GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE Synthèse Projet de Fin...

GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE

Synthèse Projet de Fin d’Etudes

Etude de faisabilité d’un projet combinant les

cultures énergétiques avec les énergies solaires

et/ou éoliennes

Par Jérôme COLLIN

Tuteur INSA : Rahal Boussehain Tuteur Valorem : Thierry Courvoisier

Institut National des Sciences

Appliquées de Strasbourg

SEPTEMBRE 2014

Fiche d’objectifs

Le projet s’inscrit dans la volonté de Valorem à chercher des moyens de stockage électrique performants, pertinents et adaptés au continent africain. Le stockage sous forme de biocarburant sera le thème d’étude de ce projet associant les énergies renouvelables solaire et/ou éolienne avec des cultures énergétiques. Recherche bibliographique.

Une recherche bibliographique devra être menée afin d’avoir une bonne vision de l’ensemble des domaines mis en jeu dans un tel projet. Ces recherches s’appuieront sur les documentations scientifiques disponibles sur internet et sur l’expérience de VALOREM ainsi que celle de leurs partenaires. Etude énergétique

En fonction des technologies qui seront sélectionnées, des bilans énergétiques seront réalisés et permettront d’analyser la viabilité du projet. Etude économique.

Ensuite une analyse financière sera menée afin de calculer les coûts de production, et d’exploitation de ce type de projet. Résultats attendus

Une analyse technico-économique complète d’un projet est attendue permettant de définir ses conditions de réussite.

Remerciements

Je voudrais remercier ici tout d’abord, Thierry Courvoisier, responsable du service

applications nouvelles de Valorem, qui m’a supervisé et accompagné tout au long de cette

étude. Ensuite mes remerciements s’adressent à toute l’équipe de Valorem avec qui j’ai pu

partager de très bons moments et emmagasiner de nombreuses connaissances sur les

énergies renouvelables. Leur éthique et leur convivialité me resteront en mémoire et ont

participé à l’accomplissement d’une très bonne expérience professionnelle et personnelle. Je

remercie aussi l’INSA pour la formation que j’ai pu recevoir durant mes études ainsi que pour

les différents stages qui m’a été permis d’entreprendre.

Etudiant : Tuteurs :

Jérôme COLLIN Rahal BOUSSEHAIN Thierry COURVOISIER

Etude de faisabilité d’un projet combinant les cultures énergétiques avec les énergies solaires et/ou éoliennes

Septembre 2014

1

Résumé

Valorem, entreprise productrice d’énergies renouvelables, participe à la recherche de

moyens de stockage pertinents d’électricité, notamment sur le continent Africain. Dans ce

cadre, ce projet de fin d’études a permis d’étudier la préfaisabilité d’un projet innovant

permettant de stocker l’électricité solaire ou éolien sous forme de biocarburants dans des

lieux arides et semi arides. Le principe de combinaison s’appuie sur l’utilisation des

excédents électriques (solaire ou éolien) pour irriguer des cultures énergétiques à haut

rendement. Ces dernières produiront à leur tour une huile à fort potentiel énergétique qui

sera stockée et valorisée thermiquement afin de restituer une électricité renouvelable au

moment opportun. Ensuite, conscient du manque d’eau potable dans le monde (et

particulièrement dans ces zones), l’utilisation d’eau de mer et d’équipements de

désalinisation afin d’irriguer les cultures constitue une variante intéressante de cette étude.

Suite à l’étude bibliographique, le Jatropha Curcas s’impose comme la plante la plus

adaptée à ce type de projet de par ses qualités agronomiques et physiologiques. L’analyse

des enjeux technologiques et financiers s’est matérialisée sous forme d’un outil d’aide à la

décision permettant de faire varier de nombreuses hypothèses en fonction d’un contexte

précis d’implantation. Une étude de cas est présentée dans ce rapport et souligne les

conditions indispensables à l’obtention d’un projet viable tant pour l’investisseur que pour les

acteurs locaux : une source d’eau abondante et proche des cultures, un système d’irrigation

performant et des conditions pédoclimatiques permettant des rendements suffisants sont les

contraintes principales à la réussite d’un tel projet. La désalinisation, elle, au vu de ses

consommations énergétiques et de son coût onéreux ne semble cependant pas adaptée à

ce type de projet et à l’agriculture en générale.

Abstract

Valorem, a green energy operator, is involved in the field research looking for ways to

relevant storage of electricity, particularly on the African continent. In this framework, the aim

of my final project is to study the pre-feasibility of an innovative project including storage of

solar or wind electricity in the form of biofuels in arid and semi-arid places. The principle of

combination relies on the use of electrical excess (solar or wind) to irrigate high-yield energy

crops. In turn, these fields produce oil with high potential energy which will be stored and re-

used thermally to render renewable electricity at the appropriate. Then, aware of the lack of

drinking water in the world (and particularly in these areas), the use of seawater and

equipment of desalination in order to irrigate the crops is an interesting variation of this study.

Following the literature review, Jatropha Curcas was elected the plant most suited to this

type of project because of its agronomic and physiological qualities. Analysis of,

technological and financial issues has been materialized by a tool for decision support

allowing variation of many assumptions based on a specific context of implementation. A

case study is presented in this report and highlights critical success conditions obtaining a

viable project both for the investor than for local people. A source of water close to the

cultures and abundant, efficient irrigation and the climatic conditions allowing sufficient yields

are the main constraints to the success of this project. However, desalination, in the light of

its energy consumption and its expensive cost does not seem suited to this type of project

and agriculture in general.




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Sommaire

Résumé ___________________________________________________________________ 1

Abstract ___________________________________________________________________ 1

Sommaire ________________________________________________________________ 2

1 Introduction ____________________________________________________________ 4

2 Présentation de l’étude ___________________________________________________ 5

2.1 Le projet de combinaison EnR-cultures énergétiques _____________________________ 5

2.2 Les objectifs de la mission __________________________________________________ 6

3 Bibliographie ___________________________________________________________ 7

3.1 Les biocarburants _________________________________________________________ 7

3.1.1 Définitions ______________________________________________________________________ 7

3.1.2 Intérêts, risques __________________________________________________________________ 7

3.1.3 Les types de biocarburants _________________________________________________________ 9

3.2 Le Jatropha Curcas _______________________________________________________ 10

3.2.1 Historique du Jatropha ___________________________________________________________ 11

3.2.2 Généralités ____________________________________________________________________ 11

3.2.3 Climat _________________________________________________________________________ 12

3.2.4 Type de sols ____________________________________________________________________ 12

3.2.5 Types de culture ________________________________________________________________ 12

3.2.6 Fertilisants _____________________________________________________________________ 13

3.2.7 Pluviométrie ___________________________________________________________________ 13

3.3 L’irrigation ______________________________________________________________ 13

3.3.1 Quantité d’eau nécessaire. ________________________________________________________ 14

3.3.2 Utilisation de CropWat 8.0 ________________________________________________________ 15

3.3.3 Les technologies d’irrigation _______________________________________________________ 16

3.4 La désalinisation _________________________________________________________ 17

3.4.1 L’osmose inverse. _______________________________________________________________ 18

3.5 La production d’huile végétale carburant _____________________________________ 21

3.5.1 La presse de graines _____________________________________________________________ 21

3.5.2 Le tourteau de Jatropha __________________________________________________________ 21

3.5.3 L’huile Végétale de Jatropha _______________________________________________________ 22

4 Méthodologie _________________________________________________________ 23

4.1 Schéma récapitulatif du projet ______________________________________________ 23

4.2 Construction du modèle ___________________________________________________ 23

4.3 Paramètres d’entrées _____________________________________________________ 24

4.3.1 La production EnR. ______________________________________________________________ 25

4.3.2 La demande énergétique _________________________________________________________ 25

4.3.3 Comparaison Production / Demande ________________________________________________ 25

4.4 Hypothèses agronomiques et technologiques. _________________________________ 26




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4.4.1 Le rendement de culture énergétique. ______________________________________________ 27

4.4.2 Les besoins d’irrigation de la culture ________________________________________________ 27

4.4.3 Consommation et rendement de la presse ___________________________________________ 28

4.4.4 Production électrique du générateur au biocarburant __________________________________ 28

4.4.5 Consommation électrique du désalinisateur __________________________________________ 28

4.4.6 Localisation de la source et pertes charges liées au transfert de l’eau douce. ________________ 29

4.4.7 Rendement de pompes ___________________________________________________________ 30

4.5 Hypothèses financières ___________________________________________________ 30

4.5.1 Durée d’observation _____________________________________________________________ 31

4.5.2 Actualisation ___________________________________________________________________ 31

4.5.3 Inflation _______________________________________________________________________ 32

4.5.4 Coût Global Actualisé (CGA) _______________________________________________________ 32

4.5.5 Les CAPEX _____________________________________________________________________ 34

4.5.6 Les OPEX ______________________________________________________________________ 34

4.6 Indicateurs de sorties _____________________________________________________ 35

4.6.1 Aspect énergétique ______________________________________________________________ 36

4.6.2 Aspect financier _________________________________________________________________ 37

5 Présentation et analyse des résultats obtenus _______________________________ 39

5.1 Présentation des résultats _________________________________________________ 39

5.2 Analyse des résultats et discussions _________________________________________ 41

5.2.1 Une production électrique faible. ___________________________________________________ 41

5.2.2 La désalinisation ________________________________________________________________ 41

5.2.3 Le pompage de l’eau douce _______________________________________________________ 42

5.2.4 Comparaison avec un groupe électrogène « gazole » ___________________________________ 42

5.2.5 Etudes de sensibilité _____________________________________________________________ 43

5.2.6 Solutions optimums _____________________________________________________________ 44

5.2.7 Limites de l’étude _______________________________________________________________ 45

6 Conclusions ___________________________________________________________ 46

Bibliographie ______________________________________________________________ 47

Table des tableaux _________________________________________________________ 49

Table des figures ___________________________________________________________ 49

Table des annexes __________________________________________________________ 49

Présentation de l’entreprise __________________________________________________ 50

Historique ____________________________________________________________________ 50

Un producteur indépendant______________________________________________________ 50




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1 Introduction

Au travers d’une sensibilisation qui prend son temps, les politiques et la population mondiale

prennent peu à peu conscience de l’enjeu que représente la mutation du système

énergétique actuel. Quoi de plus efficace que d’afficher les tendances : La production

énergétique mondiale augmente de 8 % tous les ans et 80 % de l’énergie primaire totale

provient des énergies fossiles dont le coût, lié à leur disponibilité et au contexte géopolitique,

est en continuelle croissance (1). Ajoutant les impacts environnementaux liés à l’extraction

de ces combustibles, la communauté scientifique semble très pessimiste quant aux futurs

aspects climatiques et de biodiversité sur notre planète. Autrement dit, la transition

énergétique est aujourd’hui une étape incontournable de notre évolution et les énergies

renouvelables devront y jouer un rôle primordial, même dans un contexte de crise

économique globale.

Examinées à la loupe, les tendances générales révèlent une répartition de l’énergie

mondiale bien éloignée de ces moyennes. En prenant l’exemple de l’électricité, sa

production par habitant en Amérique du nord est de 14 167 kWh/hbts, le double de l’Europe

de l’ouest, 6 647 kWh/hbts, et trente fois plus qu’en Afrique Subsaharienne : 490 kWh/hbts

(2). Ainsi l’accès à l’électricité est devenu un indicateur du niveau de développement d’un

pays et l’augmentation de sa production synonyme d’amélioration de qualité de vie.

N’échappant pas à la règle, cet indicateur exige d’être manié avec précaution. S’en servir

pour mesurer arithmétiquement le niveau économique d’un pays n’aurait aucun sens, si l’on

ne prend pas en compte pour chaque cas, son PIB par habitant, sa démographie, le coût de

son électricité ou encore sa parité de pouvoir d’achat. Il en reste néanmoins un bon

indicateur et le développement d’une région va toujours de pair avec l’amélioration de son

secteur énergétique.

Actuellement, l’essor de nombreux pays est en cours, notamment en Afrique où le PIB

pourrait être multiplié par trois d’ici une vingtaine d’année (3). Il est donc essentiel et urgent

de mettre en place des solutions de production énergétique propres et renouvelables dans

ces régions du monde afin d’éviter aussi bien des difficultés écologiques qu’économiques.

C’est dans ce cadre que nous recherchons des solutions qui permettront de développer leur

secteur énergétique durablement, c'est-à-dire de manière viable économiquement, vivable et

équitable. Ces projets devront être écologiques tout en utilisant les ressources locales afin

de les rendre indépendants des pays exportateurs de pétrole, de gaz ou de charbon. De

plus, la dimension sociale doit être au cœur des réflexions afin d’apporter les réponses

adaptées aux conditions de vie de la population et à une demande différente de celle de

pays post-industrialisés.

C’est avec cette vision que se positionnent les objectifs de Valorem : Mettre en place des

projets de production électrique innovants s’adaptant aux contextes locaux. C’est pourquoi il

m’a été confié l’analyse technico-économique de la combinaison des EnR (solaires et/ou

éoliennes) avec les cultures énergétiques en Afrique.




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2 Présentation de l’étude

Tout au long de ce rapport, le terme « EnR » correspondra aux énergies renouvelables

solaires et/ou éoliennes. Ceci ne doit rien enlever à l’aspect renouvelable des cultures

énergétiques discuté par la suite. Il a aussi été pris la liberté d’utiliser l’abréviation « ha »

pour hectare(s) et « PV » pour photovoltaïque. Enfin le terme « pédoclimatique » correspond

aux conditions extérieures au niveau du sol affectant la plante.

2.1 Le projet de combinaison EnR-cultures énergétiques

Chacun a ses défauts et les énergies renouvelables en ont un de taille : leur

caractère intermittent et fluctuant. Cependant, en être conscient est un gage de qualité et

étant bien avertis, les producteurs d’EnR ont cherché les meilleurs façons d’y palier. Avec la

mise en place d’un réseau électrique, le stockage d’énergie semble être la meilleure solution

afin de restituer les excédents lors des périodes de moindre production.

Concernant uniquement l’énergie électrique, de nombreuses technologies sont à l’œuvre.

Pour ne citer qu’elles, les batteries électrochimiques, les super-condensateurs, les systèmes

de stockage thermique ou encore mécanique, sont des solutions en perpétuelle évolution et

amélioration.

Comme la plupart de ses concurrents, Valorem participe à la recherche de stockages

d’énergie électrique pertinents et voici l’idée qui a fait naitre cette étude :

« Pourquoi ne pas stocker notre énergie au travers de cultures énergétiques

produisant du biocarburant ? Nous aurons ainsi convertis l’énergie électrique

(renouvelable) en huile végétale facilement stockable, à fort potentiel énergétique. »

L’idée semble bonne d’autant que nous connaissons le rival des biocarburants : le pétrole.

La volatilité et les augmentations permanentes de son prix est un frein considérable au

développement de nombreux pays. Certes les biocarburants ne sont pas en reste de

polémiques (utilisation de terres vivrières, destruction d’écosystèmes, encouragement aux

OGM…) il n’en reste pas moins que c’est une ressource renouvelable présentant de

nombreux avantages. Une étude technique et économique rigoureuse permettant de bien

appréhender tous les enjeux d’un tel projet sera donc très intéressante, tant pour Valorem

que pour la recherche scientifique.

L’irrigation sera le vecteur choisi faisant le lien entre l’énergie électrique excédentaire d’une

installation EnR et les cultures énergétiques. L’électricité sera utilisée dans le but de

transférer de l’eau sur des surfaces cultivées afin d’en améliorer le rendement de production

de biocarburant. Etant conscient que le manque d’eau douce sur terre est une réalité (un

tiers de la population mondiale n’a pas accès à l’eau potable (4)) l’utilisation d’eau propre à

la consommation humaine semble être un non-sens, surtout dans les régions arides ou

semi-arides. L’irrigation par eau de mer sera alors envisagée si les excédents d’énergie

permettent la désalinisation et rendent possible une irrigation performante.

