Afrique SCIENCE 02(2) (2006) ISSN X

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1 Afrique SIENE () (6) ISSN 8-548X 87 Etue techico-écoomique u système hybrie (aérogéérateur et moteur iesel) pour la prouctio électricité Laarej MERAD,*, Bouméièe BENYOUEF et Jea ierre HARLES etre uiversitaire Mustapha STAMBOULI e Mascara, Uité e recherche «Matériaux et éergies reouvelables», Uiversité e Tlemce, Faculté es Scieces, Départemet e hysique, B. 9 Tlemce, Algérie EEA MOS LOES, Supélec,, rue Eouar Beli, 577 Metz, Frace. (Reçu le Février 6, accepté le Mai 6) * orrespoace, courriel : la_mera@yahoo.fr Résumé Das le préset article o s itéresse à l étue techico-écoomique u système hybrie (aérogéérateur et moteur Diesel) sur le site e Tlemce e utilisat les oées e mesure es statios e l ONM (Office Natioal e Météorologie). O évalue la puissace moyee auelle ispoible sur le site, la puissace moyee auelle fourie par l aérogéérateur et le moteur Diesel aisi que la étermiatio u ombre e foyers pouvat être alimetés e éergie électrique. ette étue se poursuit par u aspect écoomique car le éveloppemet es aérogéérateurs et les moteurs Diesel relèvet u omaie techique mais aussi u omaie écoomique. our que la prouctio e l éergie électrique soit viable, il faut que so coût e reviet soit mois élevé que celui e l éergie électrique prouite par u moteur Diesel ou ue turbie; le reemet et le coût état eux facteurs liées etre eux. La viabilité e l istallatio serait peu itéressate pour u reemet et u coût e reviet élevés ou pour u reemet et u coût e reviet faibles. Mots-lés : Aérogéérateur, moteur Diesel, électricité, puissace, écoomie. Abstract Techico-ecoomic stuy of a hybri system (Aerogeerator a Diesel egie) for the electricity prouctio I this article oe is itereste i the techico-ecoomic stuy of a hybri system (aerogeerator a Diesel egie) o the site of Tlemce by usig the ata of measuremet of the statios of the ONM (Natioal office of Meteorology), oe evaluates the aual aver

2 Afrique SIENE () (6) age power available o the site as well as the aual average power provie by the aerogeerator a the iesel egie thus the etermiatio of the umber of hearths which ca be to fee i electric power fially this stuy cotiues with a ecoomic aspect because the evelopmet of the aerogeerators a the iesel egies come uer the techical fiel but also of the ecoomic fiel, so that the prouctio of electrical eergy is viable that is to say less low tha that of that prouce by a Diesel egie or a turbie, the output a the cost are two factors epeet betwee them. The viability of the istallatio woul be little iterest for a output a a cost of high cost or for a output a a wea cost of cost. Keywors: Aerogeerator, Diesel egie, electricity, power, ecoomy.. Itrouctio Les sources éergie o reouvelables (harbo, étrole, Gaz et Uraium) s épuiset au fur et à mesure e leur exploitatio cotrairemet à l éolie, au solaire, à l hyraulique et à la biomasse qui serot ispoibles peat ecore eviros 5 milliars aées. Or la cosommatio éergétique moiale e même que la prouctio électricité est largemet omiée par les éergies fossiles qui représetet plus e 85 % e l éergie primaire. L éolie, qui correspo à la trasformatio e éergie mécaique e % e l éergie reçue sur terre, est e plei essor, mais prouit u Wh ot le prix reste à 4 fois supérieur à celui u ucléaire. Le schéma le plus simple u système éergétique est celui que l homme exploite epuis es milléaires e utilisat le bois pour cuire ces alimets ou se chauffer et la force aimale ou la force u vet pour moure le grai ou se éplacer. D ue éergie primaire puisée as la ature, le bois et le vet e l occurrece, l homme tire ue éergie utile qui correspo à u service, le chauffage ou le mouvemet. e est qu à partir e 8 e siècle que le cocept éergie s est égagé peu à peu. L éergie est eveue u moteur essetiel e l écoomie. Le coût e prouctio u ilowattheure a toujours fait l objet ue aalyse approfoie. Das otre cas l éergie éoliee et u moteur Diesel, autrefois sources éergie mécaique, aujour hui sources électricité. La maturité techologique e la filière éoliee re aujour hui cette source éergie électrique retable. omme ressource appoit pour alléger la charge u réseau électrique tout particulièremet e hiver lorsque la cosommatio augmete fortemet. omme source alimetatio es sites isolés pour être raccorés au réseau à u prix compétitif.

