Approche de base

Premier contact avec PVsystBasic

Les "Systèmes de pompage" dans PVsystBasic concernent exclusivement des systèmes de pompage autonomes, qui fonctionnent selon la disponibilité du soleil, sans utiliser de stockage électrique ni être connectés au réseau. Ces systèmes se composent généralement de :

Une pompe
Un champ photovoltaïque

Pour bien mettre en œuvre de tels systèmes, il est essentiel de définir avec précision :

Le circuit hydraulique (qu'il s'agisse de puits, de forages, de pompage dans un lac ou d'un système de pressurisation)
Les besoins en eau
La hauteur manométrique, en fonction du débit et d'autres paramètres potentiels
Un réservoir de stockage.

D'autres contraintes peuvent également être prises en compte, comme le rabattement maximal dans un puits profond ou encore la gestion d'un réservoir plein.

Fonctionnement du système

Le système fonctionne en ajustant la puissance de la pompe en fonction de la puissance disponible du générateur photovoltaïque à un moment donné. La hauteur de charge (ou de chute) est déterminée par des conditions externes telles que la différence de niveau, les pertes de charge dans les tuyaux ou le rabattement dans un puits profond. Par conséquent, le débit d'eau sera directement lié à la puissance instantanée fournie par le générateur PV.

Modélisation dans la simulation

La simulation requiert un modèle complet de la pompe pour déterminer le débit en fonction des conditions de puissance et de hauteur. Comme la hauteur de chute totale varie en fonction du débit (notamment en raison des pertes de charge dans les canalisations ou du rabattement), le point de fonctionnement est évalué par approximations successives.

Avantages des systèmes autonomes

L'un des principaux avantages de ces systèmes est l'absence de batterie, ce qui réduit les coûts de maintenance liés au remplacement des batteries. Le stockage se fait par accumulation d'eau dans un réservoir, ce qui permet d'éviter l'usage de batteries. Cependant, cela implique l'utilisation d'une pompe capable de fonctionner sur une large plage de puissances.

Tests de pompage

Avant de forer un puits, il est essentiel de se poser quelques questions clés, telles que : « Quelle quantité d'eau pourrai-je pomper à court et moyen terme, et quelle sera sa qualité ? » Pour y répondre, un test de pompage doit être réalisé.

Qu'est-ce qu'un test de pompage ?

Le principe est simple : on extrait de l'eau d'un puits ou d'un forage, ce qui fait baisser le niveau d'eau. Pendant cette opération, on mesure le niveau d'eau et le débit sur une période donnée, en observant également d'autres paramètres. L'analyse des variations du niveau d'eau permet de déterminer les performances du forage et les propriétés hydrauliques de l'aquifère.

Il existe différents types de tests, qu'ils soient intermittents ou continus, de courte ou de longue durée, avec des débits faibles ou élevés. Une des difficultés majeures de l'étude des eaux souterraines est que l'aquifère n'est pas visible directement. On ne peut déduire les informations sur le forage et l'aquifère qu'en observant comment le niveau d'eau réagit au pompage.

Objectifs des tests de pompage

Les tests de pompage sont utilisés pour diverses raisons, notamment :

Évaluer la performance à long terme d'un forage : Cela permet de déterminer si le forage est efficace et combien de personnes il peut desservir.
Évaluer les performances hydrauliques du forage : On analyse les caractéristiques du débit et du rabattement pour mieux comprendre son fonctionnement.
Déterminer les propriétés hydrauliques de l'aquifère : Le test de pompage est la méthode principale pour évaluer la transmissivité et le coefficient de stockage de l'aquifère, ou pour détecter d'éventuelles limites hydrauliques.
Tester les équipements : On vérifie le bon fonctionnement du matériel de pompage et d'observation pour assurer une exploitation sûre et efficace.
Analyser les effets sur les forages voisins : Le test permet d'évaluer les impacts du pompage sur les autres forages, notamment les interférences possibles.
Évaluer l'impact de l'extraction sur l'environnement.
Obtenir des informations sur la qualité de l'eau.
Anticiper des problèmes potentiels, comme le pompage d'eau salée ou polluée après des périodes prolongées.
Déterminer les conditions de fonctionnement optimales : choisir la station de pompage la mieux adaptée pour une utilisation à long terme, et estimer les coûts potentiels de pompage ou de traitement.
Décider de la profondeur idéale pour installer la pompe dans le forage.