Ensuite, les cultures énergétiques devront être adaptées aux contextes arides et semi-arides

permettant de produire une quantité suffisante de biocarburants. Ces biocarburants seront

alors valorisés thermiquement afin de produire une électricité au moment opportun c'est-à-

dire lorsque l’ensoleillement faiblit ou que le vent cesse de souffler.




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Le principe est donc de fournir une électricité renouvelable hybride et continue en palliant à

l’intermittence solaire et/ou éolienne de part une valorisation énergétique de biocarburant. Au

lieu de stocker l’électricité dans des batteries, les excédents seront utilisés pour pomper

et/ou dessaler de l’eau afin d’irriguer les cultures énergétiques produisant du biocarburant.

2.2 Les objectifs de la mission

L’objectif principal est de répondre aux questions suivantes :

Le projet est-il réalisable technologiquement ? Où ? Quand ? Pourquoi ?

Le projet est-il réalisable économiquement ? Où ? Quand ? Pourquoi ?

N’étant qu’en phase de préfaisabilité, Valorem n’a pas d’exigences précises d’implantation. Il

convient donc de réaliser une étude paramétrique. Pour répondre à cette attente, un outil

d’analyse sera développé permettant de s’adapter à de multiples contextes. Il devra être

fonctionnel afin d’être utilisé comme une aide à la décision lors de futurs projets de Valorem.

Le présent rapport de l’étude s’articule autour des axes suivants :

Dans un premier temps nous synthétiserons la recherche bibliographique permettant

d’avoir une vision des travaux déjà réalisés en lien avec ce projet. Nous y reporterons les

principales technologies disponibles ainsi que les notions agronomiques nécessaires à

l’étude. Dans un second temps, nous présenterons la méthodologie choisie pour

développer l’outil d’analyse. Il y sera définit les indicateurs permettant de caractériser le

projet énergétiquement et économiquement. Puis nous exposerons les résultats de la

modélisation obtenus et les conditions de réussites du projet.

Figure 1 Schéma de principe du projet




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3 Bibliographie

L’étude bibliographique nous a permis d’obtenir les informations manquantes à

l’élaboration d’un modèle permettant de répondre aux objectifs de la mission. Les notions

agronomiques ainsi que les technologies à mettre en œuvre pour le projet y sont abordées

en tâchant de rester le plus objectif possible. En effet, cette étude touche à des technologies

et pratiques sujettes à de fortes polémiques : biocarburants, agriculture de masse,

désalinisation, irrigation de cultures. Les débats et les arguments sont nombreux et les

informations purement scientifiques sont souvent biaisées par les convictions ou intérêts de

l’auteur. Il est donc indispensable de synthétiser les publications intéressantes permettant à

Valorem d’avoir toutes les connaissances des enjeux liés à une combinaison des cultures

énergétiques avec les énergies renouvelables.

3.1 Les biocarburants

3.1.1 Définitions

« Carburant issu de la transformation des matières végétales produites par

l’agriculture. Les biocarburants sont assimilés à une source d’énergie renouvelable »

Actu Environnement

« Un combustible liquide ou gazeux utilisé pour le transport et produit à partir de la biomasse

définie à l'article L. 211-2 »

Code de l’environnement

« Carburant constitué en tout ou partie de dérivés industriels obtenus après transformation

de produits issus de l’agriculture. »

TFODE

Les définitions des biocarburants sont multiples et les dénominations nombreuses. Elles

regroupent souvent différents types de carburant et sont sujettes à des polémiques

alimentées autant par des personnes qualifiées que des lobbys ou politiques.

Pour avoir une définition objective revenons à la racine étymologique du mot : biocarburant.

Bios signifiant la vie en grec, les biocarburants sont donc des carburants issus de matières

organiques, vivantes. Evitons donc tout amalgame avec la connotation « bio » de

« l’agriculture biologique » et ses caractères écologiques, ce qui peut être une grave erreur

dans certains cas. Le terme « agro carburant » est d’ailleurs souvent utilisé par la

communauté scientifique ainsi que les politiques à sensibilité écologiste.

3.1.2 Intérêts, risques

Les biocarburants peuvent changer le monde ! Oui mais dans quel sens ?

En comparaison avec le gazole et l’essence, les biocarburants ont l’avantage indéniable de

leur caractère renouvelable. Issu d’huile (biodiesel) ou de sucres fermentés (éthanol) ils

permettent d’envisager un avenir à plus long termes que les énergies fossiles. Même s’ils ne

sont pas destinés à remplacer toutes nos consommations de pétrole, ils peuvent cependant

contribuer à faire baisser sa demande et son prix. Consciente du potentiel des biocarburants,

l’Europe a pour objectifs d’élever à 10 % d’ici 2020 leur part dans l’approvisionnement de

http://www.legifrance.gouv.fr/affichCodeArticle.do;jsessionid=3C56B10C6144AD433660B9DEA155E2B4.tpdjo05v_2?cidTexte=LEGITEXT000023983208&idArticle=LEGIARTI000023986186&dateTexte=&categorieLien=cid

http://fr.tfode.com/carburant

http://fr.tfode.com/d%C3%A9riv%C3%A9

http://fr.tfode.com/industriel

http://fr.tfode.com/transformation

http://fr.tfode.com/agriculture




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carburants pour les transports terrestres soit une production de 66 millions de tonnes par an.

(5)

De plus, leur absorption de CO2 durant la croissance est un atout notoire leur permettant,

sous réserve de bonnes pratiques agricoles, d’être considérés comme une énergie

renouvelable.

Ensuite, une réduction de la dépendance aux carburants fossiles présente un attrait certain,

surtout pour les pays émergents importateurs de pétrole et tributaires de son marché

fluctuant. Prenons l’exemple du continent africain, sa population pourrait atteindre deux

milliards de personnes en 2050 et le PIB moyen multiplié par sept (3). Si les taux de

croissance se maintiennent, la production électrique sera doublée d’ici à 2030 afin d’étendre

l’accès à l’électricité à toute la population. Or, à l’heure actuelle la production électrique du

continent africain à partir de ressources fossiles est prépondérante : elle représente 65 % de

la production totale en Afrique Subsaharienne, 80% en Afrique du Nord et 90% en Afrique du

sud (2). Sans remaniement du secteur énergétique en place, les coûts des énergies fossiles

ne seront plus soutenables pour le continent africain d’ici quelques années. Un

investissement massif dans les EnR devra s’opérer et les biocarburants pourront alors

devenir une brique importante de leur développement durable.

A ces avantages, il faut confronter les risques liés à l’exploitation de terres agricoles et

notamment l’impact social et environnemental qui en résulte. En effet les cultures

énergétiques supposent des besoins énergétiques importants (eau, engins agricoles) et ont

des impacts sur le sol mais aussi sur l’emploi des paysans et le prix des denrées

alimentaires. Les biocarburants ont notamment été largement controversés lors de la crise

alimentaire de 2008 où les prix du maïs, du riz et du blé ont flambés entrainant de violentes

émeutes. Certains organismes annonçant une part de responsabilité des biocarburants dans

cette crise de l’ordre de 30 % (FAO) d’autres de 75 % (Banque mondiale), il est très difficile

de se faire une véritable idée. Néanmoins le lien entre énergie et agriculture a été avéré et

celui-ci saura être une composante du développement des futures cultures énergétiques.

Une analyse du cycle de vie (ACV) de la filière biocarburant a été réalisée par l’ADEME en

2010 et a dévoilée un bilan énergétique positif comparé aux carburants fossiles de

référence : le gazole et l’essence. En d’autre terme, la consommation énergétique non

renouvelable nécessaire à la production de biocarburant est inférieure à celle nécessaire à

l’extraction des carburants fossiles. Cette réduction varie de 50 à 90 % en fonction du type

de biocarburant. Cette étude exhaustive se veut optimiste quant à leur utilisation mais

soulève certaines incertitudes notamment sur l’impact du changement d’affectation des sols

(CAS, voir encadré) susceptible d’alourdir le bilan net d’émission en GES des biocarburants

(déforestation par exemple). (6)

CAS : Changement d’affectation du sol

Le CAS va désigner tous les impacts liés aux changements d’utilisation des sols.

Des recherches ont été réalisées par l’INRA afin de quantifier ces impacts et ont montré

qu’en tenant compte des émissions des CAS, 2/3 des évaluations existantes prouvent

que les biocarburants de première génération (en France) ne respectent pas les critères

de durabilité définis au niveau européen à savoir : une réduction de 35 % de émissions

de gaz à effet de serre par rapport aux carburants fossiles, 50% en 2017, 60% en 2018.




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Une autre crainte qu’inspirent les biocarburants est la tentation de recourir aux OGM pour

accroître la production menaçant ainsi l’équilibre environnemental. Les espèces végétales

utilisées pour la production de biocarburants étant déjà très résistantes et vivaces, leur

mutation pourrait en faire des espèces invasives difficilement contrôlables. Il est donc

indispensable de réaliser des cultures énergétiques raisonnées pouvant générer des

bénéfices tout en préservant la biodiversité.

Au final, la liste des paramètres caractérisant les biocarburants comme une solution d’avenir

est longue et souvent liée au contexte d’implantation. C’est pourquoi la polémique est

constamment alimentée par de nouveaux arguments et les critiques ne cesseront pas de

sitôt.

Conscient des risques que les biocarburants peuvent occasionner, il semble possible de

réaliser des projets à impacts positifs s’appuyant sur des pratiques agricoles écologiques

permettant un développement social, environnemental et économiquement durable.

3.1.3 Les types de biocarburants

Les biocarburants se distinguent en deux catégories distinctes : les alcools et les huiles

végétales.

L'éthanol (alcool) est produit par fermentation du sucre issu de plantes (betteraves, cannes à

sucre), ou de l'amidon extrait de céréales (blé, maïs). Il est destiné aux moteurs à essence.

Si celui-ci est associé à l’iso-butylène il forme alors l’Ethyl-Tertio-Butyl-Ether (ETBE) qui est

pour l’instant utilisé en France en mélange avec l’essence.

Les huiles végétales sont obtenues par simple pression et filtration de graines oléagineuses

(contenant de l’huile) et peuvent être utilisées directement comme combustible dans des

moteurs adaptés. C’est d’ailleurs ce que prévoyait l’inventeur du moteur Diesel : Rudolph

Diesel.

« Le moteur diesel peut être alimenté avec des huiles végétales et sera en mesure de

contribuer fortement au développement de l'agriculture des pays qui l'utiliseront » Rudolph

Diesel

Par une étape de transesterification (mélange avec du méthanol) on peut obtenir du

biodiesel qui peut être mélangé au gazole dans les moteurs diesels existants.

Figure 2 Catégories de Biocarburants

http://fr.wikipedia.org/wiki/Esp%C3%A8ce_invasive




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Les biocarburants de 1ère génération :

La première génération est essentiellement issue de betterave, colza, tournesol et maïs. Ils

sont aujourd’hui exploités de manière industrielle mais en quantité limitée dans la mesure où

ils rentrent en concurrence avec des ressources alimentaires.

Les biocarburants de 2nde génération :

Les chercheurs se sont ensuite tournés vers d’autres ressources non-alimentaires. La

seconde génération de biocarburants est issue des sources ligno-cellulosiques (bois,

feuilles, paille, etc.) à partir de processus techniques avancées : La thermochimie ou encore

gazéification permettant de produire du gaz à partir de biomasse et la voie biologique

transformant la biomasse en alcool via une hydrolyse enzymatique. De plus, au lieu d’utiliser

uniquement les graines ou les tubercules des plantes comme dans la première génération,

les nouveaux procédés cherchent à améliorer le bilan énergétique en utilisant toute la plante.

Les biocarburants de 3ème génération :

La troisième génération est encore à l’étape de recherche et repose principalement sur les

micro-algues. Promettant une rentabilité record, de nombreux défis technologiques et

économiques restent encore à relever avant que ces biocarburants soient un jour dans nos

réservoirs.

Le Jatropha Curcas a particulièrement retenu l’attention lors de cette étude. En effet, étant la

plante énergétique la plus utilisée dans les zones arides d’Afrique, avec un rendement de

qualité et une capacité d’adaptation aux sols pauvres, le Jatropha est le candidat idéal au

projet Valorem. Le prochain chapitre recense les caractéristiques de cette plante ainsi que

les conditions de réussite de sa culture.

3.2 Le Jatropha Curcas

De nombreux organismes ont publié des études décrivant les techniques appropriées

à la culture du Jatropha. Parmi eux nous pouvons citer la fondation FACT (Fuel from

Agriculture in Communal Technology), la FAO (Food and Agriculture Organization) des

Nations Unis, l’ANADEB (Agence National du Développement des Biocarburants), le CIRAD,

l’université de Lüneburg. Certaines publications orientées disponibles sur internet

contredisent ou embellissent les conclusions faites sur la filière Jatropha par des institutions

reconnues. Le travail de recherche bibliographique consiste donc à trier et reporter les

informations récoltées avec le plus d’objectivité possible.




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3.2.1 Historique du Jatropha

Au cours des années 1970, et suite à la crise pétrolière, le Jatropha a reçu le surnom « d’or

vert du désert », ceci grâce à ses graines oléagineuses présentes dans les fruits. En effet,

on peut en extraire, via une presse mécanique ou manuelle, de l’huile végétale à fort

potentiel énergétique et cultiver le Jatropha sur des sols peu fertiles.

On a cru au miracle et même si le pétrole ne serait pas totalement remplacé par les

biocarburants une grande partie pouvait l’être. Des projets pharaoniques virent le jour sans

même avoir fait de réelles recherches sur ce type de culture. La réalité agronomique n’étant

pas celle de la finance ni de l’industrie manufacturière, les projets se sont heurtés à des

difficultés qui n’ont pas été prises en compte par les études de faisabilité :

- Mauvaise qualité des semences

- Infestation des ravageurs

- Feu de brousse

- Conflit avec les paysans locaux

- Mauvais entretien et soin des cultures

Après de nombreux fiascos, la ruée vers le Jatropha semble belle et bien terminée et

beaucoup considèrent la plante comme un échec. Toutefois, nous disposons ainsi d’un peu

de recul grâce à ces tentatives, quel que soit leur succès. De nombreuses études ont été

menées et nous ont permis d’accumuler des connaissances pointues sur la gestion du

Jatropha, sur ses besoins en eau, le type de culture approprié et les moyens de récoltes

adéquats. Avec ces connaissances maintenant importantes il est possible de réaliser des

projets viables, écologiques et surtout réalistes.

3.2.2 Généralités

Le Jatropha est une plante qui pousse dans les zones tropicales et subtropicales et atteint sa

limite aux alentours de 30°N et 35°S. C’est une plante incomestible qui était autrefois utilisée

comme haie de séparation entre différentes parcelles. De type succulente et avec des

racines profondes elle peut résister à des sécheresses prolongées et ne nécessite que peu

d’entretien. Il faut cependant être conscient que le rendement de la culture sera

proportionnel à la qualité du sol et à la quantité d’eau disponible.

Les méthodes spécifiques de culture du Jatropha comme les techniques d’élagage, de sarclage,

de labourage, ou de récolte sont disponibles et bien détaillées dans l’étude de la FACT (20). Nous

n’en ferons pas le détail dans ce rapport néanmoins il y sera reporté la description de la plante, ses

avantages et caractéristiques utiles à la réalisation de la présente mission.

