Etude logicielle des installations solaires a basse enthalpie

Proceedings of International Symposium on Environmental Pollution Control and Waste Management
7-10 January 2002, Tunis (EPCOWM’2002), p.172-180.
Etude logicielle des installations solaires a basse enthalpie
Software survey of solar installations at low enthalpy
B. KHIARI et S. BEN MABROUK
INRST : Laboratoire des Applications Solaires, Institut National de Recherche Scientifique et Technique
Po Box : 95 Hammam-Lif 2050
Tunisia
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Fax
: (+ 216) 71 430 934
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ABSTRACT
Since about ten years, the energy supplies became a very preoccupying problem, not only because of the increasing
difficulties bound to the oil products, but also because it’s necessary today to admit that to the scale of our planet the
energy resources are limited. The solar energy is the only outside energy whose contribution is permanent to the global
scale. Moreover, the experience showed that an increasing use of these classic energies is always accompanied by a
heat that one rejects continually and by the CO2 emission whose rate constantly increasing especially in the big
agglomerations. Therefore, one conceives that there is a superior limit to not exceed if one wants to avoid a
catastrophic warming up of the globe. For this reason, we thought about the promotion of the substitute energies in the
sanitary water heating, the air-conditioning and the food drying. A software of a technical and economic study of some
solar installations have been undertaken in order to identify criteria of an optimal use. These criteria take account, in
particular, of the technical models, the recent technological innovations and a tidy analysis of the commercial balance
(costs of investment, actualised values of energy savings,
rate of profitability,…). This paper presents the results of
the elaborated program concerning heating and drying in a partial solar fitting. The study aims to help the fitters and the
industrials in the calculation and the design of such plants, on one hand and on the other hand, the economists will be
allowed to compute the different financial and economic parameters in deal with the solar systems.
RESUME
Depuis une dizaine d’années, les approvisionnements énergétiques sont devenus un problème de plus en plus
préoccupant. De ce fait, nous avons pensé, à la promotion de l’utilisation des énergies de substitution pour le chauffage
de l’eau sanitaire, la climatisation de l’habitat et le séchage des produits agroalimentaires.
Un logiciel d’étude technico-économique des installations solaires a été entrepris dans le but
d’identifier des critères d’utilisation optimale. Ces critères tiennent compte en particulier des
modèles techniques de dimensionnement, des innovations technologiques récentes et d’une analyse
soignée du bilan commercial.
MOTES CLES
Energie renouvelable, installation solaire, insolation, logiciel de simulation, valeur actuelle nette, goût global, temps de
retour brut, taux de rentabilité.
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Etude logicielle
Introduction
Balbutiante dans les mois qui suivent la crise pétrolière de 1973 et la montée en flèche des prix du « brut », l’énergie
solaire est entrée dans un régime plus rapide et plus régulier. C’est là en partie l’effet des qualités physiques de
l’énergie solaire : non polluante, renouvelable, abondante mais surtout c’est le résultat d’une conjoncture économique
et politique favorable : d’une part une hausse du prix de l’énergie (pétrole, gaz, charbon uranium) et d’autre part, une
énergie nucléaire dont les coûts sont croissants et la popularité aléatoire [1].
Crédible donc, compétitive pas encore. Car, en premier lieu, l’énergie solaire est une énergie diffuse, difficile à
concentrer et, par voie de conséquence, coûteuse et peu adaptée aux besoins des mégalopoles industrielles qui
réclament de grandes quantités d’énergie près des centres de production.
Ces réserves faites, on conçoit que les véritables progrès de l’énergie solaire vont dépendre pour une large part de
l’innovation technique. Mais, celle ci est liée en fait au développement de différents marchés, ceux résultant des
besoins des pays en développement et puis ceux relatifs à la production d’électricité. L’énergie solaire recouvre ainsi un
champ très composite, qui va de techniques simples et bien au point, comme le chauffage de l’eau, à des techniques
réclamant une forte immobilisation en savoir faire et en capitaux, comme les photopiles, les centrales solaires de grande
puissance à terre ou, à plus forte raison, en orbite [2].
