FORCE MOTRICE ANIMALE

L'utilisation de la motricité animale présente un double avantage par rapport à la motricité humaine. Premièrement, la puissance des animaux de trait est 5 à 10 fois supérieure à celle des êtres humains, ainsi le pompage sera plus rapide et le débit sera aussi plus fort, ce rend l'irrigation plus performante et plus productive. Deuxièmement, comme l'opérateur n'aurait plus à faire fonctionner le dispositif élévateur d'eau, il serait en mesure d'améliorer la gestion de la distribution d'eau à la parcelle. D'autre part la force motrice d'un animal équivaut généralement à celle de plusieurs personnes, et son coût est d'une manière générale plus faible.

Le cheptel d'animaux de trait dont disposent les pays en développement compte environ 200 millions de têtes [29] dont la puissance totale est d'environ 75 millions de kw, et qui représente un capital de l'ordre de 20 milliards de $ EU. La plupart de ces animaux sont utilisés en Asie du Sud et du Sud-Est dont 80 millions sur le seul territoire de l'Inde. Tout programme de mécanisation visant à remplacer ces animaux devrait avoir bien entendu une grande ampleur. Toutefois, l'amélioration du rendement d'utilisation des animaux de trait offre davantage des chances immédiates.

L'irrigation à motricité animale utilise exclusivement des techniques traditionnelles d'élévation d'eau, antérieures à l'ère industrielle. Depuis le début du siècle, certaines innovations ont été introduites sur les dispositifs à force motrice animale. Cependant on constate qu'aucun effort n'a été déployé afin d'introduire des techniques d'élévation d'eau à motricité animale là où elles ne sont pas traditionnelles, bien que tout porte à croire qu'elles pourraient parfaitement remplacer la force motrice humaine pour l'irrigation dans toutes les régions du monde où elles sont encore absentes. Au contraire, la tendance était soit d'effectuer un bond qualitatif dans le sens d'une mécanisation complète en utilisant moteurs thermiques ou électriques, soit de s'attacher purement et simplement à l'amélioration de la force motrice humaine. Une exception intéressante à signaler c'est le "Water Buffalo Project" entrepris en Thaïlande qui consistait à promouvoir l'utilisation des buffles pour la mise en marche des roues à sabots (Roue Persane).

Le principal inconvénient de la force motrice animale vient de la nécessité de prendre en charge les animaux 365 jours par an pour s'en servir uniquement durant la période d'irrigation qui est d'environ 100 jours ou, au maximum, 200 jours par an. Les régions où le niveau de la nappe est peu profond ou superficiel et qui se prête bien à l'utilisation de la force motrice animale pour l'irrigation, se caractérisent généralement par une forte densité démographique et par un manque de terres. Comme les animaux de trait consomment d'énormes quantités de fourrage, une proportion importante des terres disponibles devrait donc être affectée exclusivement à l'alimentation des animaux de trait. Par conséquent, il serait particulièrement difficile de justifier leur utilisation dans le seul but du pompage. Or, d'une manière générale, ces animaux sont aussi affectés à d'autres tâches, telles que le transport, le labourage, et aux tâches qui suivent la moisson, comme le battage ou le broyage. Donc, en réalité ces animaux sont utilisés sur une période beaucoup plus longue que celle de l'irrigation. Aux Indes, et dans la plupart des pays où les techniques d'élévation de l'eau à force motrice animale sont largement adoptées, les mêmes animaux servent normalement aux tâches de transport et de labourage des terres. Ils sont souvent nourris des rejets agricoles, à moins qu'on ne les laisse brouter sur des terrains laissés en jachère au cours d'une rotation culturale.

Les animaux servent par ailleurs à d'autres fins. Ils constituent une forme non monétaire de sécurité financière importante dans l'économie du village. En effet dans la plupart des pays régions ils sont la source de plusieurs produits dérivés tels que le cuir, la viande, le lait et, bien sûr, dans le sous-continent indien en particulier, du fumier qui est couramment utilisé comme combustible de cuisine. Ainsi, la mécanisation des pompes d'irrigation et Je remplacement des animaux de trait pourrait ne pas être la meilleure solution.

Force motrice des différentes espèces animales

Le diagramme de la figure 91 indique les valeurs approximatives des hauteurs d'élévation de l'eau pour différents types d'animaux. Le rendement adopté, l'énergie fournie par l'animal et l'énergie de pompage effectivement utilisée, est de 60%, valeur caractéristique des dispositifs de pompage les plus performants. Le tableau 13, tiré de [1] [30] [24] ainsi que d'autres sources, indique les puissances pouvant être fournies par les différents animaux de trait couramment employés.

Les animaux de trait ont évidemment besoin du repos exactement comme les êtres humains. Par conséquent, il est d'usage de les faire travailler par quarts de trois heures, séparés par du repos. Il est possible de les faire travailler dix à douze heures par jour s'il le faut.

Dans le cadre d'une étude couvrant les principaux chevaux de trait utilisés aux Etats-Unis à la fin du siècle dernier, Hood [31] a préconisé l'utilisation d'un mécanisme efficace d'attelage des chevaux aux dispositifs élévateurs d'eau. Il a signalé à cet effet qu'un ensemble de deux chevaux attelé à un bon dispositif d'élévation d'eau peut normalement élever 270 m³ d'eau par jour pour une hauteur d'eau de 4,6 m. Il a fait également état de plusieurs essais réalisés à cette époque à Madras (Inde) (essais réalisés avec des boeufs), à titre de démonstration pour les agriculteurs américains. Le rendement de l'un des dispositifs utilisé connu sous le nom d'élévateur Stoney a été de l'ordre de 80% c'est le rendement mécanique propre (animal-eau). Il s'agit en fait d'une version améliorée de la Mohte traditionnelle à deux godets équilibrés (voir figure 93). Des essais réalisés avec un seul boeuf de race Nellore ont indiqué que l'on peut élever 9-11,25 m³/h à 6,7 - 7,0 m. Malgré le bon rendement instantané de ce dispositif élévateur à deux godets, les essais ont montré que les animaux ne fournissaient un travail effectivement utile que pendant 60% uniquement de la durée totale des essais. Ainsi le taux d'utilisation de la puissance disponible n'atteint pas le niveau théoriquement réalisable. La bonne gestion d'un dispositif élévateur d'eau à force motrice animale a donc manifestement une incidence majeure sur la productivité journalière.

Un autre aspect important souligné par Hood c'est que les animaux de trait travaillent toujours à leur meilleur régime lorsqu'ils sont soumis à une charge constante du même ordre ou égale à leur pouvoir de traction. Mais pour de courtes durées un cheval peut, par exemple, accroître son effort de traction du tiers, c'est-à-dire tripler sensiblement la force qu'il peut exercer en régime permanent. Il faut par conséquent mettre en place des dispositifs capables de protéger l'animal contre toute variation cyclique de la charge, comme celle qui se produit dans le cas d'une pompe fonctionnant avec une manivelle (revoir les indications concernant les variations périodiques du couple à appliquer à une pompe à piston, données à la section Pompes volumétriques alternatives, Chapitre 3).

FIGURE 91
Nombre de boeufs nécessaires pour déplacer un volume d'eau donné à des différentes hauteurs d'élévation. Les courbes ont été obtenues en supposant qu'un boeuf est capable de fournir 350 watts pendant 5 heures par jour, et que le rendement du dispositif élévateur d'eau est de 60%

TABLEAU 13
Puissance et force de traction des différents animaux

Alimentation du bétail

Birch et Rydzewski [30] ont indiqué qu'une vache au Bangladesh peut se nourrir uniquement de fourrage et des rejets agricoles, (bien que ce dernier coûte 0,30 $ EU/jour (1980). Cette ration correspond au rejet d'une terre agricole à rotation biannuelle d'une superficie de 0,77 ha. Or, compte tenu de la pénurie générale, de terres et des sous-produits de fourrage au Bangladesh, il est de moins en moins coutumier d'utiliser des animaux de trait pour la mise en marche des dispositifs élévateurs d'eau dans ce pays.

Les mêmes auteurs ont effectué une étude analogue en Egypte. Ils ont trouvé qu'il faut un hectare de terres pour produire la quantité de rejet agricole nécessaire pour subvenir aux besoins alimentaires d'un animal, la valeur de cette ration alimentaire quotidienne s'élève à 0,50 $EU.

Attelage des animaux de trait aux dispositifs élévateurs d'eau

L'utilisation des animaux de trait pour l'élévation de l'eau a été effectuée pour la première fois avec le dispositif élévateur appelé Mohte (figures 22 et 92). Dans ce cas particulier, les i animaux descendent en ligne droite un trajet en pente en partant du puits ou de la source d'eau, soulevant ainsi l'eau contenue dans un sac ou dans un récipient. Les modèles traditionnels de Mohte ont été équipés de sacs en cuir. Mais au cours de ces dernières années des matériaux plus durables, notamment la chambre à air d'un pneu en caoutchouc ont été utilisés, (dans certain cas des barils d'huile).

La Mohte est un dispositif de fabrication simple. La structure comporte un simple cadre destiné à l'installation de la poulie, la seule pièce mécanique. Toutefois, cette pièce mécanique essentielle est plus complexe que les poulies ordinaires. En effet, comme elle est soumise à une charge supérieure aux poulies normales elle requiert une fabrication plus soignée [24]. Le rendement instantané de la mohte est élevé quand l'animal (ou les animaux) travaillent en traction. Cependant, l'inconvénient majeur de ce dispositif c'est la course de retour des animaux en remontant la pente lors de la descendre du godet dans le puits. Dans certains cas, deux pairs d'animaux sont attelés au dispositif de sorte que lorsqu'un groupe descend l'autre remonte la pente. Dans ce cas la présence d'un opérateur est indispensable aux deux bouts de la rampe afin d'atteler et de dételer les animaux à la fin de chaque cycle. L'utilisation de deux attelages servis généralement par deux opérateurs et d'un jeune garçon permet de doubler pratiquement le rendement du dispositif (Molenaar, [1]). Cependant, même dans ce dernier cas il est inévitable qu'il y ait un arrêt de travail pendant l'attelage et le dételage des animaux.

Pendant la course descendante la composante du poids de l'animal suivant la ligne de pente sert à compenser le poids du récipient plein d'eau. De plus cette disposition a également pour effet de rendre constante la charge subie par l'animal pendant la plus grande partie de la course descendante le long de la pente, depuis l'instant où le récipient s'éloigne plan d'eau jusqu'au moment de son déversement.