Différents types de tests

Test par paliers : Ce test vise à établir la relation à court terme entre le débit et le rabattement du forage. Il consiste à pomper par étapes successives, en augmentant progressivement le débit à chaque palier, jusqu'à atteindre le rendement maximal estimé du forage.
Test à débit constant : Ce test consiste à pomper à un débit constant sur une durée plus longue que dans un test par paliers. Son objectif principal est de fournir des données sur les propriétés hydrauliques de l'aquifère. Les informations sur le coefficient de stockage ne peuvent être obtenues que si des forages appropriés sont utilisés pour les observations.
Test de remontée : Après l'arrêt du pompage, ce test mesure la remontée des niveaux d'eau. Il est souvent réalisé après un test à débit constant ou par paliers et sert à valider les caractéristiques de l'aquifère observées. Toutefois, il n'est valable que si un clapet anti-retour est installé pour empêcher l'eau de revenir dans le forage.

Ces tests peuvent être réalisés séparément ou combinés. En général, une série complète commence par un test par paliers pour définir le débit du test à débit constant, et se termine par un test de remontée. Le processus peut être adapté en fonction de la taille des forages, avec des variations dans les débits de pompage, la durée des tests et la complexité des systèmes d'observation.

Dans PVsystBasic on prend la référence au niveau du sol, on a (cf fig) : $$ \mathsf{HT} = \mathsf{HG} + \mathsf{HS} + \mathsf{HD} + \mathsf{HF} $$ où :

$\mathsf{HG}$ = Hauteur de la colonne d'eau entre le sol et le remplissage du réservoir

$\mathsf{HS}$ = Hauteur de chute statique due à la profondeur du niveau d'eau dans le puits, en l'absence de tout pompage.

$\mathsf{HD}$ = Hauteur dynamique de "rabattement" : dans un forage, le niveau d'eau effectif est dynamiquement abaissé par l'extraction du débit d'eau (voir ci-dessous). Elle dépend du débit, à chaque instant.

$\mathsf{HF}$ = Pertes par frottement dans le circuit de tuyauterie, qui dépendent du débit.

Systèmes de Pompage depuis un Lac ou une Rivière

Les systèmes de pompage à partir d'un lac ou d'une rivière fonctionnent de manière similaire à ceux des forages ou puits, mais avec certaines simplifications techniques :

La pompe peut être installée près de la source, à une distance maximale de 5 m au-dessus de la surface de l'eau. Cette distance doit être encore plus réduite en altitude pour éviter les problèmes de cavitation.

Il n'est pas nécessaire d'utiliser une pompe submersible, ce qui rend le système moins coûteux et facilite l'entretien de la pompe.

Il est important de noter que la pression ou la hauteur manométrique dépend principalement de la différence entre les niveaux d'entrée et de sortie de l'eau. La pompe doit être capable de fournir une hauteur totale qui résulte de plusieurs facteurs combinés.

Dans PVsystBasic on prend la référence au niveau du sol, on a (cf fig) : $$ \mathsf{HT} = \mathsf{HG} + \mathsf{HS} + \mathsf{HF} $$ où :

$\mathsf{HG}$ = Hauteur manométrique due à la hauteur du tuyau de sortie au-dessus du sol (en supposant que la pression de sortie est négligeable).

$\mathsf{HS}$ = Hauteur de chute statique due à la profondeur du niveau d'eau, par rapport au sol.

$\mathsf{HF}$ = Pertes par frottement dans le circuit de tuyauterie, qui dépendent du débit.

Pour ce système, dans la section « Caractéristique hydraulique », il vous sera demandé de préciser :

Le niveau du lac ou de la rivière, par rapport au niveau du sol.
La profondeur de la pompe. Elle doit être strictement inférieure à $5\ \mathrm{m}$ au-dessus de la profondeur de la source, mais peut aussi être immergée.