Etude Technique
Qu’il s’agisse uniquement de l’eau ou d’une installation complète, l’élément de base est le capteur plan. C’est une
« boîte » dont le fond métallique est peint en noir (pour retenir le maximum de calories) et la surface recouverte d’une
ou de plusieurs couches de verre, créant ainsi un effet de serre. La chaleur est transmise par l’intermédiaire d’un fluide
(eau ou air) à un système de stockage. Celui ci est constitué d’un réservoir d’eau ou d’une masse de pierres concassées
(quand le fluide caloporteur est l’air).
L’ensemble formé par le capteur plan et le réservoir d’eau constitue le plus simple des chauffe-eau solaires, l’eau étant
puisée directement au réservoir. Cependant, le système de stockage, fonctionnant en circuit fermé, est souvent
différentié du ballon d’eau chaude et la chaleur est transmise de l’un à l’autre par l’intermédiaire d’un échangeur,
solution qui présente l’avantage de permettre un emploi toute l’année puisqu’on peut ajouter des anticorrosifs et des
antigels [3].
Durée de l’insolation
La Tunisie totalise en moyenne entre 2863 et 3326 heures par an. Si l’on considère maintenant la fraction d’insolation,
définie comme étant le rapport de la durée d’insolation mesurée à la durée d’insolation possible, nous remarquons que
ce paramètre se situe en moyenne à l’échelle annuelle entre 64 et 75%. Cette fraction d’insolation assez importante
atteste bien que la Tunisie est un pays ensoleillé si l’on sait que la valeur annuelle de ce paramètre se situe entre 37 et
66 % pour la France par exemple [12].
Rayonnement global
L’étude de la durée d’insolation est très utile pour la détermination du rayonnement solaire reçu à la surface du sol. Les
statistiques effectuées sur les données du rayonnement global mesuré en divers points du pays, montrent que la Tunisie
reçoit quotidiennement 4.5 à 5.2 kWh / m², quantité assez importante pour les applications de l’énergie solaire.
A l’échelle mensuelle, le rayonnement global reçu varie entre 2.03 kWh / m² pour le mois de Décembre et 7.58
kWh/m² pour le mois de Juillet (où se situe le maximum d’énergie reçue sur l’ensemble du pays)[6].
173
Khiari et Ben Mabrouk
Besoins en eau chaude sanitaire
Les besoins en eau chaude sanitaire sont fixés par le client qui se base sur des statistiques de consommations pour les
années précédentes. Ces besoins peuvent être déterminés selon le nombre de postes de puisage et leur nature.
Taux de couverture solaire
Le taux de couverture solaire est le rapport entre la quantité d’énergie fournie à l’accumulateur par le circuit des
capteurs et la quantité d’énergie totale demandée. Ce taux représente donc la part fournie par le soleil dans la
consommation totale. Il est généralement fixé à 60 %.
Etude Economique
Introduction
Pour leur fiabilité et leur fonctionnement d’une manière autonome, les capteurs solaires représentent une
idéale à utiliser dans le milieu rural isolé. Même
technologie
si la technologie actuelle semble sûre, il est important d’examiner la
rentabilité économique des systèmes solaires pour la production d’eau chaude sanitaire en les comparant à des moyens
conventionnels de captation solaire [4]. Dans l’évaluation financière des capteurs, on considère comme critères :
l’investissement initial, l’installation, la maintenance pendant toute la durée de vie, le remplacement des équipements,
le génie civil, etc.
Quelques notions économiques
a- Taux de surenréchissement : C’est le facteur qui tient compte de l’augmentation probable du prix de l’énergie d’une
année à une autre.
b- Valeur actuelle et valeur actuelle nette : La valeur actuelle correspond à la somme des flux de trésorerie générés par
un titre financier ou un actif, actualisés au taux de rentabilité exigé [5]. La valeur actuelle nette (VAN) correspond,
quant à elle, à l'écart entre la valeur actuelle et la valeur à laquelle ce titre ou cet actif peut être acquis. La valeur
actuelle nette mesure
donc la création ou la destruction de valeur que l'achat d'un titre ou la réalisation d'un
investissement peut entraîner.
c- Calcul du coût spécifique de productivité : Le coût spécifique de productivité CSP, exprimé en Dinars investis par
kWh est donné par la relation suivante :
CSP =
Investissement
PSA
où PSA est la Production Solaire Annuelle.