Figure 3 Fruits, plants et graines de Jatropha Curcas




Septembre 2014

12

3.2.3 Climat

Les températures optimales de croissance du Jatropha se situent entre 20 et 28°C. Il peut

résister à des chaleurs plus importantes au détriment du rendement. A contrario le Jatropha

ne résiste pas au gel ou aux nuits très froides, il est donc important d’étudier les

températures maximales et minimales de la zone d’implantation.

3.2.4 Type de sols

Le Jatropha est considéré comme une plante ayant la capacité de se développer sur des

sols pauvres en nutriments. Cependant, à travers diverses expériences comme à

Madagascar, la terre a montré ses limites de fertilité et comme toutes cultures naturelles, le

rendement d’un champ de Jatropha sera proportionnel à la qualité du sol. Un sol sableux

bien aéré avec une réserve utile d’eau suffisante semble le plus adapté au Jatropha mais

aussi aux cultures vivrières. Un compromis devra être trouvé afin de ne pas rentrer en

compétition avec l’agriculture alimentaire. Il ne faut pas oublier les besoins fondamentaux de

l’être humain : l’homme ne se nourrira jamais de biocarburant ni d’électricité, il s’en servira

cependant pour développer un commerce, une coopération, une exploitation locale utile au

développement de son pays. Voilà toute la problématique associée à l’implantation des

biocarburants dans les pays en voie de développement.

3.2.5 Types de culture

La pérennité de la culture du Jatropha est un atout pour le projet. Les fruits du Jatropha

peuvent se récolter environ six mois de l’année ce qui permettra de constituer des stocks de

carburants saisonniers afin de faire fonctionner les générateurs quand le besoin est avéré.

La durée de vie d’un plant de Jatropha est de l’ordre de 40 à 50 ans. La plantation doit se

faire un peu avant la saison des pluies et met 2 à 3 ans avant de fournir ses précieux fruits.

La communauté scientifique débat toujours à propos du type de propagation optimum, entre

d’un côté la bouture vulnérable aux maladies et avec de petites racines et de l’autre le semis

qui requiert plus d’eau. Il faut savoir que la bouture permet de conserver les gènes de la

plante ce qui peut être un avantage dans le cas de plants à haut rendement. Cependant

c’est la diversité génétique du Jatropha qui diminue alors et l’intrusion de maladies peut être

ravageuse. La préparation des plantations en pépinière semble être une technique

appropriée car elle permet de sélectionner les graines ayant le meilleur potentiel de

croissance.

Ensuite, le rendement de chaque plant est directement lié à la densité de la culture. Plus la

densité est faible et meilleur sera le rendement par plant de Jatropha mais la productivité par

hectare déclinera (7). Il est recommandé d’espacer les plants d’une distance de trois mètres

afin d’éviter la compétition entre eux et de faciliter la récolte.

Ensuite une pratique agricole intéressante et pratiquée par de nombreux projets dans le

monde : la culture associée lors des cinq premières années de plantation. Cela consiste à

combiner le Jatropha à une autre plante qui ne rentre pas en compétition avec la culture

énergétique. Par exemple, l’arachide est communément combinée au Jatropha en Afrique et

permet de procurer un revenu au paysan travaillant la terre avant même les premières

récoltes de Jatropha. En plus des bienfaits qu’occasionne ce type de culture sur la structure




Septembre 2014

13

du sol, les cultures associées apportent aux populations locales nourriture et motivation à

s’occuper des champs avant les récoltes de biocarburants.

3.2.6 Fertilisants

Peu de données fiables sont disponibles dans la littérature quant

à la quantité de fertilisant à appliquer et leur composition. Les

recherches réalisées à l’ICRISAT (International Crops Research

Institute for the Semi-Arid Tropics) en Inde montrent que les

fertilisants peuvent augmenter le rendement des plants de

Jatropha jusqu'à un certain niveau. Elle a aussi montré qu’un excès de ces nutriments

entraine l’effet inverse et détériore la productivité. Les conclusions de l’étude recommandent

d’utiliser environ 100g d’UREA et 38g d’SSP par plant mais ces quantités doivent être

adaptées à la qualité des sols disponibles. (8)

Le projet voulant s’inscrire dans une démarche écologique et de développement durable la

quantité d’intrants chimiques sera à limiter au maximum d’autant que les coproduits comme

les tourteaux de Jatropha sont de puissants fertilisants naturels.

3.2.7 Pluviométrie

Selon la FACT le Jatropha nécessite des pluviométries de l’ordre de

1000 à 1500 mm d’eau par an, mais peut survivre avec seulement

250 à 300 mm. De trop grandes précipitations peuvent entrainer une

détérioration de la plante (attaques fongiques) et de trop faibles

entraineront un stress hydrique dégradant la productivité de la plante,

ces carences pourront être comblées par l’irrigation des cultures.

Cette irrigation sera le vecteur transfert permettant de faire le lien entre les EnR et les

cultures énergétiques. Afin de bien appréhender cette partie du projet, il est nécessaire de

réaliser une étude sur les méthodes de dimensionnement des systèmes d’irrigation et leurs

technologies. Elle permettra d’avoir un aperçu qualitatif des besoins hydriques d’une culture

de Jatropha et des installations à mettre en œuvre.

3.3 L’irrigation

Le potentiel d’une culture énergétique est proportionnel à la qualité de gestion des

nutriments et de l’irrigation apportée. Cependant il est difficile d’estimer l’accroissement du

rendement des plantations en fonction de l’irrigation. Son impact théorique va être discuté

dans ce chapitre.

Afin de quantifier l’irrigation nécessaire à une culture, un grand nombre de paramètres

décrivant le milieu naturel doit être pris en compte et la mise en équation implique des

hypothèses. Certaines méthodes de calcul existent et vont être présentées par la suite, elles

s’appuient sur différents modèles permettant de dimensionner une installation d’irrigation.

UREA: CH4N2O SSP: Single Super

Phosphate

Rappel Pluviométrie

1mm = 1mm/m2

= 1L / m2

= 10m3/ha




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14

3.3.1 Quantité d’eau nécessaire.

L’irrigation permet de compenser la pluviométrie afin d’apporter la quantité optimum d’eau

nécessaire à la plante pour sa croissance. Pour calculer ses besoins il faut considérer au

moins deux phénomènes :

L’évapotranspiration des plantes et le stockage de l’eau dans le sol.

Ces deux phénomènes vont être fonction de paramètres climatologiques comme la

température, le vent, l’altitude du site, l’ensoleillement. De plus le stade de croissance de la

plante aura une incidence sur ces indicateurs.

L’évapotranspiration est la quantité d’eau que va transmettre la plante à l’atmosphère du fait

de sa transpiration et de l’évaporation de l’eau du sol.

Avec : ETM = Evapotranspiration maximale de la plante dans un contexte pédoclimatique donné. ETref =Evapotranspiration de référence [mm] équivalent à l’évapotranspiration d’un mètre carré d’herbe sous les mêmes conditions atmosphériques. Elle est calculée selon la méthode de Penmann Monteith KC = Coefficient cultural de la plante qui va dépendre de la composition de la graine et de son stade de germination. Le stockage de l’eau dans le sol est la réserve disponible d’eau dans la terre et est fonction

de la composition des sols. Elle va être définie par sa Réserve Utile (RU) : somme de sa

ressource facilement utilisable (RFU) et difficilement utilisable (RDU). Plus un sol est sableux

et moins il a de réserve utile. De plus la RU va dépendre de la profondeur d’enracinement de

la plante, elle-même variant avec le temps ce qui complexifie les calculs sur l’année.

Exemple : RU d’un sol sableux = 70 mm/m ; RU d’un sol argileux = 180 mm/m (9)

Enfin l’irrigation doit aussi prendre en compte le ruissellement qui dépendra du type de sol.

Figure 4 Paramètres influant les besoins d'irrigation




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15

3.3.2 Utilisation de CropWat 8.0

CropWat est un logiciel conçu par la FAO qui permet d’obtenir les besoins

d’irrigation d’une culture en fonction du type de sol, du type de culture, de la

zone géographique et de la pluviométrie.

Le fonctionnement du logiciel s’articule autour du bilan hydrique suivant.

Cette équation regroupe toutes les variables qui sont essentielles au fonctionnement du

logiciel. Dans notre projet, nous considérons que le drainage (D) est nul et donc qu’aucune

quantité d’eau n’est perdue dans les nappes phréatiques profondes.

Figure 5 Interface du logiciel CropWat 8.0

Le calcul de l’ETM est fonction des données climatiques du lieu d’implantation. L’irradiation,

les températures ambiantes, l’humidité et les vitesses de vent seront nécessaires pour

simuler les besoins d’irrigation d’une culture. Afin de récupérer ces informations la base de

données ClimWat est disponible et répertorie les valeurs de stations météorologiques de la

FAO implantées partout dans le monde.

RI=Reserve en eau du sol au jour i [mm] RI-1=Reserve en eau du sol au jour i-1 [mm] Peff = Pluviométrie effective qui prend en compte le ruissellement [mm] Irri =Apport de l’irrigation nécessaire au jour i [mm] D = Drainage ETM =Evapotranspiration maximal




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Le logiciel utilise ensuite la formule de Penman-Monteith qui permet de calculer les valeurs

d’évapotranspiration mensuelles qui seront interpolées afin d’obtenir des valeurs

journalières.

Les valeurs du coefficient cultural Kc sont rentrées par l’utilisateur. Voici les valeurs utilisées

par A.Rajoana et al. lors de leur étude portant sur le potentiel de l’utilisation des eaux usées

pour la culture de Jatropha en zone aride. (10)

Phases

Initiale Croissance Mi saison Arrière-saison

Jours 43 60 30 75

Kc Valeurs 0,6 1,2 0,4

Profondeur d’enracinement [m] 0,3 1,2

Epuisement maximum [fraction]

0,4 0,4 0,4

Réponse du rendement 0,5 0,5 1 1

Hauteur de Culture [m] 3 Tableau 1 Valeurs agronomiques caractérisant une culture de Jatropha.

Les conclusions de cette étude soulignent l’importance de la gestion de la salinité de l’eau

d’irrigation. Depuis qu’il a été prouvé que les rendements de cultures de Jatropha sont

fortement réduits par un stress salin (11), la composition ionique de l’eau d’irrigation doit être

surveillée de près. Néanmoins la réutilisation d’eaux usées pour l’irrigation est considérée

comme une solution agronomique intéressante permettant de réduire l’utilisation d’eau

potentiellement potable pour l’agriculture.

Les formules utilisées par CropWat sont disponibles en annexe 2.

3.3.3 Les technologies d’irrigation

Les technologies d’irrigation sont aujourd’hui nombreuses et doivent être étudiées au

cas par cas afin de faire un choix pertinent. Parmi celles-ci voici des exemples qui pourraient

s’adapter au projet de Valorem:

- L’irrigation gravitaire. Elle consiste à répartir l’eau directement sur la parcelle par

ruissellement sur le sol dans des sillons par exemples. C’est la plus ancienne méthode et est

la moins couteuse mais ne permet pas d’avoir une régulation de débit et les pertes par

infiltration conduisent à beaucoup de gaspillage.

- L’irrigation par « micro aspersion ». Les micros asperseurs

arrosent seulement une fraction du sol. L’eau est éjectée par des gicleurs

d’où elle tombe en pluie. Cette méthode à l’avantage d’économiser de

l’eau. Le feuillage étant mouillé l’incidence de maladies fongiques peut

poser problème.

- L’irrigation par aspersion. Cette technique n’est que peu

développée dans les zones arides du fait de son coût élevé et de la

pression requise aux asperseurs. Cette technique est utilisée sur de

grandes superficies car elle a un rayon d’action important. Son coût

d’investissement est important mais il diminue fortement le coût de

main d’œuvre. Même si de nombreuses avancées ont été réalisées,

sa consommation énergétique reste élevée et les pertes dues au Irrigation par aspersion technologie d'enrouleurs

IrriFrance

Micro asperseur « Le Provost »




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17

vent peuvent être considérables. L’irrigation par aspersion regroupe plusieurs technologies

comme l’enrouleurs les rampes ou les pivots.

- L’irrigation au « goutte à goutte ». Ces systèmes permettent

une irrigation lente et localisée au niveau d’un point à la surface du

sol. Avec cette technologie la fraction du sol mouillée est en

permanence humide tout en empêchant la saturation et reste donc

bien aérée. Ceci présente un avantage particulier pour les sols

sableux ayant une faible capacité de rétention d’eau. De plus elle

s’adapte bien aux climats arides car les pertes par évaporation sont

faibles. N’entrant pas en contact avec le feuillage, l’irrigation au

« goutte à goutte » permet d’utiliser de l’eau légèrement saumâtre ce

qui peut être un atout pour le projet. Cependant l’investissement

requis est relativement élevé du fait de la nécessité d’une grande

quantité de tuyaux, de tubes et de filtres afin d’éviter l’obstruction des

goutteurs. Ce coût est actuellement en baisse et l’acquisition de

technologies simplifiées permettent des économies à grande échelle.

L’irrigation des cultures énergétiques est un atout considérable permettant de stabiliser les

rendements de récolte ce qui est indispensable à la réussite du projet. Elle utilise une

ressource renouvelable en quantité abondante sur terre : l’eau. Cependant même si l’eau

recouvre 72% de la surface terrestre, l’eau douce et propre à l’irrigation, elle, ne représente

que 2,8% du volume total. De plus, cette dernière doit se partager entre les besoins de

l’agriculture et ceux de l’homme pour s’hydrater. Dans les zones arides et semi arides, un

projet utilisant cette ressource est difficilement accepté par les populations et son caractère

durable remis en question. C’est pour cela que l’utilisation des ressources marines pour

irriguer est une solution à envisager grâce à la désalinisation dont nous allons décrire la

technologie ci-dessous.

3.4 La désalinisation

Face à une demande mondiale d’eau potable augmentant tous les ans, les usines de

dessalement ou de désalinisation apparaissent de plus en plus nombreuses. On compte

aujourd’hui plus de 16 000 installations installées dans 120 pays produisant environ 40

millions de m3 d’eau potable par jours. La moitié des usines de dessalement se situe au

moyen orient. (12) Ces technologies, à la fois chères et énergivores ne permettent qu’à peu

de pays en voie de développement de s’en doter. Cependant des avancées sont notables

ces dernières années tant du point de vue énergétique qu’environnementale.

Installation irrigation au goutte à goutte à Haïti

Figure 6 Désalinisateur à Osmose Inverse SLCE




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18

Dans le cadre de notre projet, la désalinisation permettrait d’irriguer les cultures énergétiques

afin d’augmenter leur rendement. Les exigences quant à la qualité de l’eau traitée sera

moindre par rapport aux projets existants dont la quasi-totalité est destinée à produire de

l’eau potable.

Un projet ambitieux est à l’étude au Maroc pour irriguer 9 000 hectares (ha) de culture

maraichères avec de l’eau dessalée mais aucune donnée n’est encore disponible (13).

Selon la plupart des articles et rapports présents dans la littérature, la désalinisation à des

fins d’irrigation ne semble pas viable d’un point de vue énergétique et économique. Ces

points de vue sont généralement subjectifs et dépendent du contexte d’implantation et de la

source de l’énergie consommée. Dans notre cas, l’installation de désalinisation fonctionnera

avec une part de notre production électrique renouvelable ce qui peut faire contredire les

sceptiques de l’irrigation désalinisée et rendre viable ces installations.

Il existe trois grands types de technologie de désalinisation : La distillation thermique,

l’électrodialyse et l’osmose inverse.