FIGURE 92
Section transversale d'une mohte (d'après Schioler [24])

FIGURE 93
Mohte circulaire à deux seaux à fonds munis d'un clapet

La Mohte circulaire qui est une version améliorée de la Mohte, est parfois utilisée dans certaines régions de l'Inde et (très rarement) au Sri Lanka (figure 93). Dans ce dispositif les animaux sont montés sur une flèche tournant autour de l'axe du puits. Les animaux effectuent donc un mouvement circulaire sans interruption sans surveillance s'il le faut. Comme le mouvement circulaire des animaux s'effectue sur un terrain plat, il n'est plus possible de compenser la charge due au poids du godet plein d'eau par la composante du poids des animaux suivant la pente (qui est nulle dans ce cas). Pour cela ce dispositif est muni de deux godets, de sorte que le godet vide descende pendant que le godet plein monte. Cette disposition permet au moins d'équilibrer les poids des godets vides, de cette façon seul le poids de l'eau serait la force à vaincre. Le problème majeur vient du caractère cyclique de la charge appliquée à la flèche. En effet, l'effort de traction exercé par la chaîne sur la flèche ne sera pas perçu par les animaux lorsque la chaîne et la flèche sont en parallèle, et il sera maximum lorsque la chaîne et la flèche sont perpendiculaires. Les animaux auront donc à supporter une charge variable fatigante. En outre, les différentes poulies et les piliers de soutien doivent être robustes et bien ancrés pour pouvoir supporter les contraintes en présence.

La roue de Perse à Sabots (figures 23, 94 et 95) constitue une version très perfectionnée de la Mohte. En effet sa chaîne de godets exerce une force pratiquement constante sur l'arbre moteur solidaire de la roue. Les roues de Perse sont généralement actionnées par une double transmission à angle droit, tel qu'indiqué aux figures 94 et 95. Dans le premier modèle qui est le plus courant, l'arbre moteur de la roue secondaire de transmission est enterré sous le sol sur lequel les animaux font leur course circulaire. Dans ce cas l'axe de la roue de Perse pourrait être fixé aussi bas que possible afin de réduire la hauteur d'élévation de l'eau. Le deuxième exemple présenté est un mécanisme traditionnel d'une roue de Perse en bois, dans lequel les animaux passent sous l'arbre horizontal. La charge subie par la roue de Perse et pratiquement constante, par suite l'animal peut établir un rythme de travail régulier et sans difficulté, sans exiger une surveillance importante.

En Egypte, la sakia (voir section Roues à écopes, Tympan à développeante ou sakia, Roue à Tympan ou tablia, Chapitre 3, et figure 26) est couramment employée pour de faibles hauteurs d'élévation au lieu de la roue de Perse. Elle est mue de la même façon, par l'intermédiaire d'un balayeur. La charge subie par l'animal est constante, mais son rendement n'est acceptable que pour des hauteurs d'élévation très faibles.

La deuxième phase dans le perfectionnement de ce genre de dispositifs était l'industrialisation des flèches pour les faire en fonte ou en acier, et l'utilisation d'un train d'engrenage spécifiquement conçu.

La figure 96 représente une mule attelée à un dispositif de ce genre entraînant une pompe à chaîne et à disques ou rondelles (pompe à chapelet ou patenôtre). Ce modèle est trop populaire en Chine où des millions de pompes Libération, à force motrice animale pour la . plupart, sont en service, et ils constituent une étape intermédiaire entre les pompes à force motrice humaine et la mécanisation complète. La pompe Libération comporte un mécanisme actionné par un balayeur d'une élégante simplicité, en fonte d'acier (voir figures 53 et 84). Comme il est indiqué en détail à la section Pompes à chapelet ou patenôtre, Chapitre 3, le rendement de la pompe Libération peut atteindre 70% pour les dispositifs du type représenté ci-dessus à force motrice animale. Etant très compact, il peut facilement être installé dans un forage de faible diamètre ou ouverture.

FIGURE 94
Roue à sabots (persane) actionnée par des boeufs - version classique à chaîne et à godet-couramment utilisée dans plusieurs pays du monde, en particulier en Asie du nord-est et du sud-est

FIGURE 95
Roue à sabots (persane) à mécanisme d'entraînement surélevé actionné par un chameau (d'après Schioler [24])

FIGURE 96
Pompe; Libération chinoise à force motrice animale. Une version actionnée à la main est représentée à la figure 53 et une version mécanisée à la figure 84

Une autre alternative, qu'on pourrait à la rigueur considérer comme une innovation c'est l'utilisation d'un vieil essieu arrière de voiture. Celui-ci est scellé dans un pilier en béton pour réaliser une transmission à angle droit d'un balayeur mû par un animal de trait. La figure 97 en donne un exemple, elle représente un âne attelé à une vis d'Archimède (voir également section Pompes à vis d'Archimède et pompes à broche hélicoïdale à ciel ouvert, Chapitre 3, et figure 48). Toutefois, dans l'exemple cité, l'adaptation n'est pas toujours assurée d'une manière satisfaisante d'après Schioler [24]. C'est un dispositif compact dont le rendement est potentiellement élevé. En effet, la vis d'Archimède exerce sur l'animal une charge parfaitement constante. Bien entendu, il serait également possible d'adapter le même mécanisme à fabrication artisanale à partir de l'essieu arrière de voiture à une sakia, à une roue de Perse, ou à une pompe à chaîne et rondelles (disques).

La mise au point au Danemark d'un prototype industriel d'une pompe à membrane à double effet à motricité animale constitue un nouveau développement dans ce domaine. L'intérêt de ce prototype c'est de comporter un balayeur directement fixé à la pompe qui fonctionne comme une pompe aspirante. Par conséquent, il suffit d'enterrer uniquement les canalisations d'amenée d'eau, plutôt que l'arbre de transmission. Ainsi la pompe peut être installée à une distance pouvant atteindre 80 m de la source d'eau, ce qui pourrait être dans certains cas intéressant. La pompe à balayeur "Bunger" est censée élever un débit de 100 m³ par jour avec deux animaux de trait.

FIGURE 97
Essieu arrière d'un véhicule utilisé comme un mécanisme de transmission pour une pompe à vis d'Archimède à motricité animale (voir également figure 48)

Bien qu'un système actionné au moyen d'une flèche résout le problème de l'inversion du mouvement des animaux dans le cas d'une Mohte, par contre leur inconvénient c'est de contraindre l'animal à suivre en permanence une trajectoire circulaire. Par suite, malgré la constance de la charge, l'effort de traction est limité à 80% de l'effort qui aurait pu être obtenu si l'animal suivait une trajectoire rectiligne, Hood [31]. Ainsi, le mécanisme transmettant une charge constante à l'animal suivant une trajectoire rectiligne, serait donc préférable. Le dispositif le plus simple de ce genre c'est la roue à marches. En quelque sorte le principe de fonctionnement est similaire à celui d'une Mohte. L'animal fait du surplace à l'intérieur d'une roue de grandes dimensions, au lieu de monter et de descendre le long d'une pente. Ce principe a été perfectionné à la fin du XIXème siècle en Europe et aux Etats-Unis, par la mise au point de la roue à palettes à force motrice animale, par exemple, un cheval attelé à une courroie sans fin inclinée l'entraînant par ses pieds. L'inconvénient de ces systèmes transportant l'animal vient du fait que le mécanisme doit non seulement transmettre la force de traction maximale de l'animal, mais en outre il doit pouvoir supporter la totalité du poids de l'animal. Il faut par conséquent qu'il soit de massif et robuste, ce qui est forcément coûteux. Ceci constitue un exemple typique où la recherche de l'efficacité du fonctionnement maximum réduit la marge de bénéfice, et ça serait par conséquent en quelque sorte du gaspillage.

MOTEURS A COMBUSTION INTERNE

Dans les régions où il n'y a pas encore une alimentation en énergie électrique, la source principale d'énergie dans la gamme de 5-500 CV est le moteur à combustion interne sous ses deux types, le moteur à essence à allumage par étincelle, et le moteur diesel à allumage par compression.

L'utilisation à grande échelle du moteur à combustion interne s'explique essentiellement par son rapport puissance/poids élevé, par sa compacité, et son démarrage instantané. Ce qui a permis son utilisation systématique dans les moteurs d'automobile en particulier, et généralement dans les machines isolées et des petites barques. La fabrication en série et la diminution du prix de l'essence (jusqu'en 1973) ont permis l'utilisation des petits moteurs conçus sur le même modèle des moteurs d'automobiles, et qui sont devenus le meilleur choix tant qu'au prix d'achat qu'à l'exploitation. Depuis les chocs pétroliers de 1973 et de 1979, la tendance à la baisse du prix du pétrole s'est généralement inversée, malgré la baisse transitoire des prix du pétrole au milieu des années 80, et qui a duré quelques années. Toutefois, malgré la nouvelle baisse du prix brut (en dollars EU), on observe encore une pénurie de carburants pétroliers dans plusieurs pays en voie développement, ces derniers n'étant pas en mesure d'importer des quantités suffisantes de pétrole. D'une manière presque générale, les pénuries les plus graves frappent essentiellement les zones rurales. Autrement dit, justement là où les exploitants ont besoin de l'énergie pour l'irrigation par pompage. Cette pénurie de carburant réelle ou potentielle est à l'origine de l'intérêt réel accordé aux autres solutions de remplacement qui seront revues par la suite à la fin de ce chapitre. La grande souplesse des moteurs à combustion interne rend très inutile tout effort d'innovation à entreprendre par ailleurs.

Différents types de moteurs à combustion interne

Cette publication n'a nullement pour objet de décrire en détail tous les aspects techniques des moteurs. On en trouve dans la plupart des manuels de référence parus sur ce thème. D'autre part les constructeurs et les concessionnaires fournissent normalement tous les détails nécessaires sous la forme de brochures commerciales. Toutefois, lorsqu'on compare les différents types de moteurs qui existent, on voit tout de suite la grande diversité de moteurs disponibles, même pour une certaine gamme de puissance déterminée.

Moteurs diesel et moteur à essence/kérosène

Les deux principales catégories de moteurs envisagées sont les moteurs à combustion interne ou les moteurs diesel et les moteurs à allumage par étincelle ou les moteurs à essence, à kérosène ou à gaz de pétrole liquéfié. Le GPL ou gaz de pétrole liquéfié fourni en bouteilles est généralement du propane ou du butane. L'allumage du carburant des moteurs à combustion interne est produit par réchauffement d'une masse d'air comprimée subitement. Un nuage de fines gouttelettes de carburant est pulvérisé à très haute pression dans le cylindre par la buse de l'injecteur, juste au moment où la température devient suffisamment élevée pour provoquer l'allumage. D'autre part, dans les moteurs à allumage par étincelle, le carburant vaporisé est mélangé avec l'air. Le mélange obtenu est ensuite comprimé et l'allumage est réalisé au moment voulu par l'étincelle électrique d'une bougie d'allumage installée dans le cylindre. Les moteurs diesel doivent donc être plus lourds et de construction plus robuste pour pouvoir supporter les pressions élevées nécessaires pour l'allumage par compression. Ils doivent en outre comporter une pompe de dosage et d'injection à haute pression pour injecter la quantité voulue du carburant au moment approprié. Bien que ces pompes soient fabriquées en série, les pompes à injection et les injecteurs de moteurs diesel sont fabriqués dans des limites de tolérance d'usinage très strictes, ils sont par conséquent des pièces coûteuses. Leur fonctionnement exige en outre l'utilisation de combustible propre et un entretien vigilant pour qu'il soit fiable.

