Rev. Eerg. Re.: ICPWE (2003) 53-60 Aalyse Micro Ecoomique des Systèmes Eergétiques - Statio de Pompage Laboratoire d Eergie Solaire Photovoltaïque, Cetre de Développemet des Eergies Reouvelables B.P. 62, Route de l Observatoire, Bouzaréah, Alger, Algérie Résumé Le choix d u système éergétique doit respecter certaies règles. Le système éergétique proposé doit démotrer au préalable sa compétitivité vis-à-vis d autres systèmes pour le même service redu. Sa crédibilité doit reposer sur des bases écoomiques et techiques. Cette commuicatio se propose d aalyser la faisabilité et la retabilité écoomique d ue statio de pompage alimetée par éergie solaire photovoltaïque, laquelle est comparée avec ue autre istallatio présetat les mêmes caractéristiques et foctioat à l aide d u groupe électrogèe. La méthode adoptée se base sur la détermiatio du coût global actualisé du mètre cube (m 3 ) d eau e foctio du débit jouralier, de la hauteur maométrique totale (Hmt) et de l esoleillemet du site d istallatio. De cette aalyse, découlera le choix sur l ivestissemet à cosidérer car, l aalyse des coûts et de la retabilité est u préalable icotourable avat toute décisio d ivestissemet de système ou d équipemet éergétique, que ce soit e éergie solaire photovoltaïque ou e éergie covetioelle (diesel ou autres). Abstract The choice of a eergy system must comply with certai rules. The eergy system suggested must show as a prelimiary its competitiveess with respect to other systems for the same redered service. Its credibility must rest o ecoomic ad techical bases. This commuicatio proposes to aalyze the feasibility ad the ecoomic profitability of a statio of pumpig supplied with photovoltaic solar eergy, which is compared with aother istallatio showig the same characteristics ad fuctioig usig a power geeratig uit. The adopted method is based o the determiatio of the brought up to date total cost of the cubic meter (m3) of water accordig to the daily output, total total head (Hmt) ad suig of the site of istallatio. From this aalysis, will rise the choice o the ivestmet to cosider because, the aalysis of the costs ad of profitability is a precoditio impossible to circumvet before ay decisio of ivestmet of system or eergy equipmet, that it is i photovoltaic solar eergy or covetioal eergy (diesel or differet). Mots Clés: Système éergétique - Pompage - Choix de l ivestissemet - Retabilité - Coût global actualisé - Photovoltaïque - Groupe diesel. 1. INTRODUCTION Le développemet rural est souvet freié faute d éergie. Les besois éergétiques prévisibles peuvet être couverts e grade partie par les éergies reouvelables. Cepedat la péétratio des éergies reouvelables das le marché doit teir compte de multiples cotraites, plus particulièremet écoomiques. Le rôle du photovoltaïque das les régios e voie de développemet est pas seulemet d apporter ue puissace éergétique, mais u développemet social et écoomique des zoes rurales. Le ombre de kwh produits peut paraître isigifiat devat la capacité de productio éergétique du pays, mais cette puissace aussi faible soit-elle, peut raimer tout l espoir d ue commuauté. Les services qu ils peuvet apporter (eau potable, irrigatio, coservatio de vaccis, commuicatio, éclairage,...) ot u impact importat sur le développemet et la qualité de la vie. Aussi, le paramètre d optimisatio e doit pas être le coût de productio, mais plutôt celui du service redu [1]. Le calcul des coûts de la productio d électricité par l éergie solaire photovoltaïque obéit aux mêmes règles que les solutios classiques. Nous cereros aisi séparémet les coûts d ivestissemet, les coûts d exploitatio et les coûts d etretie et de maiteace [1, 2]. Aisi et ous auros l occasio de le voir ci-après, la structure de coût du kwh produit par l éergie solaire photovoltaïque présete ue part importate pour les frais d amortissemet des ivestissemets, ue part ulle pour les frais de combustibles et ue part très faible ou moyee pour les frais d exploitatio et d etretie maiteace. Cette structure est tout à fait différete de celle du kwh produit par des combustibles fossiles (tels que les groupes électrogèes au diesel) où les frais dus à l amortissemet de l ivestissemet sot faibles alors que les frais de combustible et d exploitatio et de maiteace sot prépodérats. 