic system, of water pumping for irrigation in arid
region.
The choice of an energy system must obey and comply with certain rules. The selected
energy system must show as a preliminary its competitiveness with respect to other systems
for the same rendered service. Its credibility must rest on economic and technical bases. This
work proposes the analysis of the economic profitability of a photovoltaic pumping plant by
the method of Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR). The study allowed
to design for the Seheba site, photovoltaic modules (26 modules of 12V, 265W), a centrifugal
pump PS4000 C-SJ17-4 of 3.5KW and a storage tank of 90 m capacity.
From this analysis, will rise the choice on the investment to carry out, because the
analysis of the costs and profitability is a precondition impossible to circumvent before any
decision of investment on energy equipment that is in solar energy or another conventional
energy (diesel or different).
This work appropriateness is double. It makes it possible to have a precise idea on the
capital costs by knowing the needs for the user and the site of establishment, and on the other
hand to optimize the photovoltaic installation according to the various elements.
Key words:
Solar energy photovoltaic, Water pumping, Drip irrigation, Economic analysis and
Profitability.
v
LISTE DES ABREVIATIONS
GEC
Global Engineering Company
CF
Cash-flow
HMT
Hauteur Manométrique Totale
kW
Kilo Watt
kWh
Kilo Watt heure.
M2GEER
Master 2 en Génie Energétique
TRI
Taux de Rentabilité Interne
VAN
Valeur Actuelle Nette
W
Watt
2iE
Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement
KVa
kilo volt ampère
I
Intensité du courant.
A
Ampère
m
Mètre cube.
Km
kilomètre.
mm
millimètre.
Vcc
Volt courant continu.
W
Watt par mètre carré.
m
V
Volt.
U-I
Tension-Courant.
Ng
Nombre de goutteurs par rampe.
Lr
Longueur de la rampe.
Eg
Espace entre les goutteurs.
Dg
Débit des goutteurs.
Dr
Débit d’une rampe.
vi
Ds
Débit dʼun secteur.
Ha
hectares.
Er
Ecartement entre rampes.
ls
largeur dʼun secteur.
Nrpr
Nombre de rampe par porte rampe.
Nprpr
Nombre paire de rampe par porte rampe.
Np
Nombre de porte rampe par secteur.
Ntr
Nombre total de rampe par secteur.
Ltr
Longueur total dʼune rampe.
Ntg
Nombre total de goutteurs pas secteur.
Ps
Pluviométrie dʼun secteur.
Ds
Débit dʼun secteur.
Ss
Superficie dʼun secteur.
Dt
Débit total de la superficie.
Dtj
Débit total journalier.
Dth
Débit total horaire.
m
h
Mètre cube par heure.
Pc
Puissance crête.
Pc module
Puissance crête du module.
Dc
Direct Courant (Courant Continu).
PU
Prix Unitaire.
FCFA
Francs CFA.
vii
TABLES DES MATIERES
CITATIONS ....................................................................................................................................... i
DEDICACE ....................................................................................................................................... ii
REMERCIEMENTS ....................................................................................................................... iii
RESUME .......................................................................................................................................... iv
ABSTRACT ....................................................................................................................................... v
LISTE DES ABREVIATIONS ....................................................................................................... vi
TABLES DES MATIERES ........................................................................................................... viii
LISTE DES TABLEAUX ................................................................................................................. x
LISTE DES FIGURES .................................................................................................................... xi
I.
INTRODUCTION .................................................................................................................... 1
II.
OBJECTIFS DU TRAVAIL ................................................................................................... 4
1.
Objectif général. ................................................................................................................................... 4
2.
Objectifs spécifiques. ........................................................................................................................... 4
III.
METHODES ET OUTILS. ................................................................................................. 5
3.
Présentation du site. ............................................................................................................................. 5
4.
Données collectées sur le site. .............................................................................................................. 7
5.
Etude de faisabilité financière du projet. ............................................................................................ 11
IV.
ETUDES TECHNICO-ECONOMIQUE. ........................................................................ 13
1.
ETUDES TECHNIQUES .................................................................................................................. 13
A.
SCHEMAS ET DESCRIPTION DU PRINCIPE. ......................................................................... 13
a)
DEFINITION GENERALE DU SYSTEME DE POMPAGE D’eau. ...................................... 14
b)
DEFINITION GENERALE DUNE IRRIGATION « GOUTTE-A-GOUTTE ». .................... 19
c)
DEFINITION GENERALE D’UN GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE. ......................... 20
d)
PRESENTATION DE LA METHODE DE DIMENSIONNEMENT. .................................... 22
viii
B.
DETERMINATION DES BESOINS EN EAU. ........................................................................... 24
e)
BESOINS EN EAU DES PLANTES A IRRIGUER ............................................................... 24
f)
ETUDE DU STOCKAGE DE LʼEAU ..................................................................................... 28
g)
DIMENSIONNEMENT DE LA CAPACITE DE STOCKAGE DE L’EAU .......................... 29
C.
VI.
h)
CHOIX DE LA MOTOPOMPE (méthode graphique)............................................................. 30
i)
DIMENSIONNEMENT DE LA MOTOPOMPE (METHODE ANALYTIQUE). .................. 31
D.
DIMENSIONNEMENT DU CHAMP PHOTOVOLTAIQUE. .................................................... 33
E.
INSTALLATION .......................................................................................................................... 36
F.
MAINTENANCE DES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES .................................................... 38
2.
V.
CHOIX ET DIMENSIONNEMENT DE LA MOTO-POMPE..................................................... 30
ETUDES ECONOMIQUES .............................................................................................................. 40
G.
COUT DʼINVESTISSEMENT (voir tableau ci-dessous). ............................................................ 40
H.
DEPENSES DʼEXPLOITATION. ................................................................................................ 41
I.
ESTIMATION DES RECETTES ................................................................................................. 41
J.
RENTABILITE FINANCIERE DU PROJET. ............................................................................. 41
RECOMMANDATIONS - PERSPECTIVES ..................................................................... 46
BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................. 48
ix
LISTE DES TABLEAUX
Table 1: Moyennes mensuelles interannuelles de l’évaporation sur bac classe A (1984-1990).
.............................................................................................................................................26
Table 2: Cout d’investissement. ............................................................................................40
Table 3: Calcul de la VAN au taux d’actualisation de 10%. ..................................................42
Table 4: Calcul de la VAN aux taux d’actualisation de 32%. ................................................44
Table 5: Calcul de la VAN au taux d’actualisation de 33%. ..................................................45
Table 6: Caractéristiques du projet........................................................................................45
x
LISTE DES FIGURES
Figure 1: Site du projet. ..........................................................................................................6
Figure 2: Site du projet. ..........................................................................................................6
Figure 3: Site du projet et village SEHEBA. ...........................................................................7
Figure 4: Générateur triphasé synchrone de 18.75KVA. .........................................................8
Figure 5: Forage de 42m de profondeur. .................................................................................9
Figure 6: château d’eau de 90m3de capacité en construction...................................................9
Figure 7: Plaque métallique pour la construction du château d’eau. ......................................10
Figure 8: Coordonnées géographiques et précipitation du site ...............................................11
Figure 9: Installation Type ....................................................................................................14
Figure 10: Schéma de principe du système de pompage d’eau. .............................................14
Figure 11: Caractéristiques du débit pour le pompage au fil du soleil et avec batterie............16
Figure 12: Pompe volumétrique. ...........................................................................................17
Figure 13: Pompe submersible centrifuge à étages multiples.................................................18
Figure 14: Choix d’une pompe selon la HMT et le débit demandé. .......................................19
Figure 15: Schéma de principe d’une irrigation goutte à goutte. ............................................20
Figure 16: Schéma de principe du générateur photovoltaïque................................................21
Figure 17: Caractéristique U-I d’un générateur photovoltaïque. ............................................22
Figure 18: Processus de transformation d’énergie. ................................................................23
Figure 19: Cycle d’évapotranspiration. .................................................................................24
Figure 20: Evaporation moyenne de N’Djamena Rg (Fort Lamy). ........................................25
xi
Figure 21: Plan parcellaire du site. ........................................................................................27
Figure 22: Graphe de la pompe choisie. ................................................................................31
Figure 23: Fonctionnement d’une motopompe en fonction de la variation de l’ensoleillement.
