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TECHNOLOGIES EUROPÉENNES DU POMPAGE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE • accès à l’eau potable • irrigation maîtrisée • respect de l’environnement • réduction de la pauvreté COMMISSION EUROPEENNE

Technologies europeennes du pompage solaire photovoltaique

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Page 1: Technologies europeennes du pompage solaire photovoltaique

TECHNOLOGIES EUROPÉENNESDU POMPAGE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE• accès à l’eau potable • irrigation maîtrisée • respect de l’environnement • réduction de la pauvreté

COMMISSION EUROPEENNE

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« Technologies européennes du pompage solaire photovoltaïque »a été réalisé dans le cadre du projet “Implementation of a photovoltaic water pumping programme in Mediterranean countries”

Avec la contribution financière de :• Commission européenne – programme MEDA, contrat ME 8/AIDCO/2001/0132/SMAP4• Ademe

Contractants du projet :• Universidad Politecnica de Madrid - Instituto de energia solar• Fondation Énergies pour le Monde

Document réalisé sous la direction de la Fondation Énergies pour le Mondeavec la contribution de :• Hubert Bonneviot (Consultant indépendant – [email protected])

• Michel Courillon (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie)

• Yves Maigne (Fondation Énergies pour le Monde)

ISBN : 2-913620-25-6

Technologies européennes du pompage solaire photovoltaïque

Achevé d’imprimer : décembre 2004

Éditeur : SYSTÈMES SOLAIRES146, rue de l’Université – 75007 Paris – FranceTél. : +33 (0)1 44 18 00 80 – Fax : +33 (0)1 44 18 00 36www.energies-renouvelables.org

Photos de couverture :Rémy DelaclocheÉtablissement pompes GuinardInstituto de Energia Solar

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SOMMAIREINTRODUCTION 2

1. LE POMPAGE SOLAIRE 31.1 HISTORIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.2 PRINCIPES GÉNÉRAUX DU POMPAGE SOLAIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.3 LES DEUX CATÉGORIES DE POMPES SOLAIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2. LES POMPES SOLAIRES DOMESTIQUES 52.1 CONSTRUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2.2 FONCTIONNEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.3 TYPES D’INSTALLATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.4 PERFORMANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

3. LES POMPES SOLAIRES VILLAGEOISES 73.1 ÉVOLUTION DE L’OFFRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73.2 POMPES CENTRIFUGES IMMERGÉES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8Moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8Onduleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Rendement du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Tension de fonctionnement et contraintes associées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Performances des gammes proposées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.3 POMPES VOLUMÉTRIQUES IMMERGÉES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11Hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11Moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Performances des gammes proposées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

4. PRIX DES SYSTÈMES 134.1 LES ÉLÉMENTS DU PRIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134.2 PRIX AU WATT-CRÊTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134.3 PRIX PAR LITRE D’EAU POMPÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

5. CONCLUSION 15

Annexe 1. RAPPEL DE NOTIONS D’HYDRAULIQUE ET DE POMPAGE 161 DÉFINITIONS ET UNITÉS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

Énergie potentielle et pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Énergie cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Énergie d’un liquide en mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Pertes de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Hauteur manométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17Courbe réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17Limite d’aspiration des pompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

2 POMPES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18Pompes volumétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18Pompes centrifuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19Rendement et vulnérabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Annexe 2. LISTE DE FOURNISSEURS 22

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INTRODUCTION

Fonctionnant au “fil du soleil”, le pompage est sans doute l’une des plus pertinentes utilisa-tions de l’énergie solaire photovoltaïque. L’évolution progressive, depuis 20 ans, des matériels etdes gammes de performances permet aujourd’hui de considérer le pompage solaire comme une tech-nologie mature.

L’Europe, par un marché intérieur très réduit, s’est tournée, dès leur invention, vers un usagedes pompes solaires dédié aux populations rurales des pays en développement.

Aussi, la majorité des systèmes conçus par les industriels européens sont destinés à satisfaireles besoins primaires d’eau potable des pays du Sud.

À l’inverse, certains pays comme les États-Unis ou l’Australie disposent d’un marché intérieurpour l’alimentation en eau à usage domestique de maisons isolées ou pour le bétail.

Ce document dresse un état de l’art des technologies et équipements de pompage solairefabriqués en Europe, passant en revue les matériels disponibles, leurs caractéristiques, leurs atouts,leurs limites, leurs domaines d’applications et leurs coûts.

En dernier chapitre, les grands principes du pompage, information utile pour exploiter ce docu-ment, sont rappelés.

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1 le pompage solaire

1.1 historique

Pomper à l’aide du soleil est un vieux rêve. Onrapporte une première tentative par Hérond’Alexandrie en l’an 100 après J.-C. consistant àutiliser la dilatation de l’air entre le jour et la nuitpour aspirer de l’eau. Les premières machines ontutilisé l’effet thermique du rayonnement solairepour constituer la source chaude d’une machinethermodynamique. La pompe de l’américain Schu-mann en 1911 près du Caire utilisait des capteursà concentration et, dans les années 1970 enFrance, la pompe SOFRETES utilisait un capteurplan avec un fluide volatil (butane puis fréon).Le rendement de ces machines, lié à celui du cyclede Carnot, était très faible, inférieur à 1 %.

L’arrivée des cellules photovoltaïques, ouphotopiles, a fait l’effet d’une révolution, tant leprocédé était simplifié. C’est aux établissementsPompes Guinard, basés en France, que l’on doit lapremière pompe solaire photovoltaïque, instal-lée à titre expérimental à Propriano en Corse en1975. Les résultats satisfaisants ont permis d’ins-taller la première pompe à Koni, au Mali, deuxans après. Pour une puissance nominale de 1 kW,les 5 tonnes de matériel et le mois d’installationd’une pompe thermodynamique étaient remplacéspar 850 kg d’équipements et deux jours d’instal-lation pour la pompe ALTA X. Le prix était simi-laire : 200000 FF (30000 €). Fin 1980, une pompe

de près de 30 kW sera installée en démonstra-tion à Montpellier.

À ce jour, 5 000 pompes solaires à usagecommunautaire ont été installées sur les cinqcontinents. La réduction des coûts, l’améliorationde la technologie et de la fiabilité ont permis deréduire le coût de l’eau pompée. Il oscille dansune fourchette de 0,05 à 0,5 €/m3 d’eau selonla puissance de la pompe, la hauteur de refoule-ment et l’ensoleillement.

1.2 principes générauxdu pompage solaire

La caractéristique de l’énergie solaire est d’êtrepériodique (jour/nuit), continuellement variable enfonction de l’ensoleillement au cours d’une jour-née. Aussi faut-il en général un stockage tamponafin de pouvoir utiliser des récepteurs, consom-mateurs d’électricité, quel que soit le momentsouhaité. Le pompage solaire est une exception, ilest en effet relativement facile de stocker l’éner-gie potentielle de l’eau dans un réservoir surélevé,alternative largement moins onéreuse et plus fiablequ’un stockage par accumulateurs électriques, carles batteries ont une durée de vie limitée et néces-sitent un entretien rigoureux.

Par la variation de vitesse, et donc dudébit, le pompage permet d’utiliser directementune puissance continuellement variable, celle issuedes modules photovoltaïques. Le débit depompage va donc évoluer avec l’intensité de l’en-

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Heures

Débit

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Ensoleillement journalier

Débit de la pompe

Graphique 1 : Pompage au fil du soleil(fonctionnement automatique sur une journée)

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1.3 les deux catégories de pompes solaires

Deux types de pompes solaires doivent êtredistingués : • Les pompes à usage individuel pourune famille ou pour le bétail à partir d’un petitpoint d’eau. • Les pompes à usage collectif pourla population d’un village, qu’elles soient desti-nées à l’approvisionnement en eau potable ou àl’irrigation de périmètres maraîchers.

Le contexte d’utilisation d’une pompedomestique est généralement le suivant :• Elle est destinée à fournir de l’eau dans unehabitation avec, fréquemment, une exigence en

termes de pression. • La pompe domestiquecorrespond généralement à un achat individuel,ce qui sous-entend un utilisateur unique etsouvent soigneux. • Elle s’intègre souvent dansun ensemble d’autres équipements solarisés avecun parc de batteries centralisé.