2. CONSIDERATIONS TECHNIQUES ET ECONOMIQUES L électrificatio de sites isolés das les régios e développemet costitue u marché potetiel pour les systèmes d éergie photovoltaïque. Toutefois, si ces systèmes ot été largemet étudiés et améliorés au cours 53
54 des deux derières déceies, leur développemet à ue échelle sigificative e sera possible que das la mesure où l o aura ue idée claire du marché qui leur est ouvert e terme de compétitivité techico-écoomique. La écessité d aalyser la retabilité écoomique présete et future de l éergie photovoltaïque afi de juger si elle peut se développer à grade échelle. Or, la plupart des aalystes classiques mettet e doute leur retabilité écoomique, la mobilisatio du capital écessaire à l ivestissemet iitial est présetée comme u obstacle rédhibitoire [1]. Aussi, l utilisatio des systèmes d éergie photovoltaïque das les sites isolés suppose ue aalyse préalable des coditios d istallatio tat au poit de vue techique que vis-à-vis de l eviroemet. 3. CALCUL ECONOMIQUE ET MODALITES DE CHOIX DES INVESTISSEMENTS ENERGETIQUES 3.1. Coût des systèmes photovoltaïques Le calcul du coût d u système photovoltaïque requiert la coaissace des élémets suivats [1]: la durée de vie, l ivestissemet iitial, les coûts de maiteace auels relatifs au système photovoltaïque, les coûts de remplacemets des différets sous systèmes, les profits réalisés. L ivestissemet iitial permet à l utilisateur de savoir quel est le prix qu il va devoir payer lors de l istallatio de so système. Aussi, d autres iformatios très importates costituet des critères de choix, à savoir : Le coût du système photovoltaïque sur sa durée de vie, Le coût de l éergie cosommée par l usager sur toute sa durée. Le coût du kwh cosommé dépedra des profits egedrés mais égalemet de l éergie photovoltaïque cosommée par l utilisatio. 3.1.1. Coût sur la durée de vie du système Le coût sur la durée de vie du système est foctio de l ivestissemet iitial, du coût auel d etretie et de maiteace et du coût de remplacemet évetuel de certais sous-systèmes. C vie I0 + Cet / mai + Crempl = (1) 3.1.2. Coût actualisé du système et coût du kwh cosommé Le calcul du coût de l éergie pred e compte celui sur la durée de vie, aisi que les profits réalisés sur toute la durée active du système. Cvie Cactu = (2) Fa ( 1+ 1 Fa = (3) a C actu : Coût actualisé; Fa : Facteur d actualisatio; a : Taux d actualisatio; : Durée de vie active du système. Le coût actualisé du kilowattheure par rapport à la cosommatio est le suivat : CoûtDA / kwh Cvie Pr ofits = (4) Cosommatio auelle 3.2. Choix des ivestissemets L ivestissemet mobilise très souvet d importats moyes fiaciers. Cette situatio implique qu u ivestissemet e peut se réaliser sas ue étude préalable etraîat des hypothèses et des choix [3, 6]. 3.2.1. Les coditios du choix Le processus décisioel e matière d ivestissemet comporte deux phases impératives : Evaluatio du coût de l ivestissemet lui-même, Evaluatio de l exploitatio sur la durée de vie du système.