.............................................................................................................................................32
Figure 24: Schéma de branchement. .....................................................................................34
Figure 25: Rendement quotidien en mois moyen du system. .................................................35
Figure 26: Installation type. ..................................................................................................36
Figure 27: distances minimales Est, Ouest, Nord et Sud........................................................37
Figure 28: Piquet de mise à la terre. ......................................................................................38
Figure 29: Signification et utilisation du TRI. .......................................................................46
xii
I. INTRODUCTION
L’économie tchadienne est basée essentiellement sur l’agriculture, l’élevage et le
secteur pétrolier qui vient d’être développé ces 10 dernières années par le gouvernement et ses
partenaires pétroliers. Cette économie est caractérisée entre autres par un faible taux de
croissance (passant de 14.3 % en 2010 à 2.8 % en 2011 mais sur la période 2012-2013 elle
pourrait atteindre 5.1 % grâce à l’industrie pétrolière) ; et une balance commerciale largement
déficitaire. Le taux de pauvreté est estimé à 55 % et monte à 87 % en milieu rural.
Le Tchad est un pays à vocation agricole qui dispose d’une large étendue de terre
cultivable. Le pays possède plus de 19 millions d’hectares de terres arables dont, 5.6 millions
d’hectares sont irrigables. Seulement 10% de ce potentiel est actuellement cultivé. En dépit de
cet important potentiel agricole, la production agricole nationale reste soumise à plusieurs
contraintes : La majorité des agriculteurs tchadiens est constituée des petits producteurs
travaillant le plus souvent uniquement avec des outils manuels. Le système de production
agricole au Tchad est peu productif, car il est basé sur l’utilisation de la main-d’œuvre
familiale et de moyens et techniques de production rudimentaires (houe, machette, charrue,
etc.). En dehors de la filière cotonnière, il n’existe pas de filière intrants organisés. Les
rendements moyens des cultures vivrières et de rente sont, plus faibles que ceux des pays
voisins. Le secteur agricole est largement dépendant des aléas climatiques, faute d’une bonne
maîtrise de la gestion de l’eau. Le pays a un climat de type sahélien avec un gradient
pluviométrique qui augmente progressivement du Nord vers le Sud. La moyenne
pluviométrique annuelle varie de 900 à plus 1 100 mm pour les régions les plus arrosées du
Sud et à moins de 500 mm pour la bande sahélienne. Le sud du pays reçoit entre 600 et 1 200
mm de pluie par an, permettant le développement d’une végétation qui va de la savane à la
forêt tropicale. La zone sahélienne, au centre du pays reçoit des précipitations annuelles allant
de 300 à 600 mm, favorisant le développement d’une végétation qui varie entre la steppe et la
savane. Le nord du Tchad, sa zone saharienne, est arrosé annuellement par une quantité de
pluie inférieure à 300 mm
1
Le pays ne dispose pas suffisamment d’infrastructures socio-économiques, capables
d’impulser une croissance forte, durable et harmonieuse. Les infrastructures de base en
matière d’énergie (centrales électriques), d’eau potable, de transport (routes, ponts, ports et
aéroports, voies ferroviaires, gares routières), d’équipements sanitaires et hôteliers, y sont peu
développées. Cette situation compromet la capacité productive et la compétitivité de
l’économie nationale dont le niveau de performance est loin de générer des richesses
substantielles à même d’améliorer le niveau de vie des populations laborieuses.
En effet, sur le plan énergétique, la situation du pays est marquée par :
- une prédominance des utilisations de la biomasse traditionnelle (bois de feu et
charbon de bois), qui engendre un accroissement rapide de la demande en bois – énergie, du
fait de la croissance démographique.
- une faible capacité de production interne d’énergie électrique.
Vue la faible production agricole pour une population tchadienne estimée à 11.2
million d’habitant, il y’a donc nécessité de mener des actions clés dans ce domaine. La
question de la modernisation de l’agriculture et l’utilisation efficace des différentes sources
d’énergies pour optimiser la production agricole est une priorité du gouvernement tchadien
ainsi que celle de ma structure d’accueil. La structure où j’ai effectué mon stage (GEC-LTD)
de fin d’étude est dans la recherche continuelle afin d’apporter des améliorations relatives à
cette question. Raison pour laquelle, ce projet est une contribution considérable au travail qui
est en train d’être fait et aidera à une augmentation de la production agricole dans l’optique
d’assurer la satisfaction équitable des besoins de la population tant en milieu urbain que rural.
Etant un pays du sahel et parcouru par le désert du Sahara, le Tchad se situe dans la
zone d’ensoleillement supérieur de l’Afrique. Le nombre d’heures de cet ensoleillement par
année varie de 2850 heures au sud à 3750 heures au nord du pays. L’intensité du rayonnement
global varie en moyenne de 4,5 à 6,5 kWh/m2/j. Vu ce potentiel énergétique solaire, Le
pompage solaire pour une utilisation goutte à goutte s’avère une solution adéquate pour
augmenter la production agricole du pays. Cependant, il est à constater que le pompage d’eau
2
au Tchad se fait généralement dans le but de satisfaire les besoins des populations et du bétail
en eau potable dans les régions ou aucun réseau de distribution d’eau n’est prévu ou parvenu.
Pour ce faire un choix judicieux se porte sur les pompes manuelles.
La présente étude dont le thème est « Etude pour la mise en place du système de
pompage solaire d’un champ de neuf hectares pour une irrigation goutte à goutte à Seheba au
Tchad» vise à proposer une solution économiquement viable pour augmenter la production
agricole. L’étude vise également à partir de cet exemple pour analyser la possibilité de
généraliser cette alternative de production agricole, puis de proposer une analyse
institutionnelle pour la mise en œuvre d’une telle politique de production.
Pour atteindre ce but, il sera nécessaire de recenser toutes les données techniques
permettant d’évaluer le potentiel énergétique et le potentiel de production en eau (eau de
surface, nappe souterraine) sur le site. Enfin, cette étude procédera à une analyse des
possibilités de généralisation d’une forme d’irrigation d’appoint pour compenser les
mauvaises saisons, pas plus pour rallonger la période de culture et multiplier le nombre de
récoltes, en contraste avec les pays du nord dont le pourcentage des récoltes apportées par
l’irrigation est très important (voir encadré 1).
Dans le monde, 277 millions d’hectares sont irrigues (année 2002, source FAO) sur 1.4 milliard
d’hectares de terre arables au total. Ils fournissent environ 1/3 de la production alimentaire
mondiale.
Trois pays (Inde, Chine, Etats Unis) représentent 50% des surfaces irriguées totales. 80% de la
nourriture produite au Pakistan provient de terres irriguées, 70% pour la chine mais moins de 2%
pour le Ghana, le Mozambique ou le Malawi.
En France en 2000, 2.63 millions d’hectares de terres agricoles étaient irriguées.
Encadré 1 : Contribution de l’irrigation au niveau mondial.
3
Pour le Tchad, une forme d’irrigation avec pompage solaire à moindre coût s’impose,
l’énergie solaire n’étant pas gratuite ! Tout système de récupération d’énergie solaire a un
coût d’installation, des frais de surveillance, de maintenance et de renouvellement.
Des études théoriques et expérimentales ont prouvé que le pompage d’eau solaire pour une
irrigation «goutte à goutte» est le meilleur compromis pour développer l’agriculture dans les
pays du sahel, du fait de l’économie d’eau que ce système d’irrigation apporte.
Cependant, du fait qu’un système de pompage d’eau est constitué d’une multiplicité d’organes
de fonctionnement, un dimensionnement correct de chacun des éléments constitutifs
s’impose : définition des besoins réels en énergie, choix judicieux de la pompe, forme et
capacité de stockage de l’énergie, dimensionnement et installation appropriés des cellules
photovoltaïques, etc.