La pompe villageoise, au contraire, rendun service d’intérêt général, approvisionnant, parexemple, l’eau potable par bornes-fontaines.

Les besoins d’une famille sont de l’ordredu mètre cube par jour, ceux d’un village sesituent entre 10 et 50 m3/jour voire au-delà. Aussi,les pompes domestiques seront pratiquementtoutes volumétriques. Disponibles sur le marchégrand public, elles sont généralement de cons-truction légère.

Au contraire, les pompes villageoises fontappel aux deux technologies complémentaires,les pompes centrifuges et les pompes volumé-triques, selon les caractéristiques de débit et dehauteur de refoulement. La qualité de leur fabri-cation et de mise en œuvre est maximale pouren accroître la durée de vie.

2 les pompes solairesdomestiques

Les premières pompes employées ont été despompes fonctionnant en courant continu de 12ou 24 volts et conçues pour le nautisme de plai-sance ou le caravaning pour l’alimentation en eaupotable à partir d’un réservoir embarqué. Cespompes de surface sont normalement installéesà l’extérieur du réservoir. Certaines, immergées,sont conçues pour vider la cale du bateau. Ellespeuvent accepter des eaux légèrement chargées,et la hauteur de pompage maximale n’excède pas4 mètres environ. Leur rendement est médiocre.Le faible niveau de qualité correspond à celui desgammes “habitat” ou “loisir et jardin” (par exem-ple, les pompes vendues dans les grandes surfa-ces avec un emballage attrayant et un habillageplastique de couleur vive).

Ces pompes alimentées en courant continusont conçues pour un usage moins intensif queles pompes industrielles à usage collectif. Leur

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5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ensoleillement

Utilisation de la pompe�commandée par l’utilisateur et indépendante des heures d’ensoleillement

Graphique 2 : Pompage sur batterie

soleillement : c’est ce que l’on appelle le pompage“au fil du soleil” (voir graphique 1). Le débit maxi-mum de la pompe, exprimé en m3/h, obtenu géné-ralement à midi est environ le sixième du débitjournalier. Pour une pompe volumétrique, lecouple est constant : la puissance absorbée seraproportionnelle à la vitesse de rotation (Puissance= couple x vitesse).

Il existe des situations où cet atout ne peut être mis à profit. Elles nécessitent un stoc-kage par banc de batteries. Tel est le cas par exemple des petites unités de pompage à usagedomestique. Elles font souvent partie d’un système pourvu de différentes applications, éclai-rages, froid, équipements audiovisuels déjà dotéd’un banc de batteries. C’est l’usager qui déclenchela mise en route de la pompe qui fonctionne alorsen régime fixe (voir graphique 2).

HEURES

DÉB

IT

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prix est en rapport avec leur qualité même si l’unde leur secteur de marché, le nautisme, atendance à faire monter les prix.

La première pompe construite plus spécifi-quement pour le solaire a sans doute été la Solar-jack (USA), dès la fin des années 1980. Il s’agitd’une électropompe monobloc immergée, c’est-à-dire que pompe et moteur ne font qu’un : on neparle pas d’accouplement, car l’arbre moteur estaussi une pièce de la pompe. Plusieurs fabricantsont repris la même architecture.

2.1 construction

MoteurLe moteur est à courant continu avec balais(moteur série) pour trois raisons : • La pompeest volumétrique, donc demande un fort couplede démarrage. • L’alimentation est en courantcontinu. • Ce sont des moteurs faciles à cons-truire, donc bon marché.

Les modalités d’utilisation lui imposentdeux contraintes majeures : • Il doit être étan-che, sinon il se produirait des courts-circuits auniveau des charbons et des collecteurs. Lesdeux zones de vulnérabilité sont la sortie ducâble d’alimentation et celle de l’arbre. Il nefaut pas oublier que ce moteur qui travaille sousl’eau, reçoit la pression d’immersion et chauffeen fonctionnement ; par conséquent, la pres-sion de la poche d’air interne augmente enfonctionnement ; l’étanchéité constitue sapremière vulnérabilité. • Les charbons étant despièces d’usure, ils doivent être changés régu-lièrement. Il faut donc prévoir, lors de la fabri-cation, de pouvoir ouvrir le moteur pourchanger les charbons, nettoyer le collecteur etensuite, de refaire son étanchéité d’une manièrerelativement simple.

Les moteurs peuvent être bobinés en 12ou 24 volts pour quelques centaines de wattset tournent à 1 500 tours/minute environ. Lescharbons doivent être changés environ tous lesdeux à trois ans par un technicien soigneux etéquipé. Si l’opération ne se fait pas préventive-ment, elle peut nécessiter la réfaction du collec-teur du moteur. Il ne faut pas espérer unegrande durée de vie pour ces matériels à usage

domestique et ils ne peuvent fonctionner enrégime continu, conçus initialement pour fonc-tionner quelques minutes par jour.

HydrauliqueBeaucoup de pompes hydrauliques sont àmembrane comme les pompes à essence desvoitures. Une membrane souple en matériau desynthèse, renforcée par un tissage, actionnée parun plateau rotatif oscillant, est déformée en soncentre de façon à faire varier le volume d’unechambre au-dessus d’elle. Celle-ci est munie dedeux clapets (aspiration et refoulement). Lapompe peut comporter deux, trois, voire quatremembranes pour répartir, à chaque tour, lesefforts. Le fonctionnement étant sans frottementmécanique, l’étanchéité est plus facile à réaliserque pour les pompes à piston. Un fonctionne-ment à sec est toléré.

La vulnérabilité de ce type de pompes sesitue au niveau de l’élasticité de la membrane,compromis par d’éventuels dépôts et incrusta-tions à sa périphérie (calcaire, algues, etc.). Il vasans dire que les petits clapets de chaque cham-bre sont également très vulnérables à la qualitéde l’eau. Ces pompes ne doivent véhiculer quede l’eau parfaitement claire. Le débit de chaquechambre est lié à la vitesse du moteur et est infé-rieur à 100 litres/minute.

On rencontre enfin des pompes à piston :l’arbre du moteur est muni d’une came quirepousse deux pistons horizontalement. Cetteconstruction, plus délicate, offre cependant desavantages de solidité et de rendement.

2.2 fonctionnement

Un moteur série a une faible résistance à l’arrêtet appelle un fort courant de démarrage. Reliédirectement à un générateur photovoltaïque, lepoint de fonctionnement courant/tension va setrouver très à gauche sur la courbe de fonction-nement d’un générateur solaire. La tension defonctionnement sera bien inférieure à cellecorrespondant à la puissance maximum desmodules, ne permettant pas un démarrage encharge, la tension étant trop faible. Le fonction-nement sur batterie ne pose en revanche pas de

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problème puisque celle-ci impose la tension defonctionnement.

Pour pouvoir fonctionner au fil du soleil,directement sur des modules, il est donc néces-saire d’intercaler un adaptateur d’impédance,souvent appelé “booster”, qui va imposer unetension de fonctionnement au générateur. Lesélectroniques offrent deux possibilités : • soit latension est fixe (avec possibilité d’ajustagemanuel); • soit l’électronique recherche le pointde fonctionnement à puissance maximale (MPPTou Maximum Power Point Tracking).

2.3 types d’installation

Contrairement aux pompes villageoises, lespompes domestiques peuvent être installéessuivant différentes configurations : au fil du soleilou avec batterie, et dans ce cas, avec ou sansréservoir de stockage.

La plupart des constructeurs déconseillentle fonctionnement avec batterie. Ce mode defonctionnement est particulièrement justifié si lesystème est, par exemple, installé en pleinchamp pour l’abreuvement du bétail.

Si en revanche la pompe est installée dansune habitation comportant déjà un systèmephotovoltaïque pour d’autres usages, il est avan-tageux de la faire fonctionner sur le parc de

batteries du système. Ceci permet de supprimerle réservoir de stockage, organe encombrant etqui ne donne qu’une pression limitée à sahauteur par rapport au sol. Le confort d’utilisa-tion sera augmenté par une commande de lapompe par pressostat et un réservoir à vessiecapable de fournir, en permanence, de l’eau souspression au robinet.