ICPWE : Aalyse Micro Ecoomique des Systèmes Eergétiques 55 La première phase cosiste à évaluer le motat de l ivestissemet du système, mais égalemet le besoi e fod de roulemet d exploitatio. La deuxième phase cosiste à simuler das le temps, l exploitatio de l ivestissemet réalisé (chiffre d affaire, charges,.). 3.2.2. Les méthodes fiacières du choix Il existe plusieurs méthodes fiacières permettat le choix. Parmi elles, deux les plus courammet utilisées [5, 6]: Méthode de la valeur actuelle ette ou VAN, Méthode du taux de retabilité itere ou TRI. Valeur Actuelle Nette (VAN) La valeur actuelle ette repose sur la comparaiso etre le capital ivesti et la valeur actuelle des cash-flows dégagés par le projet. La détermiatio de la VAN d u ivestissemet appelle les étapes suivates: Fixer le capital ivesti (I), Faire la somme des cash - flows actualisés ets Rj ( 1 j= 1 + j (5) avec Rj = recettes Fixer le taux d actualisatio ( Rj = I0 + j j= 1 ( 1 + VAN où j = 1, (6) Taux Itere de Retabilité (TIR) Le taux itere de retabilité est le taux d actualisatio qui aule le bééfice et actualisé. Rj Dj = I0 + j j= 1 ( 1+ B (7) B : Bééfice actualisé, I 0 : Ivestissemet iitial à l exercice (0), Dj : Dépeses Si B = I Rj Dj 0 + j j= 1 ( 1+ R : Recettes ettes Comme a = r (r état le taux itere de retabilité) ( 1 + r) ( 1 Rj Dj 1 + I0 = = R (8) j = ( 1+ a j 1 I0 1 = (9) R r si I 0 1 = R r r = R I 0 Si a < r, le bééfice est positif, ce qui doe u ivestissemet retable Si a > r, le bééfice est égatif, ce qui doe u ivestissemet o retable. 4. LES SYSTEMES DE POMPAGE La situatio de l écoomie des régios semi arides et arides est marquée par deux sortes de cotraites majeures qui iter agisset mutuellemet, d ue part, les difficiles coditios climatiques et d autre part, l archaïsme et la très faible efficiece des systèmes de productio. Tout développemet durable de ces régios doit viser à sécuriser et à accroître la productio primaire (agricole, pastorale), seule garate d ue autosuffisace vivrière. Aussi, la productio primaire déped ellemême étroitemet de la maîtrise du facteur éergie [1]. La stratégie pour le développemet agricole doit itégrer comme u de ses objectifs prioritaires, la maîtrise de l eau, qui se cofod pour l essetiel avec la maîtrise de l éergie de pompage. C est pourquoi, il importe de trouver des sources et techologies performates, fiables et écoomiques, pour répodre aux larges besois
56 d hydraulique agricole das les régios rurales, et de satisfaire aisi les besois utritioels d ue populatio e régulière croissace [7]. Das cette présete étude, deux moyes d exhaure de l eau serot étudiés et aalysés. Le premier est basé sur u système d éergie solaire photovoltaïque, le deuxième par cotre est covetioel et utilisé plus fréquemmet das les régios sahariees (groupe électrogèe). 4.1. Systèmes de pompage photovoltaïque L architecture d u système de pompage est composée de (Fig. 1) : Géérateur photovoltaïque, Armoire de commade et de cotrôle, Groupe électropompe. Les groupes motopompes utilisés sot du type au fil du soleil. Le débit de la pompe varie proportioellemet à l esoleillemet. 4.2. Aalyse écoomique des systèmes de pompage photovoltaïque Pour évaluer le coût global actualisé du m 3 d eau pompé, il est écessaire d avoir certaies doées. Fig. 1: Le système de pompage photovoltaïque Les ues sot coues, les autres sot estimables [6]. La durée de vie, Le coût ou l ivestissemet iitial, Les coûts de maiteace auels relatifs au système photovoltaïque, Les coûts de remplacemets des différets sous-systèmes. Les hypothèses reteues, relatives à la durée de vie pour chacu des élémets du système, sot doées ciaprès : Equipemets Durée ( Géérateur photovoltaïque 15 Motopompe 7 Oduleur 5 Puits 15 Géie civil 15 Divers accessoires 5 La poursuite de l aalyse ous coduit à détermier de ces divers cas, u coût du m 3 d eau pompée. Deux hypothèses sot cosidérées : Toute l eau productible est utilisée, Compte teu des variatios saisoières das la cosommatio de l eau et du gaspillage, seul 70 % de l eau productible sot réellemet utilisés [2]. 4.2.1. Le coût de l etretie Malgré la fiabilité des pompes solaires, il est idispesable de veiller à leur bo foctioemet par u etretie périodique. Le coût de l etretie est très difficile à évaluer das le temps, das la mesure où les hypothèses de départ peuvet être différetes. L approche la plus raisoable est basée sur ue expériece vécue sur le terrai pour e calculer u coût moye auel qui, tout théorique qu il soit, doerait u ordre de gradeur réaliste.