II. OBJECTIFS DU TRAVAIL
1. Objectif général.
Valoriser les périmètres agricoles du Tchad par la mise en place d’un système de
pompage solaire pour une irrigation goutte à goutte, en vue d’améliorer la production agricole
du pays.
2. Objectifs spécifiques.
2.2.1. Un site a été Identifié pour l’étude et la réalisation du collecte des données ;
2.2.2. Faire l’étude de faisabilité technique et financière du système de pompage
solaire pour une irrigation goutte à goutte;
2.2.3. Faire l’analyse des possibilités de généralisation de cette méthode de production
agricole ;
4
III. METHODES ET OUTILS.
L’approche méthodologique consiste à visiter le site d’exploitation agricole du village
SEHEBA situé à 35 km à la sortie sud de N’Djamena. On procédera à la collecte des données
du site et on discutera avec les responsables en vue d’identifier les besoins complémentaires
du site. Ce site servira de cadre pour la réalisation de l’étude de faisabilité technique et
financière, et on procédera au dimensionnement des unités de production d’eau et à la
vérification de sa capacité de stockage. Selon les résultats de cette étude qui reste spécifique
au site du village de SEHEBA, des recommandations et perspectives seront faites pour la
généralisation du projet dans tout le pays.
Les grandes étapes de la méthodologie se présentent comme suit :
- Visite du site de production agricole du village SEHEBA
- Collecte de données et évaluation des demandes en eau;
- Vérification de la capacité de stockage d’eau ;
- Identification des technologies appropriées pour la production d’eau sur le site;
- Dimensionnement des unités de production ;
- Etude technico-financière ;
- Recommandations et perspectives pour tout le Tchad.
De façon plus détaillée l’étude se fera suivant les étapes ci-après:
3. Présentation du site.
Le site est à proximité du village de SEHEBA situé à 35 Km au sud de NDJAMENA. C’est
une étendue de terre plate cultivable de 9 hectares sans obstacle majeur, appartenant à
LA COOPÉRATIVE AGRO PASTORALE DE BERE. La coopérative veut transformer cette
étendue en verger et faire la culture maraîchère tout ceci à l'aide du pompage solaire et de
l'irrigation goutte à goutte.
5
Le village de SEHEBA est un village des éleveurs de bœufs, moutons et chèvres. Ce village
regorge un potentiel inestimable de fumier qui peut être utilisé comme engrais.
Figure 1: Site du projet.
Figure 2: Site du projet.
6
Figure 3: Site du projet et village SEHEBA.
4. Données collectées sur le site.
Elle est faite à travers des visites du site d’une part, pour collecter les données nécessaires au
dimensionnement des équipements et d’autre part, pour échanger avec les responsables du site
sur les perspectives de développement.
Les données collectées se présentent comme suit :
- Historique de la production agricole du site :
C’est un nouveau site qui n’a pas encore produit. Par contre 1040 goyaviers ont été plantés à
une distance de 6m l’un de l’autre. Ces plantes sont arrosées à l’aide des arrosoirs manuels.
7
- Besoins en eau du site
Le site a besoin d’une quantité importante d’eau en vue d’arroser les différentes plantes :
goyaviers, citronniers, manguiers, cultures maraîchères et les besoins domestiques.
Il existe sur ce site un forage de 42 m de profondeur équipé d’une pompe électrique opérée
par un générateur triphasé synchrone de 18.75 KVa et un château de 90m de capacité en
construction.
Figure 4: Générateur triphasé synchrone de 18.75KVA.
8
Figure 5: Forage de 42m de profondeur.
Figure 6: château d’eau de 90m3de capacité en construction.
9
Figure 7: Plaque métallique pour la construction du château d’eau.
Le forage et le château d’eau sont situés au milieu du site, à une distance de 21 m l’un de
l’autre.
- Besoins énergétiques du site et perspectives en termes d’extension des activités;
Le site n’étant pas actuellement électrifiée, il n’existe pas d’expériences en termes
d’utilisation d’équipements électriques qui pourraient donner de façon indicatives la demande
actuelle en électricité de la ferme. On se réfèrera donc aux besoins exprimés par les
responsables du site.
Il yʼa par contre une perspective d’extension du site dans le future de 9 hectares.
- Coordonnées géographique du site ;
Le site du projet est situé à 35km de N’Djamena qui est dans la partie du sahel africain
appelée le sahel des sédentaires qui reçoit des précipitations suffisamment abondantes pour
permettre la mise en culture des terres. Les précipitations sont nulles pendant 5 mois de
l'année de novembre à mars tandis que les mois de juillet et août sont bien arrosées avec
respectivement 144 mm et 175 mm
10
Figure 8: Coordonnées géographiques et précipitation du site
5. Etude de faisabilité financière du projet.
Il s’agit de collecter les coûts unitaires des équipements à acheter dans le cadre de ce projet et
de calculer la VAN et le TRI afin d’apprécier la rentabilité financière du projet.
Les données techniques suivantes sont utilisées :
- Durée de vie des équipements ;
- Le taux d’actualisation admis sur le marché (10%) ;
- Les investissements à consentir sur l’ensemble de la durée de vie de l’unité de production et
évaluée par année ;
- Les recettes annuelles ;
- Les dépenses d’exploitation par année.
Formule
11
VAN = − +
(1 + )
+
(1 + )
+
(1 + )
+ ⋯+
(1 + )
Où :
(i): taux d’actualisation
(n) : durée de vie de l’investissement
CF : Cash-flow à l’année j
La VAN donne une première orientation sur la rentabilité de l’investissement.
Le deuxième critère d’évaluation utilisé est le taux de rentabilité interne du projet (TRI).
Le TRI est la valeur du taux d’actualisation pour laquelle la VAN est nulle.
Il est le taux d’actualisation pour lequel l’Investissement C est égal à la somme des cash-flows
actualisés générés par cet investissement.
On le calcule par la formule suivante:
En posant TRI=i, on a : −C + CF (1 + i)
Soit -C+∑
CF (1 + i)
+ CF (1 + i)
+ ⋯ + CF (1 + i)
=0
= 0. Dans la pratique on le détermine par interpolation linéaire
entre les correspondants à une VAN négative et une VAN positive.
12
IV. ETUDES TECHNICO-ECONOMIQUE.
1. ETUDES TECHNIQUES
A. SCHEMAS ET DESCRIPTION DU PRINCIPE.
Les panneaux solaires photovoltaïques (1) produisent l’énergie électrique sous forme
d’un courant continu qui est converti à travers un convertisseur statique (3) pour alimenter un
groupe motopompe immergé ou flottant (4). Le groupe motopompe est compose d’un moteur
a courant alternatif mono, bi ou triphasé ou à courant continu a commutation électronique qui
est couplé à une pompe centrifuge à étages multiples ou à une pompe volumétrique ou autre
suivant le débit recherché.
La pompe centrifuge transmet l’énergie cinétique du moteur au fluide par un
mouvement de rotation de roues à aubes alors que la pompe volumétrique transmet l’énergie
du moteur par un mouvement hélicoïdale qui permet littéralement de propulser l’eau à la
surface. Les systèmes proposés sont composés de modules photovoltaïques montes sur un
châssis de support(2) incliné suivant la latitude du site afin d’optimiser la production
photovoltaïque, ou rotatif suivant la course du soleil. Le dispositif est complété par le
convertisseur statique (3) monté en surface et qui permet la conversion du courant continu
produit par le champ solaire en courant alternatif ou continu pour alimenter le moteur couplé a
la pompe (Fig2).
13
Figure 9: Installation Type
Source : bibliographie 4.
a) DEFINITION GENERALE DU SYSTEME DE POMPAGE D’eau.
La différence entre un système de pompage solaire et un système de pompage
classique est l’utilisation de panneaux photovoltaïques (14), d’un convertisseur (15) et d’une
pompe adéquate (2) (voir fig3). Les pompes utilisées peuvent être de surfaces ou immergées
selon la condition d’utilisation :
Figure 10: Schéma de principe du système de pompage d’eau.
