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Conception d’un système d’alimentation à énergie renouvelable pour une station

Conception d’un système d’alimentation à énergie renouvelable pour une station autonome de désalinisation de l’eau Mémoire présenté dans le cadre du programme de Maîtrise en ingénierie en vue de l’obtention du grade de Maître ès sciences appliquées (M.Sc.A.) PAR © WAFA BEN DAKHLIA Février 2020 ii Composition du jury : Mohamed Yasser Hayyani, président du jury, UQAR Jean-Sébastien Deschênes, directeur de recherche, UQAR Adrian Ilinca, codirecteur de recherche, UQAR Houssam Ben Khalifa, examinateur externe, AMT Diecasting Dépôt initial le 10 Décembre 2019 Dépôt final le 17 février 2020 iv UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RIMOUSKI Service de la bibliothèque Avertissement La diffusion de ce mémoire ou de cette thèse se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire « Autorisation de reproduire et de diffuser un rapport, un mémoire ou une thèse ». En signant ce formulaire, l’auteur concède à l’Université du Québec à Rimouski une licence non exclusive d’utilisation et de publication de la totalité ou d’une partie importante de son travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, l’auteur autorise l’Université du Québec à Rimouski à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de son travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l’Internet. Cette licence et cette autorisation n’entraînent pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits moraux ni à ses droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, l’auteur conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont il possède un exemplaire. vi Je dédie ce mémoire à tous ceux et celles qui m’ont accompagnée et soutenue durant ces deux années de formation, surtout à ma grand-mère qui s’est éteinte cette année, que son âme repose en paix. viii REMERCIEMENTS Je remercie grandement le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) pour son support financier, sans quoi ce travail de recherche aurait été impossible. Je tiens aussi à remercier Professeur Jean-Sébastien Deschênes et Professeur Adrian Ilinca, mes codirecteurs de recherche, pour leur aide considérable et primordiale dans l’accomplissement de ce travail. Merci pour votre encadrement et pour l’opportunité d’apprendre autant à vos côtés. Je tiens également à remercier les membres de l’équipe de l’entreprise Puribec pour leur entière collaboration dans la réalisation de ce projet. Sans oublier M. Jean-Charles Morin pour son assistance technique, sa patience et sa bonne humeur. Mes remerciements vont naturellement à mon mari Majed, qui m’a motivée et aidée pour atteindre les objectifs fixés. Tu es mon exemple de détermination, de persévérance et de dévouement. Mes parents, Moncef et Jeannet qui m'ont toujours motivée à franchir la porte suivante. Spécialement pour toi mon papa, tu m’as donné les moyens d'aller jusqu'au bout de mes rêves. Sans oublier mes beaux-parents Naceur et Donia pour leurs encouragements et leur soutien moral. Un dernier merci, et non le moindre, à mes très chers amis (Saoussen, Steve, Johanne, Asma, Ghada, Emna et Cloé) pour leur présence, leurs conseils et surtout leur soutien moral. Vous étiez toujours une famille pour moi. RÉSUMÉ La disponibilité de l’eau potable est l’un des problèmes mondiaux majeurs de notre époque. Ce problème caractérise particulièrement l’Afrique, où le manque d’accès à l’eau freine le développement social et économique. Dans certains endroits où l’eau existe sous forme de nappe phréatique saumâtre, les communautés ne disposent généralement pas des technologies nécessaires pour extraire l’eau et la traiter, afin de la rendre potable et utilisable pour les activités économiques, par exemple l’agriculture. Or, les avancées accomplies dans le domaine des énergies renouvelables et la baisse continue de leur prix ouvrent une opportunité pour l’accès à l’énergie propre et durable. En même temps, les technologies de traitement de l’eau saumâtre deviennent de plus en plus accessibles et de plus en plus efficientes. Il serait bénéfique d’assembler ces deux composantes dans le but de fournir de l’eau avec une solution technologique viable et accessible. L’objectif de ce projet est d’explorer la possibilité d’alimenter un système d’osmose inverse par les énergies renouvelables, et de simuler sa performance dans un milieu isolé en Afrique du Nord (El Haouaria, Tunisie). Après une modélisation appropriée du système de désalinisation d’eau saumâtre, une étude énergétique a été réalisée afin de cerner les besoins de notre système en électricité. Pour réaliser cette étude énergétique, nous avons utilisé le logiciel HOMER ainsi que le logiciel RETScreen pour l’extraction des données climatiques du site d’El Haouaria. Enfin une étude de sensibilité économique a été élaborée. Mots clés : Dessalement, Energies renouvelables, eaux saumâtres, membranes d’osmose inverse, modèle d’OI, site isolé, pompage, salinité xii ABSTRACT The availability of drinking water is one of the major global problems of our time. This problem is particularly characteristic of Africa, where the lack of access to water hampers social and economic development. In some areas where water exists as a brackish water table, communities generally do not have the technology and energy to extract and treat water to make it drinkable and usable for economic activities. for example, agriculture. However, the progress made in the field of renewable energies and the continuous decline in their price open an opportunity for access to clean and sustainable energy. At the same time, brackish water treatment technologies are becoming more accessible and more optimized. It would be beneficial to assemble these two components in order to provide water with a viable and accessible solution. The aim of this project is to explore the possibility of feeding a reverse osmosis system using renewable energies, and to simulate its performance in an isolated environment in North Africa (El Haouaria, Tunisia). After an appropriate modeling of the brackish water desalination system, an energy study was conducted to identify the energy needs of our system. To carry out this energy study, we used the HOMER software as well as the RETScreen software for extracting climate data from the “El Haouaria” site. Finally, an economic sensitivity study was developed. Keywords: Desalination, Renewable energies, brackish water, reverse osmosis membranes, RO model, isolated site, pumping, salinity TABLE DES MATIÈRES REMERCIEMENTS ................................................................................................ IX RÉSUMÉ ................................................................................................................... XI ABSTRACT ............................................................................................................ XIII TABLE DES MATIÈRES ...................................................................................... XV LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................... XIX LISTE DES FIGURES ........................................................................................... XXI LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES ........ XXV CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE ........................................................... 1 1. LE CYCLE DE L’EAU ........................................................................................ 2 2. RESSOURCES EN EAU, DISTRIBUTION ET DISPONIBILITE ............................... 4 3. MISE EN CONTEXTE ET OBJECTIFS DU PROJET .............................................. 5 4. GENESE DE LA PROBLEMATIQUE DU BESOIN D’ENERGIE .............................. 6 5. OBJECTIFS DU PROJET .................................................................................... 8 CHAPITRE 2 LES TECHNIQUES DE DESSALEMENT ........................................ 11 2.1. INTRODUCTION ................................................................................................. 11 2.2. TECHNOLOGIES DE DISTILLATION THERMIQUE .............................................. 12 2.2.1. La distillation multiflash (MSF) ............................................................. 12 2.2.2. Distillation multi effets (MED) ............................................................... 13 2.2.3. Distillation par compression de vapeur (VC) ....................................... 15 2.3. PROCESSUS MEMBRANAIRES............................................................................ 16 2.3.1. L’électrodialyse ........................................................................................ 16 xvi 2.3.2. L’osmose inverse ..................................................................................... 17 CHAPITRE 3 L’OSMOSE INVERSE ....................................................................... 19 3.1. PRINCIPE DE BASE DE LA TECHNOLOGIE D’OSMOSE INVERSE ....................... 19 3.1.1. Aperçu historique de la technologie d’osmose inverse ........................ 19 3.1.2. Mode d’action de la membrane d’osmose inverse ............................... 21 3.2. DESCRIPTION PHENOMENOLOGIQUE DES MECANISMES DE TRANSPORTS DANS L’OSMOSE INVERSE .......................................................................................................... 21 3.2.1. Mécanisme de transfert dans l’osmose inverse .................................... 23 3.2.2. Loi régissant le modèle de solubilisation-diffusion .............................. 25 3.2.3. Hypothèses utilisées ................................................................................ 27 CHAPITRE 4 SOURCES D’ÉNERGIES RENOUVELABLES POUR LE DESSALEMENT ................................................................................................................. 31 4.1. L’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE ....................................................................... 32 4.1.1. Gisement solaire ...................................................................................... 33 4.1.2. L’énergie solaire photovoltaïque ........................................................... 37 4.2. L’ENERGIE EOLIENNE...................................................................................... 42 4.2.1. Principe de fonctionnement ................................................................... 42 4.2.2. Applications et usages ............................................................................. 44 4.2.3. Architecture des éoliennes ..................................................................... 45 4.2.4. Potentiel énergétique éolien récupérable (théorème de Betz) ............. 47 4.3. LES CONSTITUANTS DE BASE D’UNE INSTALLATION A ENERGIE RENOUVELABLE, EOLIEN-PHOTOVOLTAÏQUE ................................................................. 53 4.3.1. Un onduleur ............................................................................................. 53 4.3.2. Des batteries ............................................................................................ 53 CHAPITRE 5 CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES DU SYSTÈME DE FILTRATION ...................................................................................................................... 57 5.1. INSTALLATION ................................................................................................. 57 5.2. BANC D’ESSAI ................................................................................................... 57 CHAPITRE 6 CONDITIONS D’UTILISATION ENVISAGÉES ............................. 59 6.1. DONNEES POUR L’EXEMPLE DE CALCUL ......................................................... 59 6.2. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE LA POMPE ............................................ 61 6.3. EXTRACTION DES DONNEES CLIMATOLOGIQUES ............................................ 63 CHAPITRE 7 ÉLABORATION DU MODÈLE DU SYSTÈME DE FILTRATION 67 7.1. ÉLABORATION DU MODELE DE LA MEMBRANE D’OSMOSE INVERSE .............. 67 7.2. ÉLABORATION DU MODELE DE LA POMPE A HAUTE PRESSION ....................... 76 7.3. ÉLABORATION DU MODELE DU MOTEUR ASYNCHRONE .................................. 82 7.4. MODELISATION ENERGETIQUE DE L’UNITE D’OSMOSE INVERSE INSTALLEE . 85 7.4.1. Estimation des besoins en énergie électrique (Wh/j) ............................ 85 7.4.2. Estimation du besoin en nombre maximal de panneaux photovoltaïques ou en éoliennes ................................................................................ 87 - Calcul de la puissance crête requise du générateur photovoltaïque ...... 87 - Détermination du nombre de modules photovoltaïques ......................... 89 - Détermination du nombre d’éoliennes ...................................................... 90 - Choix des accumulateurs ........................................................................... 92 - Choix de l’onduleur .................................................................................... 93 CHAPITRE 8 RÉSULTATS ET DISCUSSION ........................................................ 95 8.1. CARACTERISATION DE LA CHARGE ................................................................. 95 8.2. ANALYSE ET MODELISATION DU POTENTIEL EOLIEN ...................................... 96 8.2.1. Analyse du potentiel éolien ..................................................................... 96 8.2.2. Choix de l’éolienne uploads/Litterature/ wafa-ben-dakhlia-fevrier2020.pdf