Nous allons nous intéresser particulièrement à l’osmose inverse (OI), dont la technologie a

particulièrement progressé depuis quelques années. De même, ses performances

énergétiques, sa durée de vie et son cout se sont améliorés et l’osmose inverse gagne sans

cesse des parts de marché. En 1990 l’OI représentait 40 % des installations dans le monde,

elle représente aujourd’hui près de 55 % et prévoit de dépasser les 70 % en 2020. (14)

3.4.1 L’osmose inverse.

Principe :

Comme son nom l’indique le principe de fonctionnement est d’inverser le phénomène

d’osmose. Celui-ci se rencontre lorsque deux solutions de concentration différente se

trouvent séparées par une membrane semi-perméable. L’osmose se traduit par un flux d’eau

dirigée de la solution diluée vers la solution concentrée. Cette différence de concentration

entraine un différentiel de pression appelé pression osmotique. Si on applique une pression

suffisante, le flux d’eau va s’annuler et si l’on dépasse la pression osmotique on observe un

flux d’eau dirigé en sens inverse du flux osmotique : c’est l’osmose inverse.

La salinité de l’eau La salinité de l’eau est mesurable par matière dissoute totale

« MDT » (en g/L) ou par conductivité électrique (en dS/m). Elle

est représentative de la quantité d’ions Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-,

HCO3-, Na+. Plus une eau est concentrée plus elle est

MDT (g/L)

Eau de mer 30 à 40

Eau saumâtre 1 à 10

Eau d'irrigation < 1

Eau potable < 0,5

Figure 7 Principe osmose inverse




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19

difficilement absorbable par les plantes et une trop fort salinité peut causer des brûlures

racinaires. D’autres indicateurs peuvent être utilisés afin de caractériser une eau d’irrigation

comme le RAS (Ratio d’Absorption du Sodium) l’alcalinité ou la dureté de l’eau. Des

prélèvements annuels doivent être réalisés pour éviter d’éventuels problèmes de salinité du

sol.

Installation d’osmose Inverse :

Les principaux éléments d’une installation de désalinisation à osmose inverse sont les

membranes semi perméables (1), la pompe d’alimentation haute pression (2) et le

récupérateur d’énergie (3). Le principe est le suivant : A partir d’un bac de rétention, l’eau de

mer (préalablement nettoyée par un filtre à sable) est portée à une pression suffisante par

une pompe haute pression (HP) et mise en contact avec la membrane. Après l’avoir

traversée, de l’eau pure (perméat) est obtenue ainsi que de la saumure (concentrât) à haute

pression.

Afin de diminuer les consommations énergétiques de la pompe HP un échangeur de

pression est placé en amont de la pompe permettant un transfert de pression entre l’eau de

mer à basse pression et la saumure à haute pression. Actuellement, de nombreuses

technologies d’échangeurs sont au point et d’autres au stade de recherche. Parmi elles, la

méthode du barillet développée par ERI semble très prometteuse.

Ensuite, il existe plusieurs manières de réaliser de la récupération d’énergie et notamment

grâce à l’installation d’une turbine exploitant l’énergie du concentrât afin d’alimenter

directement la pompe HP. Certains fournisseurs comme Lenntech ou SLCE, affirment qu’un

récupérateur à échangeur de pression permet d’économiser 50 à 60 % de l’énergie au

niveau de la pompe HP et un système de turbine environ 30 à 40 %. Ces économies

dépendront de la salinité de l’eau brute à traiter.

La pression d’osmose pour de l’eau de mer (à 20°C) est de l’ordre de 25,7 bars et la

pression nécessaire à l’osmose inverse de 54 bars pour une membrane de 0,2 m3/h. (15)

Ces ordres de grandeurs devront être validés par des constructeurs en fonction de la

composition exacte de l’eau de mer et de la qualité de l’eau nécessaire.

3 1

2 Figure 8 Schéma de principe d'une installation de désalinisation




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20

Consommations énergétiques :

C’est le point clef de ces installations, elles couvrent près de la moitié des coûts

d’exploitation d’une usine de désalinisation et constituent un frein majeur à leur

développement. La pompe HP apparait comme l’élément le plus énergivore d’un osmoseur

et sa technologie aura un impact significatif sur le rendement global de l’installation. De

nombreux ratios de consommation électrique sont évoqués dans la littérature allant de 2 à 5

kWh par m3 d’eau traitée. Le recours à des dispositifs de récupérateurs d’énergie permet

aujourd’hui de réduire la consommation d’énergie à 2 kWh/m3, prenant uniquement en

compte la phase de traitement de l’eau. Dans le cadre du projet de Valorem (dans la variante

« désalinisation pour irrigation »), le transport de l’eau depuis la mer jusqu’au bac de

rétention de l’osmoseur sera à ajouter aux dépenses énergétiques destinées à désaliniser

l’eau de mer.

Même si l’efficacité énergétique a été particulièrement améliorée ces dernières années, les

marges de perfectionnement se rétrécissent. La principale amélioration environnementale et

économique sera dans les prochaines années la source de production électrique. Si le

développement des usines de désalinisation progresse comme les prédictions le présagent,

une production thermique de l’électricité ne sera pas soutenable pour les pays en voie de

développement. Elle le sera d’autant moins pour les pays Africains, pourtant les plus

démunis devant la sécheresse et le manque d’eau potable, mais toujours tributaire d’un

pétrole de plus en plus cher Les énergies renouvelables peuvent diminuer cette facture

énergétique, et permettre un développement durable de ces installations en pleine

expansion. Quelques installations de grande échelle et fonctionnant aux EnR sont déjà

construites : Par exemple, l’usine de Perth en Australie, traitant 143 000 m3 par jours utilise

l’éolien comme source d’énergie principale. (16)

Pollution :

La principale source de pollution des centrales, en plus des produits appliqués au traitement

de l’eau est la saumure. C’est l’eau à forte salinité (50 à 70 g/L) qui est produite par un

système de désalinisation et qui doit être évacuée. Le rejet sur les côtes risque d’impacter

fortement les écosystèmes marins. En effet, des études ont montrées la formation une

couche sur-salée recouvrant les fonds marins et une diminution du taux d’oxygène des

sédiments (17). Afin de réaliser une installation « propre », les rejets devraient se faire au

large entrainant des coûts supplémentaires ce qui n’est pas souvent le cas jusqu’à

aujourd’hui (Exemple de l’Espagne à ne pas imiter.)

L’osmose inverse semble être une technologie aussi intéressante que prometteuse. Cependant peu de projets ont liés ces unités à l’agriculture, ceci ne montre pas forcement une incompatibilité entre ces secteurs et l’étude analysera les enjeux technico-financiers d’une telle combinaison. Le dernier point de la bibliographie porte sur les technologies de transformation des graines de Jatropha en Huile Végétale Carburant (HVC). Cette huile sera le produit de notre « batterie biologique » et valorisée thermiquement pour produire l’électricité palliant à l’intermittence des EnR.




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21

3.5 La production d’huile végétale carburant

Les graines de Jatropha contiennent en moyenne 30% d’huile en masse. Cette huile, aussi

appelée Huile Végétale Carburant (HVC) ou Huile Végétale Pure (HVP), est de loin le produit

le plus valorisable de la plante de Jatropha et son extraction est une étape primordiale d’un

projet impliquant des cultures énergétique de type oléagineuses.

3.5.1 La presse de graines

Le principe d’extraction de base est de concasser les graines à l’aide de presses manuelles

ou mécaniques. Les presses manuelles se distinguent par leur simplicité et leur petite taille

s’adaptant généralement à des projets d’échelle réduite. Cette technologie ne concorde pas

avec les besoins d’un projet d’envergure comme celui de Valorem. Les presses à vis, quant

à elles, sont plus efficaces et permettent d’extraire entre 75 et 80 % de l’huile disponible.

Même si la maintenance y est plus importante c’est la technologie la plus utilisée dans le

monde entier et qui semble la plus adaptée au projet Valorem.

Le principe de la presse à vis consiste à transporter et presser des graines préalablement

insérées dans la trémie d’alimentation. En raison de l’espace réduit séparant la chambre de

pressage et les vis, la pression augmente considérablement et dégage une quantité de

chaleur importante. Sous ces forces, la structure de cellules des graines est détruite, l’huile

est ainsi libérée et tombe sous l’effet de gravité dans un bac de récupération situé sous la

presse. En bout de vis, vont être récupérés les tourteaux de Jatropha qui pourront être

valorisé par la suite. Ces vis sont entrainées par des moteurs électriques ou thermiques, ces

derniers peuvent avoir l’avantage de fonctionner directement avec l’huile produite. (18)

3.5.2 Le tourteau de Jatropha

Le tourteau de Jatropha récupéré au niveau du « bec » de la presse est un coproduit très

intéressant d’une culture de Jatropha. Il représente environ 50% en masse des graines

originelles et est constitué de protéines et de glucides. La part d’huile restante dans les

tourteaux dépendra du design de la presse.

Les tourteaux peuvent être réutilisés de différentes façons : alimentation animale, fertilisants

de culture ou production énergétique. Dans un premier temps, les recherches ont montrées

que les tourteaux bruts ne peuvent pas être directement digérés par les animaux et une

étape de détoxification est préalablement nécessaire. L’utilisation du tourteau en tant que

fertilisant est donc préféré, ceci du à sa composition chimique appropriée notamment en

Figure 9 Schéma de principe presse à vis Figure 10 Presse manuelle de Bielenberg




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22

Azote, Phosphore et Potassium (N, P, K). Cette composition est aléatoire et dépendra

notamment de la génétique des graines pressées, de la manière de stocker les tourteaux et

du design de la presse.

N % P % K % Source

4,4 – 6,5 2,1 – 3 0,9- 1,7 Achten et al (2008) 3,0 - 4,5 0,7 – 1,2 0,8 – 1,4 Patolia et al (2007)

4,91 0,9 1,75 Wani et al (2006) 3,8 - 6,4 0,9 – 2,8 0,9 - 1,8 FACT (2010)

Tableau 2 Composition N P K du tourteau de Jatropha

La fertilisation des terres par le tourteau est un atout considérable des cultures énergétiques

de Jatropha et permet d’éviter l’utilisation d’intrants chimiques industriels : Une tonne de

tourteaux est environ équivalent à 153 kg de fertilisants 15 :15 :15 selon l’étude de Wani et al

(8).

Enfin le digestat d’une production de biogaz est aussi un excellent fertilisant, donnant encore

plus de crédibilité à ce mode de valorisation. L’expérience d’un projet en Tanzanie (Diligent

Tanzania) a montré qu’en mélangeant 60 kg de tourteau avec des déchets organiques

humains (150 personnes) et 1,5 m3 d’eau, un digesteur anaérobique de 60 m3 pouvait

produire 12 m3 de biogaz par jour et 60 kg de digestat. Le biogaz produit (≈60% de CH4 et

40% de CO2) peut ensuite être valorisé thermiquement pour produire de la chaleur (cuisine)

ou encore de l’électricité grâce à un générateur. Les études menées par Kerkhoff ont

démontré que 12 m3 de biogaz permettent de faire tourner un générateur de 2kW pendant

11h (19). Même si le pouvoir méthanogène du tourteau est encore méconnu et dépend de

nombreux paramètres, ce mode de valorisation est très pertinent.

La valorisation thermique semble aussi très intéressante au vu la capacité calorifique du

tourteau de Jatropha : 25 MJ/kg (20) cependant, selon la FACT, la quantité de fumée

importante dégagée lors de la combustion ne justifie pas ce moyen de valorisation. (20)

3.5.3 L’huile Végétale de Jatropha

Les caractéristiques de l’huile végétale carburant de Jatropha se rapprochent

considérablement de celles du gazole. De nombreuses études ont déjà été menées

permettant de définir les grandeurs caractérisant la combustion de l’huile dans les moteurs

thermiques actuels.

Un des indices principaux est la capacité calorifique de l’huile. Elle désigne la quantité

d’énergie libérée par la combustion d’1kg d’huile soit environ 1,1L. Ensuite l’indice de cétane

définit la capacité de l’huile à s’auto-enflammer sous l’effet de la compression.

Particulièrement adapter aux moteurs diesels, il est définit de 0 à 100 par le délai d’ignition,

c'est-à-dire le temps entre l’injection du carburant dans le chambre de combustion et son

ignition. D’autres indices thermiques, physiques et chimiques permettent de caractériser

l’utilisation d’huile végétale de Jatropha dans les moteurs diesels (voir tableau 3) parmi

lesquelles la viscosité est particulièrement intéressante.




Septembre 2014

23

Figure 11 Influence de la température sur la viscosité de l'huile de Jatropha

Huile Jatropha Diesel

Capacité calorifique [MJ/kg] 39 45 Densité [kg/m3] 917 840 Indice de cétane 51 48 Flash point [°C] 229 71

Souffre [%] 0,13 1,2 Viscosité à 40 °C [mm2/s] 36 2,5

Tableau 3 Caractéristiques de l'huile de Jatropha (21) (18)

En effet, la viscosité importante de l’huile est le problème majeur de son utilisation dans les

moteurs diesels. Elle peut cependant être atténuée par chauffage et mélange avec du gazole

comme l’a réalisé Agarwal et al dans leur étude portant sur l’incidence de l’huile de Jatropha

dans les moteurs diesels (21). Les tests de viscosité réalisés (figure 11) révèlent une

influence remarquable de la température sur cette

grandeur. Ainsi l’huile de Jatropha présente une

viscosité acceptable à des températures

supérieures à 90°C justifiant l’importance du

préchauffage avant injection. C’est pourquoi il est

préférable d’utiliser des moteurs diesels à injection

indirect dans lesquelles une chambre de

préchauffage permet d’abaisser la viscosité de

l’huile anvant l’injection dans la chambre de

combustion.

4 Méthodologie

Nous allons développer dans cette partie la méthodologie qui a été mise en œuvre

pour créer l’outil d’aide à la décision. Comme nous l’avons vu précédemment, deux

approches sont à étudier dans la présente mission. L’approche n°1 prendra compte d’une

étape de désalinisation de l’eau de mer pour l’irrigation et l’approche n°2 d’une irrigation issu

d’une ressource « d’eau douce ». La méthodologie reste inchangée selon les cas, seules

certaines hypothèses spécifiques seront modifiées. Ensuite, pour chaque approche l’aspect

énergétique et l’aspect financier seront abordés afin d’analyser la faisabilité de l’une ou

l’autre des combinaisons.

4.1 Schéma récapitulatif du projet

Dans un premier temps, afin de faciliter la compréhension du projet, un schéma

récapitulant l’assemblage des briques technologiques a été conçu. Ceci pour faciliter la

communication lors des échanges avec les experts rencontrés au cours de l’étude. Ce

schéma est disponible en annexe n° 1

4.2 Construction du modèle

Dans un souci d’adaptation à différents contextes locaux, Valorem souhaite obtenir

un outil apparenté à « une boite transportable » que l’on peut déplacer d’un contexte à l’autre




Septembre 2014

24

sans difficulté. Pour imager sa flexibilité, l’outil pourra être utilisé tant dans un contexte

Mauritanien proche de la mer en alimentant une ville 20 000 hbts qu’au Tchad avec une

source d’eau douce située à cent kilomètres de distance pour un village de 2 000 habitants

ou qu’au Maroc dans le désert saharien proche d’une communauté de 100 à 150 individus.

Les figures suivantes représentent la manière dont l’outil est structuré. Des paramètres

d’entrés permettent d’alimenter l’outil et de définir en partie le contexte d’implantation.