ICPWE : Aalyse Micro Ecoomique des Systèmes Eergétiques 57 Les hypothèses reteues pour le calcul du coût moye auel de l etretie sot les suivates : Remplacemet de composats: 05 % * tous les as, Remplacemet de modules: 10 % tous les 05 as, Remplacemet 'du motopompe: 100 % tous les 07 as, Réparatio de l oduleur: 50 % tous les 05 as, Etretie géie civil: 01 % tous les 05 as. * Ratio relatif à l ivestissemet de l équipemet cosidéré. 4.2.2. Le coût global actualisé du m 3 d eau Nous avos cosidéré trois (03) systèmes de pompage à différets débits et u forage présetat la même hauteur maométrique et pour u esoleillemet de 6000 Wh/m²/j. Les doées techiques sot les suivates : Débit: 15 m 3 /j - 45 m 3 /j - 90 m 3 /j Hmt : 20 mètres. 4.2.2a Le coût global actualisé du m 3 d eau par les systèmes de pompage photovoltaïque Aalyse des trois cas - (505 Wc, 1514 Wc et 3000 Wc) [2] Les pompes solaires de puissace 505 Wc, 1514 Wc et de 3000 Wc sot istallées sur forage et possèdet des débits respectivemet de 15 m 3 /j, 45 m 3 /j et 90 m 3 /j et dot la Hmt est de 20 m. L esoleillemet est de 6000 Wh/m²/j, (Tableau 1). Au vu de ces résultats, ous remarquos l importace du coût e particulier pour les petites puissaces. Esuite le coût proportioel du géérateur solaire iterviet et limite la retabilité écoomiques des systèmes de pompage photovoltaïque (à partir de 3000 Wc) par rapport aux systèmes éergétiques. 4.2.2b Le coût global actualisé du m 3 d eau par pompage avec moteur diesel [2] E milieu rural, les moyes de pompage les plus utilisés sot particulièremet Le puisage traditioel, Le pompage avec moteur diesel. Le système de pompage aalysé se compose d u groupe électrogèe diesel et d ue électropompe immergée. Le ombre d heure de foctioemet du système permettra d avoir les mêmes débits jouraliers. (Tableau 2). 4.3. Comparaiso des coûts L aalyse des coûts des deux modes d exhaure, les systèmes de pompage par éergie solaire photovoltaïque et par groupe électrogèes diesel ous coduit à l exame des tableaux 1 et 2. Il apparaît que le pompage par éergie solaire photovoltaïque présete u itérêt certai par rapport à d autres moyes d exhaure e particulier le pompage par groupe électrogèe diesel le plus utilisé das os régios rurales et ce, das la gamme des débits allat de 15 m 3 /j jusqu à eviro 80 m 3 /j, soit des puissaces allat jusqu à 3000 Wc. Esuite l effet de taille du géérateur présetat plus de 50 % de l ivestissemet total, l éergie solaire photovoltaïque perd so itérêt écoomique (Fig. 2) [1]. La figure 2 doe la zoe estimative de l utilisatio des divers moyes de pompage, que ce soit le système traditioel ou classique (1), le système solaire (2) et le système avec groupe électrogèe (3). Fig. 2: Zoe d utilisatio des moyes de pompage
58 5. CONCLUSION De cette étude et aalyse qui e doivet pas se limiter à de simples calculs et qui serait appuyée par ue série de tests sur bacs d essai, chaque système ou moye de pompage présete des avatages et des icovéiets à predre e cosidératio lors d u évetuel ivestissemet. D autres part lors de otre aalyse, ous avos fait des hypothèses relatives à certais paramètres pouvat varier das différetes proportios : Prix variables e foctio de la qualité et quatité du matériel, Coûts des améagemets dépedat du type d utilisatio et des coditios locales, Choix du matériel coditioat les performaces, Prix du litre de gasoil et lubrifiat subvetioés d ue maière très importate par l état. Le pompage par éergie solaire photovoltaïque e permet pas forcémet d adapter istataémet le débit e foctio des besois qui variet suivat les saisos et qui peuvet évoluer das le temps, présete e sa faveur les avatages suivats : Plus fiable que le diesel, Pas d approvisioemet e carburat, Peu d etretie régulier et obligatoire, Faible coût de foctioemet, limité à l etretie et la réparatio. Le pompage diesel quad à lui, permet d adapter la productio aux besois. Cepedat ses cotraites d utilisatio sot grades, et e particulier : U etretie périodique, L approvisioemet e carburat, Le taux de pae plus élevé. REFERENCES [1] B. Chabot, L écoomie des éergies reouvelables das les pays idustrialisés et e développemet, SEBES,1998. [2] A. Malek, Documet itere du Laboratoire Photovoltaïque, CDER. [3] P. Barbet, Ecoomie de choix de projets d ivestissemet. [4] A. Galese, L évaluatio de la retabilité des projets d ivestissemet 1996. [5] B. Bouzidi & A. Malek, Cotributio à la faisabilité d ue idustrialisatio des équipemets solaires, 2001. [6] B. Bouzidi & A. Malek, Itroductio aux critères micro écoomiques des systèmes photovoltaïques Pompage, 2002.0