3 Afrique SIENE () (6) omme source alimetatio es sites présetat es cotraites climatiques ou accessibilité. Notre étue est meée pour quatifier la puissace éergétique ispoible et la esité e puissace moyee auelle récupérable sur le site e TLEMEN. 'est as u site amirable, au milieu 'u écri e verure et par plus e 8 m 'altitue, qu'o resse la ville e Tlemce. D'abor sa positio sur ue haute plaie e piémot, au carrefour es graes routes reliat l'ouest algérie au Maroc et le tell u Sahara, l'a préisposée à servir e lieu 'échages etre es écoomies complémetaires rurale et citaie, agricole et pastorale. La proximité e la mer a pour effet 'attéuer les iflueces esséchates u cotiet et e oer à la régio, u climat tempéré, 'ue ouceur toute méiterraéee et parce qu'elle reçoit es pluies aboates, so territoire qui correspo au bassi e la Tafa avec ses ombreux ifluets et ses sources. E s'appuyat sur le moèle mathématique e la istributio e WEIBULL, tout système e coversio e l éergie éoliee foctioe as es coitios optimales après avoir été imesioé selo les caractéristiques u site. Les paramètres qui caractériset u aérogéérateur sot la puissace omiale, la vitesse e émarrage, la vitesse omiale, et la vitesse e coupure c. L estimatio e la puissace moyee auelle e sortie u aérogéérateur à partir e la loi e istributio e WEIBULL permet apprécier les possibilités alimetatio es locaux es sites isolés.. Moélisatio mathématique La istributio e WEIBULL ous reseige sur la répartitio e la vitesse u vet (vitesse moyee, vitesse cubique moyee et la esité e probabilité e la vitesse u vet). Gééralemet les vitesses u vet sot mesurées à ue hauteur e mètres a..s (au essus u sol) et ce as les statios e l ONM (Office Natioal e la Météorologie). La pressio variat à chaque istat, o observe es fluctuatios e la vitesse u vet qui sot amplifiées par le phéomèe e turbulece. Le moèle mathématique e WEIBULL est caractérisé par les paramètres e forme et échelle. La esité e probabilité e la puissace s écrit sous la forme suivate : f ( ) exp () our étermier les caractéristiques e la vitesse u vet à es hauteurs supérieures à

4 Afrique SIENE () (6) mètres a..s o procèe à l extrapolatio verticale es paramètres e WEIBULL, e utilisat la méthoe e JUSTUS [,, ] qui oe la loi e puissace moifiée par le facteur échelle et e forme.a mètres a..s et a 5 mètres a..s. Où Z Z α l ( α ) Z Z Z Z.88 l Z.88 l 6 La vitesse moyee u vet est oée par la istributio e WEIBULL [4] : f ( ) Γ Où Γ est la foctio GAMMA. La foctio GAMMA est éfiie par la relatio suivate : Γ x ( x) exp ( t ) t t avec x > La vitesse cubique moyee u vet est oée par la relatio suivate : ( ) Γ La esité e puissace moyee auelle [] récupérable Wh/m.a se calcule à partir e la formule suivate : T ( ) (7) moy i () () (4) (5) (6) moy exprimée e avec : i.7 i (7) Où : T : L échelle e temps à ue aée T heures/a. Efi la esité e puissace moyee auelle récupérable est :.5 i moy (8)

5 Afrique SIENE () (6) uissace moyee auelle fourie par u aérogéérateur haque système e coversio éergie éoliee est caractérisé par [4, 5] : - La vitesse e émarrage (uissace ulle). - La vitesse omiale ou maximale (puissace maximale). - La vitesse e coupure (puissace costate, pour éviter la étérioratio u matériel si la vitesse augmete). La puissace moyee auelle fourie par u aérogéérateur est oée sous la forme suivate : ( ) ( ) f (9) La variatio e la puissace utile fourie est exprimée à l aie u système équatios suivat, appelé aussi loi quaratique [4, 5]. si < α β. γ. si < < si < < c () si > c avec α, β et γ étermiés par les coitios suivates : ( ) ( ) ( ) γ β α γ β α γ β α () L itégrale () va s écrire sous la forme suivate : ( ) c exp exp γ β α L itégrale I : I c exp s écrit sous la forme : I ( ) ( ) ( ) c F F () 9 ()