Les moteurs à essence et à kérosène sont certainement plus légers, plus compacts et généralement meilleur marché que les moteurs diesel. Bien que les moteurs diesel soient intrinsèquement plus coûteux à l'achat, cet inconvénient est compensé par un rendement meilleur, une plus grande fiabilité et longévité. Leur maintien en bon état de fonctionnement est néanmoins plus difficile. Les raisons principales de leur meilleur rendement sont:

• premièrement, le taux de compression élevé qui permet au moteur diesel de "respirer plus profondément", c'est-à-dire d'aspirer un volume d'air plus important par course du piston par rapport au volume de la chambre de combustion;
• deuxièmement, l'injection du carburant permet l'utilisation d'emblée d'un mélange air-carburant plus pauvre que le moteur équivalent à allumage par étincelle. Il est en effet impossible de concevoir un moteur à allumage par étincelle fonctionnant à un taux de compression aussi élevé. Il en résulterait alors un allumage prématuré du mélange air-carburant, provoquant un cognement ou un cliquetis. Un autre avantage moins bien connu du moteur diesel, c'est que le pouvoir calorifique du carburant diesel dépasse de 18% celui de l'essence (principalement à cause de sa plus forte densité). Le tableau 14 indique le pouvoir calorifique des trois principaux carburants à base de pétrole. Le carburant étant généralement vendu au litre ou bien dans une unité de mesure équivalente (par exemple en gallons) et non au poids ou au pouvoir calorifique, la valeur énergétique d'un litre de carburant diesel serait donc supérieure de 18% à la valeur énergétique d'un litre d'essence.

Le moteur diesel est donc généralement meilleur en tant que source d'alimentation en énergie, tant au niveau de son rendement qu'au niveau de sa fiabilité. En cas d'utilisation pour le pompage, le choix entre le moteur à essence ou bien diesel dépend essentiellement de l'importance du pompage. Le moteur à essence ou à kérosène est essentiellement indiqué si l'on veut avoir un petit système léger et portatif, fonctionnant 1 à 2 heures par jour, à entretien facile, et enfin lorsque le budget du projet est très limité - c'est-à-dire si l'agriculteur dispose seulement d un montant très réduit à investir.

TABLEAU 14
Comparaison des différents carburants pétroliers pour lesmoteurs

Le moteur à kérosène est tout à fait semblable au moteur à essence. Par suite, le démarrage et réchauffement de la plupart des moteurs à kérosène sont faits avec de l'essence, car le kérosène ne s'évapore pas parfaitement dans un moteur froid. Pour cela, la plupart des moteurs à kérosène comportent un compartiment distinct à l'intérieur du réservoir de carburant pour disposer d'une petite réserve d'essence et d'un robinet pour le passage d'un carburant à l'autre, c.-à-d. au kérosène une fois le moteur chaud. D'autre part il est important de repasser à l'alimentation en essence juste avant l'arrêt de sorte que la cuve à flotteur du carburateur soit remplie d'essence pour le prochain démarrage. Certains agriculteurs démarrent les moteurs à kérosène en versant tout simplement l'essence dans la bouche d'entrée d'air. Cette pratique est complètement à déconseiller puisqu'elle peut occasionner un incendie. L'intérêt que présente ce genre de moteurs vient du fait que le kérosène est normalement subventionné ou bien complètement détaxé pour l'agriculture, et que d'autre part, du fait que son pouvoir énergétique dépasse de 10% celui de l'essence. Normalement la taxe imposée à l'essence dans la plupart des pays est trop élevée puisqu'il est en premier lieu un carburant pour les voiture automobiles. Par suite les frais de carburant dans le cas du kérosène sont donc généralement bien inférieurs à ceux de l'essence. De plus, le stockage en grande quantité du kérosène est bien moins dangereux que le stockage de l'essence car il est nettement moins inflammable. Le kérosène est aussi utilisé pour l'éclairage et la cuisine dans la plupart des ménages ruraux, ce qui rend le kérosène un carburant à usage multiple.

TABLEAU 15
Comparaison des petits moteurs à combustion interne

Le tableau 15 présente une comparaison des caractéristiques générales des trois principaux types de moteurs à combustion interne. On y voit que les moteurs diesel sont subdivisés en deux grandes catégories, à faibles et à grandes vitesses. Les premiers ont des vitesses de rotation de 450 à 1200 tr/min. et ils sont à puissance nominale égale généralement plus lourds et plus coûteux que ceux de la deuxième catégorie dont la vitesse de rotation varie de 1200 à 2500 tr/min. Les moteurs diesel à faible vitesse ont plutôt une durée de vie plus longue. De plus ils s'adaptent mieux à un fonctionnement ininterrompu, ou à de longues périodes d'utilisation, cependant leur coût d'achat initial est plus élevé.

Relation entre dimensions, vitesse et dura bitité

Tous les moteurs à combustion interne sont caractérisés généralement à puissance égale par un prix d'achat initial (lié dans une certaine mesure au poids) d'autant plus faible, une durée de vie utile d'autant plus courte, qu'ils sont de petites dimensions et plus légers. Cela tient au fait que le fonctionnement d'un moteur à grande vitesse est caractérisé normalement par un important rapport puissance/ poids. Plus la vitesse de rotation est élevée, et plus sa consommation en mélange air/carburant est forte, plus la quantité d'énergie d'alimentation serait importante. D'autre part, un moteur à vitesse de rotation plus élevé s'use plus rapidement pour la simple raison que la développée de la distance parcourue par ses pièces en mouvement et en contact est plus longue au cours d'un certain nombre d'heures de fonctionnement donné. Il faut donc trouver un compromis entre choisir des moteurs lourds, coûteux et à faible vitesse ou bien des moteurs rapides et moins chers pour une même puissance nominale. Par conséquent, les moteurs légers et de petites dimensions sont plutôt indiqués lorsque le choix de l'installation est dominé par des contraintes de portabilité du moteur et par le capital limité au départ. Dans la plupart des cas, et en particulier lorsque l'installation fixe est caractérisée par de longues heures de fonctionnement continu par jour, il est plutôt conseillé d'installer un moteur suffisamment lourd, à vitesse de rotation faible, si l'on veut garantir une bonne fiabilité et une longueur durée de vie. En règle générale, les moteurs légers à allumage par étincelle sont plutôt utilisés dans les installations de moins de 500 heures de fonctionnement par saison.

Réduction de la charge

Si le moteur fonctionne d'une manière continue à la puissance nominale, l'usure prématurée va se produire. Tous les moteurs doivent par conséquent être utilisés à une puissance plus faible que la puissance nominale indiquée par le constructeur qui doit être considérée comme la puissance maximale susceptible d'être fournie par le moteur pour de courtes périodes. La puissance d'utilisation des petits moteurs est normalement 70 à 80% de leur puissance nominale. En fonctionnement continu, un moteur de 5 kw de puissance nominale ne devrait délivrer plus de 3.5 à 4. O kw.

La réduction de la puissance d'utilisation d'un moteur vise essentiellement à éviter une usure prématurée, mais aussi à obtenir le rendement optimal qui correspond dans la plupart des cas à une vitesse de rotation de 70-80% de la vitesse de rotation à la puissance maximale. Par conséquent, la réduction de puissance nominale d'un moteur aurait pour effet de réduire sa consommation propre en carburant c'est-à-dire la quantité de carburant nécessaire par unité de puissance fournie.

La puissance nominale doit être aussi réduite lorsque la pompe est installée à haute altitude ou bien lorsqu'elle travaille dans un climat chaud. Les catalogues des constructeurs indiquent les corrections à faire à cet égard. Typiquement, une réduction supplémentaire de 10% est recommandée par tranche de 1000 m d'altitude par rapport aux caractéristiques au niveau de la mer, et une autre réduction 1 % par tranche de 5 ' de température au-dessus de la température ambiante de 16° mesurée à la tubulure d'entrée d'air du moteur. Par suite, à 2000 m d'altitude et pour une température ambiante de 26°C, la puissance nominale d'un moteur devrait être corrigée par le facteur de 0,8 (en règle générale) multiplié par un autre facteur de 0,8 pour tenir compte de l'altitude et de 0,98 pour la correction due à l'augmentation de la température, soit d'un facteur global de 0,63. La charge à appliquer au moteur doit être donc 63% de sa puissance nominale initiale. Pour une charge de 2000 W il faudrait donc un moteur dont la puissance nominale serait de 2000/0,63 soit 3,2 kw (4,3 CV) dans ces conditions de fonctionnement.

Cependant, il faut éviter la réduction excessive de la puissance nominale en particulier avec les moteurs diesel, car le fonctionnement du moteur dans ces conditions provoque la cokéfaction du cylindre. De plus, le rendement sera plus faible que dans les conditions normales de fonctionnement.

Moteurs à quatre temps ou à deux temps

Les moteurs à allumage par étincelle ainsi que les moteurs à allumage par compression peuvent être conçus de façon que l'allumage intervient un tour sur deux (moteurs à quatre temps) ou bien une fois par tour (moteur à deux temps). Le moteur à allumage par étincelle à quatre temps est généralement d'un rendement supérieur. En effet, le tour sans allumage laisse assez de temps pour l'introduction du carburant frais, et il permet en outre l'évacuation du gaz résultant de l'allumage précédent. Dans les moteurs à allumage par étincelle à deux temps, l'évacuation des gaz est moins bonne que pour les moteurs à quatre temps. Cependant le rendement des moteurs diesel à deux temps n'est pas affecté de la même manière, mais la gamme des puissances qu'ils couvrent est généralement celle des puissances fortes, par suite ils ne sont d'aucun intérêt pour l'irrigation à petite échelle. Le moteur à deux temps à allumage par étincelle est généralement léger, comportant normalement moins de pièces qu'un moteur à quatre temps, et il est moins cher. Les moteurs de mobylette sont un exemple type des moteurs à deux temps. Cependant ils ne sont pas aussi utilisés pour l'irrigation que les moteurs à quatre temps, à cause de leur consommation élevée en carburant, et puisqu'ils s'usent plus rapidement. La plupart des moteurs à deux temps à allumage par étincelle mettent à profit la course descendante du piston pour l'introduction du mélange air/carburant dans le cylindre. Il est alors impossible de lubrifier le moteur par une alimentation séparée d'huile, par suite le lubrifiant est mélangé avec l'essence (mélange deux temps). Cette disposition ne requiert donc pas un circuit de vidange. Mais d'un autre coté, il y aurait un gaspillage de lubrifiant, évacuation du gaz d'échappement en fumée, et d'autre part ces moteurs nécessitent la décokéfication fréquente du cylindre (décarbonisation de la culasse). D'autre part ils peuvent s'abîmer si un opérateur novice omet de mélanger de l'huile au carburant dans des proportions adéquates ou il utiliserait une qualité d'huile inadéquate. Pour ces raisons, les moteurs à deux temps à allumage par étincelle ont tendance à disparaître et à être remplacés par les moteurs à quatre temps.