2.4 performances

Le graphique 3 illustre, pour une sélection detrois pompes distribuées en Europe, la zone deperformance débit journalier/hauteur depompage. Une seule est de fabrication euro-péenne la Solaflux, fabriquée par Fluxinos(Italie) ; les autres sont américaines.• Solaflux (Fluxinos, Italie) : pompe volumétriqueà deux pistons horizontaux (quatre combinaisonsdébit/hauteur en fonction de la hauteur de came).Moteur 48 volts, 400 W. Diamètre de forage :4 pouces.• Solarjack (US) : pompe volumétrique immer-gée à deux et quatre membranes. Moteur 12 à30 volts. Diamètre de forage : 5 pouces.• Sub Pump (SHURflo US) : pompe volumétriqueimmergée à trois membranes. Moteur 12/24 voltsde 150 W à 1 900 t/mn. Diamètre de forage :4 pouces.

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Débits journaliers (m3/j)

Solarjack 40 à 200 Wc

SOLAFLUX 200 à 260 Wc

SHURflo 9300 45 à 135 Wc

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Graphique 3 : Pompes domestiques. Zones de performance

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3 les pompessolairesvillageoises

3.1 évolution de l’offre

La société Pompes Guinard, pionnier de ce secteur,avait développé une gamme de pompes centrifu-ges à arbre long : le moteur alimenté par lesmodules photovoltaïques directement en courantcontinu et disposé à la surface, au-dessus duforage, transmettait son mouvement à l’hydrau-lique grâce à une tringlerie. Fiable, ce mécanismen’en était pas moins complexe, d’une installationet d’un entretien délicats.

La société danoise GRUNDFOS a lancé, audébut des années 1980, une nouvelle technolo-gie : le groupe moteur-pompe est au fond duforage, le moteur est à induction, et donc ali-menté en courant alternatif par l’intermédiaired’un convertisseur. La fiabilité de l’ensemble enest grandement améliorée par la suppression de latringlerie et son remplacement par un tuyau derefoulement souple et auto-porteur. Total Énergie(France) développa peu de temps après, unegamme de pompes selon le même principe.

Depuis moins de 10 ans, de nouveauxproduits sont arrivés sur le marché, même si cedernier ne croît pas de façon significative.

Les pompes centrifuges avec onduleur àfréquence variable restent le standard avec deuxtendances : • augmentation des puissances admis-sibles, jusqu’à près de 10 kWc • utilisation demoteurs immergés standard en remplacement demoteurs spéciaux.

La nouveauté la plus marquante est cepen-dant l’arrivée de systèmes de pompage volumé-trique avec pas moins de 4 offres au niveaueuropéen.

Les deux types de pompes, centrifuges etvolumétriques, représentant la très grande majo-rité des systèmes proposés, sont présentés dansles chapitres suivants. Il est important de biencomprendre, du point de vue technique, ce quidifférencie clairement ces pompes par rapport auxpompes domestiques en dehors de leurs caracté-ristiques de performance (débit/hauteur) et pour-quoi il est important d’éviter la confusion tropsouvent rencontrée.

3.2 pompes centrifugesimmergées

C’est donc la société Grundfos qui a introduit leconcept de pompe solaire immergée avec ondu-leur. Il a fait école et est devenu le standard actuel.L’idée de départ est simple : il faut une fiabilitéaussi grande que possible compte tenu de l’éloi-gnement des sites d’installation. La même appro-

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Graphique 4 : Schéma d'installation type de pompe solaire villageoise

Source : Ademe

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che avait été faite précédemment par le concep-teur de la pompe Alta X, Pierre Lavit, des PompesGuinard : une technique rustique, certes moinsmoderne, mais de grande fiabilité, telle que décriteprécédemment. Le concept de Grundfos estsimple : à une extrémité du système, les modulesphotovoltaïques dont la fiabilité est connue, à l’au-tre extrémité, une électropompe composée de deuxparties principales : • une pompe centrifuge multi-cellulaire dont le diamètre permet son installationdans des forages étroits de diamètre normalisé,désigné en pouce (4", 6", etc.) • un moteur asyn-chrone à cage d’écureuil construit spécialementpour fonctionner entièrement immergé dans l’eauet aux mêmes caractéristiques dimensionnellesque la pompe.

La partie hydraulique et la partie électriquesont assemblées au niveau du corps d’aspiration(la partie inférieure de la pompe) pour former ungroupe électropompe immergé. Le moteur élec-trique comporte une sortie de câble permettant leraccordement à l’alimentation électrique. Le groupeimmergé est suspendu dans le forage par le tuyaude refoulement au niveau de la partie hydraulique.Il est toutefois doté d’un câble de retenue.

Pour un forage de 4", l’encombrement horstout, y compris le câble électrique d’alimentationqui longe la partie hydraulique, ne doit pas excé-der 96 mm. Plus le niveau de l’eau est profond,plus l’hydraulique comportera un nombre d’étagesimportant : un étage élevant l’eau en moyenne de4 mètres pour une pompe de 4".

PompeLe choix des matériaux de construction prend encompte trois facteurs qui assurent la fiabilité dumatériel :- les problèmes de corrosion ;- les phénomènes électrolytiques liés à la nature del’eau ;- les problèmes d’abrasion occasionnés par lacentrifugation de particules en suspension conte-nues dans l’eau (limon, sable, silice).

Les matériaux composites modernes appor-tent des solutions largement éprouvées. L’utilisa-tion de résines thermoplastiques moulées,chargées à 30 % environ de fibre de verre permetd’obtenir des formes et des états de surface favo-risant un bon rendement. Les parties fixes ou tour-

nantes sont maintenues dans une enveloppe enacier inoxydable assurant maintien et rigidité del’ensemble. La technique “tout inox”, autre école,a aussi largement fait ses preuves.

MoteurLe moteur immergé est également un composanttechniquement arrivé à maturité, depuis son lance-ment en 1929. Les différents fabricants mondiauxont des détails ou des astuces de fabrication mais,là également, le schéma de base est le même : lesbobinages sont réalisés avec un fil de cuivreenrobé dans une résine qui assure simultanémentl’isolation électrique et l’étanchéité. Un câbleimmergé méplat sort du moteur, longe la partie

8

Source : KSB

Graphique 4 : Coupe d’une électropompe centrifuge immergée

Clapet anti-retour

Câble électrique

Aspiration d’un impulseur

Palier supérieur de l’hydraulique

Aspiration d’un impulseur

Palier supérieur de l’hydraulique

Palier supérieur du moteur

Moteur immergé

Palier inférieur du moteur

Rotor

Palier à butée

Système d’équilibrage de pression

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hydraulique puis le tuyau de refoulement pourrejoindre la surface et est raccordé au convertis-seur.

L’équipage mobile : arbre, impulseurs del’hydraulique et rotor du moteur, tourne à la basedu moteur sur un palier à butée qui encaisse lesefforts statiques, le poids, et dynamiques, la pous-sée hydraulique. L’arbre est guidé à la partie supé-rieure par un palier lisse protégé par un souffletde caoutchouc.

Le moteur est entièrement rempli d’eauadditionnée de glycol en usine. Ce fluide sert à lalubrification des paliers du rotor et participe à l’éva-cuation des calories dues à l’échauffement du rotorpendant son fonctionnement. À la base du moteur,une membrane maintient un équilibre de pressionavec l’eau extérieure empêchant l’eau du forage,avec ses éventuelles matières abrasives en suspen-sion, de pénétrer dans le moteur. L’eau ne pouvantni rentrer ni sortir du moteur, la sortie de l’arbren’a donc pas besoin de comporter d’étanchéité parjoint tournant qui engendrerait une perte de puis-sance.

OnduleurL’utilisation d’un moteur à induction requiert latransformation du courant continu, produit par lesmodules solaires, en courant alternatif.

En courant alternatif triphasé, la fréquence(50 Hz pour le réseau) conditionne la vitesse nomi-nale du moteur, généralement fixée à3 000 tours/minute. Or, les panneaux photovol-taïques délivrent un courant continu dont l’ampé-rage est lié à l’ensoleillement qu’ils reçoivent.