14
Le pompage photovoltaïque se présente fondamentalement de deux façons selon qu’elle
fonctionne avec ou sans batterie. Alors que cette première utilise une batterie pour stocker
l’électricité produite par les modules, le pompage sans batterie, plus communément appelée
« pompage au fil du soleil », utilise un réservoir pour stocker l’eau jusqu’au moment de son
utilisation.
Le pompage avec batterie permet de s’affranchir des aléas du soleil et des problèmes
d’adaptation entre générateur photovoltaïque et motopompe. L’utilisation de batteries
comporte davantage de composants qui influent sur la fiabilité et le coût global du système.
Les batteries sont fragiles et sont souvent les premiers éléments qui auront besoin d’être
changés. Elles nécessitent en outre un entretien constant et un contrôle rigoureux de leur
charge et décharge. Les contrôleurs utilisés pour régulariser la charge et la décharge des
batteries vieillissent rapidement et peuvent s’avérer non fiables. Les batteries introduisent
également un certain degré de perte de rendement d’environ 20% à 30 % de la production
d’énergie.
Le pompage au fil du soleil permet d’avoir un système photovoltaïque plus simple, plus fiable
et moins coûteux qu’un système avec batterie. Le stockage se fait de manière hydraulique,
l’eau étant pompée, lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement, dans un réservoir au-dessus
du sol. Elle est ensuite distribuée par gravité au besoin. Le réservoir peut souvent être
construit localement et la capacité de stockage peut varier d’un à plusieurs jours. Ce réservoir
ne requiert pas un entretien complexe et est facile à réparer localement.
15
Figure 11: Caractéristiques du débit pour le pompage au fil du soleil et avec batterie.
Compte tenu du coût additionnel du système avec batterie, des problèmes de maintenance des
batteries et de l’obligation de les remplacer après 3 à 5 ans d’usage, la solution au fil du soleil
est présentement préférée. Néanmoins, celle-ci présente certains inconvénients qu’il ne faut
pas négliger :
• Il est impossible de pomper au-dessous d’un certain niveau d’éclairement, la pompe ne
pouvant être amorcée sous une certaine puissance fournie. Il y a donc perte d’énergie au début
et à la fin de la journée.
• Parce que le rendement des pompes diminue en dehors de leur puissance nominale de
fonctionnement, le système nécessitera l’utilisation d’un adaptateur de charge. Ceci est
particulièrement nécessaire pour les pompes volumétriques.
• Le débit de la pompe ne sera pas constant et le rabattement du puits ou du forage peut être
trop élevé durant certaines périodes de la journée.
16
LES TYPES DE POMPES
Les pompes à eau sont habituellement classées selon leur principe de fonctionnement, soit de
type volumétrique ou centrifuge.
La pompe volumétrique: transmet l’énergie cinétique du moteur en mouvement de va-etvient permettant au fluide de vaincre la gravité par variations successives d’un volume
raccordé alternativement à l’orifice d’aspiration et à l’orifice de refoulement. Les pompes
volumétriques incluent les pompes à vis, les pompes à palettes, les pompes à piston et les
pompes à diaphragme. Les deux derniers types sont utilisés dans les puits ou les forages
profonds (plus de 100 mètres).
L’entraînement est habituellement assuré par un arbre de transmission très long, à partir d’un
moteur électrique monté en surface.
Figure 12: Pompe volumétrique.
La pompe centrifuge : transmet l’énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement
de rotation de roues à aubes ou d’ailettes. L’eau entre au centre de la pompe et est poussée
vers l’extérieur et vers le haut grâce à la force centrifuge des aubages. Afin d’augmenter la
pression, donc la hauteur de refoulement, plusieurs étages d’aubages peuvent être juxtaposés
17
sur le même arbre de transmission. Chaque étage fait passer l’eau à l’étage suivant en relevant
la pression jusqu’à l’étage final, délivrant un volume d’eau à pression élevée (voir figure 6).
Ces pompes incluent les pompes submersibles avec moteur de surface ou submergé, les
pompes flottantes et les pompes rotatives à aspiration.
Figure 13: Pompe submersible centrifuge à étages multiples.
Comparaisons entre les pompes centrifuges et les pompes volumétriques
Le choix d’une pompe se portera sur sa capacité à répondre aux conditions variables
du site. Le débit d’une pompe volumétrique est moins affecté par la variation de la HMT alors
que la pompe centrifuge verra son débit diminuer rapidement à mesure que la HMT
augmente. La hauteur de refoulement d’une pompe centrifuge est fonction du carré de la
18
vitesse du moteur. À mesure que la HMT augmente, le rendement de la pompe diminue très
rapidement ; le moteur devrait tourner beaucoup plus rapidement pour fournir un même débit.
Figure 14: Choix d’une pompe selon la HMT et le débit demandé.
b) DEFINITION GENERALE DUNE IRRIGATION « GOUTTE-A-GOUTTE ».
L’irrigation «goutte à goutte» est appelée aussi «irrigation localisée ou microirrigation». On l’appelle irrigation par «infiltration» lorsqu’elle est réalisée au moyen de
tuyaux filtrants enterrés. L’irrigation goutte à goutte se développe de plus en plus dans le but
de palier a la rareté de l’eau. Elle se caractérise par un apport d’eau localisée, fréquent et
continu utilisant des débits réduits à des faibles pressions. Seule la fraction du sol exploitée
par les racines est continuellement humectée. Cela permet une réduction de l’évaporation, une
meilleure conservation de la structure du sol et une réduction des mauvaises herbes. Ce
19
système permet aussi d’exploiter des champs à topographie et configuration irrégulières, des
sols lourds qui se fissurent en été, ou des sols légers filtrants. La fréquence élevée des
arrosages permet une dilution des sels présents dans la solution du sol sous le distributeur et
un maintien des sels à la périphérie du bulbe humecté.
Figure 15: Schéma de principe d’une irrigation goutte à goutte.
c) DEFINITION GENERALE D’UN GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE.
Un générateur photovoltaïque (PV) produit de l’électricité à partir du rayonnement
solaire. Les cellules PV sont réalisées la plupart du temps dans un matériau semi-conducteur
(le silicium, par exemple). Ce sont les photons de la lumière qui, en frappant la cellule,
déplacent les électrons dans le matériau et génèrent ainsi une circulation continue des
électrons : c’est le courant électrique (fig16).
20
Dans la plage habituelle d’utilisation (plage à courant quasiment constante), une cellule PV
peut être considérée comme un générateur de courant. Le courant généré dépend
essentiellement de l’éclairement (W/m ) et de la température dʼéquilibre de la cellule PV
(fonction de la température extérieure et de la vitesse de l’air ambiant). La tension est fonction
des matériaux constitutifs de la cellule.
Figure 16: Schéma de principe du générateur photovoltaïque.
Le fonctionnement d’une cellule peut être représenté par un réseau de courbes, qui
indique l’évolution du courant généré par la cellule en fonction de la tension aux bornes de la
cellule (fig10). Chaque courbe est fonction notamment de l’éclairement et de la température
(extérieur ou de la cellule).
Un panneau solaire est l’assemblage en série et en parallèle des cellules PV. Cet assemblage
permet d’obtenir les tensions et les intensités souhaitées (par exemple, des panneaux de 12
Vcc, 24 Vcc ou plus). A titre indicatif, 72 cellules de 10.2 mm en silicium poly-cristallin
assemblées en 8 séries parallèles de 14 cellules, constitueront un panneau capable de produire
environ 120 W/m , soit environ 24V, 5 A. Ceci pour un éclairement solaire de 1000 W/m ,
une temperature ambiante de 25˚C et un spectre solaire de 1.5.
21
Figure 17: Caractéristique U-I d’un générateur photovoltaïque.
d) PRESENTATION DE LA METHODE DE DIMENSIONNEMENT.
Deux principaux objectifs sont visés en ce qui concerne le dimensionnement de notre
système solaire ici étudié: l’économie d’eau, et l’économie financière. Autrement dit, un
système photovoltaïque, pour le pompage d’eau pour une irrigation «goutte à goutte» bien
dimensionné doit pouvoir combler les besoins en quantité d’énergie qu’on en attend, tout en
étant le moins couteux tant au moment de son installation que dans sa phase de production, et
doit fonctionner pendant une période raisonnable garantissant son amortissement.
