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Jul 11, 2023

Les conditions des aquifères, et non l’irradiation, déterminent le potentiel de l’énergie photovoltaïque pour le pompage des eaux souterraines en Afrique

Communications Earth & Environment volume 4, Numéro d'article : 52 (2023) Citer cet article 1736 Accès 21 Détails Altmetric Metrics Le pompage des eaux souterraines à l'aide de l'énergie photovoltaïque a le potentiel de

Communications Terre & Environnement volume 4, Numéro d'article : 52 (2023) Citer cet article

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Le pompage des eaux souterraines à l’aide de l’énergie photovoltaïque a le potentiel de transformer les services d’eau dans les zones mal desservies. Nous développons ici un modèle numérique qui utilise des données librement disponibles pour simuler les capacités de captage des systèmes de pompage d'eau photovoltaïques à travers l'Afrique. La première contribution de cet article est la conception détaillée du modèle à grande échelle pour inclure des contraintes géologiques réalistes sur la profondeur de pompage et des séries temporelles d'irradiation infra-horaire. Le deuxième est la fourniture de résultats pour l’ensemble du continent. Nous avons simulé les résultats pour trois tailles de système (100, 1 000, 3 000 Wc) et les volumes pompés quotidiennement variaient entre 0,1 et 180 m3, en fonction de la taille et de l'emplacement. Nous montrons que, pour une grande partie de l’Afrique, le pompage des eaux souterraines à l’aide de l’énergie photovoltaïque est limité par les conditions de l’aquifère plutôt que par l’irradiation. Nos résultats peuvent aider à identifier les régions où le pompage photovoltaïque a le potentiel le plus élevé et à cibler des investissements à grande échelle.

En Afrique, plus de 300 millions de personnes utilisent des sources d’eau non améliorées pour leur usage domestique, principalement dans les zones rurales hors réseau1. L'irrigation est également limitée et certains appellent à l'augmenter pour améliorer la sécurité alimentaire compte tenu de la variabilité climatique accrue2,3. Les eaux souterraines et les eaux de surface constituent les principales sources d’eau. Même si les eaux de surface sont souvent moins profondes et moins coûteuses à extraire, les eaux souterraines constituent la réserve d’eau douce la plus importante et la plus largement distribuée en Afrique4 et, contrairement aux eaux de surface, ne nécessitent souvent pas de traitement5. Les eaux souterraines conviennent également à l’irrigation car elles réagissent plus lentement aux conditions météorologiques et constituent ainsi un tampon naturel contre la variabilité climatique6,7. Actuellement, la plupart des pompages des eaux souterraines rurales en Afrique sont effectués par des pompes manuelles communautaires8,9, qui se sont révélées faciles à réparer et résistantes à la sécheresse10,11. Cependant, les taux de fonctionnalité continue peuvent être faibles en raison de problèmes d'installation et de maintenance12. Les objectifs de développement durable exigent un niveau de service plus élevé, avec une eau salubre disponible de manière fiable dans les ménages individuels13. Il y a donc un défi considérable à relever pour étendre les niveaux de service au-delà des pompes manuelles communautaires.

Les systèmes de pompage alimentés par l’énergie photovoltaïque constituent une solution prometteuse pour améliorer l’accès à l’eau dans de nombreuses zones hors réseau sans augmenter de manière significative les émissions de gaz à effet de serre. Ils sont déjà économiquement compétitifs dans de nombreux contextes14, les progrès technologiques ont amélioré leur longévité15 et des études de cas locales (par exemple16,17,18) ont montré des résultats prometteurs. Cependant, ces résultats pourraient ne pas être obtenus ailleurs en raison de problèmes de gestion4,19 et de la variabilité spatiale des eaux souterraines et des ressources solaires.

Certaines études ont étudié le potentiel des systèmes de pompage d'eau photovoltaïques (PVWPS) sur des zones géographiques continues. Ces études ont été menées en Éthiopie20, au Ghana21, en Égypte22,23, en Algérie24, en Espagne et au Maroc25, en Chine26,27 et dans des endroits où les eaux souterraines sont peu profondes (profondeur d'eau statique <50 m) en Afrique subsaharienne28. Cependant, les articles20,21,22,23,24,26 n’utilisent pas de modèle technique de PVWPS, ce qui empêche de considérer l’importance relative des eaux souterraines et des ressources solaires. Les autres études25,27,28 considèrent un modèle technique PVWPS. Néanmoins, ils utilisent des valeurs d'irradiation moyennes mensuelles au lieu de séries temporelles horaires/infra-horaires, ce qui influence le fonctionnement et les performances du PVWPS18,29. De plus, ils ne tiennent pas compte de l’épaisseur saturée de l’aquifère, ce qui limite le rabattement maximum possible et donc le débit pompé. Enfin, les études existantes ne fournissent pas de résultats pour l’ensemble du continent africain, ce qui limite la comparaison entre les différents pays et régions.

Nous proposons ici un modèle qui utilise des données librement disponibles sur les eaux souterraines et l’irradiation pour simuler les capacités de captage des PVWPS à travers l’Afrique. La première contribution de ce travail est la conception détaillée du modèle PVWPS à grande échelle pour inclure des contraintes géologiques réalistes sur la profondeur de pompage, à travers l'épaisseur saturée de l'aquifère notamment, et des séries temporelles d'irradiation infra-horaire. Considérant que, pour chaque pixel, des séries temporelles d’irradiation infra-horaires au lieu de valeurs d’irradiation moyennes mensuelles présentent plusieurs avantages. Premièrement, le débit pompé varie de manière non linéaire en fonction de l'irradiation. Par conséquent, les résultats des données d'irradiation infra-horaires sont différents de ceux obtenus avec des moyennes. Deuxièmement, dans de nombreux cas, pour des valeurs d'irradiation élevées (par exemple en milieu de journée), le pompage s'arrêtera en raison des rabattements élevés atteignant la motopompe, réduisant ainsi le volume total pompé. Cela ne serait pas observé si les valeurs mensuelles moyennes d’irradiation étaient utilisées. C'est là que l'autre spécificité du modèle, qui consiste à inclure une contrainte géologique réaliste sur la profondeur de pompage, joue également un rôle important. Enfin, la prise en compte de séries temporelles d'irradiation infra-horaires permet de simuler des jours critiques de l'année (notamment les jours d'irradiation très faible) pour lesquels le volume pompé peut être très faible, ce qui peut impacter une consommation d'eau régulière. La deuxième contribution de ce travail est la fourniture de résultats pour l'ensemble du continent, y compris pour l'Afrique du Nord et pour les zones où les eaux souterraines sont plus profondes que 50 m, où les PVWPS sont particulièrement pertinentes car les eaux souterraines sont très difficiles d'accès via les pompes manuelles4. Les résultats sont fournis pour trois tailles de PVWPS, pour toute l'année ainsi que pour des périodes extrêmes de l'année (par exemple, jours consécutifs de faible irradiation) et comparés à la recharge des eaux souterraines. Fournir des résultats pour l’ensemble du continent permet de comparer les régions entre elles et d’identifier les régions où les PVWPS ont le plus fort potentiel et ainsi aider à cibler les investissements. Nos résultats révèlent notamment que pour 27% des localisations le plus grand système considéré ne donne pas le volume le plus élevé en raison de rabattements trop importants qui atteignent la motopompe obligeant ainsi le système à s'arrêter. Ils montrent également que le principal déterminant des variations spatiales du volume pompé est les conditions de l’aquifère plutôt que l’irradiance.