Utiliser une pompe immergée dont la fiabi-lité n’est pas à démontrer et dont le prix bénéfi-cie d’une fabrication en grande série, impliquedonc d’utiliser un élément intermédiaire transfor-mant le courant venant des panneaux solaires enun courant utilisable par le moteur. Il faudra, parailleurs, que la pompe demande une puissanceidentique à celle développée par les panneauxconstamment variable du matin au soir. Pour fairevarier la puissance prise par la pompe, une seulesolution : faire varier sa vitesse (son débit) et doncla fréquence du courant alternatif qui l’alimente.L’élément intermédiaire est donc un onduleurtriphasé à fréquence variable. Celui-ci, en revan-che, ne se trouve pas dans le commerce pour d’au-

tres applications, il fait donc l’objet de constructionspécifique.

L’évolution des électroniques est liée à cellede ses composants de base. En l’occurrence ils’agit essentiellement des transistors de puissancedont les deux évolutions majeures ont permis :• Une montée en puissance : initiée par Total Éner-gie et reprise par BP Solar. • L’utilisation d’ondu-leurs de tension compatible avec des moteurscomplètement standard développée par BP Solar.

Rendement du systèmeLe rendement global du système, produit desrendements de chaque composant : pompe,moteur, onduleur et générateur, qui, tous, évoluentau cours de la journée, est d’autant meilleur que lapuissance du moteur et de la pompe augmente.Les valeurs indicatives moyennes sont les suivan-tes : • pompe : 45 à 55 % • moteur : 70 à 80 %• onduleur : 93 à 97 % • générateur : 85 à 95 %• rendement global : 25 à 40 %.

Pour rappel, la formule simplifiée de dimen-sionnement d’une pompe solaire est :

Wc = Q x H x 2.725 / (E x R)

Avec : Wc = puissance du générateur en Watt-crête ; Q = débit en m3/jour ; H = hauteur mano-métrique en mètre ; E = ensoleillement journalieren kWh/m2.jour ; R = rendement global

Tension de fonctionnement et contraintes associéesPour garder un bon rendement au niveau d’unonduleur de pompage, les tensions d’entrée(courant continu) et de sortie (courant triphasé)doivent être voisines. Du côté moteur immergé, ilne faut pas travailler à tension trop faible afind’être en mesure de réaliser un bobinage compa-tible à la fois avec les ampères à véhiculer et avecla taille d’un moteur de 96 mm de diamètre exté-rieur.

Cette contrainte n’est pas sans impacts surla définition des gammes de produits : par exem-ple, SA 1 500 de Grundfos et TSP 2 000 de TotalÉnergie (700 à 2 000 Wc). La première fonctionneavec des séries de 7 modules (110 volts en entrée)et un moteur de 70 volts, la deuxième avec desséries de 8 modules (125 volts) et un moteur de80 volts. D’une taille de pompe à l’autre dans la

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gamme, les pas sont de 7 ou 8 modules, soit 525ou 600 Wc en prenant des modules de 75 Wc.Cela revient à dire que si l’on veut couvrir à 100 %un besoin, on risque un surdimensionnement dugénérateur qui peut aller jusqu’à plus de 30 %.

Il en est de même en comparant la gammeTSP 4 000/6 000 de Total Énergie avec la gammeAP de BP Solar. Pour la première, la tension entréeonduleur est de 16 modules en série, soit256 volts en fonctionnement et un pas de1 200 Wc, toujours pour des modules de 75 Wc.Pour la gamme BP, il faut 20 modules série soit320 volts et un pas de 1 500 Wc.

On peut, certes, diminuer l’effet de pas enjouant sur la puissance unitaire des modules, maisle phénomène de surdimensionnement qui a uneincidence sur le prix et le taux d’exploitation de laressource doit être gardé en mémoire.

Quelques conclusions importantes s’impo-sent : • si les besoins de pompage d’un site ontété surévalués, le phénomène de surdimension-nement risque, compte tenu de la tension de fonc-tionnement, de représenter 20 à 75 % del’investissement répondant au besoin. • Il estessentiel de vérifier que la ressource (débit duforage) est compatible avec le surcroît de débitqu’un surdimensionnement par saut de pasprovoque immanquablement. • L’augmentationdes puissances unitaires des modules, poussée

par le développement du marché de la connexionau réseau et la pression sur la baisse de prix duWatt-crête, augmente l’effet de pas. Dans cecontexte, la baisse apparente du prix du Watt-crête ne bénéficie pas vraiment au pompagesolaire, bien au contraire, puisqu’il limite le choixdes tailles de générateur en augmentant l’écartentre elles.

• L’importance portée au rendement dansle critère de choix d’une pompe solaire doit ainsiêtre relativisée. Le terrain montre qu’il est large-ment bénéfique de mettre la fiabilité en toutepremière ligne.

• Les courbes de baisse de prix tracéesdans les laboratoires ont peu de sens lorsque l’onévoque des installations en site isolé : il vautbeaucoup mieux interroger les fabricants et leursdistributeurs dans le pays concerné que de sebaser sur “des prix au kilo” qui n’ont pas de réalitéhors d’un contexte précis.Cette série de remarques est valable pour toutesles pompes solaires.

Performancesdes gammes proposéesLe graphique 5 illustre les performances desgammes de trois fournisseurs européens :• Grundfos SA 1 500 • Total Énergie TSP 2000,4 000 et 6 000 • BP Solar série AP

Les zones de performance correspondent à

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225

200

175

150

125

100

75

Hau

teu

rde

pom

pag

e(m

)

Débits journaliers (m3/j)

GRUNDFOS Solar 1 500 : 700 à 1 750 Wc

TOTAL ENERGIE TSP 2 000 à 6 000 : 600 à 5 600 Wc

BP SOLAR AP : 2 000 à 9 600 Wc

50

25

00 25 50 75 100 125 150 175 200

Graphique 5 : Pompes villageoises centrifuges. Plages d’utilisation

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un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour, elles ont étélissées pour simplifier les graphiques.

3.3 pompes volumétriquesimmergées

Les systèmes volumétriques, de façon analogueaux pompes solaires maintenant classiques,comportent 3 éléments : un groupe électropompeimmergé, une électronique de commande et ungénérateur photovoltaïque.

L’hydrauliqueLes caractéristiques demandées par ce système depompage, faible débit et hauteur importante,sortent du domaine de la pompe centrifuge etcorrespondent à celui de la pompe volumétrique.La totalité des constructeurs a choisi le type quise prête le mieux dans ce cas : la pompe à cavitéprogressive, plus connue sous le nom de “pompeMono” (voir schéma suivant).

La pompe volumétrique à cavité progres-sive a été inventée en 1930 par René Moineau, qui

a fondé en France la société PCM. L’exploitationdu brevet à l’étranger a commencé en Angleterre àpartir de 1935 (Mono Pumps), puis en Australie etaux États-Unis (Mono et Monoflo). Cette pompeest maintenant fabriquée jusqu’en Chine. C’est unepompe qui, à faible vitesse, est très bien adaptéeaux liquides visqueux, abrasifs ou ne supportantpas le brassage que leur ferait subir une pompecentrifuge.

C’est surtout dans les pays anglo-saxons eten Australie où elle est couramment utilisée pour lepompage d’eau sur puits ou forage et connue poursa robustesse dans ce genre d’application. Elle aété tout d’abord montée sur arbre long et colonne,souvent avec une transmission à poulie. Uneversion en pompe manuelle a même été construitedans les années 1980 sans connaître un grandsuccès. Plus récemment, une “gamme hydraulique”a été développée pour permettre un accouplementdirect avec un moteur immergé à 3 000 t/mn.