C’est pourquoi, trois (3) phases ont été détectées pour parvenir a un dimensionnement
optimal :
Phase 1: Détermination des besoins en eau du champ à irriguer.
22
Cette phase nécessite une connaissance du types de plantes à irriguer, de la nature des sols, du
type d’irrigation goutte à goutte choisi et des conditions atmosphériques (vents, humidité,
etc.) ; à cela, on associera toutes les pertes d’eau dues à l’évaporation lorsque le bassin de
rétention est ouvert. Un choix sur l’autonomie recherchée doit être fait pour définir une
capacité de stockage d’eau. Le débit recherché au niveau des goutteurs peut conditionner la
hauteur de stockage.
Phase 2 : Dimensionnement et choix du type de motopompe.
Cela est fonction de la profondeur du forage, de la hauteur de stockage, du débit de pompage
recherché, de son alimentation électrique en continu ou alternatif mono ou triphasé, etc.
Phase 3 : Dimensionnement et montage du système PV.
Ce dimensionnement tient compte (en gros) de la puissance nominale de la pompe majorée
des différentes pertes (conversion de tension, régulation, etc.) et de l’ensoleillement du site.
Son montage (orientation) dépend de sa position géographique (longitude).
Figure 18: Processus de transformation d’énergie.
23
B. DETERMINATION DES BESOINS EN EAU.
e) BESOINS EN EAU DES PLANTES A IRRIGUER
Pour une irrigation goutte à goutte, l’eau est déversée sur la plante le plus
fréquemment possible ou en continu, et quotidiennement. Quant à la détermination de la
quantité d’eau à apporter, on doit irriguer de sorte à compenser les pertes par évaporation et à
prévenir la salinisation de la rhizosphère.
Figure 19: Cycle d’évapotranspiration.
Les pertes par évapotranspiration dépendent des conditions météorologiques
qui
varient au fil du temps. Pour les déterminer, on peut observer les variables météorologiques
24
pertinentes (température, vent, humidité atmosphérique et ensoleillement), puis appliquer
l’une des équations fonctionnelles ou formules permettant de calculer l’évapotranspiration
potentielle. La formule de base utilisée pour déterminer le besoin en eau est l’équation de
Penman donnant l’évapotranspiration de référenceET$ .
ET$ = C%WXR + (1 − W)Xf(u)X(e, − e- ).
Dans le cas de
notre
étude,
nous avons choisie
utilisée
les données
d’évapotranspiration de la zone de N’Djamena (Fort Lamy) de 1964 et de l’évaporation sur
bac classe A (1984-1990) disponible au centre de recherches tchadiennes qui donne la
moyenne de l’évaporation à environ 9mm/jour.
Figure 20: Evaporation moyenne de N’Djamena Rg (Fort Lamy).
25
Table 1: Moyennes mensuelles interannuelles de l’évaporation sur bac classe A (1984-1990).
26
EXIGENCES DE LA CULTURE
La superficie de l’exploitation a été divisée en 8 secteurs d’arrosage comme l’indique
le plan parcellaire ci-dessous.
Figure 21: Plan parcellaire du site.
27
La superficie de l’exploitation est de 10.57ha. Sa longueur est de 340 m et sa largeur de
320m. L’étude a défini un nombre de secteur d’arrosage (Ns) de 8. Chaque secteur a une
superficie de 1.2948ha dont la longueur L0 =156m et la largeur l0 =83m.
Chaque ligne de plante sera irriguée a partir d’une rampe de longueur L2 =39m portant des
gouteurs espacés de 3m (E3 ) et ayant un débit de 2 l/h à une pression de 1 bar.
Le nombre de goutteurs par rampe N3 =L2 /E3 =39/3=13.
Le débit de la rampe D2 =N3 × D3 = 13 × 2= 26 l/h.
L’écartement entre rampes E2 =3m. Les rampes sont places de part et dʼautre de chaque porte
rampes. La largeur du secteur l0 =83m. Le nombre paire de rampe par porte rampes
N5252 =l0 /E2 =83/3=27.666=28 et le nombre de rampe par porte rampe N252= N5252X 2= 28 X
2= 56. Le nombre de porte rampe par secteur est N5 =2. Le nombre total de rampes par secteur
N62 =N5252 X N5 == 56 X 2= 112.
La longueur total de rampe par secteur d’arrosage est de L62 =N62 x L2 = 112 X 39= 4368m. Le
nombre total de goutteurs par secteur N63 = N62 x N3 = 112 X 13=1456.
Le débit horaire d’un secteur D0 = N63X D3 = 1456 x 2= 2912 l/h=291.2 m /h
La pluviométrie horaire d’un secteur P0 = D0 /S0 =2912/12948= 0.225l/h=0.225mm/h.
Ou S0=12948 m la superficie dʼun secteur.
Le débit horaire de la superficie de l’exploitation est D6 = D0 XN0 = 2912X8 = 23296l/h
f) ETUDE DU STOCKAGE DE LʼEAU
Le stockage de l’eau dans le cadre d’une irrigation «goutte à goutte» est quasi
obligatoire du fait des impératifs que cette forme d’irrigation suscite. Il permet un décalage
entre la disponibilité de l'énergie solaire (midi) et les besoins en eau (matin, soir, nuit). On
distingue de ce fait trois (3) principales raisons :
1-Lorsquʼon opte pour une irrigation «goutte à goutte», c’est que l’on a pour premier
souci de réguler l’eau en évitant le gaspillage. Cela ne peut se faire que sʼil y a une rétention
28
préalable de l’eau pompée au fil du soleil, suivie d’un contrôle de son versement au pied de la
plante.
2- La plupart des pompes délivrent un débit variable en fonction de l’ensoleillement.
La présence d’un dispositif de rapport au niveau du sol, un contrôle plus ou moins précis du
débit que l’on souhaite avoir au niveau des goutteurs. Par ailleurs, un compromis est à
trouver concernant la dite hauteur de la cuve de stockage, car plus la cuve est haute, plus il va
falloir utiliser une pompe de grande puissance pour tirer l’eau du forage jusqu’à elle.
3-Un dispositif de rétention est finalement nécessaire pour les périodes
d’ensoleillement insuffisant. Une quantité d’eau supplémentaire doit être étudiée en fonction
de l’autonomie recherchée.
Le volume de stockage est souvent dimensionné entre 60% et 100% du volume moyen
journalier de l'eau pompée. Mais les dimensions peuvent varier en fonction des situations. Le
coût du réservoir peut être élevé (réservoir surélevé, tuyauterie). Les matériaux et les
méthodes utilisés pour construire les réservoirs varient selon les qualifications locales et les
matériaux disponibles. Les principaux matériaux utilisés dans la construction des réservoirs
de stockage sont :
- le ferrociment,
- la maçonnerie ou les blocs de béton,
- le béton renforcé avec du bambou,
- le plastique,
- le fer ou la tôle galvanisé.
g) DIMENSIONNEMENT DE LA CAPACITE DE STOCKAGE DE L’EAU
L’étude précédente a permis de déterminer le débit total horaire de l’exploitation qui est
de D6? = D0 XN0 = 2912X8 = 23296l/h.
29
Nous estimons que la pompe solaire qui sera choisie pour cette application fonctionnera de 9h
à 16h avec son pompage maximal à 12h, ce qui nous donne 7h de fonctionnement par jour.
Le débit total journalier de l’exploitation sera donc :
de D6 = D6? X7 =
ABC
?
X7h = 163072l = 163,072m
Dans notre cas présent, le réservoir a été dimensionné à 5m de hauteur et à une capacité de 90
m qui est approximativement 60% de la capacité journalière calculée à 163m .
C. CHOIX ET DIMENSIONNEMENT DE LA MOTO-POMPE.
Le dimensionnement de la motopompe peut se faire par les méthodes suivantes : graphiques
(utilisée pour choisir la pompe) et analytiques(en se basant sur les calculs).
h) CHOIX DE LA MOTOPOMPE (méthode graphique)
Les études précédentes nous ont permis de déterminer un débit horaire de l’exploitation qui
est Q=23,296m /h. Une pompe d’un débit de 24m /h sʼimpose pour cette exploitation. La
pompe sera donc immergée à une profondeur de 20m, avec un ensoleillement de 800W⁄m
(qui est celui du Tchad) pour alimenter un château de 90m .