L’optimisation du système solaire conduit donc à chercher la valeur minimale de rapport économique.
d-Calcul de la production énergétique garantie : La Production d’Energie solaire moyenne annuelle Garantie PEG est
exprimée en kWh par an, elle est estimée aux 8/10 de l’énergie solaire théorique annuelle produite en sortie du ballon
solaire, soit :
PEG = 0.8 PSA [ kWh / an ]
2-
Décomposition des coûts
Comme pour toute machine, il faut pouvoir estimer son coût réel comme la somme de sa valeur d'achat, du temps
174
Etude logicielle
nécessaire pour l'installer et de ses frais d'exploitation qu'elle engendre par la suite.
a- Coût des équipements : Evidemment, ce montant dépend beaucoup de la taille et du type de l'installation, en
particulier sur le taux de couverture solaire que l'on souhaite réaliser. Il ne faut pas oublier qu'en plus des capteurs
solaires, il faut encore compter un accumulateur et de la robinetterie [6].
b- Frais d'installation : Ces frais dépendent aussi du type d'installation
(un montage en kit est plus vite monté que si
le capteur est fourni en pièces détachées, par exemple) [7].
Le genre d'habitation influence aussi considérablement les frais de pose. Il revient plus cher d'adapter une maison déjà
existante que d'installer des capteurs solaires sur des nouvelles constructions, car dans ce cas, on évite les surcoûts dus
au perçage des murs.
c- Frais d'exploitation : Ces frais consistent essentiellement en une consommation d'électricité utilisée par le
circulateur d'eau et de réglage, plus les frais du mazout ou de l'électricité du chauffage d'appoint. On peut dire que les
premiers sont négligeables et que les seconds dépendent de la couverture solaire.
En effet, si une installation solaire est un peu surdimensionnée, les coûts du chauffage d'appoint diminuent, au prix
évidemment d'un plus grand investissement au départ. Il devrait donc être possible de trouver la taille de l'installation
optimale, qui minimise les frais fixes et les consommables. Ce n'est cependant pas forcément ce que cherche
l'utilisateur, pour qui la rentabilité n'est pas la chose la plus importante, mais bien la contribution à la protection de
l'environnement. C'est pourquoi, les exploitations sont souvent plus grosses que l'optimum économique [8].
4- Rentabilité économique
En comptant sur un ensoleillement moyen pour la Tunisie et un amortissement sur 25 ans, on aboutit à un coût du
kilowattheure solaire variant entre 15 et 30 millimes suivant la taille de l'installation et la proportion du travail que
vous avez fait vous-même pour l'installation .
Il faut ensuite pouvoir comparer ce montant à ce que coûterait la même énergie provenant d'une source "traditionnelle",
et c'est là que ça devient difficile: car il faut inclure tous les facteurs de coûts suivants :
- Le prix actuel du consommable.
- Le renchérissement du prix du consommable dans les 25 ans qui suivent.
- L'amortissement et les intérêts de l'installation de base. Souvent, les énergies les
meilleur marché sont celles qui demandent les équipements les plus chers...
- Le coût externe (ou social) que la société devra débourser pour s'occuper des déchets, et réparer les dégâts dus à la
pollution sur la santé, les monuments, etc. [9]
IV- Etude Logicielle : Résultats et Interprétations
1- Coût global
L'équation fondamentale du coût global peut s'écrire ainsi :
Coût global = coût initial + coûts différés (dépenses d'exploitation, d'entretien, de réparation et de remplacement de
même que les coûts liés à l'utilisation) moins la valeur de récupération (c’est à dire la valeur d'un bien au terme de sa
vie utile ou de la période d'étude).
Comme ces coûts sont répartis sur plusieurs années, il est nécessaire de les convertir en monnaies constantes (valeur
actuelle ou annuelle) afin de permettre leur comparaison pendant une période de temps donnée. La conversion de la
valeur future à la valeur actuelle, appelée actualisation, s'effectue par l'application de formules d'intérêts (escompte)
175
Khiari et Ben Mabrouk
dans le calcul des coûts ou des avantages anticipés d'un investissement. L'actualisation a pour principal objet de tenir
compte qu'une somme d'argent vaut plus aujourd'hui qu'elle ne vaudra demain, c'est-à-dire qu'elle peut accumuler de
l'intérêt. Le taux d'intérêt doit être fixé avant d'effectuer une analyse du coût global. On doit également énoncer des
hypothèses en ce qui concerne la durée de vie des éléments de l’installation, le taux d'inflation, le glissement des prix
de l'énergie et des coûts d'entretien [10].