Ensuite, de l’outil ressortiront des coefficients et indicateurs permettant d’appréhender la

faisabilité du projet. Les calculs internes à l’outil se basent sur des hypothèses

représentatives des technologies employées et du contexte d’implantation. Enfin ces

hypothèses seront différentes selon les approches du projet (désalinisation ou pompage)

1ère approche : Désalinisation

2ème approche : Pompage d’eau douce

Figure 12 Principes de fonctionnement de l'outil d'analyse. Approche 1&2

Nous allons maintenant expliquer et définir les paramètres d’entrées, les hypothèses

choisies puis les indicateurs et coefficients calculés par l’outil.

4.3 Paramètres d’entrées

Pour modéliser ce projet de combinaison énergétique il a été nécessaire de quantifier

la quantité d’énergie renouvelable qui sera dédiée à l’irrigation de nos cultures énergétiques.

Cette quantité d’énergie correspond aux excédents générés et sera considérée comme la

différence entre la production d’une installation d’une puissance donnée et la consommation

d’une entité définie. Par exemple, il pourra s’agir d’une ville africaine caractérisée par un




Septembre 2014

25

nombre d’habitants, une consommation par habitant, des besoins d’éclairage, le tout assorti

d’un profil horaire.

4.3.1 La production EnR. (Entrée E1)

Valorem ayant déjà réalisé des études sur plusieurs villes du Tchad (22), un calcul de

productible photovoltaïque avec le logiciel PVsyst est disponible. Nous allons donc nous

appuyer sur cette source donnant la production d’un générateur photovoltaïque (supports

mobiles de type tracker HZ) d’une puissance crête totale de 750 kWc. Ces données sont

disponibles au pas horaire et sont calculées sur la base de données d’irradiation satellitaire

(Helioclim 3. Voir annexe n°3).

Dans le cas d’une production EnR solaire, le productible des générateurs PV variera en

fonction de la puissance crête installée qui sera l’un des paramètres d’entrée. Par exemple si

l’on décide d’installer 900 kWc de panneaux (de type tracker) un coefficient multiplicateur

sera appliqué à la production annuelle des données sources. Ceci nous

donne une bonne idée du productible des 900 kWc installés au pas horaire sur une année

d’exploitation dans un contexte similaire au Tchad (zone aride).

4.3.2 La demande énergétique (Entrée E2)

Toujours dans le cadre des études réalisées par Valorem, la demande énergétique de la ville

de Mongo a été étudiée. Située au sud du Tchad, Mongo est une ville de 27 700 habitants et

représentative d’une ville africaine moyenne. Sa consommation varie de 2100 à 1800

MWh/an suivant si l’éclairage public est fonctionnel ou non. Cette étude nous fournit des

valeurs de consommation électrique au pas horaire sur l’année (disponible en annexe n° 3).

4.3.3 Comparaison Production / Demande

Prenons l’exemple d’une journée type :

L’aire en vert représente les excédents diurnes ou surplus d’énergie, c’est cette quantité

d’énergie qui sera « consacrée » à la culture énergétique. Ensuite, l’aire grisée est la part

d’énergie photovoltaïque directement utilisée par la ville afin de répondre aux besoins de

jour. Enfin l’aire en orange représente l’énergie que devra fournir le générateur thermique

Production PV journalière

Besoins énergétique de la ville

Excédents électriques (disponible

pour l’irrigation)

Besoins énergétiques ne pouvant pas

être supporté par le photovoltaïque.

Cette énergie sera fournie par les

biocarburants

Production PV directement

utilisée par la ville

Figure 13 Exemple de comparaison Production / Demande




Septembre 2014

26

alimenté par les biocarburants car le photovoltaïque ne peut plus produire en période

nocturne.

Le calcul des aires se fera tout au long de l’année par la méthode des rectangles et nous

donnera donc les trois valeurs suivantes :

- La quantité d’énergie excédentaire annuelle disponible pour l’irrigation.

- La quantité d’énergie annuelle produite directement pour la demande par les

énergies renouvelables.

- La quantité d’énergie annuelle que devront produire les biocarburants

4.4 Hypothèses agronomiques et technologiques.

Les hypothèses agronomiques (H1, H2) et technologiques (H3-H9) utilisées seront

les suivantes :

Hypothèses de l’outil Unités Description

H1 Rendement de culture énergétique

Récolte de la culture à l’état de maturité (4 à 5 ans pour le Jatropha). Cette valeur est fonction de la qualité du sol, des engrais et des pratiques agricoles appliquées.

H2 Besoins d’irrigation de la culture

Besoins en eau de la plante considérée. Cette valeur est fonction de nombreux paramètres climatiques et biologiques qui seront pris en compte dans le logiciel CROPWAT de la FAO.

H3 Consommation électrique de la presse

Energie électrique nécessaire à entrainer le phénomène de presse de graines pour en extraire l’huile et le tourteau

H4 Rendement de la presse

Capacité de la presse à extraire l’huile de la graine. Cette valeur est fonction de la qualité de la graine oléagineuse ainsi que la technologie de presse utilisée.

H4 Production électrique du générateur au biocarburant

Capacité du générateur à produire de l’électricité à partir d’huile végétale. Elle est fonction de la qualité de l’huile et de la technologie utilisée.

En fonction des approches, l’une ou l’autre des hypothèses suivantes seront prises en compte

H6 Approche 1 : Consommation électrique du désalinisateur

Consommation électrique de l'osmose inverse. Elle devra prendre aussi en compte la consommation liée au transport de l'eau

H7 Approche 2 : Localisation de la source, éloignement / dénivelé

Mètres ou kilomètres L'implantation et les pertes de charges

influeront sur la consommation électrique du pompage de l'eau douce.

H8

Approche 2 : Pertes de charges linéaires moyennes dans les conduits

H9 Approche 2 : Rendement des pompes d'irrigation

%

Rapport entre la puissance électrique apportée et la puissance hydraulique fournie

Tableau 4 Hypothèses agronomiques et technologiques du projet




Septembre 2014

27

Toutes ces hypothèses sont paramétrables et peuvent être modifiées par l’utilisateur compte

tenu du contexte qu’il aura à étudier. Des valeurs raisonnables seront proposées en fonction

de l’étude bibliographique réalisée ce qui nous permettra d’obtenir des résultats proches de

la réalité africaine.

4.4.1 Le rendement de culture énergétique.

(Hypothèse H1)

Les prévisions des rendements de cultures sont primordiales pour la modélisation. Ce fut la

principale erreur commise par les investisseurs des années 2000 comme nous l’avons

abordé au chapitre 3. Leurs projets idylliques prévoyaient des rendements de 10 à 12 tonnes

de récolte à l’hectare, promesse que dame nature ne pouvait assumer. Une étude réalisée

par l’université Leuphana à Lüneburg a répertorié et comparé 45 projets de cultures

énergétiques à base de Jatropha à travers le monde en 2012. Il se trouve que parmi eux

aucun rendement supérieur à 9 tonnes/ha n’a été obtenu et la moyenne sur les terres

africaines n’est que de 1743 kg/ha. (23). Cette étude n’indique pas le nombre de projets

avec irrigation mais on peut le supposer faible au vu du pourcentage de cultures irriguées en

Afrique : seulement 6,2% des terres arables (24) ce qui laisse envisager que notre projet

serait plus efficient.

La FAO, ainsi que de nombreux spécialistes rejoignent leur réflexion sur le fait que les

prévisions de rendements doivent être étudiées au cas par cas et qu’elles peuvent varier

fortement. (25) (26) (7)

Au vu de la littérature, et prenant en compte que les futurs retours d’expériences sur les

projets en cours nous permettront d’apporter de bonnes solutions quant aux pratiques

agricoles, un rendement de 4000 kg/ ha parait raisonnable et réaliste.

Valeur conseillée : 4 tonnes de graines / (ha.an)

4.4.2 Les besoins d’irrigation de la culture

(Hypothèse H2)

Comme nous l’avons vu dans le rapport bibliographique nous allons utiliser le logiciel de la

FAO : CROPWAT 7.0.

Les besoins d’irrigation varient en fonction du lieu d’implantation du projet. Nous avons

sélectionné certaines localités comme Ouagadougou (Burkina Faso), Nouakchott

(Mauritanie) et Ain Sefra (Algérie). Les données climatiques de ces emplacements ainsi que

les besoins d’irrigation correspondants sont disponibles en annexe n° 2.

Pour les coefficients culturaux de la plante de Jatropha nous allons utiliser les données

calculées par A.Rajonana et al (10)

Valeurs conseillées : Voir annexe n°2




Septembre 2014

28

4.4.3 Consommation et rendement de la presse

(Hypothèse H3-H4)

Ces valeurs vont nous permettre de faire le lien entre la quantité de graines récoltées

(séchées) et la quantité d’huile récupérée.

Voici la moyenne des données de la littérature pour une presse à vis avec des graines de

Jatropha : 0,25 kg d’huile / kg de graines sèches. Notons que de nombreux facteurs plus ou

moins contrôlables vont influencer ce rendement. Par exemple, le design de la presse et de

la vis devra être optimum afin de minimiser les pertes d’huile lors de la transformation.

Ensuite, la génétique de la plante joue aussi un rôle non négligeable. Cette dernière

composante est difficilement contrôlable par l’homme à moins de sélectionner les graines à

fort potentiel dans des pépinières ou d’intervenir sur l’ADN de la plante ce qui est

catégoriquement exclu dans cette étude.

La consultation de fournisseurs nous a permis de connaitre les besoins énergétiques des

moteurs électriques pour entrainer les presses à vis : 0,075 kWh sont nécessaires en

moyenne pour presser un kg de graine. Cette quantité d’énergie sera supportée soit par les

excédents électriques provenant des énergies renouvelables soit par le générateur

fonctionnant au biocarburant. Lors de notre modélisation nous opterons pour la seconde

solution.

Valeurs conseillées : 0,25 kg d’huile /kg de graines et 0,075 kWhélectrique /kg de graines

4.4.4 Production électrique du générateur au biocarburant

(Hypothèse H5)

La qualité de production du générateur aux biocarburants doit être estimée. En effet,

contrairement au gazole dont la composition est régie par des normes strictes (EURO

2000,2005), l’huile végétale de Jatropha ne sera pas soumise à ces mêmes restrictions. Son

indice de cétane (capacité à s’auto-enflammer), son point d’inflammabilité (température la

plus basse admissible pour s’enflammer) et l’ensemble de ses caractéristiques physiques

définiront la qualité de l’huile utilisée. Avec la technologie de générateur choisie ce seront les

principaux facteurs influençant la production électrique.

Dans la modélisation nous avons retenu la valeur de 0,3 kWhélèctrique produit par litre d’huile

végétale consommé. C’est la valeur moyenne des groupes électrogènes fonctionnant au

gazole. Ceci correspond à un rendement de groupe de 33% sur PCI.

Valeur conseillée : 0,3 kWhélectrique /Litre d’huile

Dans le cas d’une irrigation à base d’eau de mer, l’hypothèse H6 sera prise en compte et

dans l’autre cas nous allons considérer les hypothèses H7, H8 et H9.

4.4.5 Consommation électrique du désalinisateur

(Hypothèse H6)

Si la « ressource en eau » destinée à l’irrigation est de l’eau salée. La consommation

électrique de l’usine de désalinisation est un facteur important à considérer.




Septembre 2014

29

Comme nous l’avons vu dans la bibliographie, la facture énergétique est un poste de

dépense prépondérant dans le coût total d’exploitation de ces infrastructures. Il est donc

important de bien maitriser ce poste et avant tout de l’évaluer. Même si chaque cas peut

faire l’objet d’une étude particulière (caractéristique de l’eau de mer, rendement

électromécanique, technologie de récupérateur d’énergie) l’outil d’analyse prendra pour

hypothèse un ratio de consommation fixe.

Celui-ci devra prendre en compte non seulement la phase de traitement de l’eau par osmose

inverse mais aussi le transport de l’eau depuis la mer jusqu’aux cultures de Jatropha.

Valeur conseillée : 4 kWhélectrique /m3

4.4.6 Localisation de la source et pertes charges liées au transfert de l’eau

douce.

(Hypothèses H7-H8)

Si la « ressource d’eau » destinée à l’irrigation est de l’eau douce, la distance séparant la

culture du point de pompage est un facteur important à considérer.

Dans certaines régions du monde et particulièrement dans les zones arides les sources

d’eau douce peuvent se situer à plusieurs km de la culture et à des profondeurs importantes.

Nous allons donc définir deux paramètres caractérisant cette contrainte : l’éloignement et le

dénivelé (ou profondeur) que les pompes devront combattre pour transporter l’eau du point

de pompage vers les cultures.

Ensuite, l’énergie nécessaire au pompage sera proportionnelle à la perte de charge

rencontrée dans les conduits d’irrigation. Ces pertes par frottement dépendront donc du

nombre de mètres (ou kilomètres) parcourus, mais aussi des singularités présentes sur le

réseau d’irrigation. Lors de cette modélisation nous allons considérer une perte de charge

linéaire fixe en mètre de Colonne d’Eau (mCE) par mètre de conduite. Cette hypothèse

« globalise » la variation de pertes de charge en fonction de la vitesse d’écoulement, du

débit et de la vétusté du réseau. Il sera conseillé la valeur de 3 mCE pour cent mètres de

conduite (9)

Ensuite, l’énergie nécessaire au pompage sera proportionnelle à la perte de charge

rencontrée dans les conduits d’irrigation. Ces pertes par frottement dépendront donc du

nombre de mètres (ou kilomètres) parcourus, mais aussi des singularités présentes sur le

réseau d’irrigation. Lors de cette modélisation nous allons considérer une perte de charge

linéaire fixe en mètre de Colonne d’Eau (mCE) par mètre de conduite. Cette hypothèse

néglige donc la variation de pertes de charge en fonction de la vitesse d’écoulement, du

débit et de la vétusté du réseau. Il sera conseillé la valeur de 3 mCE pour cent mètres de

conduite (9)

En fonction du type du système d’irrigation il sera nécessaire d’ajouter la pression

nécessaire aux terminaux. Par exemple, un système aux gouttes à gouttes nécessite environ

1 bar (10 mCE) à chaque asperseur alors qu’un banc rotatif peut nécessiter des pressions

allant jusqu'à 9 bars. Le choix du système d’irrigation est laissé à la charge de l’utilisateur qui

pourra ajouter ces pertes de charges manuellement en fonction du type de projet.




Septembre 2014

30

4.4.7 Rendement de pompes

(Hypothèse H9)

Ajouté aux pertes de charges du réseau hydraulique, le rendement des pompes a aussi un

impact sur les consommations énergétiques du système. Ce rendement global est le produit

des rendements partiels de l’installation de pompage. Nous pouvons y considérer le

rendement électrique (dans le cas de moteur électrique), le rendement de transmission

mécanique et rendement de transmission hydraulique. Ces rendements seront fonction du

débit, de la pression de refoulement et du design de chacune des pompes.

Lors de notre modélisation, nous n’allons pas considérer la variation du rendement et nous

choisirons une valeur fixe.

Les valeurs de rendements suivants sont une moyenne des données de fournisseurs :

Rendement électrique = 90% Rendement mécanique = 83% Rendement hydraulique = 70%

Rendement globale = 53%

Valeurs conseillée : 53%

La valorisation des tourteaux de Jatropha n’est considérée que sous forme de fertilisant de

culture. Aucune valorisation énergétique (biogaz, électricité ou chaleur) n’est envisagée dans

la modélisation car celle-ci apporte de trop nombreuses incertitudes mais devra être étudiée

à posteriori ou testée pendant les phases d’essais du projet.

4.5 Hypothèses financières

En général les projets d’aide au développement s’appuient sur des montages

financiers s’articulant autour de deux solutions : la subvention ou la rentabilité. La 1ère induit

une dépendance vis-à-vis des bailleurs qui peuvent être soumis au bon vouloir du politique.