Plusieurs méthodes existent pour le choix de la pompe, nous avons utilisé celle des abaques
pour choisir la pompe PS4000 C-SJ17-4 1 pce Système de pompe immergée comprenant
contrôleur, moteur et extrémité de pompe sur le site www.lorentz.de.
30
Figure 22: Graphe de la pompe choisie.
Source : www.lorentz.de
i) DIMENSIONNEMENT DE LA MOTOPOMPE (METHODE ANALYTIQUE).
La courbe qui caractérise le fonctionnement d’une motopompe en fonction de
la variation de l’ensoleillement peut se rapprocher de la courbe ci-dessous : l’axe des
ordonnées est gradué à droite en W et à gauche en %. L’amplitude du débit de la
motopompe est indiquée à droite.
31
Figure 23: Fonctionnement d’une motopompe en fonction de la variation de l’ensoleillement.
La motopompe commence à débiter à partir d’une certaine puissance fournie par les modules
solaires (ici sur le graphe environ 250 Watts). Le débit de la pompe, quasiment nul à cette
puissance, augmentera proportionnellement avec l’ensoleillement pour atteindre le maximum
à midi solaire. Remarquer l’influence des saisons ou de la météo. Le démarrage du
fonctionnement de la motopompe est fonction du type de celle-ci, et de la profondeur de
pompage.
Etape 1 : Les calculs vont être effectués pour un système de pompage au fil du soleil avec une
pompe centrifuge équipées dùn moteur a courant continu dont le rendement est ηF =0.85 et
d’une pompe centrifuge de 164V et η5 =0.55 en fonctionnement optimal.
Etape 2 : Le débit horaire maximale de la pompe sera le débit horaire de l’exploitation qui est
QH,I = 24m /h.
32
Etape 3 : Calcul Puissance hydraulique : Ph (kW) = 2,725 10
xQH,I x H
H= 20m + 5m= 25m hauteur manométrique.
Ph= 2,725 10
X 24 X 25 =1,635 KW
Etape 4 : Calcul de la Puissance mécanique : Pm = Ph / η5
Pm= 1.635/0.55= 2.972 KW.
Etape 5 : Calcul de la puissance électrique du moteur : Pe = Pm / ηF
Pe= 2.972/0.85= 3.497 KW.
Nous aurons donc a installé une pompe de puissance électrique égale à 3.497 KW, ce qui
correspond bien à la pompe PS4000 C-SJ17-4 choisie précédemment.
D. DIMENSIONNEMENT DU CHAMP PHOTOVOLTAIQUE.
Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, le dimensionnement proprement dit,
c’est-à-dire l’agencement série-parallèle des panneaux solaires se détermine conjointement
avec le choix de la pompe pour qu’il yʼait compatibilité entre l’offre et la demande d’énergie.
En effet, nous avons vu que la caractéristique tension et courant des modules photovoltaïques
et de la pompe doivent être en corrélation. Si la corrélation n’est pas respectée, des éléments
peuvent se retrouver en panne.
Etape 6 : Calcul Puissance du générateur a 800 W/m2 compte tenu des pertes :
Pg = Pe /
0,9= 3.497 / 0.9 = 3.885 KW.
Etape 7 : Calcul Puissance crête du générateur : Pc = Pg / 0,8
Pc = Pg / 0,8 = 3.885 / 0.8 = 4.857 KW
Etape 8 : Choix de la tension nominale imposée par la charge
La tension de la pompe qui constitue ici la seule charge est V=164V
Etape 9 : Calcul ns et n// et Pc installée
Calcul de ns
ns= 164/12= 13.66 qui peut être arrondi à 13.
Calcul de n//
33
n//= J
JK
KLMNOPQ
X =
R
STUV
BU
X
=1.341 qui peut être arrondi à 2.
.BB
Le générateur photovoltaïque à être installé sera constitué de 26 modules de 265W et 12V
dont deux branchements de 13 modules en série connecté en parallèles.
Figure 24: Schéma de branchement.
34
Rendement quotidien en mois moyen du system de pompage
Figure 25: Rendement quotidien en mois moyen du system.
35
E. INSTALLATION
Les travaux d'installation doivent être exécutés avec soin pour assurer le bon fonctionnement
des systèmes et leur pérennité.
Figure 26: Installation type.
L'orientation des panneaux et modules
Le panneau doit être positionné de telle sorte que le rayonnement solaire soit utilisé au
maximum, c'est à dire que les modules doivent être orientés vers l'équateur.
Pour notre site, l’orientation des modules sera de 15° ce qui correspond aux coordonnées
géographiques du site (12° Nord, 15° Est).
Les ombres portées
Le positionnement des panneaux sur le site doit être tel qu'aucune ombre n'atteigne les
modules quel que soit la période de l'année (Végétation, maison, etc.). L'occultation d'une
série de modules peut provenir de l'installation des panneaux (cas de plusieurs rangées). Les
ombres portées doivent être évitées entre 9 h et 15 h solaire. La figure suivante indique les
36
distances minimales à respecter pour un ensemble d'obstacles au Nord, au Sud, à l'Est et à
l'ouest du générateur solaire.
Figure 27: distances minimales Est, Ouest, Nord et Sud.
Installation électrique
Pendant l'exécution des raccordements électriques, les modules doivent être couverts à l'aide
d'une toile, d'une bâche ou autre. On respectera la désignation des bornes et leur polarité.
Après le montage des modules sur la structure, on procède au câblage des modules
conformément aux notices d'installation du fournisseur. Il est important d'effectuer un bon
serrage des câbles et des presse-étoupes et de s'assurer de la bonne étanchéité aux différents
points d'entrée de câbles. Il est indispensable d'installer une mise à la terre pour le système
photovoltaïque afin de le protéger contre toute surtension que pourrait occasionner la foudre.
Eventuellement, il faudrait prévoir un paratonnerre pour les installations de forte puissance.
37
Toutes les parties métalliques devront être reliées entre elles et un seul point sera relié à un
piquet de mise à terre.
Figure 28: Piquet de mise à la terre.
F. MAINTENANCE DES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
La maintenance est l'ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans
un état clairement spécifié ; bien maintenir c'est assurer ces opérations à un coût global
minimal. Les principales activités de la maintenance sont
- la prévention : visites, contrôles.
- l'introduction : révisions, réparations.
- l'amélioration : rénovations, modernisations.
Il existe deux types de maintenance :
* la maintenance préventive (systématique ou conditionnelle),
38
* la maintenance corrective (palliative : le dépannage ou curative : la réparation).
Cette phase essentielle doit être intimement associée à l'exploitation des systèmes
photovoltaïques. Un suivi est parfois mis en place pour assurer la garantie de bon
fonctionnement et la garantie de résultat. Les systèmes de mesure ou comptage automatiques
permettent un suivi à distance par transmission des données soit par téléphone, soit par
satellite à des coûts abordables. On peut ainsi suivre des niveaux permettant de déclencher
une intervention humaine sur place, ou une télécommande pour les systèmes les plus
sophistiqués. Les systèmes photovoltaïques demandent un entretien et une maintenance très
réduites.
Au niveau des modules
* Les modules doivent être nettoyés régulièrement (le soir ou tôt le matin au moins
une fois par mois) à cause de la poussière.
* Vérifier que le panneau solaire n'est pas à l'ombre même partiellement.
* Si un module est défectueux, on procède à son remplacement par un module
identique.
Au niveau du convertisseur DC-DC
* Il est bon de s'assurer de son bon fonctionnement de temps en temps (par exemple
tous les 3 mois).
* On effectue un échange standard si le régulateur est en panne, en attente d'une
remise en état.
Au niveau des récepteurs
Parmi les récepteurs, c'est la pompe d'un système de pompage qui demande un peu
plus d'entretien. Sa durée de vie est plus faible que pour les autres composants du système.