Refroidissement par air ou par eau

Près du tiers de la chaleur produite par la combustion du carburant est obligatoirement évacuée dans les parois du cylindre et dans la culasse. Deux méthodes sont généralement utilisées à cet effet pour empêcher la surchauffe des cylindres. Elles consistent soit à entourer le cylindre d'une chemise comportant un circuit de circulation d'eau interne et d'un radiateur distinct, soit à fixer un grand nombre d'ailettes de refroidissement à la surface des cylindres (afin d'augmenter sa surface efficace) et à souffler de l'air à l'aide d'un ventilateur installé à une certaine distance du moteur. Quelques petits moteurs anciens à faible vitesse et de faible puissance sont munis d'une chemise d'eau, ouverte à la partie supérieure et dont la température peut être maintenue suffisamment basse du fait de l'absorption de la chaleur par l'eau jusqu'à l'ébullition. Le niveau d'eau doit être rétabli de temps à autre. Toutefois, la plupart des moteurs modernes à refroidissement liquide sont munis d'une pompe assurant la circulation du liquide de refroidissement, de la même manière que pour les moteurs automobiles.

Chacune de ces méthodes de refroidissement a ses avantages et ses inconvénients. Les moteurs refroidis à l'eau sont d'une manière générale légèrement plus silencieux, et leur température peut être plus facilement régulée que les moteurs à refroidissement par air en utilisant un thermostat. Toutefois, les moteurs à refroidissement à l'eau sont sujets à la corrosion interne, aux fuites d'eau à l'évaporation ou au gel de l'eau. Ce dernier problème peut être évité grâce à l'utilisation d'un antigel (glycol éthylène) mélangé à l'eau de refroidissement en hiver. La plupart des produits antigel contiennent également des inhibiteurs de corrosion, et ils pourraient donc être utiles même dans des conditions climatiques normales. Une fuite de l'agent de refroidissement pourrait constituer un grave danger si le moteur reste en marche. Plusieurs dispositifs de protection sont mis point afin de signaler un échauffement excessif (dû à une perte d'agent de refroidissement ou pour toutes autres raisons), même de couper automatiquement l'arrivée de carburant et d'arrêter le moteur. Les moteurs à refroidissement par air ne sont pas sujets aux fuites de l'agent de refroidissement. Cependant il faut toujours veiller à ce que les ailettes de refroidissement ne soient pas recouvertes de poussières ou de saletés, et que le ventilateur (quand il est monté) soit propre et fonctionne correctement.

FIGURE 98
Moteur diesel monocylindre à faible vitesse, à volant extérieur

FIGURE 99
Moteur diesel Lister à trois cylindres à entraînement par courroie, accouplé à une pompe centrifuge, par l'intermédiaire de courroies multiples en V

Les cylindres

Les moteurs les plus petits comportent normalement un cylindre monté verticalement au-dessus du vilebrequin afin de faciliter l'accès aux principaux organes du moteur et de faciliter en outre l'installation d'une vidange d'huile juste au point de purge du cylindre. Il est nécessaire de prévoir un grand volant pour régulariser la puissance fournie par un moteur à cylindre unique car les vibrations excessives peuvent créer des problèmes de résonance et de fatigue des pièces, et de desserrage des écrous et des boulons. Les moteurs diesel monocylindres à faible vitesse doivent être munis de volants particulièrement lourds puisqu'ils sont équipés de pistons et de bielles particulièrement lourdes à fonctionnement lent. Les modèles traditionnels sont dits à volant ouvert (figure 98) ou à volant extérieur. Tandis que les moteurs diesel plus récents à grande vitesse sont normalement munis d'un volant incorporé sous le châssis du moteur (voir figure 99).

Les moteurs des dimensions plus importantes sont généralement à plusieurs cylindres. Les moteurs à deux cylindres fournissent une puissance plus régulière, puisque leur allumage se produit à tour de rôle et que les cylindres s'équilibrent mutuellement. Par suite les moteurs à plusieurs cylindres ont un fonctionnement plus régulier et ils sont plus silencieux que les autres types de moteurs de même puissance mais à un nombre plus réduit de cylindres. D'autre part il est clair que plus le nombre des cylindres est élevé, plus les éléments du moteur sont nombreux. Par suite, un moteur multi-cylindre serait plus coûteux et plus complexe à réparer et à entretenir.

Caractéristiques spéciales et accessoires

La plupart des petits dispositifs de pompage sont munis d'un démarreur à manivelle ou d'un démarreur à cordon de traction (à recul). Le premier système est le plus souvent utilisé sur les petits moteurs diesel, tandis que le second est le plus utilisé avec les petits moteurs à essence. Les moteurs diesel sont souvent munis d'une soupape de décompression destinée à faciliter le démarrage. La réouverture partielle d'une soupape permet d'avoir une légère détente lorsque le piston remonte pendant la course de compression, ce qui facilite l'entraînement manuel du moteur jusqu'à une certaine vitesse à laquelle la soupape de décompression se ferme brusquement, et que d'autre part l'inertie du volant soit à même d'entraîner le mécanisme, et de provoquer l'allumage et le démarrage du moteur. Les gros moteurs sont pour la plupart équipés d'un système de commande électrique auxiliaire et d'une batterie alimentant un démarreur électrique. Pour les moteurs à allumage par étincelle il faut en général disposer d'une batterie pour assurer l'allumage, mais pour les très petits moteurs l'allumage peut être fait à l'aide d'une bobine (magnéto) qui produit et règle l'étincelle d'allumage en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Les moteurs équipés d'un système électrique ou ceux accouplés à des génératrices sont parfois munis de plusieurs types d'équipements électroniques de contrôle destinés à signaler ou à éviter les dommages qui pourraient se produire suite à un échauffement excessif, ou à une perte de lubrifiant, etc. Malgré leur complexité, une bonne partie des dispositifs ci-dessus ne sont pas trop coûteux et constituent donc un bon investissement.

Le filtre à air, en particulier dans les régions à vent poussiéreux, est un accessoire vital mais souvent négligé. Il s'agit normalement soit d'un filtre à éléments en papier amovibles comme ceux de la plupart des voitures, qui sont périodiquement remplacés chaque fois qu'ils sont encrassés ou déchirés, soit d'un filtre à bain d'huile. La dernière solution est nettement plus chère, mais elle est d'une efficacité et d'une commodité nettement supérieures pour l'usage agricole, puisqu'à la limite on peut même utiliser de l'huile de vidange d'un moteur. Un filtre à air usé ou en mauvais état de fonctionnement pourrait considérablement réduire la durée de vie d'un moteur. Cette situation n'est pas perçue par les agriculteurs dans la plupart des cas, à en juger par le nombre de moteurs que l'on voit tourner sans aucun filtre à air.

Installation

Les moteurs les plus petits sont généralement montés sur patins ou à l'intérieur d'une petite cage et ne requièrent pas par conséquent des travaux importants d'installation mis à part le raccordement de leur pompe au réseau de transport d'eau. Par contre pour les engins plus importants, et pour certains moteurs diesel, il y a lieu de les installer proprement, soit sur une dalle en béton, soit sur un chariot ou un châssis approprié. La plupart des fabricants donnent des spécifications détaillées, quand il est nécessaire, des fondations de toute installation de pompage entraîné par un moteur. Ces spécifications doivent être strictement observées.

Dans la plupart des cas il s'avère nécessaire d'enfermer le moteur dans un petit local à verrouillage, pour des raisons de sécurité. Il est néanmoins essentiel que le local en question soit bien aéré et que les gaz d'échappement soient convenablement évacués vers l'extérieur. Cela vise non seulement à éviter les risques graves d'intoxication par les gaz d'échappement, mais aussi bien tout échauffement excessif du moteur. Egalement, les moteurs accouplés directement aux pompes centrifuges doivent parfois être installés dans un regard ou un puisard aussi près que possible du plan d'eau pour éviter les hauteurs d'aspiration excessives. Il faut observer des normes de montage très strictes pour ce genre d'installations, de façon à éliminer les risques d'intoxication par les émanations des d'échappement ou bien les vapeurs d'huile. L'oxyde carbone des gaz d'échappement des moteurs à allumage par étincelle peut provoquer fréquemment, et provoque effectivement, des accidents mortels. Il faut d'autre part, veiller à ce que le niveau d'eau ne monte jusqu'au point de noyer le moteur.

Rendement des systèmes de pompage actionnés par des moteurs

Il s'agit là d'un sujet controversé, et les publications disponibles ne donnent guère de données fiables quant aux performances effectivement obtenues sur le terrain. Quelques essais ont été effectués sur des installations "types" de pompage d'irrigation. Certains ont donné contre toute attente des rendements trop faibles. Par exemple, Jansen [32] reportant des essais réalisés au Sri Lanka sur trois petits groupes de pompage actionnés par des moteurs à kérosène, d'une puissance d'environ 2 à 3 CV, il fait état de rendements globaux compris entre 0,75 et 3,5%, bien que les rendements du groupe motopompe (sans canalisation) aient été compris entre 2,6 et 8,8%. Or, les pertes de charge excessives de frottement dans les canalisations sont à l'origine du rendement modique du système. Malheureusement, ce genre de pertes est couramment rencontré dans des installations.

Dans la plupart des cas, les raisons essentielles de la baisse du rendement peuvent être facilement éliminées et à faible coût, pourvu que l'on admette leur existence. Malheureusement il est toujours courant de laisser fonctionner une installation de pompage loin de son rendement optimal sans même s'en rendre compte. En effet, la perte de puissance pourrait facilement être compensée en laissant fonctionner le moteur beaucoup plus qu'il n'est en réalité nécessaire.

Le diagramme de la figure 100 indique les principaux éléments d'une installation de pompage équipé d'un moteur d'entraînement, et les rendements pouvant être obtenus pour chacun d'eux. Nous allons donner quelques détails à propos de chaque élément afin d'expliquer les raisons pour lesquelles les rendements d'ensemble des systèmes sont parfois si mauvais, et comment y remédier.

Premièrement, le gaspillage et le coulage du carburant peuvent atteindre dans certains cas une proportion allant de 0 à 10%. Autrement dit, seulement 90 à 100% du carburant acheté est réellement utilisé (voir diagramme). Le gaspillage peut être lié non seulement aux opérations de transport, mais aussi à un défaut d'étanchéité des installations de stockage ou très fréquemment à des fuites soit au niveau de la canalisation d'alimentation, soit au niveau de raccords. Plus précisément la présence sur le sol au-dessous des canalisations haute pression d'un moteur diesel de taches de carburant bien marquées devrait être pris comme un indice révélateur d'un problème dans le circuit du fuel. Compte tenu de la hausse constante du prix du carburant, le coulage devient de plus en plus un problème sérieux. En effet, le prix d'un Baril standard de 200 litres de carburant qui est généralement d'environ 50 à 100 $EU, représente une petite fortune dans un certain nombre de pays en voie développement.