La pompe Mono se compose de deuxéléments principaux : un rotor et un stator. Le rotora une forme d’engrenage hélicoïdal ou encore de

11

Coupe d’une pompe volumétrique à cavité progressive

Le rotor est au point haut de l’alvéole

Stator et rotor sont représentés en coupe. La décomposition du mouvement de rotation du rotor tournant à droite permet sur un tour de suivre la progression d’une alvéole

Le liquide se déplace de droite à gauche selon, bien évidemment, le sens du déplacement des alvéoles

Le refoulement et respiration sont isolés l’un de l’autre par une ligne d’étanchéité dont la longueur totale est proportionnelle au nombre de pas de la pompe

La rotation inverse du rotor entraînerait un déplacement inverse des alvéoles et donc du sens du débit. La pompe est réversiblesous certaines conditions

Rotor

Alvéole

Stator

Rotor

Le rotor a tourné de 90° et se trouve dans l’axe du stator

Le rotor a tourné de 180°,l’alvéole est fermée

Le rotor a tourné de 270°, il se trouve dans l’axe du stator

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vis à larges filets arrondis souvent appelée “queuede cochon”. Le stator est un tube de forme inté-rieure complémentaire, mais avec deux filets dontles pas sont le double de celui du rotor. Cettegéométrie particulière isole des cavités entre lerotor et le stator. Ces cavités sont repoussées,lorsque le rotor tourne, depuis l’aspiration vers lerefoulement de la pompe (d’une extrémité à l’au-tre du stator). Quelle que soit la position du rotor,il y a toujours une zone continue de contact entrerotor et stator qui isole les extrémités aspiration etrefoulement. Le débit engendré est continu, sanspulsation. Le rotor est poli et chromé dur, et lestator est en caoutchouc pour assurer un boncontact d’étanchéité et un bon coefficient de frot-tement en présence du fluide pompé. Le stator esttenu dans un fourreau en acier inoxydable quiassure la rigidité de l’ensemble.

La pompe Mono immergée se présentecomme une pompe centrifuge immergée classique,avec le moteur électrique directement accouplésous l’hydraulique, l’aspiration est au niveau del’accouplement et le refoulement à la partie supé-rieure, le tout étant suspendu par la tuyauterie derefoulement.

Du point de vue hydraulique, le débitdépend du diamètre du rotor et, comme pour toutepompe volumétrique, il est proportionnel à lavitesse de rotation. La pression de refoulement estune source de fuites internes à travers la zone decontact entre le rotor et le stator. Ces fuites dépen-dent de l’ajustage plus ou moins serré entre lesdiamètres du rotor et du stator. Pour obtenir despressions de refoulement plus importantes (si lapuissance du moteur le permet), il faut diminuer lesfuites internes. Plutôt que d’augmenter la pressionde contact entre rotor et stator, on utilise un couplestator/rotor plus long de façon à disposer deplusieurs zones d’étanchéité successives (lamina-ges successifs de la fuite) sans trop de pertesmécaniques par frottement au niveau de chacune.

Du point de vue mécanique, un rotor necomportant qu’un filet crée un phénomène debalourd. Aussi est-il nécessaire de monter unaccouplement semi élastique (cardan par exem-ple) entre l’hydraulique et le moteur, de façon àfaire barrière aux vibrations qui seraient nuisiblesau palier du moteur. Cette difficulté peut aussi êtrerésolue en prolongeant le rotor par un arbre fin et

relativement long (Flexishaft de Mono) dont la flexi-bilité permet d’amortir ce phénomène, le manchonde l’arbre est de plus vissé ou collé pour éviterl’usure des crans de l’accouplement sous l’effetd’efforts excentriques résiduels.

Le rendement global de cette hydrauliquedépend principalement : • au niveau hydraulique :des fuites internes à travers les zones de contactentre stator et rotor, qui augmentent avec la pres-sion de refoulement • au niveau mécanique : dela puissance absorbée par frottement entre statoret rotor au niveau de ces zones.

Il y a donc un compromis à réaliser auniveau des caractéristiques dimensionnelles desdeux pièces : un ajustement serré entre rotor etstator favorise le rendement hydraulique audépend du rendement mécanique et inversement.

Les avantages de cette hydraulique sont :• un rendement bien supérieur à celui d’unepompe centrifuge multicellulaire (voisin de 85 %contre moins de 50 % pour cette dernière danscette gamme de débit) • une grande fiabilité (uneseule pièce en mouvement, pas de clapets) • uneexcellente tenue à l’abrasion, par l’utilisation d’unstator en caoutchouc. Il est important de rappelerici que l’eau chargée est la principale cause depannes des pompes immergées.

MoteurUne des caractéristiques de ces pompes volumé-triques est le fort couple demandé au démarrage(frottements statiques) puis à la mise en vitessecomme toute pompe volumétrique. Dans la gammede puissances mises en jeu, les moteurs immer-gés triphasés (similaires à ceux utilisés pour lespompes solaires avec onduleur) ont, en plus deleur faible couple, des rendements médiocres enpetite puissance: ils ne conviennent donc pas pource type d’hydraulique.

Des constructeurs ont développé récem-ment des moteurs à courant continu à aimantpermanent (rotor en alliage de terre rare) à commu-tation électronique, c’est-à-dire sans balais : l’ali-mentation alternée des bobinages est réaliséeélectroniquement et non par un contact physique.Ces moteurs sans entretien reprennent l’architec-ture des moteurs immergés classiques (remplisd’eau) et ont donc leur fiabilité. Ils ont, en revan-che, un couple et un rendement beaucoup plus

12

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important. La fixation entre moteur et hydrauliqueest identique à celle des groupes centrifugesimmergés.

ÉlectroniqueL’alimentation alternée des bobinages du moteurest pilotée par une électronique qui impose unetension de fonctionnement optimale au généra-teur photovoltaïque (tension préréglée ou MPPT).La fréquence de commutation est proportionnelleà l’intensité délivrée par le générateur, pour assu-rer un fonctionnement au fil du soleil. L’unitéélectronique est conçue pour protéger égalementles bobinages du moteur contre toute surintensiténuisible (surcharge ou blocage du moteur). L’élec-tronique assure aussi l’arrêt de la pompe en cas demanque d’eau dans le forage par l’intermédiaired’une sonde.

RendementLe rendement global de ces pompes dépassesouvent 50 %, soit supérieur de 25 points à celuides électropompes centrifuges avec onduleur, dansla même gamme de puissance.

Performancesdes gammes proposéesLe graphique 7 donne un aperçu de l’offre dequatre fournisseurs européens : • Total Énergie• Grundfos • BP Solar • Bernt Lorentz AG.

Les zones de performance correspondent àun ensoleillement de 6 kWh/m2.jour, elles ont étévolontairement lissées pour la clarté de l’illustra-tion.

4 prix des systèmes

4.1 les éléments du prix

Le prix d’un système de pompage peut se décom-poser en trois parties : • Le prix de l’électropompeet de l’électronique associée. • Le prix du géné-rateur photovoltaïque (modules, supports etcâblage). • Enfin celui des accessoires (câble élec-trique de la pompe, tuyau de refoulement, etc.).

Dans une gamme de pompes, c’est la puis-sance du générateur qui fait varier le prix. Le typede moteur, de l’électronique et de l’hydraulique n’aque très peu d’influence sur le coût de l’ensemble.

Le pompage photovoltaïque met en jeudes générateurs photovoltaïques de tailles impor-tantes, et son coût est donc très influencé par leprix de marché du module solaire. Courant 2004,le module photovoltaïque est vendu à environ4,5 à 5 €/Wc auquel il faut rajouter environ 1 à1,5 €/Wc pour le câblage et les supports desmodules. Les prix indiqués ci-après ne compren-nent pas les accessoires qui dépendent de

13

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

Hau

teu

rde

pom

pag

e(m

)

Débits journaliers (m3/j)

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

GRUNDFOS SQFlex : 172 à 860 Wc

TOTAL ÉNERGIE TSP 1 000 : 300 à 800 Wc

ETA Bernt Lorentz KG ETA : 90 à 900 Wc

BP SOLAR MP : 160 à 1 220 Wc

Graphique 7 : Pompes villageoises volumétriques. Plages d’utilisation.

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chaque installation particulière. Il est évident queplus la puissance du générateur est importante,plus le prix se rapprochera de celui du généra-teur seul (6 €/Wc, pour reprendre les chiffresprécédents).