* Un nettoyage régulier de la pompe est nécessaire.
* En cas de panne il est préférable d'effectuer si possible un échange standard en attente d'une
remise en état.
39
2. ETUDES ECONOMIQUES
L’analyse économique des solutions photovoltaïques prend de plus en plus de l'importance
maintenant que cette technique atteint un stade de maturité suffisant pour aborder la
compétition avec les solutions classiques (réseau interconnecté, diesel) et éprouvées
d'électrification en zones rurales et isolées. Cette analyse économique est ainsi indispensable
pour prendre des décisions d'investissement en toute connaissance de cause, pour pouvoir
comparer les prévisions et la réalité des projets et programmes, pour pouvoir quantifier la
rentabilité des services rendus par l'électricité photovoltaïque pour la collectivité et l'usager et
donc, in fine, pour pouvoir motiver les décideurs et les utilisateurs potentiels. Il faut toutefois
noter que dans cette analyse, il est difficile de prendre en compte tous les coûts :
* Coûts sociaux : exode rural...
* Coûts pour l’environnement: pollution...
G. COUT DʼINVESTISSEMENT (voir tableau ci-dessous).
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
DESIGNATION
Fourniture des Panneaux de 185W, 36V,
5.5A
Régulateur 30A
Câbles 3x2.5mm2 (rouleau 100m)
Châssis pour panneau
Boites de dérivations
Château de stockage dèau
Tuyauterie
Gouteurs
Pompes
Forage
Achat du chant
Main dàeuvre
Achat des plantes
Unité
U
U
U
FF
U
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
FF
Qté
26
1
3
1
12
1
1
11648
1
1
1
1
11648
TOTAL
P,U
P,TOTAL
385,000
10,010,000
130,000
75,000
35,000
3,500
4,000,000
5,000,000
500
2,500,000
700,000
3,000,000
1,000,000
500
130,000
225,000
35,000
42,000
4,000,000
5,000,000
5,824,000
2,500,000
700,000
3,000,000
1,000,000
5,824,000
38,290,000
Table 2: Cout d’investissement.
40
H. DEPENSES DʼEXPLOITATION.
Salaire du technicien qui sera recruté pour la gestion quotidienne de l’équipement :
80000 FCFA/mois. Ce qui fait une dépense totale de 960000 FCFA/an.
Salaire du technicien qui sera recruté pour l’entretien des plantes: 80000 FCFA/mois.
Ce qui fait une dépense totale de 960000 FCFA/an.
Achat de fumiers : 500000FCFA/an.
Nous estimons une dépense annuelle de 960 000 X 2 + 500 000= 2 420 000 FCFA/an.
Cette dépense sera majorée de 500 000 FCFA/an à cause de la nécessite de transport pour
livrer la production au marché de N’Djamena. Ce qui équivaut à une dépense annuelle de
2 920 000 FCFA/an à partir de la troisième année.
I. ESTIMATION DES RECETTES
Nous avons au total 11648 plantes qui commenceront à produire à partir de lʼan 3 et nous
estimons une production minimale de 100 fruits par plantes. Ce qui nous donne une
production de 100 X 11648 = 1164800.
Une enquête sur la vente de fruits ici goyaviers, manguiers et citronniers a été mené au
marché de Ndjamena pour déterminer avec exactitude le prix de vente moyen qui est de 25
FCFA par fruits.
Ce qui nous donnera une recette annuelle de 25 FCFA X 1164800 = 29.120.000 FCFA/an.
J. RENTABILITE FINANCIERE DU PROJET.
Données de base:
Investissement initial 38 290 000 FCFA.
Dépenses d’exploitation pour les deux premières années : 2 420 000 FCFA/an.
Dépenses d’exploitation à partir de la troisième année : 2 920 000 FCFA/an.
Recettes à partir de la troisième année : 29 120 000 FCFA.
41
Taux d’actualisation de 10%.
Durée de vie de 10 ans.
Calcul de la Valeur actuelle nette (VAN).
L’évaluation d’un investissement par la valeur actuelle (VA) consiste à calculer les revenus
futurs, c'est-à-dire les flux de trésorerie, attendus de cet investissement et à en faire la
sommation.
La valeur actuelle nette est l’un des principaux critères de choix des investissements. Elle
permet de déduire des flux de revenus actualisés générés par l’investissement, les montants
actualisés des investissements réalisés. Elle est donc la somme des flux nets de liquidité (ou
flux nets de trésorerie) actualisés générés par cet investissement durant sa durée de vie. Elle
est la richesse que génère cet investissement durant sa durée de vie ; c’est la rentabilité finale
qu’il dégage au profit de son promoteur au-delà de la rentabilité que traduit le taux
d’actualisation.
AN
S
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
COUT
INVESTI(FCFA
)
38290000
RECETTE
S
(FCFA)
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
DEPENSE
S
(FCFA)
2420000
2420000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
VAN
CASHFLOWS
-38290000
-2420000
-2420000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
Taux
d’actualisation
ACTUALISATIO
N
10%
1.000
0.909
0.826
0.751
0.683
0.621
0.564
0.513
0.467
0.424
0.386
0.1
CASHFLOWS
ACTUALISES
-38290000
-2200000
-2000000
19684447.78
17894952.53
16268138.66
14789216.97
13444742.7
12222493.36
11111357.6
10101234.18
73026583.79
Table 3: Calcul de la VAN au taux d’actualisation de 10%.
42
La règle de la VAN permet de sélectionner des investissements qui offrent à priori une
rentabilité au moins égale à celle du marché. La relation entre la rentabilité d’un
investissement et celle du marché est la suivante : une VAN positive correspond à un projet
dont le taux de rentabilité est supérieur à celui du marché et la VAN est le surplus de résultat
par rapport à la rentabilité attendue par les investisseurs ; en d’autre terme, il est plus
profitable pour le détenteur du capital d’investir dans ce projet que de placer son argent au
taux d’intérêt du marché financier. Ce projet enrichit son promoteur et son acceptation
d’investissement est donc recommandée.
Le Taux Interne de Rendement (TRI)
Le Taux de Rendement Interne (TRI) ou Taux de Rentabilité Interne est le taux
d’actualisation pour lequel la dépense d’investissement est égale à la somme des cash-flows
générés par l’investissement. C’est le taux d’actualisation pour lequel la valeur actuelle nette
est nulle.
TRI = i tel que I0 = CF1(1+i)-1 + CF2(1+i)-2 +………+ CFn(1+i)-n
TRI = I tel que VAN = 0
TRI = i tel que VAN = 0
TRI = i tel que - I0 + CFk(1+i)-k = 0
Le TRI est donc la solution à l’équation :
- I0 + CF1(1+i)-1 + CF2(1+i)-2 +…+ CFk(1+i)-k +…+ CFn(1+i)-n = 0
La résolution d’une telle équation est très délicate Pour calculer le TRI d’un investissement,
quatre méthodes sont utilisées :
- calcul par essais successifs
- calcul par interprétation graphique
- calcul par interpolation linéaire
- utilisation de la calculette programmable
Nous optons pour le calcul par essais successifs et interpolation linéaire.
43
Essais successifs
La méthode consiste à choisir un taux d’actualisation et à calculer la VAN
correspondante. Si la VAN est positive, on choisit un taux plus élevé et de nouveau on calcul
la VAN. On obtient une VAN inférieure à la première. On continue ainsi jusqu’à avoir une
VAN positive proche de zéro, puis une VAN négative proche de zéro. On procède alors soit à
une interprétation graphique soit à une interpolation linéaire.
Calcul de la VAN à un taux dàctualisation de 32%
Taux
d’actualisation
AN
S
0
COUT
INVESTI(FCFA
)
38290000
RECETTE
S
(FCFA)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
DEPENSE
S
(FCFA)
CASHFLOWS
-38290000
ACTUALISATIO
N
32%
1.000
2420000
-2420000
0.758
2420000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
VAN
-2420000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
0.574
0.435
0.329
0.250
0.189
0.143
0.108
0.082
0.062
0.32
CASHFLOWS
ACTUALISE
S
-38290000
1833333.333
1388888.889
11391462.84
8629896.089
6537800.068
4952878.839
3752180.939
2842561.317
2153455.543
1631405.715
379419.1252
Table 4: Calcul de la VAN aux taux d’actualisation de 32%.