La plupart des manuels de base de thermodynamique montrent que le rendement des moteurs à allumage par étincelle est généralement d'environ 25 à 30%, tandis que celui des moteurs diesel est d'environ 30 à 40%. Egalement, les essais au dynamomètre entrepris par les constructeurs, sur des moteurs en fonctionnement optimal au banc d'essai (généralement sans la plupart de leurs accessoires) confirment ces valeurs. Toutefois, les valeurs indiquées sont trop optimistes par rapport aux résultats obtenus en pratique. L'écart entre la théorie et la réalité est particulièrement important dans le cas des petits moteurs dont le rendement propre est inférieur à celui des moteurs de taille plus importante. De plus, les valeurs citées dans les manuels ne sont en réalité valables que pour des moteurs parfaitement réglés, d'une puissance nominale supérieure à 5 à 10 kw. Les petits modèles de moteurs à deux temps, et ceux à allumage par étincelle à quatre temps sont de qualité différente d'un moteur à l'autre. Très souvent d'ailleurs le rendement ne dépasse guère 10% pour des puissances nominales voisines de 1 kw. Les moteurs diesel les plus petits (de 1,5 à 2 kw) ont un rendement propre supérieur à 20%. Mais les éléments auxiliaires tels que la pompe d'injection, le ventilateur de refroidissement et la pompe à eau entraînent des pertes d'énergie et ramènent le rendement de transformation du carburant en puissance utile à l'arbre à une valeur d'environ 15% au maximum (pour les moteurs les plus petits). En effet, la puissance absorbée par les auxiliaires est proportionnellement plus importante pour les petits moteurs, ce qui explique cette forte baisse de rendement. D'autre part, les moteurs perdent les caractéristiques d'origine après un certain temps. Donc après cette période initiale l'usure et le mauvais réglage conduisent à réduire davantage leur rendement. Par conséquent, compte tenu de la taille, le type et la qualité, ainsi que l'âge et la qualité de l'entretien des moteurs, le rendement n'est jamais supérieur à 35% à l'état le plus favorable et à 10% à l'état le plus défavorable.

FIGURE 100
Principaux éléments d'une installation de pompage à moteur et les rendements correspondants

Une autre source de perte d'énergie et de la chute du rendement est liée au mécanisme de transmission mécanique entre le moteur et la pompe. Dans certains cas le moteur est directement accouplé à la pompe et les pertes de transmission sont alors négligeables. Mais dès qu'un changement notable de vitesse est nécessaire, par exemple lors du recours à un réducteur de vitesse ou à une boîte d'engrenages pour le fonctionnement d'une pompe de forage à mouvement alternatif, alors le rendement de la transmission mécanique peut chuter à 60%, très particulièrement pour les petites installations de pompage de moins de 5 kw de puissance où les pertes au niveau du train d'engrenage sont relativement importantes par rapport à la puissance totale utile produite.

Comme indiqué dans la section précédente, le type le plus courant d'une pompe d'irrigation entraînée par un petit moteur est la pompe centrifuge à entraînement direct ou à entraînement par courroie, et fonctionnant généralement en pompe aspirante (figures 72 et 99). Pourvu que la pompe soit correctement mise au point pour fonctionner au voisinage des valeurs optimales de hauteur d'eau et de vitesse de rotation, son rendement peut facilement dépasser 60% et dans certains cas atteindre 80% pour les pompes les plus importantes. Toutefois, plusieurs facteurs négatifs interviennent, et en pratique ces valeurs ne sont jamais atteintes. Par exemple un rotor inadéquat, l'usure du rotor, les fuites par retour d'eau, et le fonctionnement à des débits et hauteurs d'eau loin des valeurs optimales pour une vitesse donnée, sont dans tous les cas d'un effet préjudiciable et ils pourraient séparément ou conjointement, baisser le rendement à 25% ou même à une valeur plus faible. Par suite, pour une installation de pompage bien conçue, les rendements sont donc d'environ 40 à 80% (mais jamais plus), mais pouvant par contre facilement chuter à des valeurs plus faibles.

Le bon choix de la conduite de refoulement et son incidence sur le rendement du système ne sont jamais appréciés à leurs justes valeurs. Les groupes de pompage peuvent refouler des débits très élevés à des hauteurs d'eau faibles, dans ces cas les pertes par frottements dans la conduite de refoulement pourraient accroître considérablement la charge totale de pompage, en particulier dans le cas de longues canalisations de refoulement et pour de faibles hauteurs de pompage. Dans ces conditions, la charge totale peut dépasser le double ou le triple de la charge statique, ce qui augmente dans les mêmes proportions la consommation du carburant. Le diagramme de la figure 4 nous donne un ordre de grandeur. Considérons par exemple un petit moteur à essence portatif débitant 360 litres par minute, soit 6 1/s sous une charge de 5 m (puissance hydraulique fournie: 600 W). La perte de charge due au frottement par tranche de 100 m de canalisation de refoulement pour ce débit et à cette hauteur d'eau, serait comme suit :

Les rendements correspondants pour des longueurs différentes de la conduite de refoulement et avec les diamètres ci-dessus seront :

FIGURE 101
Incidence de l'accroissement de la hauteur d'aspiration sur l'efficacité d'un groupe motopompe classique

II est parfaitement clair que pour les faibles hauteurs de pompage, la charge totale peut être de plusieurs fois supérieures à la hauteur d'eau statique, ce qui ramène les rendements des canalisations à des valeurs de l'ordre de 20% pour une conduite de 100 m de long et de 5 cm de diamètre. Autrement dit, la hauteur de pompage serait égale à cinq fois la hauteur d'eau statique, et cette installation consomme cinq fois plus de carburant qu'une installation dont le rendement de canalisations est de 100%. Cette situation est moins critique pour des hauteurs d'eau statiques plus élevées, car elle est fonction du rapport de la charge due aux pertes par frottement à la charge statique. Par exemple, pour une hauteur statique de 20 m, la perte de charge due au frottement serait aussi de 20 m, bien que cette perte de charge soit importante, le rendement des canalisations serait de 50% au lieu de 20%. Les agriculteurs commettent toujours l'erreur d'utiliser des canalisations de très petits diamètres, sous prétexte d'économie. Alors que l'investissement requis pour à l'acquisition de tuyaux de diamètres plus importants est souvent rapidement amorti au bout de quelques mois et non en quelques années, car les pertes de charge seront moindres. De plus, dans certains cas les pompes dont la sortie de refoulement est de 5 cm devraient être en pratique raccordées à une canalisation de 8 cm, chaque fois que celle-ci est d'une longueur relativement importante. Or, les utilisateurs mal informés sur la bonne gestion de l'irrigation adoptent des diamètres des canalisations de refoulement qui correspondent parfaitement à la sortie de refoulement de la pompe, ce qui constitue une source majeure de chute du rendement. Incidemment, les diamètres des canalisations sont indiqués en pouces parce que cette unité de mesure est d'un usage courant, même dans les pays qui adoptent le système métrique.

La courbe de la figure 101 met en relief la réduction des performances des pompes aspirantes centrifuges suite à une augmentation de la hauteur d'aspiration. Ceci est essentiellement dû à la cavitation surtout lorsque la hauteur d'aspiration constitue une proportion importante de la hauteur d'eau ou la charge totale. Le courbe montre que pour une hauteur d'eau totale de 10 m, et une hauteur d'aspiration de 6 m le débit fourni est de 20% inférieur à celui qui correspond à une hauteur d'aspiration de 3 m. Cette diminution du débit étant observée à puissance utile égale, il s'ensuit que le rendement de la première installation est donc inférieur de 20% à celui de la seconde uniquement du fait des pertes dues à l'augmentation de la hauteur d'aspiration. Le fonctionnement des pompes à des hauteurs d'aspiration excessives pourrait entraîner une forte hausse des dépenses du carburant, sans oublier les problèmes classiques d'amorçage difficile qui peuvent se poser.

Les pertes dans les canalisations qu'elles soient dues au frottement ou bien à la hauteur excessive de l'aspiration vont donc se traduire par une augmentation de la charge totale et par la réduction du débit fourni, ce qui fait que le rendement des canalisations serait d'environ 30 à 95% tel que le montre la figure 100.

Les rendements qu'on vient de discuter correspondent au fonctionnement en régime permanent, i.e. l'installation est en marche et l'eau délivrée est en totalité utilisée pour l'irrigation. Inévitablement le système doit également fonctionner en dehors du régime permanent. En effet, au démarrage, le débit pompé est en quelque sorte perdu jusqu'à ce que l'agriculteur soit à même de le canaliser à sa destination au champ, d'où une autre source de gaspillage d'eau. Egalement, la conduite de l'eau pour l'amener d'un point à un autre du champ est elle aussi une autre source de gaspillage. Il existe donc un facteur de rendement lié à la technique de distribution d'eau et à l'aptitude de l'exploitant à réduire les pertes et à utiliser autant que possible la totalité de l'eau pompée durant le fonctionnement . En effet une gestion relativement médiocre pourrait résulter en une perte de 20% par rapport à une gestion idéale, et une autre gestion réellement défectueuse pourrait avoir des conséquences nettement plus graves. Pour cela ce facteur de rendement est pris entre 80 à 100% pour les besoins du diagramme de la figure 100.

En prenant en compte tous les facteurs les plus défavorables déjà définis, on aboutit à un rendement global minimum de 0,5% (figure 100), cette valeur a été confirmée notamment par Jansen [32] et d'autres. Tandis que dans les conditions les plus favorables, le rendement obtenu à partir du diagramme de la figure 100 serait de 27%. Or, la valeur la plus favorable est en réalité une valeur théorique ne pouvant être atteinte qu'avec l'utilisation d'un moteur diesel puissant (supérieure à 5 kw) entraînant une pompe fonctionnant avec une charge totale de 10 à 20 m (ou davantage), c.-à-d. des puissances et des hauteurs d'eau notablement supérieures aux valeurs habituellement observées dans la plupart des installations d'irrigation. En réalité, la plupart des petites installations d'irrigation par pompage à moteur ont des rendements globaux d'environ 5 à 15%. Les rendements des gros moteurs diesel fonctionnant à des hauteurs d'eau importantes sont plutôt du coté de la limite supérieure de cette gamme, et les rendements des petits moteurs à kérosène ou à essence fonctionnant aux faibles hauteurs d'eau se situeraient du côté de la limite inférieure (ou même plus bas). L'utilisateur devrait sans doute s'estimer heureux s'il obtient un rendement de 10 à 15% avec une installation munie d'un petit moteur diesel, et de 5 à 10% s'il s'agit d'un moteur à essence ou à kérosène. Il serait sans doute important de noter que le lecteur à tout intérêt de contrôler le rendement réel de l'installation de pompage dont il est en charge, et ce en comparant la consommation de carburant à l'énergie hydraulique utile, de sorte qu'en cas de différences notables il prendrait immédiatement les mesures qui s'imposent pour identifier les causes et à y remédier.