6 Afrique SIENE () (6) Doc l itégrale () s écrit sous la forme suivate : ( ) exp exp exp c γ β α Le euxième terme e l itégrale se calcule plus facilemet tais que le premier terme, par cotre plus complexe, écessite ue résolutio par ue méthoe itégratio umérique. -. Facteur e puissace Le facteur e puissace u système e coversio e l éergie éoliee W.E..S (Wi Eergy oversio System) éfii par le rapport e la puissace prouite as u régime e vet oé par sa puissace omiale (maximale) est représeté sous la forme suivate : F () avec : : uissace moyee auelle fourie par l aérogéérateur [Watt], : uissace omiale e l aérogéérateur [Watt]. La prouctio e l électricité par l aérogéérateur et le moteur Diesel est u compromis etre l aspect techique et écoomique, oc il est importat e étermier et e miimaliser le coût e prouctio u Kwh ; pour le moteur Diesel il est ifluecé par le prix u combustible (mazout) et les frais e maiteace pour tout le système hybrie. Les Figures et motret que le facteur e puissace et la puissace moyee auelle e sortie augmetet avec la hauteur jusqu à aboutir à ue stabilité.. Résultats et iterprétatio Le prix u Kwh est oé par la formule suivate : F w F η y W ψ F B (4) avec : F : Frais istallatio u moteur Diesel (DA). F : Frais exploitatio (DA). F : Frais exploitatio variables (DA/Kwh). 9

7 Afrique SIENE () (6) D : Durée auelle utilisatio équivalete. W : uissace omiale. ψ : Facteur auité. ψ q q ( ) q Z avec : q Z : Taux itérêt. N : Taux amortissemet. Y B : rix u carburat (DA/Kwh). η : Reemet e la prouctivité électricité. 9 (5) (6) x 4. L a p u is s a c e m o y e e a u e lle e s o rt ie (W a t t ) L a h a u t e u r(m ) Figure : ariatio e la puissace moyee auelle e sortie e foctio e la hauteur

8 Afrique SIENE () (6) Le fac teur e puis s ac e(-) la hauteur(m ) Figure : ariatio u facteur e puissace e foctio e la hauteur Aisi le système choisi aura ue puissace omiale e 5 Watt. À mètres a..s, il pourra alimeter foyers/a (Tableau ) sachat qu u foyer e Algérie cosomme e moyee Wh/jour [6,7,8]. Les résultats motret que le ombre e foyers alimeté sera plus importat si la hauteur augmete, ce qui etraîe e même temps ue augmetatio e la puissace moyee e sortie e l aérogéérateur. Aisi le système reteu pourra être istallé à ue hauteur e 5 mètres a..s et alimetera as ces coitios 4 foyers/a, la puissace moyee auelle e sortie état e Wh/a. Tableau : Nombre e foyers pouvat être alimeté e foctio e la hauteur par u système e 5 Watt. Site Tlemce Hauteur (m) Nombre e foyers Das otre cas o a reteu u aérogéérateur e 5 Watt pour u besoi moye (alimetatio e 4 foyers e cosommatio moyee), le prix e la machie état

9 Afrique SIENE () (6) estimé à 575 DHT, les travaux e géie civil, et e pose e raccoremets (5 à 6 jours) estimé à 87 5 DHT, le parc e stocage estimé à 87 5 DHT, le régulateur et l ouleur estimés à 7 5 DHT, le récepteur aapté estimé à 45 DHT, soit u total e DHT, qui représete le coût total e l ivestissemet [9,,]. L etretie es machies tourates est primorial pour leur bo foctioemet et leur logévité. Ue visite auelle est coseillée pour la vérificatio es roulemets, (graissage). O estime que l etretie e l aérogéérateur représete % e l ivestissemet correspoat à sa première aée e foctioemet. -. Retabilité e l ivestissemet E gééral u ivestissemet ot la retabilité est grae s'avérera ecore plus retable après impôts. S'il e est aisi, c'est que la réglemetatio es amortissemets pour toute sorte 'affaires te à être très favorable as la plupart es pays. Avec es amortissemets fiscaux rapies, o peut amortir la épréciatio e l actif plus vite qu il e per réellemet e sa valeur, sachat que le taux e reemet e l ivestissemet augmete []. Les fluctuatios u DINAR ous amèet à calculer le taux 'itérêt par la relatio suivate : τ ( t) avec : t : Taux itérêt auel 5 %/a. Taux iflatio e Algérie est %/a. ( t) ζ ( i ) avec : i : Taux iflatio est %, ζ : Retabilité réelle e l éergie éoliee [ ]. Doc o calcule otre retabilité ivestissemet sur as. O remarque après la courbe (Figure ) que l éergie éoliee est itéressate à log terme; au ébut l ivestissemet e l istallatio est élevé puis eviet retable as le temps. (7) (8)