44
Calcul de la VAN aux taux dàctualisation de 33%
ANS
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
COUT
INVESTI(FCFA)
38290000
RECETTES
(FCFA)
DEPENSES
(FCFA)
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
29120000
2420000
2420000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
2920000
VAN
CASHFLOWS
-38290000
-2420000
-2420000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
26200000
Taux
d’actualisation
ACTUALISATION
33%
1.000
0.752
0.565
0.425
0.320
0.240
0.181
0.136
0.102
0.077
0.058
0.33
CASH-FLOWS
ACTUALISES
-38290000
-1819548.872
-1368081.859
11136439.66
8373262.905
6295686.395
4733598.793
3559096.837
2676012.659
2012039.593
1512811.724
-1178682.162
Table 5: Calcul de la VAN au taux d’actualisation de 33%.
Interpolation pour la détermination du TRI
Taux
32%
33%
1%
VAN
379419.1252
(1178682.162)
(1558101.287)
Table 6: Caractéristiques du projet.
∆taux= 33%-32%=1% ce qui donne ∆VAN=1558101.287.
Pour ∆VAN=379419.1252
X VAS A.
U
UUT Y . T
∆taux= ?
= 0.2435
Donc TRI= 32%+0.2435= 32.2435%.
TRI= 32.2435%
Signification et utilisation du TRI
Le TRI établit pour un projet (un investissement donné) une distinction entre 2 catégories de
taux :
les taux d’actualisation inférieurs au TRI pour lesquels la VAN du projet est positive,
les taux d’actualisation supérieurs au TRI pour lesquels la VAN est négative
45
Figure 29: Signification et utilisation du TRI.
Nos calculs précédents donnent une VAN positive et un TRI supérieur au taux d’actualisation.
Ce projet économiquement enrichi son investisseur.
V. RECOMMANDATIONS - PERSPECTIVES
Cette étude nous a permis d’analyser et de dimensionner les éléments constitutifs d’un
système de pompage solaire PV d’un champ de neuf hectare pour une irrigation goutte à
goutte à Seheba au Tchad. L’étude a conduit :
A recenser les équipements et les travaux déjà existant sur le site,
A calculer les besoins en eau du site,
A choisir une pompe solaire et à dimensionner le générateur photovoltaïque,
Et enfin à faire l’analyse économique du projet.
L’étude montre que sur le plan technique, la production agricole par un système de
pompage solaire pour une irrigation goutte à goutte est possible au Tchad. La rentabilité
financière de ce projet au taux de 10% enrichit son investisseur, il sera nécessaire de mettre en
46
place des mesures d’accompagnement afin d’inciter de potentiels porteurs de projets à s’y
investir.
Un projet de cette nature présente donc un intérêt économique pour l’Etat tchadien,
dans la mesure où non seulement il peut permettre de satisfaire les besoins en électricité car
les panneaux peuvent aussi être dimensionné pour l’éclairage, mais aussi permet de faire
accroître le taux d’accès à l’eau potable notamment en milieu rural et d’augmenter de façon
substantielle la production agricole nationale grâce au développement de petites superficies
agricoles irriguées. Il est donc opportun pour l’Etat tchadien de mettre en place les conditions
nécessaires pour favoriser la rentabilité de ces projets et de susciter par conséquent l’intérêt du
secteur privé à s’investir dans des projets de production agricole avec pompage solaire pour
une irrigation goutte à goutte.
Pour le détenteur de ce projet, les recommandations suivantes sont à respecter :
Contrôler et entretenir régulièrement le système pour éviter le problème de colmatage.
Maintenir l’eau d’irrigation propre en réalisant une bonne filtration.
Superviser le système PV et la conduite du goutte à goutte par un technicien
expérimenté.
Apporter des quantités d’eau et de fertilisants qui répondent aux besoins de la plante en vue
d’obtenir une augmentation de la production et de sa qualité.
Le repérage et l’élimination des goutteurs obstrués sont lents et onéreux, c’est pourquoi il
convient d’éliminer les causes d’obstructions par une filtration soignée, un traitement
chimique préventif et un contrôle et un nettoyage régulier des filtres et du réseau.
Pour l’état tchadien et les investisseurs privés, les recommandations suivantes sont à
respecter :
La promotion sur le plan national d’un tel projet pourrait permettre d’augmenter de manière
conséquente la production agricole nationale en vue d’atteindre l’autosuffisance alimentaire.
La subvention des prix de tous les équipements solaires en vue de les rendre disponible et
accessible à to
47
VI. BIBLIOGRAPHIE
[1] Note de cours Solaire Photovoltaïque : 2010 Zacharie KOALAGA.
[2] Bulletins Climatologiques Tchadien.
[3] Fondation Energie pour le monde et peuples solidaires, «ENERGIE SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE», Paris-2005-06.
[4] Pompage photovoltaïque : Guide à l’intention des ingénieurs et techniciens.
[5] Institut de l’Energie et de l’Environnement de la Francophonie (IEPF) ;
[6] Université d’Ottawa, EIER, CREPA
[7] Système photovoltaïque : dimensionnement pour pompage d’eau pour une irrigation goutte
à goutte. Mémoire de fin d’étude Thierry Maurice.
[8] C. Daux et C. Lusseau – Sciences de lʼIngénieur-EduSCOL/ENS, «ARCHITECTURE DE LA CHAINE
DʼENERGIE DE POMPAGE DE LʼEAU BRUTE»-Cachan-01 janvier 2004.
[9] J.C.Scholle, «LE DIMENSIONNEMENT DʼINSTALLATION SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE :
Identification, évaluation et comparaison de quelques outils de dimensionnement», Pau- 4
mai-2006.
[10]ENERGIES NOUVELLES ENTREPRISES-, «LES POMPES SOLAIRES». Conférence GRDR ; St
Mamert-2002.
[11]RETScreen International-Ministère des Ressources naturelles, « ANALYSE DE PROJETS
DʼINSTALLATION PHOTOVOLTAIQUE», -Canada-2001-2004.
[12]Hassan ELATTIR, Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, -«LA CONDUITE ET LE
PILOTAGE DE LʼIRRIGATION GOUTTE A GOUTTE EN MARAICHAGE». Mensuel MADRPM/DERD
N°124-Rabat, janvier 2005.
[13]CIP-CSP, « LE POMPAGE AU FIL DU SOLEIL : Constitution dʼun système de pompage
photovoltaïque»
48
[14]A. Ibrahima, A. Schmitt, A. Guillerminet, EIER Ouaga, A Mermoud, EPFL –Lausanne, « BILANS
HYDRIQUES SUR SOLS LATERITIQUES DU PLATEAU MOSSI : Etude comparée dʼun sol sous
culture non labouré et labouré à billons cloisonnés» Ed. AUPELF-UREF-John Libbey Eurotext,
Paris 1991.
[15]Ludovic Oudin, «RECHERCHE D’UN MODELE DʼEVAPOTRANSPIRATION POTENTIEL COMME
ENTREE D’UN MODELE PLUIE-DEBIT GLOBAL» Thèse de doctorat de lʼENGREF (Paris) -29
Octobre 2006.
[16]S. Bouhlassa et S. Paré- Fac Moahmed V, « EVAPOTRANSPIRATION DE REFERENCE DANS LA
REGION ARIDE DE TAFILALET AU SUD-EST DU MAROC». E.d AJEAM-RAGEE Vol 11, Avril 2006.
[17]Netherlands Water Partnership-3e Forum de Tokyo, «LʼEAU: DES SOLUTIONS SIMPLES ET
ECONOMIQUES». Tokyo- Mars 2003.
Sites internet
http://www.climate-charts.com/Locations/t/TE64700.php.
http://www.cellule-economique-tchad.org/presentation.html.
www.lorentz.de
49

ETUDE POUR LA MISE EN PLACE DU SYSTEME DE POMPAGE

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