MOTEURS A COMBUSTION EXTERNE

La différence entre les moteurs à combustion interne et ceux à combustion externe est que le carburant est brûlé à l'intérieur du cylindre moteur pour les premiers, tandis que pour les seconds, le carburant est utilisé pour réchauffer le gaz ou la vapeur à travers les parois d'une chambre extérieure. Le gaz ou la sapeur réchauffée est ensuite introduite à l'intérieur du cylindre. Les moteurs à combustion externe sont donc équipés d'un échangeur de chaleur ou d'une chaudière pour l'emmagasinage de la chaleur. D'autre part, comme les carburants utilisés sont brûlés à l'extérieur dans des conditions stables, ces moteurs peuvent en principe fonctionner avec n'importe quel carburant pouvant être brûlé, notamment des résidus ou des déchets agricoles.

On distingue deux grandes catégories de moteurs à combustion externes, les machines à vapeur qui utilisent l'énergie fournie par la détente de la vapeur d'eau (ou le cas échéant toute autre vapeur), et d'autre part, les moteurs Stirling qui utilisent l'énergie emmagasinée par l'air chaud (ou tout autre type de gaz chaud). Ces deux systèmes ont connu un grand essor dans les années 1900, mais depuis cette date, ils ont été progressivement remplacés par d'autres types plus modernes et plus efficaces. Néanmoins, ils méritent un certain intérêt ne serait-ce que du point de vue historique. En effet:

• ils ont été avant utilisés avec succès et à grande échelle pour le pompag
• les deux catégories fonctionnent correctement avec des combustibles bon marché, tel que le charbon, la tourbe et les combustibles tirés de la biomasse;
• ils font actuellement l'objet de travaux de recherches visant à les moderniser afin de les réintroduire dans les installations de pompage.

Il y a donc de fortes chances qu'ils refassent surface avec l'introduction de nouveaux modèles qui seraient viables à plus long terme.

Le principal inconvénient des moteurs à combustion externe tire son origine du problème de la transmission de la chaleur à l'intérieur du cylindre moteur et également son évacuation à la fin du cycle. Or la transmission de la chaleur exige un échangeur de chaleur de surface importante. Par conséquent, les moteurs à combustion externe sont généralement encombrants et d'un coût plus élevé que celui des moteurs à combustion interne. De plus, comme ils ne sont plus fabriqués en série depuis une longue date ils ne sont pas avantagés, comme pour les moteurs, à combustion, mterae, par l'économie d'échelle des moteurs fabriqués en chaîne. D'autre part, leur démarrage n'est pas aussi rapide ou aussi facile que les moteurs à combustion interne. En effet, il faut un certain temps pour allumer le foyer et porter la machine à sa température de fonctionnement.

Du fait des valeurs relativement faibles des rapports puissance/poids et énergie/poids des carburants solides, l'emploi des machines à vapeur ou des moteurs Stirling le plus approprié est celui des installations d'irrigation par pompage dans les régions où le prix des produits du pétrole est nettement supérieur au prix du carburant solide. Par contre, l'avantage des moteurs à combustion externe c'est qu'ils sont d'une durée de vie plus longue que les moteurs à combustion interne. Il est en effet relativement plus simple de maintenir en bon état de fonctionnement des locomotives à vapeur d'une centaine d'années d'age que les moteurs à combustion interne d'une vingtaine d'années. En outre, les moteurs à combustion externe sont notablement plus silencieux que les moteurs à combustion interne et ils ne produisent pas de vibrations. Le niveau de compétence requis pour effectuer les travaux d'entretien n'est pas trop poussé. Par contre, ces travaux sont longs en particulier à cause de la nécessité de nettoyer parfaitement de temps à autre le foyer.

Compte tenu des nouveaux développements technologiques, les nouvelles machines à vapeur ou les nouveaux moteurs Stirling vont pouvoir bénéficier du progrès technologique réalisé durant les soixante dernières années. Or, ces nouvelles machines perfectionnées ne sont pas encore fabriquées en série, mais des travaux de recherche et développement sont en cours dans différents pays afin de les moderniser. Toutefois, il faudra sans doute plusieurs années avant qu'une nouvelle génération de pompes à moteur Sterling ou des pompes à vapeur soient disponibles à grande échelle.

Machines à vapeur

A l'heure actuelle, il existe sur le marché un nombre très limité de petites machines à vapeur à usage industriel. Elles sont surtout utilisées pour la motorisation des petits bateaux de plaisance. Dans les années 1950 les usines Ricardos au Royaume Uni ont déployé de sérieux efforts pour la mise au point d'une machine à vapeur de 2 kw destinée à servir dans les régions lointaines (voir figure 157). Mais cet essai probablement prématuré n'a pas eu de succès. Cependant on constate actuellement un regain d'intérêt pour la mise à profit de sources d'énergie à base de la biomasse (comme nous le verrons de façon plus détaillée à la section 4.10). Néanmoins, les petites machines à vapeur sont toujours pénalisées par la nécessité de répondre à des exigences de sécurité très rigoureuses pour éviter les accidents d'explosion des chaudières. En effet la plupart des pays ont mis en vigueur des règlements imposant la certification des chaudières. Cette mesure est en fait nécessaire, mais d'un autre côté elle constitue un obstacle considérable au développement de ce type de machine.

Le schéma de la figure 102 illustre le principe de fonctionnement de la machine à vapeur. Le combustible brûle à l'intérieur d'un foyer et les gaz chauds passent généralement dans un serpentin immergé dans l'eau (chaudières à tubulure de chauffage). La vapeur est produite sous pression, généralement de 5 à 10 atmosphères (soit 5 à 10 bars).

L'installation est munie d'une soupape de sécurité pour l'échappement de la vapeur lorsque la pression devient trop élevée pour se protéger contre le risque d'explosion. La vapeur haute pression est admise dans le cylindre moteur par l'intermédiaire d'un volet d'admission. La détente de la vapeur exerce une poussée contre un piston mobile qui la transforme en travail. La soupape d'admission se referme à un moment donné, mais la détente de la vapeur se poursuit normalement jusqu'à ce que sa pression soit voisine de la pression atmosphérique. La soupape d'échappement s'ouvre pour la sortie de la vapeur à basse température, à pression normale pour laisser la place à une nouvelle admission de la vapeur haute pression. Les soupapes sont munies d'un dispositif de commande qui assure automatiquement leur ouverture et fermeture au moment voulu. L'opérateur peut modifier le régime et la puissance du moteur en réglant la durée d'ouverture de la soupape d'admission. Dans les moteurs les plus simples, la vapeur est évacuée à l'air libre. Mais ceci constitue en fait un gaspillage de l'énergie. En effet, le refroidissement et la condensation de la vapeur d'échappement pourraient faire chuter la pression à celle du vide partiel permettant ainsi d'accroître l'énergie fournie pour la même quantité de vapeur, ce qui améliore notablement le rendement. En l'absence de condenseur, comme c'est le cas pour les locomotives à vapeur de chemin de fer, le jet des vapeurs d'échappement sert à créer un fort appel d'air dans la chambre de combustion, de façon à entraîner les gaz chauds vers le haut, le long de la cheminée qui est obligatoirement courte. Par contre, les machines à vapeur à condensation doivent être munies soit d'une cheminée suffisamment longue pour créer un appel d'air par convection naturelle, soit équipées de ventilateurs ou de soufflantes.

FIGURE 102
Schéma d'une machine à condensation

Les pompes à vapeur peuvent être facilement équipées d'un condenseur, puisque l'eau pompée pourrait être utilisée comme agent de refroidissement. D'après Mead [13] (notamment), le gain de rendement global résultant de l'utilisation d'un condenseur est d'environ 30% par unité de carburant consommée. La vapeur condensée est recueillie sous forme d'eau à la partie inférieure du condenseur, avant d'être mise sous pression suffisante et injectée de nouveau dans la chaudière par une petite pompe d'alimentation d'eau normalement indépendante du moteur. D'autre part, un autre avantage important d'une machine à condensation a pour origine le recyclage de l'eau qui atténue le problème de l'entartrage et de la corrosion que l'on rencontre normalement lorsqu'on utilise un débit continu d'eau constamment renouvelé. Il est normalement indispensable de disposer d'une alimentation en eau propre et déminéralisée pour les machines à vapeur sans condensation pour que la durée de vie de la machine à vapeur soit la plus longue possible.

Le rendement de la machine à vapeur la plus élémentaire est environ 5%, c'est le rapport de l'énergie emmagasinée par la vapeur à l'énergie mécanique disponible sur l'arbre. D'autre part en tenant compte du rendement du foyer de combustion et celui de la chaudière, le plus souvent de l'ordre de 30 à 60%, le rendement global de la machine motrice, serait l'ordre de 1,5 à 3%. Le rendement des machines à vapeur les plus perfectionnées est d'environ 10%, celui des machines les plus performantes est de 15% environ. En tenant compte des rendements de la chaudière et de la chambre de combustion (30-60%), de celui la pompe (40-80%) et des canalisations (40-90%), les rendements globaux obtenus pour les installations de pompage à mise en marche par les machines à vapeur s'échelonnent entre 0,5 et 4,5%. Ces rendements sont en effet légèrement inférieurs à ceux des petites installations de pompage actionnés par des moteurs à combustion interne à allumage par étincelle. Cependant ces installations peuvent fonctionner avec combustibles non pétroliers et leur longévité est plus importante.

Moteurs Stirling

Ce type de moteurs a été au départ conçu par le révérend Robert Stirling en 1816. Des dizaines de milliers de petits moteurs Stirling étaient en service à la fin du XIXème siècle et au début du XXème, principalement aux Etats-Unis, puis en Europe. Ils ont été utilisés pour la fourniture de l'énergie à petite échelle, notamment pour le pompage de l'eau. En Amérique du Nord, ils ont été particulièrement utiles dans la conquête de la "Nouvelle Frontière" qui à l'époque, souffrait des mêmes crises d'énergie qui sévissaient dans les pays en voie de développement.

L'électrification des régions rurales et l'utilisation à grande échelle des petits moteurs à essence pendant les années 1920 et les décades suivantes a eu pour résultat de supplanter le moteur Stirling. Cependant vue son adaptabilité à toutes sortes de carburants, sa robustesse et sa longévité, il reste toujours une option séduisante à réintroduire dans les régions isolées, et il est à noter que certains projets ont été d'ailleurs entrepris partant de ce principe. Plusieurs types de pompes à eau à moteur Stirling à action directe ont été mis au point depuis les années 1970 par Beale and Sunpower Inc. aux Etats-Unis. D'autre part, certains efforts de moindre importance pour la mise au point de nouveaux moteurs - par exemple ceux de IT Power au Royaume-Uni - se poursuivent actuellement bénéficiant de l'aide octroyée par l'agence allemande de développement GTZ.