Au vu de la stabilité de nombreux pays en Afrique et plus généralement dans les pays en

voie de développement, la rentabilité à court ou moyen terme de l’activité est indispensable à

la réussite d’un projet dans ces régions du monde. Cependant cette rentabilité ne

correspond pas forcément au système le moins cher, car des investissements peu élevés se

traduisent fréquemment par des frais d’exploitation importants à plus long terme. Conscient

du compromis à trouver, notre étude financière se porte sur une durée d’observation

raisonnable.

Par ailleurs, pour une durée de projet donnée, la réalité des coûts et dépenses n’est pas une

estimation facile. En effet de nombreux paramètres à caractères aléatoires ou variables sont

à prendre en compte pour faire une étude exhaustive. De plus certains paramètres ne se

prêtent pas à une quantification financière comme la fiabilité du matériel, le risque de vol ou

les pièces de rechange disponibles.

L’étude financière s’attelle donc à être la plus réaliste possible et s’appuie sur une analyse

des prix disponibles dans la littérature. De plus, les devis de certains fournisseurs recueillis

au cours de l’étude permettent une vision plus concrète des enjeux financiers. Il est laissé la

liberté à l’utilisateur de modifier par la suite certains coût plus adaptés à un contexte




Septembre 2014

31

d’implantation particulier, notamment le coût homme/jour de la main d’œuvre locale, le

foncier ou encore l’approvisionnement du matériel.

Comme pour les hypothèses agronomiques et technologiques, l’outil propose des valeurs

« standards », tout en citant les sources d’informations exploitées.

Ces coûts se répartissent en deux types distincts : Les CAPEX et OPEX.

CAPEX : Capital Expenditure / Coûts d’investissement OPEX : Operating Expenditure / Coûts d’exploitation

Ils sont calculés pour chacun des principaux postes de dépense du projet, à savoir :

- Le(s) pompes d’irrigation

- Le(s) presses à graines

- Le(s) désalinisateurs

- Le(s) groupes électrogènes fonctionnant aux biocarburants

- La /les technologies liées à l’exploitation agricole

- Le système d’irrigation.

Voici les différentes hypothèses nécessaires à l’analyse financière.

Hypothèses financières de l’outil Unités Description

H10 Durée d’observation années Durée pendant laquelle tous les postes de dépenses vont être amortis.

H11 Actualisation % Diminution de la valeur de l’argent pour l’investisseur d’une année à l’autre.

H12 Inflation % Augmentation d’un certain type de coût par an sur la durée d’observation

Tableau 5 Hypothèses financières de l'outil

4.5.1 Durée d’observation

(Hypothèse H10)

Un des objectifs de l’analyse financière consiste à calculer une annuité des dépenses liées à

l’investissement et l’exploitation du projet de Valorem. Pour ceci il faut convenir d’une durée

d’observation pour étaler les investissements sur plusieurs années et ainsi permettre à

l’investisseur d’avoir une vision à plus long terme de la rentabilité de son projet. Les coûts

totaux inhérents d’un élément sont normalement ramenés à sa durée de vie utile. Cependant

comme la durée de vie des différentes technologies constituant le projet n’est pas identique,

nous allons ramener ces coûts à une durée d’observation raisonnable. Cette valeur devra

être modifiée avec la vision à plus ou moins long terme des acteurs principaux.

Dans un premier temps, la durée d’observation est fixée à vingt ans. C’est la durée prise par

Valorem pour des projets impliquant des panneaux photovoltaïques et/ou des éoliennes. Elle

correspond à la durée de vie garantie par les fournisseurs.

Valeur conseillée : 20 ans

4.5.2 Actualisation

(Hypothèse H11)

« L’argent de demain, n’a pas la même valeur que celle d’aujourd’hui ».




Septembre 2014

32

La méthode d’actualisation est nécessaire pour pouvoir justifier le choix consistant par

exemple à investir un capital initial immédiatement ou dans deux ans. Elle se base sur la

notion qui peut paraitre contre nature : la valeur des dépenses futures est inférieure à celle

réalisées immédiatement. L’argent investit aujourd’hui peut rapporter des bénéfices l’année

d’après, il aura donc une valeur future nettement supérieur à sa valeur actuelle. (27)

Exemple : L’investissement de 10 € dans un projet avec un taux de bénéfice de 10% (par an)

devient 11€ l’année d’après. Par conséquent un montant de 10€ disponible immédiatement

vaut en principe 1€ de plus que la même somme disponible dans un an.

Le choix du taux d'actualisation est fonction de plusieurs facteurs, comme :

- Le taux du marché (marché financier) qui peut connaitre des modifications

- Le poids accordé par le producteur ou les dirigeants de l'entreprise ou les

actionnaires aux revenus futurs du projet.

- Le risque lié au projet : comme le risque traduit la probabilité d'échec d'un projet,

il doit être considéré dans le calcul du taux d'actualisation.

- La prise en compte du temps : plus le temps de remboursement des capitaux est

long, plus ces capitaux à rembourser sont dépréciés.

- La nature de l'activité : le taux est élevé pour le projet à rendement rapide.

Souvent, le coût du capital est «une moyenne du coût des différentes sources de

financement utilisée» ou « cout moyen pondéré du capital ».

Dans le cas de ce projet, nous avons retenu un taux d’actualisation de 7 %.

Valeur conseillée : 7%

4.5.3 Inflation

(Hypothèse H12)

Il ne faut pas confondre le taux d’inflation avec le taux d’actualisation. Contrairement à

l’actualisation le taux d’inflation est un taux constaté que l’on ne peut pas maitriser. Il sera

différent en fonction de la nature de la dépense à effectuer (pièces de rechange, prix du

gazole, prix de l’électricité).

Tous les taux d’inflations utilisés pour la modélisation et conseillés sont disponibles en

annexe n° 3.

Valeur conseillée : voir annexe n°4

4.5.4 Coût Global Actualisé (CGA)

L’actualisation des coûts couplée à l’inflation des prix, va nous permettre de calculer

des« coûts globaux actualisés » ou « CGA » par type de composants de l’installation qui va

contribuer in fine à la production d ‘électricité.

Pour le calcul du CGA lié à l’investissement, aucune inflation n’est à prendre en compte.

Après avoir obtenu le montant de l’investissement initial, il faut ramener ce montant à une

annuité prenant en considération le taux d’actualisation. Voici la formule de calcul :




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33

( )

( )

C : montant de l’investissement a : Taux d’actualisation n : durée d’observation en années* ka : Coefficient d’actualisation Exemple : L’annuité correspondant à l’investissement de 50 000 € pour une presse à graine

avec une durée d’observation de 20 ans et un taux d’actualisation de 7% sera de

50000*0,0908=4 538 € (≠ 5 000 €).

Le calcul du CGA lié à l’exploitation (ou OPEX) se complexifie par l’intégration d’un taux

d’inflation dans les formules. En effet l’augmentation des couts d’exploitation (prix des pièces

de rechange, de la main d’œuvre, carburants) nécessaires à l’exploitation de certains

systèmes peut être significative. Afin de calculer l’annuité de ces coûts la méthode suivante

a été adoptée :

1ère étape : Calcul itératif des coûts par année prenant en compte les taux d’inflation, « i »

durant la durée d’observation.

( ) ( )

2ème étape : Calcul itératif des coûts par années prenant en compte le taux d’actualisation

« a » durant la durée d’observation.

( )

( )

3ème étape : Ramener ces coûts à une annuité fixe.

( ∑

)

Exemple : le coût de l’approvisionnement en gazole d’un générateur consommant 200 000 litres

par an.

Années Consommation

indexée Consommation

actualisée

1 200 000 € 187 793 € 2 205 000 € 80 740 € 3 210 125 € 173 952 € 4 215 378 € 167 418 € 5 220 763 € 161 130 € 6 226 282 € 155 079 € 7 231 939 € 149 254 € 8 237 737 € 143 648 € 9 243 681 € 138 253 €

10 249 773 € 133 060 € 11 256 017 € 128 063 € 12 262 417 € 123 253 € 13 268 978 € 118 624 € 14 275 702 € 114 168 € 15 282 595 € 109 880 € 16 289 660 € 105 753 € 17 296 901 € 101 781 € 18 304 324 € 97 959 € 19 311 932 € 94 279 € 20 319 730 € 90 738 €

( ∑ 𝐶𝑜 𝑡 𝑙 𝑎𝑛𝑛 𝑒 𝑛

𝑑𝑢𝑟 𝑒 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑛

) 𝑘𝑎

Annuité : 242 758€

Le coût global actualisé de la consommation

de gazole par an est de 242 758 € (≠200 000€)

Prix du gazole : 1€/L Inflation de 2,5% Taux d’actualisation de 7% Durée d’observation de 20 ans.

Ka= 0,09




Septembre 2014

34

4.5.5 Les CAPEX

Pour le calcul des dépenses liées à l’investissement des pompes d’irrigation, l’architecture

du réseau hydraulique ainsi que le débit nécessaire doit être pris en compte. Le couple de

données (Hauteur manométrique, débit) nous permettra de choisir les pompes adéquates au

contexte du projet. Un récapitulatif de catalogues de prix est disponible dans l’outil et en

annexe n°4 de ce rapport.

L’exploitation agricole est une donnée dépendante des pratiques agricoles choisies. Pour

obtenir une valeur raisonnable du CAPEX, il est conseillé de s’appuyer sur l’étude de

l’université de Lüneburg (23) répertoriant les dépenses d’investissement et d’exploitation de

cultures de Jatropha dans le monde.

Les coûts du système d’irrigation vont dépendre de sa technologie. Ils peuvent passer du

simple au double et certaines techniques rudimentaires permettent de baisser

significativement les coûts. Par exemple les systèmes de gouttes à gouttes peuvent être

simplifiés en remplaçant les goutteurs par des micro-tubes insérés dans des trous des parois

de canalisations latérales. Dans la même idée les pressions hydrauliques nécessaires aux

terminaux peuvent être créées par une hauteur géométrique entre le réservoir et les champs

à arroser. Autant de solutions à étudier au cas par cas. Lors de la présentation des résultats

nous prendrons l’exemple d’un système utilisant une irrigation aux gouttes à gouttes (micro-

aspersion) dont les coûts seront ceux présentés par la chambre d’agriculture du Var.

Pour les autres dépenses, en fonction de la taille du projet (du nombre d’hectare par

exemple), certains coûts devront être évalués proportionnellement à une donnée

technologique. Nous évaluons donc ces dépenses de la manière suivante :

- Le désalinisateur en fonction du nombre de m3 d’eau traitée

- La presse à graine en fonction du débit de graines pressées en kg/h

- Le groupe électrogène en fonction de la puissance apparente en kVA

Un phénomène d’échelle a été considéré pour éviter les extrapolations se déviant

considérablement de la réalité. Ainsi un désalinisateur de 1000 m3/jour ne coute pas deux

fois plus chère que celui traitant 500 m3/jour. Tous les graphes exposant ces évaluations

sont disponibles en annexe n°4.

4.5.6 Les OPEX

Pour le calcul des dépenses liées à l’exploitation, nous devrons considérer trois points : les

maintenances à réaliser, les remplacements de matériels à effectuer et l’apport d’énergie

nécessaire au bon fonctionnement des appareils sur la durée d’observation.

Dans notre projet, l’énergie électrique fournie aux technologies intégrant le projet provient

des excédents d’énergies renouvelables solaires et/ou éoliennes. Le coût de production d’un

MWhélectrique fourni aux pompes d’irrigation, à la presse ou au désalinisateur sera calculé et

ramené sur une année. Ce calcul prendra compte de l’actualisation et de l’inflation des

pièces de rechanges nécessaires à l’installation photovoltaïque ou éolienne.

Les maintenances à effectuer sur les pompes d’irrigation seront considérées comme

négligeables, et leur durée de vie étant supérieur à 20 ans aucun frais de remplacement de




Septembre 2014

35

matériel ne sera envisagé. La principale dépense sera donc leur consommation électrique

fonction des hypothèses du réseau hydraulique comme nous l’avons vu précédemment.

Pour le poste de dépense « exploitation agricole » les frais d’exploitation seront, comme pour

le CAPEX, tirés de l’étude de Leuphana.

L’OPEX de la presse sera estimé à 10% du CAPEX, comme l’indiquent les fournisseurs.

Enfin, les frais d’exploitation du désalinisateur et du générateur au biocarburant s’appuient

sur des devis précis d’installateurs. Ils prennent en compte les remplacements de pièces

(membranes notamment), une inflation modérée de ces coûts, et la main d’œuvre

nécessaire à la maintenance des équipements.

4.6 Indicateurs de sorties

Le projet est-il viable ? Réalisable ? Rentable ? Ecologique ? Ethique ? Nous serions

tentés de répondre à la manière de nos amis normands : « Ca dépend ». Cependant de quoi

la réussite d’un tel projet dépend elle et de quelle manière ? Voici les questions pertinentes à

laquelle cette étude doit s’attacher de répondre objectivement.

Pour cela des indicateurs permettant de caractériser au mieux les aspects du projet ont été

définis. Le tableau 6 en fait la présentation.

Indicateurs de sorties de l’outil Unités Description

Aspect énergétique du projet

S1 Production électrique par hectare cultivé

Production électrique provenant des biocarburants récoltés sur un hectare de culture énergétique.

S2 Consommation électrique liée à l'irrigation

d'un hectare cultivé

Consommation électrique provenant des énergies renouvelables solaire et/ou éolien utilisée pour apporter de l'eau d'irrigation. Cette quantité d'énergie ne sera pas la même dans le cas où l'eau brute est de l'eau douce ou de l'eau de mer.

S3 Facteur de conversion électrique Sans unité

Rapport entre la puissance électrique apportée et la puissance hydraulique fournie

Aspect financier du projet

S4 CGA du MWhélectrique produit par le

générateur fonctionnant au biocarburant

Coût Global Actualisé de la production d'un MWhélectrique produit à partir de biocarburant. Il sera différent dans le cas où l'eau brute est de l'eau douce ou de l'eau de mer.

S5 CGA du MWhélectrique produit par un

générateur (similaire) fonctionnant au gazole

Coût Global Actualisé de la production d’un MWhélectrique produit à partir de gazole

S6 CGA du litre de biocarburant produit

Coût Global Actualisé de la production d’un litre d’huile végétale. Il sera différent dans le cas où l’eau brute est de l’eau douce ou de l’eau de mer

Tableau 6 Indicateurs de sortie de l'outil




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36

4.6.1 Aspect énergétique

Production électrique par hectare cultivé. (Sortie S1)

C’est la production électrique totale en MWh produite par an, provenant des cultures

énergétiques et ramenée à la superficie de culture. Elle est calculée de la manière suivante :

Analyse dimensionnelle :

Consommation électrique liée à l’irrigation d’un hectare cultivé. (Sortie S2)

C’est la consommation électrique dédiée à l’irrigation ramenée à la superficie de culture en

MWh/(ha.an). Elle sera différente selon que l’eau doit être désalinisée ou non.

Approche n°1 (Désalinisation)


Approche n°2 (Pompage d’eau douce)

( )


(

)

Facteur de conversion électrique Sortie S3

Il est le rapport entre l’énergie électrique restituée par notre système (ici les cultures

énergétiques) et l’énergie électrique qui est consommée par notre système (ici par

l’irrigation). En d’autres termes, ce facteur peut être assimilé au rendement de notre batterie

biologique. Il nous donnera une idée (partielle) de la pertinence du projet et pourra être

comparé au rendement des batteries actuelles.

Pour exemple, les batteries Lithium ions ont aujourd’hui des rendements allant de 80 à 90 %.