4.2 prix au watt-crête

Cette approche permet d’estimer le prix d’unepompe solaire à partir de celui du Wc considéré.À partir de la formule de dimensionnement d’unepompe donnée en paragraphe 2.2. :

Wc = Q x H x 2.725 / (E x R)et connaissant le prix moyen par Watt-crête (P/Wc)dans la gamme de puissances considérée, onobtient :

Prix = P/Wc x Q x H x 2.725 / (E x R)À titre indicatif, le tableau suivant donne

l’évolution du prix au Wc des pompes villageoisesde moins de 2 000 Wc depuis l’émergence decette technologie :

Les graphiques 8 et 9 ont été tracés àpartir des tarifs actuels de fournisseurs euro-péens. Ils illustrent l’influence de la puissance dela pompe sur les prix du Wc.

4.3 prixpar m3 d’eau pompé

Le prix au Watt-crête ne tient pas compte desrendements, affectant le coût du service rendu.Aussi, il est plus juste d’exprimer le prix des systè-mes en fonction de leur production journalière.Ceci donne l’occasion de faire un comparatif derendement des systèmes de pompage par puis-sance et par type (graphique 10). Pour le compa-ratif suivant, effectué sur 8 types de pompes, ontété considérés une hauteur de pompage de 30 met un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour.

Le groupe des 4 pompes volumétriques sedétache nettement dans leur zone de puissances,avec des rendements globaux entre 35 et 50 %.

Ces rendements se traduisent par uneproduction spécifique supérieure des pompesvolumétriques par rapport aux pompes centrifu-ges comme l’illustre le graphique 10. Ces rende-ments compensent largement un prix au Watt-crêtesupérieur des pompes volumétriques dans la

Graphique 8 : Prix moyen au Wc pour pompes volumétriques et centrifuges de puissance inférieure à 2 000 Wc.

Prix

en€

par

Wc

Puissance du générateur

7,00

6,00

5,00

4,00

11,00

10,00

9,00

8,00

14,00

13,00

12,00

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500

année 1975 1985 1995 2003

Prix/Wc (€) 30 15 13 7

Etat_Art_Pompage 7/12/05 15:26 Page 14

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15

Ren

dem

ent

glo

bal

(%)

Puissance du générateur (Wc)

35,00

30,00

25,00

20,00

55,00

50,00

45,00

10,00

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000

Pompes volumétriques

Pompes centrifuges

Prix

en€

par

Wc

Puissance du générateur (Wc)

6,00

5,50

5,00

7,00

6,50

8,00

7,50

2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000

Graphique 9 : Prix moyen au Wc pour pompes centrifuges de puissance supérieure à 2 000 Wc.

Graphique 10 : Rendement global typique de plusieurs types de pompes pour une hauteur de de pompage de 30 mètres

Etat_Art_Pompage 7/12/05 15:26 Page 15

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gamme de puissance de 300 à 1 000 Wc. Legraphique 11 illustre, sur ces mêmes bases, lesprix par m3 pompé. Le graphique montre une zonede prix de l’eau en fonction de différentes pompesprises dans la gamme 500 à 6 000 Wc. Pour unepuissance donnée, l’écart s’explique par les diffé-rences de prix et de performances annoncés parles différents fabricants. On peut remarquer que lafourchette de prix est importante dans la zone derecouvrement de deux gammes, pompes volumé-triques et centrifuges. Pompe et électroniquereprésentent alors en moyenne 35 % de l’ensem-ble, et les écarts de prix d’un constructeur à l’au-tre sont importants. Le prix de ces deuxcomposants représente alors moins de 10 % dansla zone des fortes puissances.

Les calculs ayant conduit aux résultatsprésentés dans le graphique 12 ont pris encompte : • Le matériel de pompage et son renou-vellement en admettant que les coûts des aména-gements hydrauliques et de l’exploitation sontidentiques quel que soit le moyen mécanique depompage. • Une période de 20 ans en supposantque l’ensemble du système de pompage soit alorsentièrement à remplacer (même si les modules onten fait une durée de vie plus longue). • Les tauxd’actualisation ne sont pas pris en compte comme

souvent dans ce genre d’évaluation. • Les duréesde vie de l’électro-pompe et de l’électronique asso-ciées sont de 7 ans, soit 2 renouvellements (aubout de 7 et 14 ans). • L’eau est pompée à 30mètres avec un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour.• 80 % du volume pompé est effectivement vendu(20 % de perte réseau et d’invendu).

Enfin, il est utile de rappeler, que comptetenu du coût d’investissement élevé des modulessolaires, il est nécessaire de privilégier le volumed’eau fourni pour réduire, autant que faire se peut,le prix de l’eau. Cette stratégie sera mise en œuvrepar la conception et l’installation d’un circuit dedistribution réduisant au maximum les pertes.

5 conclusion

Le pompage solaire, dans l’Union européenne,représente une part peu significative du marchéglobal du photovoltaïque, les modules solairesconnectés au réseau captant aujourd’hui la quasitotalité de la production.

Si le pompage solaire ne représente pasaujourd’hui une quantité significative de modulesphotovoltaïques fournis, il est cependant le

16

Pro

duct

ion

enli

tre

par

Wc

Puissance du générateur (Wc)

30,00

25,00

20,00

15,00

40,00

35,00

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000

Pompes volumétriques

Pompes centrifuges

Graphique 11 : Production journalière par Wc pour une hauteur de pompage de 30 mètres et un ensoleillement de 6kWh/m2/ j

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support d’un marché susceptible de représenter,à terme, l’un des principaux secteurs de marché :

- il dispose d’une grande importance enqualité de service rendu ;

- il est l’amorce d’une plus large utilisationdu photovoltaïque, pour des applications domes-tiques, sociales ou économiques ;

- alternative aux groupes moto-pompesalimentés en carburant, il est d’autant pluscompétitif que le prix du combustible augmente.

Réduire le prix du litre d’eau pompé,accroître la qualité du service, ce sont autantd’atouts que se donne la technologie photovol-taïque pour aborder ce vaste marché, prometteurmais complexe et permettre un accès à l’eau aussilarge que possible, même pour les populationsles plus démunies.

Associant fiabilité des équipements etsouci de la qualité du service, l’Europe est bienpositionnée pour prendre une part importante dece futur marché.

17

Prix

del’

eau

(€/m

3)

Puissance pompe (Wc)

0,07

0,05

0,03

0,11

0,09

0,13

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000

Graphique 12 : Prix de l’eau en fonction de la puissance des pompes solaires

N.B. : Ces prix ne tiennent pas compte de l’amortissement des coûts des infrastructures annexes, forages, réservoirs,points d’eau et canalisations associés, similaire pour toute autre source d’énergie, ni des charges de leur gestion

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annexe 1.rappel de notionsd’hydraulique et de pompageL’hydraulique étudie le comportement des fluidesincompressibles (les liquides par opposition auxgaz). Un liquide peut acquérir et transmettre del’énergie sous deux formes : par sa vitesse (éner-gie cinétique) et par sa pression (énergie poten-tielle). Dans la pratique, c’est presque toujoursune combinaison des deux mais, lorsque la partde l’énergie cinétique est prépondérante dans lephénomène, on parle d’hydrodynamique et, à l’in-verse, d’hydrostatique. Dans une turbine, c’estprincipalement la vitesse du liquide qui entre enjeu, dans un vérin au contraire, c’est la pression.

1 définitions et unités

Énergie potentielle et pressionL’énergie potentielle d’un volume d’eau situé dansun château d’eau correspond à l’énergie qui aservi à élever cette eau. Si on fait redescendrecette masse d’eau, elle va retrocéder l’énergieacquise. Si on ne le fait pas, elle garde ce poten-

tiel. Cette énergie est le produit du poids d’eaupar sa hauteur. Ep = Mg x H. Elle se mesure entermes de pression.

La pression est la force appliquée (lepoids) par unité de surface, l’unité de pressionla plus courante est le bar. Une colonne d’eau de10 mètres de haut exerce une pression de prati-quement 1 bar à sa base. C’est pourquoi on asso-cie couramment la pression à une hauteur d’eau,et on traduit énergie potentielle et pression enmètre de colonne d’eau.