10 Afrique SIENE () (6) la retabilité réélle e l'éergie éoliee le om bre 'aée Figure : Retabilité réelle e l éergie éoliee e foctio u ombre aées 4. oclusio E coclusio, o costate que le potetiel éergétique récupérable au site e Tlemce (Aéroport) atteit les 45.6 Wh/m.a. E effet l asymétrie e la istributio etraîe ue variatio particulière e chaque site traité, et pour coaître le potetiel éergétique éolie u site quelcoque il est impératif e passer par l extrapolatio verticale es paramètres e Weibull qui reseiget sur la esité e puissace moyee aelle ; as otre cas, cette erière a été estimée à Wh/m.a à ue hauteur optimale e 5 mètres a..s. Doc pour le imesioemet u aérogéérateur, il est impératif e passer par l étue statistique es vets sur le site cosiéré afi e éuire le potetiel éolie. E effet l asymétrie e la istributio pour chaque site traité permet estimer la puissace e sortie u aérogéérateur et ceci après moélisatio e la istributio u vet par la loi e Weibull. Aussi, la puissace moyee auelle et le facteur e puissace augmetat avec la hauteur, les aérogéérateurs foctioerot avec ue très grae efficacité à es hauteurs plus élevées. e travail ous a permis avoir ue iée sur les possibilités alimetatio e éergie électrique es localités isolées, éloigées, là où il e peut y avoir e raccoremets e câbles électriques à cause e leur coût e

11 Afrique SIENE () (6) reviet élevé. Das otre étue, ous ous sommes itéressés à la retabilité e l ivestissemet e l istallatio e l aérogéérateur sur as e ous basat sur u taux itérêt auel e 5 %/a et u taux iflatio e %/a. O costate que l istallatio impose u ivestissemet élevé la première aée (travaux istallatio) et commece à être retable après quelques aées, ce qui etraîe la imiutio u prix e reviet u Kilowattheure, jusqu à eveir compétitif. Référeces [] - R. DUMON, Ecoomies et coversio éergie, E. Masso, aris, (978) [] - R. DAID, que sais je La coversio es éergies, resses Uiversitaires e Frace, aris, (966) [] - M. DAHLGREN, Wi former, A.B.B orporate Research, Mars (), pp. -7 [4] - D. LE GOURIERES, Eergie éoliee, Théorie oceptio et alcul ratique es Istallatios, E. Eyrolles, aris, (98) [5] -. G. JUSTUS, trauit et aapté par J. L lazy, et et performaces es éoliees, E. S M, aris, (98) [6] - L. HAMMANE, A. KHELLAF, et N. AIT. MESSAOUDENE, «Estimatio e la puissace moyee auelle e sortie ue éoliee, 5 éme Sémiaire Iteratioal sur la hysique Éergétique, Bechar, Algérie, 7 au 9 Novembre (), pp. 6- [7] - E. H. LYSEN, Itrouctio to Wi Eergy, E. S.W.D, éme E, the Netherlas, May, (98) [8] - O. GUERRI, Etue es performaces et es systèmes applicatio e eux éoliees à axe vertical, Thèse e Magister, etre e Développemet es Éergies Reouvelables (.D.E.R), Alger, Juillet (986)., Uiversité es Scieces et e la Techologie (USTHB) [9] - J. HASLETT, The capacity creit of wi power : A theoretical aalysis, Solar Eergy, ol. 6, Jauary (98), pp. 9-4 [] - N. KASBADJI MERZOUK, M. MERZOUK et N. MESSEN, Mass cosistet moel applicatio to the esertificatio pheomea stuy i the high plais of Algeria, Iteratioal Joural of Reewable Eergy, N 8 () pp [] - A. BOUHANIK, Bulleti mesuel météorologique et raiométrique, Bouzaréah, septembre () [] - N. KASBADJI MERZOUK et M. MERZOUK, Usefull power esity of a wi machie i Algeria, roceeig of iteratioal mechaical egieerig coferece, Koweit, (4)