La consommation électrique du traitement/transport de l’eau sera radicalement différente

dans le cas de l’utilisation d’eau douce ou salée comme eau de source pour irriguer. Le

facteur de conversion électrique sera donc modifié suivant les approches du projet.




Septembre 2014

37


4.6.2 Aspect financier

Chaque poste de dépense présente un CGA qui lui est propre et dépend

d’hypothèses différentes. Afin d’exploiter les résultats de l’analyse financière, nous allons

ramener le coût global de tous les postes de dépense à des grandeurs significatives du

projet comme la quantité d’électricité produite à partir des biocarburants ou la quantité d’huile

produite. Ce sont ces indicateurs qui seront présentés aux décideurs et expliqués dans cette

partie.

Ils permettent de comparer des variantes du projet. Par exemple, ils rendent possible de

quantifier l’avantage d’une solution avec irrigation à base d’eau de mer par rapport à de l’eau

douce ou le contraire selon les résultats.

De plus le CGA de production électrique à base de biocarburants est comparé au CGA d’un

générateur de puissance équivalente à base de ressources fossiles comme le gazole. La

pertinence de cette analyse se base sur un constat général : Si le cout de production d’un

MWh du projet est plus élevé que celui produit à partir de gazole, il sera très difficile de

convaincre un investisseur de l’intérêt du projet.

CGA du MWhélectrique produit par le générateur fonctionnant au

biocarburant

CGA du MWhélectrique produit par un générateur (similaire)

fonctionnant au gazole. (Sorties S4-S5)

Le CGA du MWh électrique produit à partir de la valorisation de biocarburant est proposé en

€/MWh.

Il combine les CGA de toutes les infrastructures qui ont participées à l’élaboration de la

précieuse huile de Jatropha et est ramené à la quantité d’énergie électrique générée par an.

Il sera différent dans le cas d’une approche de désalinisation ou de pompage d’eau douce.




Septembre 2014

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Exemple : Approche n°2 (pompage eau douce) : Contexte : 30 ha produisant environ 100 MWhélectrique par an

Pose de dépense CGA (€)

CGA globale (€/MWh)

Pompes d’irrigation a f= a/100 Presse b g= b/100 Exploitation agricole c h= c/100 Système d’irrigation d i= d/100 Générateur électrique e j=e/100

CGA GLOBAL (€/MWh) f+g+h+i+j

Tableau 7 Exemple de calcul de CGA ramené à la production électrique

Ensuite, nous allons calculer le CGA d’un groupe électrogène fonctionnant au gazole. Le

carburant ne sera plus issu de cultures énergétiques mais importé. Nous retiendrons un prix

gazole de 1€/L et une inflation modérée de 3% par an. (Le taux d’actualisation sera le même

que pour le projet : 7%).

Afin que ces CGA soient comparables, il faut que les puissances de générateurs soient

comparables ainsi le générateur au gazole sera de taille similaire au générateur électrique

du projet. Le nombre d’heures de fonctionnement sera aussi égal afin que les productions

électriques soient similaires.

CGA du litre de biocarburant produit. (Sortie S6)

Il sera intéressant de calculer le CGA d’un litre d’huile de Jatropha obtenu afin de le

comparer au prix du pétrole.

Comme pour le CGA par MWhélectrique le CGA du litre d’huile prend en compte les coûts de

toutes les infrastructures qui participent à l’obtention de l’huile de Jatropha (mais pas à sa

valorisation). Ceci correspond aux CGA suivants ramenés à la quantité en litres d’huile

produite par les cultures :

- Les pompes d’irrigation (dans le cas de pompage d’eau douce)

- Le désalinisateur (dans le cas de la désalinisation)

- La presse à graine

- L’exploitation agricole

- Le système d’irrigation




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5 Présentation et analyse des résultats obtenus

Nous allons exposer ici les résultats obtenus par l’outil avec des hypothèses se

rapprochant le plus possible de la réalité. La source d’énergie renouvelable testée ici est le

soleil, exploitée par des panneaux photovoltaïques.

5.1 Présentation des résultats

Considérons une demande énergétique de l’ordre de la ville de Mongo, couplée à une

production photovoltaïque provenant d’un générateur de 900 kWc. Voici les résultats de flux

énergétiques globaux obtenus sur l’année.

Demande 1874 MWh / an

Puissance PV 900 kWc

L’énergie requise pour combler le photovoltaïque (lorsque le soleil ne brille pas) correspond

à l’énergie nécessaire à fournir par notre batterie biologique autrement dit, l’huile de

Jatropha.

Pour obtenir des résultats significatifs, les hypothèses ont suivi les valeurs conseillées dans

la partie précédente. En ce qui concerne les besoins d’irrigation, les calculs réalisés par

CROPWAT avec le contexte climatique de Nouakchott (voir annexe 2) ont été exploités.

Dans ces conditions, 10 320 m3 par hectare et par an sont nécessaires pour irriguer une

monoculture de Jatropha. L’éloignement de la source d’eau est considérer à une distance de

0,5 km et 10 m de dénivelé.

Dans cette étude de cas, le photovoltaïque sera la ressource principale d’énergie

renouvelable. L’analyse du Coût Global Actualisé de la centrale PV est de 100 € par

MWhélectrique produit et destiné à l’irrigation. Ce calcul est disponible en annexe n° 3

Production électrique PV annuelle totale 1965 MWh/an Excédents électriques PV annuels totaux 1020 MWh/an Energie requise pour combler le manque solaire total 900 MWh/an

Tableau 8 Résultats de l'étude de cas (demande/production)




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Approche 1 : Désalinisation

Indicateurs de sorties de l’outil Valeurs Unités


S1 Production électrique par hectare cultivé 3,66

S2 Consommation électrique liée à l'irrigation d'un hectare cultivé 41,3

S3 Facteur de conversion électrique 0,09 Sans unité


S4 CGA du MWhélectrique produit par le générateur fonctionnant au

biocarburant. 1260

S5 CGA du MWhélectrique produit par un générateur (similaire)

fonctionnant au gazole. 285

S6 CGA du litre de biocarburant produit. 4,53

Tableau 9 Indicateurs de sortie de l'étude du cas (Approche n°1 : Désalinisation)

Approche 2 : Pompage d’eau douce (éloignement de 0,5km et 10m de dénivelé)

Indicateurs de sorties de l’outil Valeurs Unités


S1 Production électrique par hectare cultivé 3,66

S2 Consommation électrique liée à l'irrigation d'un hectare cultivé 1,5

S3 Facteur de conversion électrique 2,45 Sans unité


S4 CGA du MWhélectrique produit par le générateur fonctionnant au

biocarburant. 241

S5 CGA du MWhélectrique produit par un générateur (similaire)

fonctionnant au gazole. 285

S6 CGA du litre de biocarburant produit. 0,80

Tableau 10 Indicateurs de sortie de l'étude de cas (Approche n°2) : Pompage d'eau douce)




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5.2 Analyse des résultats et discussions

5.2.1 Une production électrique faible.

Avec des hypothèses de rendement de 4000 kg/(ha.an), la production électrique

résultant de la valorisation de la plante de Jatropha est de 3,6 MWhélectrique par hectare et par

an ce qui peut sembler faible comparé aux autres ressources énergétiques. A surface

équivalente les panneaux solaires photovoltaïques en Afrique peuvent produire près de 180

fois plus : 650 MWh/ha (Pour des modules PV d’une densité de puissance de 150 Wc/m2 et

un taux de d’utilisation du sol égal à 50 %).Cette comparaison est aussi probante que

trompeuse.

Sans beaucoup de recul et une vision superficielle du problème, les biocarburants ne

peuvent rivaliser avec d’autres sources énergétiques en termes de rendement électrique par

unité de surface. Il faut cependant prendre en compte son caractère de stockage physique

sous forme d’huile, avantage que ne possèdent pas la plupart des autres moyens de

production. Difficile de quantifier cet intérêt, qui peut être associé à d’autres avantages et

inconvénients vus dans la partie bibliographique.

De plus, dans le cadre de notre étude les cultures énergétiques sont un moyen de stockage

de l’énergie EnR solaire et/ou éolienne et permettent de restituer l’électricité au moment

opportun. Elles ne doivent donc pas être considérées ou comparées à des systèmes de

production électrique isolés mais plutôt à un appoint permettant de stocker les excédents et

de les restituer au moment voulu.

Ce résultat nous permet d’avoir une idée des surfaces terrestres importantes à impliquer

pour pouvoir palier à l’intermittence du solaire et de l’éolien dans le cadre de l’alimentation

d’une ville africaine. Par exemple, dans notre étude de cas (ville africaine de la taille de

Mongo et une centrale PV de 900 kWc), 930 MWh électrique par an devront être produits à

partir de cultures énergétiques pour pallier à l’intermittence solaire. Cette quantité d’énergie

correspond à 253 hectares de culture. La disponibilité de surfaces cultivables aussi

importantes, sans concurrence avec la production alimentaire, devra être vérifiée lors de

l’implantation d’un tel projet.

5.2.2 La désalinisation

La désalinisation, malgré les améliorations technologiques réalisées ces dernières

années, ne semble pas accessible à un projet de production d’électricité hybride (culture

énergétique/EnR) et pour l’agriculture en général.

Le facteur de conversion électrique parle de lui-même : 0,09. Cela signifie que si l’on injecte

100 kWh pour irriguer nos champs à partir d’eau de mer, le système des cultures

énergétiques ne restituera que 9 kWhélectrique. Autrement dit, dans le cas des hypothèses

spécifiques prises en compte, la « batterie biologique » a un rendement de 9% ou encore

91% de pertes.

Le CGA de la production électrique dans « l’approche désalinisation » du projet vient

appuyer cette analyse. Dans le cas d’une irrigation par eau de mer, pour un MWhélectrique

produit des cultures énergétiques, 1260 € par an sont nécessaires à mener à bien sa

production. Le CAPEX et OPEX de l’usine de désalinisation pèse pour 86% de ce coût, ce

qui conforte bien l’origine de ce prix faramineux.




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42

5.2.3 Le pompage de l’eau douce

Dans le cas du pompage d’une eau douce relativement proche des cultures

énergétiques (0,5km et 10m de profondeur) le facteur de conversion électrique est de 2,45.

Cette valeur prend toujours compte des hypothèses hydrauliques spécifiques énumérées au

chapitre précédent.

C'est-à-dire que si l’on injecte 100 kWh pour irriguer nos champs à partir d’eau douce, les

cultures énergétiques restitueront 245 kWhélectrique. Cette restitution est bien plus intéressante

qu’avec la désalinisation et semble refléter une combinaison énergétique prolifique.

Des précautions s’imposent dans l’analyse de ces grandeurs. Ce facteur supérieur à l’unité

ne correspond pas à une création d’énergie ou un système sur capacitif (rendement

supérieur à 1). Si l’on peut récupérer plus d’énergie que l’on en consomme cela vient du fait

que l’énergie présente dans la nature est bien réelle et déjà existante. L’irrigation est un plus,

permettant d’amplifier la restitution d’énergie « utile » de la terre et particulièrement de la

plante de Jatropha. Il n’en reste pas moins que la culture énergétique, dans le cas de ces

hypothèses spécifiques, est un moyen de stockage très intéressant.

Le CGA calculé conforte l’analyse positive du facteur de conversion. En effet, les 241 € par

an nécessaires à la production d’un MWh issu de biocarburant est un coût acceptable.

Supérieur au coût de production d’une centrale PV, il est cependant largement compétitif

devant un appoint de production électrique équivalent issu de gazole.

Il faut confronter à ces avantages énergétiques et économiques un inconvénient d’origine

non-quantifiable. Quelle est la probabilité de rencontrer une ressource d’eau douce aussi

importante ? Avec ces hypothèses agronomiques, pas moins de 2 800 m3 d’eau sont utilisés

par MWhélectrique produit des cultures énergétiques. Pour une ville de la taille de Mongo, 930

MWhélectrique par an doivent être injectés par les cultures énergétiques, ceci correspondant à

près de 2 500 000 m3 d’eau douce par an. Dans des zones arides, ou la pénurie d’eau

potable est un fléau réel, cette solution ne permet pas un apport énergétique durable et

adapté au contexte africain.

La question doit se porter sur la quantité d’eau requise par l’irrigation. En effet, comme nous

l’avons expliqué précédemment, il est difficile de définir le gain de productivité ramené par

m3 d’eau apporté aux cultures énergétiques. De ce fait, l’impact d’une diminution de

l’irrigation par rapport à celle requise est mal-connue. Autrement dit, si au lieu d’apporter

10 320 m3 d’eau par hectare, l’irrigation n’est que de 5 160 m3, nous ne pouvons estimer la

diminution de rendement de culture, cependant nous pouvons supposer que celui-ci ne

diminuera pas de moitié du fait des caractéristiques agronomiques du Jatropha et son

adaptation aux sols pauvres. L’irrigation pourra alors être adaptée aux ressources hydriques

disponibles et obtenir des résultats largement satisfaisants. De plus une diminution de

l’irrigation peut permettre d’amplifier le facteur de conversion électrique et de diminuer le

CGA de production électrique, ces économies importantes devraient peser suffisamment

dans la balance les comparants à la perte de rendement (non quantifiable) de la culture.

5.2.4 Comparaison avec un groupe électrogène « gazole »

La réalité économique prenant souvent le pas sur les convictions écologiques, il est

indispensable de présenter une solution qui soit financièrement compétitive avec les

technologies connues localement même si elles reposent sur des énergies fossiles. C’est




Septembre 2014

43

pourquoi la comparaison entre le coût d’un appoint électrique « biologique » issu de cultures

énergétiques avec un appoint thermique issu du pétrole est pertinente. De plus, elle peut

permettre d’aider les décideurs à convaincre les acteurs locaux.

Dans notre étude de cas, nous avons comparé un groupe électrogène « gazole » de

puissance équivalente à celui fonctionnant au biocarburant : 550 kW ou 693 kVA. Son CGA

s’élève à 285 €/MWh.an pour une durée d’observation de 20 ans et son OPEX représente

près de 95 % de ce coût. Finalement, la part de l’investissement (CAPEX) ne compte que

très peu dans le coût réel d’un groupe électrogène, l’approvisionnement en carburant (1€/L)

en est à contrario le poste de dépense prépondérant. Dans le cas où le système intègre la

désalinisation, les CGA ne sont pas comparables. Financièrement cette approche ne peut

rivaliser avec une production issue du gazole, néanmoins la solution utilisant de l’eau douce

comme eau de source correspond à un CGA légèrement plus faible qu’avec un groupe

électrogène (241 contre 285 €/MWh.an).Ce constat est très intéressant et démontre que par

cette approche (irrigation par eau douce) les biocarburants peuvent concurrencer le gazole.

Cependant, comme pour la plupart des solutions intégrant des énergies renouvelables,

l’investissement initial est considérable comparé aux systèmes classiques intégrants des

énergies fossiles. Même si l’analyse financière sur la durée de vie du matériel donne raison

aux EnR, il est délicat de trouver les arguments permettant d’engager les décideurs vers ces

solutions certes d’avenir mais trop chères à l’investissement.

5.2.5 Etudes de sensibilité

Comme nous l’avons vu précédemment, les hypothèses de l’outil d’analyse ont été choisies

arbitrairement. L’avantage de la programmation Excel est sa flexibilité : Il est possible de

faire varier l’un ou l’autre des paramètres afin d’estimer leur influence sur les résultats finaux.

Cette étude s’est portée sur la sensibilité du facteur de conversion électrique à la variation

des paramètres suivants :

- Besoins d’irrigation

- Rendement de cultures

- Distance et dénivelé de la source d’eau douce

- Pertes de charges des conduits d’irrigation

Les graphiques sont disponibles en annexe n°5.