Énergie cinétiqueLa deuxième composante de l’énergie hydrauliqueest le débit. Communiquer de l’énergie à unliquide ou, au contraire, la récupérer, implique undéplacement de ce liquide. Le débit est le volumede liquide déplacé par unité de temps. Q = V/t.

Plusieurs unités sont employées :• en volume, le litre ou le m3 ;• en temps, la seconde, la minute ou l’heure.

On utilise couramment le m3/s, lelitre/mn, etc. Pour ce qui suit, on utilisera le m3/h.Un même débit peut transiter dans une tuyauterieplus ou moins grosse : la différence sera la vitessedu liquide : plus la section de la tuyauterie estfaible, plus la vitesse du liquide est importante. Untransfert de liquide implique donc la mise en jeude plus ou moins d’énergie cinétique.

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Débit

Pertes de charge

Hauteur géométrique

Hauteur

Graphique 13 : Courbe réseau

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Énergie d’un liquideen mouvementDe ce qui précède, on voit que l’énergie d’unliquide en mouvement dans une canalisation atrois composantes : hauteur, pression et vitesse.L’énergie totale du liquide est la somme de cestrois types d’énergie : E = Ep + p + Ec.

Dans la pratique, les vitesses d’eau dansles canalisations sont relativement faibles, infé-rieures à 2,5 m/s, au-delà duquel l’écoulementserait bruyant. La part d’énergie cinétique est beau-coup plus faible que les deux autres, si bien qu’elleest généralement négligée dans les calculs.

La puissance est la faculté d’un appareil àconsommer ou à produire une certaine quantitéd’énergie dans un temps donné. L’unité d’éner-gie est le Joule, celle de la puissance est le Watt(1 Watt = 1 Joule/seconde ou 1 joule = 1 Watt x 1seconde). Le wattheure (Watt x heure) est uneunité plus courante, il vaut 3 600 joules.

Pertes de chargeDans une tuyauterie horizontale, l’eau reste à lamême hauteur et a donc une énergie potentielleconstante. Si la section diminue à un endroit don-né ; le débit restant le même, la vitesse de l’eau vaaugmenter, la part de son énergie cinétique égale-ment. Cette augmentation ne peut se faire qu’audétriment de sa pression car, dans la somme, iln’y a eu aucun apport d’énergie supplémentaire : lapression du liquide va donc diminuer.

L’inverse n’est pas complètement vrai. Leliquide a “frotté” contre la surface interne de latuyauterie, entraînant des pertes qui augmententrapidement avec la vitesse de l’eau (comme lecarré de la vitesse). À l’endroit où la tuyauterieretrouve son diamètre initial, on constate que lapression a légèrement diminué. Comme toute

perte d’énergie, la différence a été perdue enchaleur. On appelle pertes de charge, ces pertesen frottements le long d’une tuyauterie. Pour êtreprécis, on distingue les pertes de charge linéairesdans une conduite et les pertes de charge singu-lières. Elles sont fonction de : • La vitesse del’eau, donc du débit et du diamètre de la tuyau-terie. • La longueur de la tuyauterie. • La rugositéinterne de la tuyauterie : la rouille multiplie par 5la rugosité, un tube plastique n’est pas loin de100 fois moins rugueux qu’un tuyau galvanisé.• Des singularités du réseau (coude, té, vanne).

Les pertes de charge étant des pertes depression, elles se mesureront comme la pression,en mètre. Compte tenu du coût des modulessolaires, il est nécessaire de réduire, autant quefaire se peut, les valeurs de ces pertes. En pra-tique, elles ne doivent pas dépasser 5 % de lahauteur géométrique.

Hauteur manométriqueQuelle énergie faut-il dépenser pour élever unemasse d’eau dans un réservoir ? À la fin de l’opé-ration, on a vu plus haut que la masse d’eau auraune énergie potentielle égale à Mg x H et que lapression mesurée en bas (pression statique expri-mée en mètre d’eau) sera H, la hauteur du réser-voir. Mais nous avons également vu, que lors dutransfert, il y a des pertes de pression dans lacanalisation (les pertes de charges Pc). Il faut lescompenser et donc appliquer une pression H + Pcau niveau de la pompe : cette pression s’appellehauteur manométrique, elle est exprimée enmètre de colonne d’eau.

Hauteur manométrique = hauteur géomé-trique + pertes de charge.

Ainsi l’énergie communiquée à l’eau est :Mg x (H + Pc).

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Graphique 14: Pompe rotative à palettes.

Aspiration Transfert Refoulement

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Pour une canalisation donnée, plus l’opé-ration est rapide (c’est-à-dire plus le débit estimportant) plus les pertes de charges sont impor-tantes. La hauteur manométrique est donc fonc-tion du débit.

Courbe réseauOn appelle réseau, la tuyauterie et les accessoiresqui servent à transporter de l’eau entre deuxpoints : par exemple d’une source d’eau à unréservoir. Un réseau a certaines caractéristiquespropres : le dénivelé entre les deux extrémités etla configuration de la tuyauterie. Celle-ci entraîne,comme on l’a vu plus haut, des pertes de chargequi sont fonction du débit. Ceci peut se traduiresur un graphique (13) qui donnera la hauteurmanométrique du réseau en fonction du débit. Àdébit nul, la hauteur manométrique sera égale àla hauteur géométrique, puis elle augmenteracomme les pertes de charges.

Limite d’aspiration des pompesAu-dessus d’une colonne d’eau de 10,33 mètres(comme au-dessus d’une colonne de mercure de76 cm), il y a le vide (nous faisons abstractionde la pression de vapeur saturante). Ceci veutdire tout simplement, que la limite d’aspirationde l’eau est de 10,33 mètres (la pressionatmosphérique mesurée en mètre d’eau). De lathéorie à la pratique, nous arrivons à un chiffreque l’on peut situer autour de 7,5 mètres.

Donc, gardons en mémoire qu’il est impos-sible de pomper une eau qui serait à plus de7,5 mètres en contrebas d’une pompe.

2 pompes

Une pompe est une machine qui transforme l’éner-gie mécanique en énergie hydraulique. L’énergiemécanique est elle-même produite par un moteurélectrique, thermique, etc. Comme une pompe nepeut se passer de moteur, on associe moteur etpompe lorsque l’on parle d’électropompe, demotopompe ou encore de pompe manuelle.

Lors du pompage d’un liquide, la pompene doit pas seulement fournir une pression équi-valente à celle correspondant à la différence deniveaux entre l’aspiration et le refoulement(hauteur géométrique d’élévation totale), maiségalement la pression nécessaire pour vaincre lespertes de charge dans les conduites d’aspirationet la tuyauterie de refoulement. On peut lire sur lacourbe réseau le point de fonctionnement de lapompe : le débit et la pression fournie.

On suppose, bien sûr, que par sa cons-truction et la puissance de son moteur, la pompesoit effectivement capable de fournir le travail(l’énergie) demandé. On peut très bien imaginerque la pompe au contraire, ne puisse pas accep-ter la pression imposée (qu’elle casse ou éclatesous l’effet de cette pression) ou que la puis-sance en jeu soit supérieure à ce que peut déliv-rer son moteur (donc qu’il cale). Une pompe doitavoir des caractéristiques de débit et de hauteurcompatibles avec celles du réseau. Ces caracté-ristiques sont illustrées sur la courbe débit/hauteur de la pompe qui est fournie par le cons-tructeur.

Pompes volumétriquesCe sont les pompes les plus anciennes (200 avantJ.-C., dit-on) et les plus connues. Elles fonctionnenten deux temps : remplissage puis vidange d’unvolume de liquide, d’où leur appellation. Leur fonc-tionnement ne met pas en jeu la vitesse de l’eau, cesont donc des machines hydrostatiques. La multi-tude des différents modes de fonctionnement lesclasse en deux catégories : • Les pompes alterna-tives. • Les pompes rotatives (graphique 14).

La plus connue des pompes alternatives estla pompe à piston (graphique 15). Elle com-porteune soupape d’admission et une soupape d’échap-pement, le pompage se fait en deux temps : aspi-ration puis refoulement, et le débit se fait parà-coups.

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Graphique 15 : Pompe à piston.