Les moteurs Stirling mettent à profit les variations de pression produites par réchauffement et le refroidissement successifs d'une masse d'air (ou d'un autre gaz) contenu dans un récipient clos pour la production du travail. Le rendement d'un moteur Stirling est supérieur à celui du moteur à vapeur. D'autre part les risques d'explosion de la chaudière, et les problèmes d'entartrage propres à la machine à vapeur sont aussi éliminés. Une des caractéristiques importantes du moteur Stirling tient à sa souplesse particulièrement unique comme moteur thermique capable de fonctionner correctement (à bon rendement) aux faibles puissances (quelques dixièmes de C.V). Alors que dans les mêmes conditions, tant les moteurs à combustion interne que les machines à vapeur sont caractérisées par un rendement relativement mauvais. Cette caractéristique ouvre au moteur Stirling une grande porte pour leur utilisation dans les projets d'irrigation à petite échelle. Cependant, à l'heure actuelle, ils sont hors fabrication.

FIGURE 103
Moteur d'une pompe à air chaud Rider-Ericsson (cycle Stirling) vers 1900

Il n'est pas facile de présenter une description rigoureuse du cycle Sterling. Pour simplifier, un piston est utilisé pour faire passer l'air fermé, d'une chambre chaude à une chambre froide, à travers un régénérateur. Lorsque la plus grande partie de l'air emmagasiné se trouve du côté haute température du circuit fermé, la pression interne sera forte, et la détente interne du gaz aurait pour effet d'exercer une pression sur le piston moteur. Inversement, lorsque le piston chasse l'air du côté à basse température, la pression tombe et le piston moteur repart dans l'autre sens. Le transfert du gaz du côté chaud au côté froid se fait par l'intermédiaire d'un régénérateur de capacité thermique élevée et de grande superficie. De cette manière, l'air chaud sortant du cylindre moteur se refroidit progressivement lors de son passage à travers le régénérateur, en restituant sa chaleur dans ce processus. Ensuite, lorsque l'air froid revient dans le cylindre moteur, pour la deuxième course motrice, le régénérateur restitue la chaleur emmagasinée durant la phase précédente pour réchauffer l'air avant son entrée dans le cylindre moteur. Le régénérateur est sans doute un facteur essentiel pour le bon rendement d'un moteur Stirling. Il s'agit dans la plupart des cas d'une grille métallique où l'air peut circuler facilement [33] [34].

La figure 103 nous donne une idée du fonctionnement d'un petit moteur Stirling, en l'occurrence d'un moteur Rider-Ericsson des années 1900. Le cylindre contenant le piston fait irruption à son extrémité inférieure à l'intérieur d'un petit foyer. Lorsque le piston descend, il chasse l'air à travers le régénérateur vers la chambre aménagé à côté du cylindre moteur refroidi par l'eau, et la pression du système diminue. Ensuite lorsque le piston remonte en aspirant l'air de nouveau dans la zone chaude, la pression augmente poussant ainsi le piston moteur vers le haut pendant la course motrice. Le piston est actionné par l'arbre moteur avec déphasage de 90° par rapport au piston moteur. Les performances obtenues avec les moteurs de ce type donnent une idée de leur valeur intrinsèque. Par exemple, le moteur Rider-Ericsson d'un demi-cheval est capable d'élever un débit de 2,7 m³/h d'eau pour une hauteur de 20 m avec une vitesse de rotation de 140 tours/min (seulement) pour une consommation de 2 kg de coke par heure. Tout ce qu'il faut pour le maintenir en marche c'est d'entretenir le feu de temps à autre, tout comme s'il s'agissait d'un poêle domestique, et de verser une goutte d'huile sur les paliers à peu près toutes les heures.

ENERGIE ELECTRIQUE

Si l'on dispose d'un d'accès facile et sûr à une source d'alimentation en énergie électrique, aucune autre solution ne serait autant commode et rentable pour la mise en marche d'une pompe d'irrigation. Malheureusement, la majorité des agriculteurs des pays en développement n'ont pas accès au réseau électrique, de plus ceux qui ont cette chance se plaignent souvent de la fiabilité du réseau d'alimentation. Les problèmes de l'insuffisance de l'énergie électrique se posent particulièrement durant la saison d'irrigation. En effet, tous les agriculteurs mettent en marche généralement tous en même temps les installations de pompage pour l'irrigation dans une zone donnée, ce qui provoque la surcharge du réseau de distribution électrique rural souvent mal calculé, des chutes de tension excessives et même une coupure du courant électrique. Pour cela, la plupart des compagnies de production et de distribution de l'électricité font toujours face à des problèmes majeurs dans leurs efforts visant à promouvoir l'adoption de l'énergie électrique comme source principale de l'énergie pour le pompage d'irrigation dans les pays en voie développement. Ces problèmes sont d'autant plus graves si d'ores et déjà le réseau de distribution électrique est surchargé.

Le coût réel pour la mise en place d'un réseau électrique est très élevé, généralement de l'ordre de 5000 à 10 000 dollars par km de ligne (1986). La tendance actuelle dans certains pays en voie de développement est de subventionner la vente de l'électricité quelle que soit la tarification adoptée par la compagnie d'électricité, mais en fin de compte c'est la collectivité qui paie et l'on a tendance actuellement à supprimer ces subventions. C'est pourquoi, bien qu'un moteur électrique soit intrinsèquement de loin meilleur marché et particulièrement commode à l'usage en tant que machine motrice, il ne serait réellement avantageux que s'il alimente un réseau bien conçu. Normalement ce réseau est à fort capital d'investissement devant transporter l'énergie électrique nécessaire pour satisfaire correctement la demande afin de pour pouvoir assurer l'auto financement de l'exploitation du réseau à partir des recettes de vente de l'électricité.

Un autre problème spécifique des pays en voie développement qui veulent exécuter des projets de développement du réseau d'énergie électrique, c'est celui du manque de devises étrangères nécessaires à l'importation des équipements nécessaires. Cette part est d'environ 50 à 80% du coût total d'après Fluitman [35] (citant une source de la Banque Mondiale). La production de l'électricité dans les régions rurales des pays en voie développement est généralement assurée par des centrales au fuel (normalement des générateurs diesel) et cela constitue une charge supplémentaire à l'économie nationale. C'est ainsi que la fraction importante des importations pétrolières dans la plupart des pays en voie développement est consacrée à la production d'électricité. L'intérêt de l'électrification rurale comme projets de développement est donc mis en cause de plus en plus à l'heure actuelle (par ex. [35]). Nous n'avons cependant pas l'intention de traiter ici des implications au niveau des politiques de développement ou des répercussions macro-économiques de l'utilisation généralisée de l'électricité pour l'irrigation, mais plutôt de souligner qu'elle ne peut être considérée comme une solution universelle pour toutes les installations de pompage. D'ailleurs la plupart des pays n'auront pas, au moins dans l'immédiat, les moyens d'assurer la couverture complète de toutes leurs régions rurales en électricité. D'autre part, même au cas où cette option s'avère être possible avec les moyens disponibles, il y a lieu néanmoins de voir si elle offre le meilleur rapport coût-efficacité pour l'irrigation par pompage, et ce compte tenu des coûts d'installation propres qui sont trop élevés.

Sources et types d'énergie électrique

Les accumulateurs fournissent un courant électrique régulier appelé "courant continu". Les cellules photovoltaïques permettent elles-aussi d'obtenir du courant continu. Les générateurs de courant continu (ou génératrices) sont parfois appelés "dynamos". Ces génératrices sont constituées d'un rotor tournant à balayage en cuivre et de balais en charbon fixes. Les alternateurs sont actuellement d'un emploi courant pour la production de l'électricité à partir de l'énergie mécanique de rotation d'un arbre. Les alternateurs sont plus simples et moins coûteux que les génératrices à courant continu, mais ils fournissent une tension qui change de signe plusieurs fois par tour du rotor. Ce type d'énergie électrique, d'un usage presque universel comme source d'énergie principale, est connu sous le nom de "courant alternatif" (CA).

La tension d'un secteur à courant alternatif varie normalement depuis une valeur positive maximale jusqu'à une valeur négative maximale en valeur absolue, ainsi de suite, 50 fois par seconde (50 Hz ou 50 cycles /s), et dans certains cas 60 fois (60 Hz). L'intensité varie aussi de la même manière. Dans certains cas l'intensité et la tension ne sont pas en phase, ce qui signifie que leurs valeurs de crête ne coïncident pas. Ce déphasage (ou différence de phase) est mesuré par le "facteur de puissance". La puissance fournie par un réseau de CA est le produit de l'intensité mesurée en ampères et de la tension mesurée en volts et du facteur de puissance. Lorsque l'intensité et la tension sont parfaitement en phase, le facteur de puissance est égal à l'unité. Si le facteur de puissance est inférieur à 1 ( 0,9) alors la puissance disponible est réduite dans les mêmes proportions pour une même puissance nominale donnée du réseau. D'autre part la puissance nominale des appareils à courant alternatif est indiquée non pas en watts ou en kilowatts (kw), mais en voltampères ou en kilovolt-ampères (kva). La puissance réelle en kw sera donc égale à la puissance nominale en kilovolt-ampères multipliée par le facteur de puissance.

D'autre part, il ne faut pas oublier qu'en règle générale, le transport de l'électricité à longue distance est nettement plus économique à haute tension plutôt qu'à basse tension. Pour un coefficient de transmission donné, il faut toujours utiliser des sections de câbles les plus faibles possibles. Tel est également le cas pour le transport de faibles débits d'eau à haute pression qui se fait par des canalisations de faibles diamètres pour une même puissance hydraulique. Toutefois, le courant électrique présente un danger mortel aux tensions CA bien supérieures à 240 volts et aux tensions CC bien supérieures à 100 volts. Les risques d'accident mortels peuvent aussi se produire à des tensions plus faibles selon les cas en fonction de l'état de santé de la personne atteinte, ce qui fat que les moyens d'isolement deviennent alors plus difficiles à réaliser. C'est pourquoi, pour des raisons de sécurité, les tensions de 240 volts CA ou d'environ 110 volts CC sont considérées comme valeurs maximales à ne pas dépasser pour l'alimentation des appareils électriques et pour l'éclairage domestique.

Le courant alternatif est généralement employé pour alimenter le réseau de distribution électrique, au lieu du courant continu. Il présente en effet un certain nombre d'avantages importants:

• les génératrices et les moteurs CA sont nettement plus simples et moins coûteux et de fonctionnement plus fiable, puisqu'ils n'ont pas besoin de commutateurs;
• les tensions peuvent être facilement modifiées et avec une grande fiabilité et ce au moyen de transformateurs, alors que la transformation des tensions CC est techniquement beaucoup plus délicate. Il est donc plus facile de transporter le courant alternatif avec une ligne haute tension, avec un bon rendement de transmission, puis de le transformer en basse tension juste au niveau de l'utilisation;
• compte tenu des avantages que présente le courant alternatif, il est devenu la norme internationale pour l'alimentation en énergie électrique. Pratiquement tous les appareils électriques production industrielle sont conçus pour fonctionner au courant alternatif.