Ils montrent très nettement que l’intégration de la désalinisation dans ce projet limite le

facteur de conversion à des valeurs faibles. Par exemple, même avec un très fort rendement

de cultures de 7000 kg/(ha.an) et un besoin d’irrigation de 8000 m3/(ha.an) nous ne pouvons

espérer un « rendement biologique » supérieur à 0,25. Dans ces mêmes conditions, le

facteur de conversion dans le cadre d’un pompage d’eau douce (Approche n°2) est de 5,53

soit 22 fois plus important.

Elles montrent aussi l’importance du design hydraulique sur la réussite du projet.

Particulièrement pour la solution de pompage d’eau douce, dans les conditions d’une source

d’eau relativement proche, une perte de charge équivalente de 0,1 mCE/m (au lieu de 0,03

utilisé précédemment) ramène le facteur de conversion électrique de 2,45 à 1. Par analogie,

l’augmentation de la distance séparant la source d’eau des cultures sera tout autant influente

sur les résultats. Cela montre bien que le dimensionnement du réseau hydraulique devra




Septembre 2014

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être étudié de près afin de ne pas sous dimensionner les équipements d’irrigation et de ne

pas biaiser l’analyse énergétique. Une feuille de calcul de PdC a donc été mis à disposition

dans l’outil afin d’affiner l’étude le cas échéant.

5.2.6 Solutions optimums

Comme nous l’avons vu précédemment, il est possible de modifier la puissance du

générateur PV (entrée E1). Celle-ci aura une influence sur les résultats de répartition des flux

énergétiques et notamment la quantité d’énergie que devra fournir la « batterie biologique ».

Pour n’utiliser aucun autre moyen de stockage, il est donc nécessaire de connaitre la

puissance optimale du générateur PV permettant d’alimenter à la fois la ville et de générer

suffisamment d’excédents pour alimenter la batterie biologique. Selon les approches de

projet (1 ou 2) la restitution électrique de la batterie biologique varie significativement. Les

solutions optimums seront donc différentes suivant l’approche du projet abordée.

Ensuite, la taille de la batterie varie avec la puissance PV générée et donc la quantité

d’excédents à apporter. Cependant la quantité d’excédent varie aussi avec la puissance du

générateur PV : l’obtention de ces valeurs optimums fait donc appel à des références

circulaires. Une méthode empirique a été codée et est schématisée en annexe n°6.

Dans le cas de la désalinisation et des hypothèses émises, une puissance PV de 4 863 kWc

est nécessaire pour alimenter à la fois la ville et la batterie biologique. Dans le cas du

pompage d’eau douce, seule une puissance de 596 kWc est à installer. Ceci souligne encore

les besoins importants des installations de désalinisation et les difficultés à les combiner

avec l’agriculture.

Ces solutions optimums doivent être considérées avec précaution et ne sont pas

nécessairement les solutions idéales d’un tel projet. En effet, avec les 900 kWc (>596 kWc)

installés dans notre étude de cas, il y a plus d’excédents qu’il n’en faut pour alimenter la

batterie biologique (à eau douce) et ceux-ci pourront être valorisés en stockage d’eau,

revente d’électricité au réseau ou autres demandes électriques ponctuelles. Nous pouvons

donc diminuer (par rapport aux solutions optimums) la puissance de l’installation PV ce qui

diminuera la taille des cultures énergétiques (moins d’eau d’irrigation disponible) qui devront

être couplées à un autre générateur pour assurer les besoins énergétiques nocturnes de la

ville.

Devant le nombre de paramètres influant sur l’efficacité du projet et sa rentabilité il est

compliqué d’en extraire la ou les conditions idéales de réussite. Elles s’obtiennent par la

science des compromis car la plupart des paramètres déterminants sont liés aux conditions

pédoclimatiques qui ne sont pas maitrisables. La solution intégrant la désalinisation est

cependant à écarter au vu des situations économiques et énergétiques nécessaires à sa

réussite. Dans le cadre de l’étude de cas précédente, le projet peut être rentable si les

conditions suivantes sont réunies :

- Source d’eau douce proche et en quantité suffisante. L’utilisation de l’eau ne doit

pas susciter de stress hydrique de la part des populations locales.

- Système d’irrigation aux gouttes à gouttes.

- Sol assez fertile permettant un rendement correct de culture.

- Disponibilité de terre cultivable importante

- Précipitation de l’ordre de 250mm minimum




Septembre 2014

45

De plus, il est important de prendre en considération les limites de l’étude qui vont

maintenant être présentées.

5.2.7 Limites de l’étude

Les études de préfaisabilité, par leur définition, comportent des incertitudes et le nombre

d’hypothèses émises sera proportionnel à la quantité d’inconnues englobant le projet. Lors

de cette mission, les inconnues étant importantes il a fallu alimenter l’outil de nombreuses

hypothèses et ceci présente à la fois ses limites et ses avantages. En effet toutes les

hypothèses et valeurs conseillées peuvent être discutées, néanmoins elles peuvent aussi

être modifiées et affinées. Plus le projet présente d’incertitudes et plus l’outil a dû être conçu

de manière flexible afin de s’adapter aux maximums de contextes. Les limites inhérentes aux

hypothèses de l’outil vont de pair avec sa flexibilité.

Parmi ces limites nous pouvons citer les pressions requises aux terminaux d’irrigation qui

n’ont pas été prises en compte. Celles-ci peuvent être importantes en fonction du type de

technologie utilisée. Dans le cas des résultats affichés dans la partie précédente cette

composante n’a pas été traitée. Même si l’irrigation aux gouttes à gouttes ne requiert pas de

pressions d’aspersion importantes, il serait intéressant d’ajouter aux pertes de charges cette

pression (environ 1 bar aux terminaux) pour être encore plus réaliste. L’agencement des

plants sur la surface agricole ainsi que le cheminement des conduits d’irrigation deviennent

alors de nouveaux paramètres à estimer.

Ensuite, la vision temporelle du projet n’a pas été présentée. Le stock de biocarburants

saura-t-il être suffisant pour suppléer les EnR toute l’année ? L’étude ne donne pas de

réponse à cette question. Pour la connaitre, les récoltes détaillées de Jatropha doivent être

modélisées sur l’année ce qui ne peut être qu’une estimation grossière de la réalité, à cause

du caractère aléatoire des conditions climatiques et agricoles. C’est pour cela que l’étude

présente des résultats globaux sur l’année.

Par ailleurs, il est précisé dans l’outil que la valorisation du tourteau peut être d’une autre

nature que la fertilisation. En effet, une production de biogaz et d’électricité est possible à

partir de cette ressource et permettrait d’augmenter les indices de performances du projet.

D’autant que les études réalisées par Kerkhof (19) ont démontré la possibilité de développer

un générateur hybride huile de Jatropha-biogaz. Même si cette solution est intéressante, la

production de biogaz apporte de nouvelles incertitudes à la modélisation. Au vu de la

littérature, la méthanisation du tourteau de Jatropha doit être envisagée au cours d’un projet

et permettra d’en améliorer sa rentabilité.

Ensuite l’analyse financière ne peut être exhaustive et prévoir toutes les dépenses d’un tel

projet. L’approvisionnement du matériel est un exemple de poste de dépense qui dépendra

directement du lieu d’implantation et ne peut être intégré aux résultats proposés dans ce

rapport. De plus, les prévisions de coûts des installations s’appuient sur des devis de

constructeurs dont la liste n’est pas complète. On ne peut prévoir la promotion proposée par

un fournisseur intéressé par le projet et dans certains cas les prévisions financières peuvent

s’avérer pessimistes ou optimistes. Enfin, le poste présentant le plus d’incertitudes est

certainement celui des frais d’exploitation. Le caractère aléatoire de la qualité de main

d’œuvre, et du matériel rend difficile l’étude rigoureuse de l’aspect financier. Cependant

l’outil rappelle que pour éviter des coûts non maitrisés, la simplicité des technologies est une

vertu permettant d’éviter l’abandon net du projet pour cause de pannes et/ou de réparations.

Ceci est d’autant plus vrai dans les pays en voie de développement.




Septembre 2014

46

Néanmoins, malgré ces limites, nous avons obtenu avec cet outil une idée précise des

montants à mettre en œuvre et de la possible rentabilité du projet. De plus sa flexibilité

permet à Valorem de tester les conditions de réussites du projet dans le cas d’une

opportunité foncière qui lui serait offerte.

6 Conclusions

La combinaison entre cultures énergétiques et énergie renouvelables solaire et/ou éolienne

ne peut finalement être acceptable d’un point de vue technologique et financier que sous

certaines conditions. Les cultures énergétiques à rendement suffisant et surtout constant

impliquent une irrigation considérable entrainant elle-même des conditions de réussite

drastiques qui sont néanmoins possibles à rassembler.

En effet il ne suffit pas d’obtenir une terre de type désertique et une plante très résistante

comme le Jatropha pour développer un projet viable. Son rendement de culture et sa

pérennité (définissant directement la réussite du projet) sont liés à la qualité des sols et des

apports hydriques naturels et/ou artificiels.

A ceci s’ajoute la disponibilité des ressources nécessaires aux cultures : la terre et l’eau. La

production électrique ramenée par hectare étant faible, les surfaces cultivables mises en jeu

risquent d’être considérables pour pouvoir alimenter une ville africaine. Une discussion

portant sur les ressources terrestres sera primordiale car l’acceptation et l’implication de la

population locale sont des piliers de la réussite du projet. Ensuite, si l’on écarte la solution de

désalinisation, un approvisionnement conséquent d’eau douce doit être mis en place et le

lieu de pompage relativement proche des cultures. La construction de puits peut être

envisagée si les ressources de la nappe phréatique le permettent et va de pair avec

l’acceptation locale. Dans ce cas, le développement d’un projet économiquement viable et

écologiquement raisonnable est alors possible.

La désalinisation, elle, ne peut être considérée comme une solution adaptée à un projet

impliquant l’agriculture, même pour de l’agriculture à but énergétique. Son coût très onéreux

et sa consommation énergétique ne permettent pas de rendre possible l’idée pourtant

prometteuse d’utiliser cette très grande ressource hydrique qu’est l’eau de mer. Cependant

la désalinisation pour la production d’eau potable est aujourd’hui en pleine croissance et

l’étude a permis de quantifier les besoins électriques non négligeables de ces installations.

Même si ces infrastructures ne semblent pas adaptées au projet de la présente mission, il

sera très intéressant de chercher une adaptation de ces technologies à une production

électrique solaire ou éolienne tant pour Valorem que pour les fournisseurs d’osmoseurs.

Au final, l’étude a permis d’éclairer de nombreux points agronomiques dont Valorem avait

besoin, notamment sur la plante de Jatropha Curcas et l’irrigation des cultures énergétiques.

Les technologies de désalinisation sont maintenant bien connues par l’entreprise et les

rencontres de fournisseurs faites au cours de l’étude pourront conduire à des synergies très

intéressantes. Enfin l’analyse technico-économique a été réalisée et s’est matérialisée sous

forme d’outil permettant de s’adapter à un large panel d’implantation.




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Table des tableaux

Tableau 1 Valeurs agronomiques caractérisant une culture de Jatropha. ______________________________ 16

Tableau 2 Composition N P K du tourteau de Jatropha _____________________________________________ 22

Tableau 3 Caractéristiques de l'huile de Jatropha (21) (18) __________________________________________ 23

Tableau 4 Hypothèses agronomiques et technologiques du projet ____________________________________ 26

Tableau 5 Hypothèses financières de l'outil ______________________________________________________ 31

Tableau 6 Indicateurs de sortie de l'outil ________________________________________________________ 35

Tableau 7 Exemple de calcul de CGA ramené à la production électrique _______________________________ 38

Tableau 8 Résultats de l'étude de cas (demande/production) ________________________________________ 39

Tableau 9 Indicateurs de sortie de l'étude du cas (Approche n°1 : Désalinisation) ________________________ 40

Tableau 10 Indicateurs de sortie de l'étude de cas (Approche n°2) : Pompage d'eau douce)________________ 40

Table des figures

Figure 1 Schéma de principe du projet ___________________________________________________________ 6

Figure 3 Catégories de Biocarburants ____________________________________________________________ 9

Figure 4 Fruits, plants et graines de Jatropha Curcas _______________________________________________ 11

Figure 5 Paramètres influant les besoins d'irrigation _______________________________________________ 14

Figure 6 Interface du logiciel CropWat 8.0 _______________________________________________________ 15

Figure 7 Désalinisateur à Osmose Inverse SLCE ___________________________________________________ 17

Figure 8 Principe osmose inverse ______________________________________________________________ 18

Figure 9 Schéma de principe d'une installation de désalinisation _____________________________________ 19

Figure 10 Schéma de principe presse à vis _______________________________________________________ 21

Figure 11 Presse manuelle de Bielenberg ________________________________________________________ 21

Figure 12 Influence de la température sur la viscosité de l'huile de Jatropha ____________________________ 23

Figure 12 Principes de fonctionnement de l'outil d'analyse. Approche 1&2 _____________________________ 24

Figure 14 Exemple de comparaison Production / Demande _________________________________________ 25

Table des annexes

Annexe 1 : Schéma récapitulatif du projet Annexe 2 : CropWat 8.0

Annexe 3 : Données de productibles solaires / Consommation ville Mongo

Annexe 4 : Hypothèses financières Annexe 5 : Etude de sensibilité des hypothèses de l’outil Annexe 6 : Méthodologie de l’outil afin d’obtenir les solutions optimums Annexe 7 : Notice de l’outil

Présentation de l’entreprise

Historique

C’est en 1994 que l’aventure Valorem commença. Jean Yves Grandidier crée l’entreprise qui se positionne dans un premier temps comme bureau d’étude spécialisé dans la maitrise de l’énergie et dans les énergies d’avenir telles que l’éolien, le bois-énergie, la micro-hydraulique et le photovoltaïque.

Consciente, bien avant la majorité des entreprises Françaises, du gigantesque potentiel que représentent les énergies nouvelles et poussée par une éthique très prononcée, la société décide rapidement de cibler ses objectifs autour du développement du grand éolien.

Durant plusieurs années, l’entreprise multiplie les partenariats stratégiques avec de grands groupes industriels (par exemple des électriciens allemands tels RWE ou EON) ou financiers et constitue progressivement un portefeuille de projets éoliens de plusieurs centaines de mégawatts lui appartenant à 100%.

L’activité de Valorem se voit modifiée en 2007 lorsque la société devient productrice d’énergies vertes en construisant et en exploitant les premiers projets de son patrimoine. Valorem a fait une première levée de fond de 6,3 M€ suivie d’une deuxième de 16.5 M€ en 2008. Valorem est ainsi devenu en 2010 le premier producteur d’énergies vertes indépendant de France.

A partir de 2008, Valorem s’ouvre également à l’international en développant plusieurs projets éoliens ou photovoltaïques au sol, dans d’autres pays européens (Roumanie, Bulgarie, Ukraine) mais aussi en Afrique avec des projets au Tchad, Mauritanie et Maroc.

Un producteur indépendant

Valorem est un des derniers producteurs d’énergies renouvelables encore

indépendant. Rester indépendant, c’est avant tout s’assurer que Valorem se développe en

adéquation avec les valeurs qui ont toujours été les siennes.

Valorem investit dans la R&D, construit des projets responsables et ancrés dans les

territoires. L’entreprise agit en concertation avec tous, afin de décentraliser et d’optimiser la

production énergétique non polluante.

Son indépendance a eu comme conséquence une forte croissance de ses effectifs et de ses

nouveaux projets. Valorem est communément perçu comme le plus grand des plus petits

producteurs d’énergies renouvelables.

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