Aspiration Refoulement

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Dans les pompes rotatives, le débit est aucontraire régulier : c’est par exemple le cas despompes à engrenages, à lobes, à palettes, etc. Cettedeuxième catégorie de pompes a aussi l’avantagede ne comporter, en général, ni soupape ni clapet.

Le débit d’une pompe volumétrique estproportionnel à sa vitesse (nombre de coups parminute ou vitesse de rotation de l’axe). Pour unevitesse donnée, le débit est en théorie constant.Dans la pratique, le débit décroît avec la pression àcause des fuites internes au niveau des pointsd’étanchéité et, éventuellement, de la baisse derégime du moteur suite à l’augmentation de la puis-sance demandée.

Faire varier le débit d’une pompe volumé-trique, si la vitesse du moteur est fixe, ne peut sefaire qu’en détournant une partie du débit (by-pass).Arrêter le débit d’une pompe volumétrique enfermant une vanne est une manipulation dange-reuse si la pompe n’est pas munie d’une soupapede sécurité.

Les pompes volumétriques permettent despressions importantes pour des débits relativementfaibles. Elles ne brassent pas le liquide et sont, dece fait, bien adaptées aux liquides visqueux oufragiles.

Le travail effectué commence au démarrage,dès les premiers tours de moteur : ce type depompe nécessite donc un moteur qui a un couplede démarrage important ou, à défaut, un systèmequi embraye la pompe une fois le moteur lancé.Une pompe volumétrique permet en général d’aspi-rer l’air contenu dans la tuyauterie, on dit alorsqu’elle est auto-amorçante.

Pompes centrifugesCe type de pompe plus récent (inventé vers 1850)est beaucoup plus répandu (graphique 15). Les

pompes centrifuges ont en effet beaucoup d’avan-tages par rapport aux précédentes. Leur cons-truction est également plus simple : deux partiesprincipales, pas de clapet. Dans ces pompes,l’énergie mécanique est tout d’abord transforméeen énergie cinétique, le liquide est mis en vitessedans un impulseur. Ce sont donc des machineshydrodynamiques. L’énergie cinétique est ensuitetransformée en énergie potentielle (de pression)par ralentissement de la vitesse du liquide dansune volute.

Les caractéristiques des pompes centrifu-ges sont très différentes des précédentes : • Lecouple de démarrage est faible, principalementlié à l’inertie des éléments mobiles. • La pompeoffre, pour une vitesse donnée, différentes possi-bilités de débit et de pression. • La pression aune limite maximale qui correspond à un débitnul et à une puissance absorbée minimale.

La pression que peut donner une pompecentrifuge est liée à la vitesse de rotation de sonaxe et au diamètre de son impulseur (qui donnela vitesse de l’eau à sa périphérie). Pour obtenirplus de pression, il suffit d’augmenter le diamètre,mais il y a le risque d’arriver à des vitesses d’eaudangereuses et une taille de pompe trop volumi-neuse. La limite se situe également au niveau dela tenue mécanique d’un impulseur qui, pourengendrer un petit débit, doit rester de faibleépaisseur avec la fragilité qui en découle.

Retenons qu’une pompe centrifuge est maladaptée pour de faibles débits et de grandeshauteurs contrairement à sa cousine volumé-trique. Situons la limite inférieure de débit autourde 1,5 m3/h pour fixer les idées.

Il est toutefois possible d’augmenter lapression de la pompe par un autre moyen : ajou-ter la pression donnée par un impulseur à unautre et ainsi de suite. On construit alors unepompe centrifuge multicellulaire dont la pressionn’a théoriquement pas de limite et dont la taille(le diamètre) reste raisonnable. Signalons enfinque les pompes centrifuges ne peuvent aspirerl’air et, à moins de dispositif spécial, ne sont doncpas auto-amorçantes.

Rendement et vulnérabilitéLe rendement est le rapport entre l’énergie méca-nique fournie à la pompe et l’énergie hydrauliquequ’elle délivre. Les pertes d’énergie ont trois origi-

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Graphique 15 : Pompe centrifuge.

Aspirat ion

Refoulement

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nes : les frottements mécaniques, les fuites inter-nes (recirculation entre refoulement et aspiration)et les frottements dus à la mise en vitesse de l’eau(ou pertes de charge internes).

Dans une pompe volumétrique, il n’y a pasréellement de mise en vitesse d’eau si ce n’estaux passages étroits à travers les éventuelsclapets. Une construction soignée permet assezfacilement d’obtenir de très bons rendements, del’ordre de 90 %.

La simplicité mécanique d’une pompecentrifuge permet de limiter les frottements méca-niques, une construction soignée réduit les fuitesinternes, en revanche c’est la transformation devitesse en pression qui est le facteur limitant. Dansla pratique, 60 % est un chiffre très honnête pourune pompe centrifuge.

C’est l’eau qui lubrifie et refroidit les partiesen frottement d’une pompe. Une pompe qui fonc-tionne à sec est donc rapidement mise en danger :usure voire grippage. Si le liquide véhiculé contientdes matières en suspension abrasives la pompes’use. Ceci est encore plus vrai pour une pompecentrifuge où la vitesse de l’eau augmente lephénomène d’abrasion. Le dernier ennemi de lapompe est le degré d’agressivité de l’eau (sanature acide ou basique). Il faut en tenir comptedans le choix des matériaux qui la constituent.

Une pompe de construction soignée auraun bon rendement, en revanche elle n’accepteraque de l’eau claire. On trouve sur le marché despompes qui acceptent des eaux chargées (pompesd’égout), mais cet avantage est compensé par desrendements qui sont de 20 % à peine, d’où uncoût prohibitif d’une solution photovoltaïque.

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annexe 2.liste de fournisseursCette liste de fournisseurs européens ne prétendpas être exhaustive.

BERNT LORENTZ GmbH & Co. KGOliver NaveGroßer Ring 922457 Hamburg, GermanyTél. : +49/40/559-84025, fax: -3660E-mail : [email protected]

BP SOLAR989 Corporate Blvd, Linthicum MD 21090, USATél. : +1/410/981-0240, fax : -0278E-mail : [email protected]

DANKOFF SOLAR PRODUCTSWindy Dankoff2810 Industrial RoadSanta Fe, NM 87505, USATél. : +1/505/4-660059, fax: -733830E-mail : [email protected]

GRUNDFOS A/SErik BO KrustrupPoul Due Jensens vej 78850 Bjerringbro, DenmarkTél. : +45/87/50-4575, fax: -1468E-mail : [email protected]

IBC SOLAR AGBox 1107, 96231 Bad Staffelstein, GermanyTél. : +49/9573/9224-0, fax : -24E-mail : [email protected]

ISOFOTON S.A.Julian BELLIDOC/Montalban 9, Madrid, SpainTél. : +34/91/5312625, fax : +34/91/4147870E-mail : [email protected]

FLUXINOS ITALIA SrlCristina BartalliVia Genova 1058100 Grosseto, ItalyTél. : 39/0564/4512-72, fax: -37E-mail : [email protected]

MONO PUMPS Ltd.Martin Street, AudenshawManchester, M34 5JA, EnglandTél. : +44 (0) 161 339 9000E-mail : [email protected]

SHURFLO EUROPE Ltd.Godfrey FrostUnit 5 Sterling Park, Gatwick RoadCrawley, West Sussex RH10 2QT, UKTél. : +44/1293/42-4000, fax: -1880E-mail : [email protected]

SOLAR ENERGY SYSTEMS Ltd. (SES)Tony Martin3/81 Guthrie StreetOsborne Park, WA 6017, AustraliaTél. : +61/8/920415-21, fax: -19E-mail : [email protected]

TOTAL ENERGIE12-14 Allée du Levant69890 La Tour de Salvagny, FranceTél. : +33/478/488850, fax : -194483www.total-energie.com

WORLDWATER Corp.Mike Palladino55 Route 31 SouthPennington, NJ 08534, USATél. : +1/609/81807-00, fax: -20E-mail : [email protected]

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Éditeur

www.energies-renouvelables.org

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COMMISSION EUROPEENNE

Les partenaires du projet “Implementation of a photovoltaic water pumping programme in Mediterranean countries” :

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