Pour être en mesure de décider du projet le plus rentable, il faut rassembler tous les renseignements nécessaires pour
établir et évaluer les choix. Pour déterminer ces derniers, il faut énoncer
*
les objectifs, par exemple, le niveau de confort;
* les contraintes qui peuvent comprendre la sécurité, l'esthétique, ou la capacité des utilisateurs des installations;
*
les hypothèses, puis calculer et comparer le coût global des diverses solutions.
Dans le cas où l'investisseur doit choisir entre une installation de chauffage classique et une installation de chauffage
solaire avec appoint classique, la solution qui doit être retenue est celle dont le coût global est le plus faible tout en
satisfaisant les objectifs et les contraintes de l'investisseur [11]. Lorsqu'il n'y a qu'un seul projet et qu'il s'agisse de
déterminer le niveau rentable d'investissement, par exemple l'isolation, un investissement supplémentaire est rentable
aussi longtemps que le coût global s'en trouve diminué. Le niveau d'investissement le plus rentable correspond au point
où le coût global est réduit au minimum. Enfin, pour le cas où il s'agit de décider si l'on doit investir ou non, le critère
est que le coût global doit être inférieur après investissement qu'avant investissement.
Selon les objectifs visés et le type d'investissement considéré, d'autres méthodes d'analyse du coût global peuvent être
utilisées pour déterminer le niveau d'investissement le plus rentable tel que le taux de rendement interne (le taux
d'intérêt pour lequel le total des avantages actualisés d'un investissement est égal au total des coûts actualisés) et le
délai de récupération. Un investissement s'avère rentable si le taux de rendement interne est supérieur à la valeur
minimale acceptable par l'investisseur ou si le délai au terme duquel l'investissement est récupéré par les sommes
actualisées est inférieur à la durée de vie du projet [12].
176
Etude logicielle
Figure 1 : Evolution de la VAN
Figure 2 : Evolution du TIR
en
en fonction des besoins. Discounted
fonction des besoins. Rate of return
values versus needs.
versus needs.
Coût global actualisé de l'ECS
Coût actualisés des énergies
traditionnelles
3,5
3
80
70
2,5
60
50
DT
Millimes/kWh
90
40
30
2
1,5
1
20
10
0,5
0
GN
Figure
GPL
3:
Fuel
Coûts
0
Elec
actualisés
CEG
CESG
CESF
CEF
CESE
CEE
des
Figure 4 : Coûts actualisés de l’eau
énergies fossiles. Discounted values of
chaude sanitaire. Discounted values of
fossil energies
hot sanitary water
177
Khiari et Ben Mabrouk
Il peut se révéler utile, avant de prendre une décision finale, de vérifier les possibilités de réalisations économiques d'un
projet à partir de certains paramètres fondamentaux dont la valeur future est incertaine, par exemple la durée de vie du
projet, le glissement des prix de l'énergie, et le taux d'actualisation. Il est important de connaître la valeur ou la plage de
valeurs des paramètres susceptibles de modifier l'analyse du coût global (Figures 3 et 4).
2- Valeur Actuelle Nette
Pour différents taux de surenréchissement, on a calculé les VANs de l’installation solaire avec différents appoints. On
trouve que la rentabilité du projet dépend de la nature de l’appoint d’une part et du taux d’inflation d’énergie d’autre
part. En effet, un projet est d’autant plus rentable que le taux de surenréchissement et que le prix du combustible sont
élevés. C’est comme cela, par exemple, que pour des besoins de 50 000 kWh par an et avec une nouvelle chaudière (un
investissement de 11 000 DT), une installation solaire à appoint GPL donnerait une VAN négative pour un taux
d’inflation de 0 % et une VAN positive pour un taux de 5 %. On note également que plus les besoins sont importants,
plus la VAN devient grande (Figures1 et 7).
3-Temps de Retour Brut
Ce paramètre indique, selon qu’il soit supérieur ou inférieur à la durée de vie de l’installation, si un projet est rentable
ou non. C’est ainsi qu’on a généralement des projets rentables avec des appoints Fuel, GPL, ou électrique, ce qui n’et
pas le cas pour le Gaz Naturel. Ce critère est toujours fonction des taux de surenréchissement et des besoins qui vont
dans deux sens de variation opposés. En effet, plus les besoins sont importants, plus vite le capital investi sera récupéré
et plus le taux d’inflation est grand, plus court est le Temps de Retour Brut. L’appoint électrique donne le record des
délais de récupération alors que l’investissement dans le solaire à appoint Gaz Naturel donne des TRBs plus lents
(Figures 5, 6 et 8).
4-Taux Internes de Rentabilité
Le TIR est l’un des paramètres les plus importants dans l’évaluation de la rentabilité économique des projets il va dans
le même sens que les besoins et le taux d’inflation.
En Tunisie, le Gaz Naturel donne les TIRs les plus bas, suivi du GPL, du Fuel et enfin de l’électrique, conséquence
immédiate des prix de ces appoints (Figure 2).
V- Conclusion
Les calculs économiques tels qu’ils sont illustrés par le logiciel élaboré lors de ce projet prennent uniquement en
compte les quantités d’énergie non solaire, sans distinction de qualité. Or, le coût officiel des énergies non solaires ainsi
remplacées n’inclut pas les coûts sociaux inhérents aux énergies polluantes et dangereuses. Que deviendrait le prix du
Fuel si l’on pouvait y inclure le coût de la pollution [13].
Outre sa propreté et sa sécurité, l’énergie solaire possède au moins deux autres qualités susceptibles de venir en aide
aux économistes eux mêmes : elle est surabondante sur le territoire national et, contrairement au pétrole, ne nécessite
aucune importation ni aucun marchandage avec l’étranger. Elle est inépuisable et, contrairement aux énergies qui se
raréfient, peut servir de base à une économie non inflationniste [14].
178
Etude logicielle
Temps de retour brut
30
25
ans
20
15
10
5
0
CESE
CESF
CESG
Figure 5 : Temps de retour brut de
Figure 6 :
différentes installations.
fonction des besoins
Return on time for different fittings
Rate of profitability versus needs
for different extra energy provider.
Figure 7 : Courbes des valeurs
actuelles nettes en fonction des
besoins. Curves of discounted
value versus needs.
Evolution du TRB en
Figure 8 : Courbes des temps de
retour brut en fonction des besoins.
Return on time versus needs for
different fittings.
179
Khiari et Ben Mabrouk
REFERENCES
[1]
Leng A., 1982 : Suivi des performances d’installation de chauffage solaire dans
l’habitat.
[2]
[3]
Guirriec M., Icikovics J. P.,1985 : « Le solaire et l’habitat ». Sciences et Vie, 78
Methlouthi F., 1997 : Report of energetic audit of Kuriat Palace – Sousse.
[4]
Zouari B., 1998 : SOFTEN technical report for Skanes Rivage building site .
[5]
Ch Kerkeni, S. Ben Mabrouk, A. Belghith , 1988 : Etude des déperditions d’un capteur solaire plan. 2
nd
National Symposium in Physic Research.
[6]
Ben Nasr K., 2000 : Caractérisation d’un nouveau type d’échangeur à tuyaux capillaires: Application à la
climatisation. Faculté des Sciences de Tunis - Rapport DEA. Institut National de Recherche Scientifique et
Technique.
[7]
Ben Mabrouk S. ,1998 : Principaux systèmes de captation et de conversion de l’énergie solaire. Complementary
Ph D
[8]
thesis , Faculté des Sciences de Tunis.
Zaouari B., 1996 : Etude technico-économique d’une installation solaire collective pour le chauffage de l’eau
sanitaire – PFE à Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir.
[9]
Allouch M., 1982 : L’ensoleillement en Tunisie. Internal report of the National DEA Report, Institute of
Meteorology under the master of the geophysic science.
[10]
[11]
[12]
Pierre A., 1983 : L’eau chaude sanitaire : Conception et calcul technique. Practical guide A.I.C.V.F.
M. Francke, J. M. Moster, 1999 : Programmation Microsoft Visual Basic : Micro Applications.
Khiari B., 2001: Etude technico-économique des installations solaires. DESS
d’Ingénieurs de Sfax.
[13]
Document Internet - site : www.cstb.fr
[14]
Document Internet – site : www.amede.fr
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report, Ecole Nationale