Il est parfois indispensable de transformer le courant alternatif en courant continu ou vice-versa. Par exemple, pour charger des accumulateurs (qui fonctionnent en courant continu) à partir du courant alternatif, ou bien pour faire fonctionner un appareil électrique à courant alternatif si l'on dispose d'une source d'alimentation en courant continu tel que accumulateur ou bien une batterie de cellules solaires photovoltaïques. Il est très facile de transformer le courant alternatif en courant continu au moyen d'un redresseur. Ces dispositifs (comme les transformateurs) sont à base de semi-conducteurs ,ils n'exigent aucun entretien, et leur rendement est relativement bon. Un chargeur à courant continu comprend habituellement un transformateur, pour baisser la tension d'alimentation à la tension de l'accumulateur, et un redressera pour \e transformer (écrêter la partie négative) le courant alternatif basse tension en courant continu. La conversion d'un courant continu en courant alternatif est plus délicate et elle se fait traditionnellement à l'aide d'un dispositif électromécanique de rendement médiocre appelé convertisseur. Il s'agit d'un moteur à courant continu directement accouplé à un alternateur. La version moderne des convertisseurs est un dispositif à semi-conducteur connu sous le nom "d'onduleur". Le coût de ce dispositif est abordable pour les faibles puissances d'utilisation (alimentation de petits tubes fluorescents), par contre ils sont relativement coûteux lorsqu'il s'agit de puissances plus importantes à savoir pour l'alimentation des moteurs électriques pour l'irrigation par pompage. La qualité et le prix des onduleurs sont également très variables. S'il faut absolument disposer d'une source alternative de bonne qualité (à rendement de conversion élevé), un dispositif plus complexe et plus coûteux serait alors indispensable. Les onduleurs bon marché fournissent généralement un courant alternatif de qualité moyenne et leur rendement est assez médiocre. De plus, ils peuvent également bien perturber la réception des émissions radio et de télévision se trouvant dans le voisinage.

Courant alternatif du réseau électrique

Le courant électrique du secteur est généralement un courant alternatif (CA) fourni à 220 à 240 volts et à une fréquence de 50 Hz, ou bien de 110 volts à une fréquence de 60 Hz pour l'alimentation en basse tension (y compris l'alimentation des ménages) jusqu'à une utilisation de 10 kw environ. La norme de 220-240 V / 50 Hz est couramment employée en Europe, tandis que la norme 110 V / 60 Hz est en vigueur aux Etats-Unis. Les deux normes sont aussi adoptées dans les autres pays du monde, cependant la norme 220-240 volts est la plus répandue, en particulier en Asie et en Afrique.

Le CA est fourni par deux fils électriques est appelé courant monophasé. Les fils ne sont pas appelés "positifs" et "négatifs", mais "phase" et "neutre". Il doit y avoir toujours un troisième fil prévu pour plus de sécurité qui est le fil de terre ou de mise à la masse. Ce fil est normalement relié au boîtier de l'appareil électrique ou du moteur utilisé, de sorte que si une fuite quelconque interne de courant s'établit entre le boîtier et la source d'alimentation en électricité, ce courant de fuite sera canalisé vers la terre (masse), provoquant la coupure du courant ou bien la rupture du fusible. Ainsi, quand une pompe électrique disjoncte fréquemment ou bien fait sauter les fusibles, il est vivement conseillé de vérifier si l'appareil est le siège d'un courant de court-circuit.

La production de l'énergie électrique se fait généralement sous la forme d'un courant "triphasé", en ce sens que l'alternateur fournit trois phases CA "monophasées" par trois fils distincts. Chaque phase est décalée d'un tiers de tour de l'alternateur, de telle sorte que les tensions de crête des trois phases ne sont pas simultanées mais régulièrement déphasées. Si les trois phases sont équilibrées et à charges égales, le courant total de retour des trois phases serait nul. Mais en pratique, l'équilibre n'est jamais parfait, et il y a normalement un courant de retour dans un quatrième conducteur appelé neutre. Une alimentation CA monophasée est constituée simplement d'une connexion à l'un des trois "Fil sous tension" ou phase d'une source triphasée, et d'un conducteur de retour relié au neutre de cette source. Par suite, il est très important de ne pas confondre la phase avec le neutre. De plus la protection par fusibles ou par disjoncteurs doit être toujours placée sur le fil de phase.

Pour certaines utilisations de puissances supérieures à 5 kw, et d'une manière générale pour des puissances supérieures à 25 kw environ, l'emploi du courant alternatif triphasé est le plus courant. Il est fourni dans la plupart des cas sous une tension entre phases de 415 V (Europe) ou bien de 190 V ou de 440 V (Etats-Unis).

Les moteurs électriques

Un moteur électrique constitue semble-t-il la machine motrice idéale pour une pompe. Il suffit de manoeuvrer un interrupteur pour mettre le moteur en marche et l'eau est fournie à un débit constant tant que le moteur est en marche. Les moteurs électriques ont une durée de vie relativement longue et ils ne requièrent en règle générale que très peu ou pratiquement pas d'entretien.

Le moteur électrique le moins cher et le plus simple est le moteur à induction asynchrone à cage d'écureuil principalement utilisé comme une source principale d'alimentation en énergie électrique (voir figure 104 (a) et figure 105). Comme il n'y a pas de connexions électriques sur la partie tournante de la "cage d'écureuil", il n'y a ni balais, ni bague collectrice sujette à l'usure devant être remplacée de temps à autre. Ce type de moteurs est disponible en triphasée ou en monophasée. Ces moteurs tournent à une vitesse constante en fonction de la fréquence du courant d'alimentation et du nombre des pôles des enroulements du stator. Le type de moteur le plus courant (et de meilleur marché), tourne à une vitesse nominale de 1500 tr/min. à 50 Hz (1800 à 60 Hz), mais on trouve également d'autres versions à vitesses de rotation différentes. Le moteur est normalement accouplé indirectement à la pompe au moyen d'un dispositif de transmission (figure 105). Il est toujours possible d'utiliser des moteurs à vitesse de rotation non standard en cas de difficulté d'adaptation à la pompe. Autrement dit, on peut installer un réducteur de vitesse à courroie tel que celui de la figure 106.

Le problème majeur des moteurs à induction asynchrone c'est qu'au démarrage le courant électrique nécessaire est normalement trois fois plus fort que celui en régime normal à la vitesse et à la puissance nominales. Autrement dit, il faut disposer d'un courant d'intensité maximale supérieure à celle nécessaire en fonctionnement normal, ce qui pose souvent des difficultés non seulement techniques, mais également financières, car dans certains pays la tarification de l'électricité est établie en fonction de l'intensité nominale maximale souscrite. Récemment, des dispositifs électroniques de démarrage ont été introduits pour limiter l'intensité du courant au démarrage et la prise en vitesse nominale du moteur, et d'autre part pour améliorer dans certains cas le rendement global d'un moteur électriqueutilisateurs soient.

Les moteurs ont généralement un rendement de 75% pour des puissances d'environ 300 watts (0,5 CV) et de 85% pour des puissances d'environ 10 kw (à condition que le facteur de puissance soit égal à 1). Ces moteurs ne sont pas fabriqués pour des puissances nettement inférieures à 100-200 watts.

Le moteur connu sous le nom du "moteur universel" est d'un usage très courant pour les utilisations de petite taille (voir figure 104 (b)). Il s'agit là d'un moteur électrique classique, avec un collecteur à balais et un bobinage d'induction. Le bobinage fixe crée le flux électromagnétique nécessaire au fonctionnement du moteur. Les moteurs de ce genre fonctionnent soit en CA ou bien en CC et ils sont généralement destinés pour l'alimentation des appareils domestiques de faible puissance (machines outils simples, et les instruments domestiques). Leur rendement dépasse celui d' un très petit moteur à induction, et l'intensité du courant au démarrage est inférieure à l'intensité du courant en régime permanent. Toutefois, leur inconvénient c'est d'exiger le remplacement périodique des balais en cas d'utilisation intensive, notamment comme dans les installations d'irrigation par pompage.

FIGURE 104
Principaux types des moteurs électriques

FIGURE 105
Moteur électrique accouplé directement à une pompe centrifuge

FIGURE 106

Pompe à piston entraînée par une courroie et actionnée par un moteur électrique (Climax) (noter la présence de cloches d'air destinées à empêcher les coups de bélier)

L'utilisation à petite échelle de l'énergie électrique peut être assurée indépendamment du secteur électrique. En effet, l'énergie électrique peut être obtenue à partir d'une source à courant continue telle qu'une batterie de cellules photovoltaïques ou bien d'une batterie d'accumulateurs chargés par une génératrice éolienne. Dans ce cas, la solution la plus rentable serait celle d'un moteur à courant continu à aimant permanent (figure 104(c)). Dans ce type de moteurs, des aimants permanents remplacent le bobinage inducteur. Ils sont d'un rendement meilleur particulièrement quand ils ne fonctionnent pas en pleine charge et lorsque les enroulements inducteurs absorbent une fraction notable de la puissance soutirée. Le rendement des moteurs CC à aimant permanent peut atteindre 75 à 85%, même à des puissances nominales faibles de l'ordre de 100-200 watts, comme c'est le cas dans les plus petites installations de pompage à énergie solaire. La plupart des moteurs à aimant permanent sont munies d'un induit ou rotor à collecteurs/balais, tout comme le moteur universel. Or, il s'agit là d'un inconvénient majeur pour le pompage de l'eau avec des groupes motopompes immergés. Toutefois, des moteurs à aimant permanent sans balais (figure 104(d)) ont été récemment mis au point. Ces moteurs comportent des aimants fixés au rotor, tandis que les enroulements du stator sont traversés par un courant alternatif de fréquence variable, de manière à s'adapter à la vitesse de rotation. L'adaptation de la vitesse est assurée au moyen d'un capteur de position installé sur le rotor qui mesure la vitesse et détermine la position de l'arbre, ce capteur commande un circuit électronique à alimentation DC pour assurer la fonction de commutation. Ce type de moteurs a une qualité mécanique du même niveau que le moteur à induction, et ils peuvent, le cas échéant, être scellés en permanence à une pompe immergée. Cependant, ils sont toujours fabriqués en nombre limité, et ils doivent être munis d'un commutateur électronique sophistiqué d'un coût relativement élevé (à la date de la rédaction de cette publication). Avec l'utilisation de plus en plus croissante des pompes solaires, ces moteurs pourraient devenir d'un emploi plus courant et sans doute à un prix plus abordable.

Les groupes motopompes immergés, à moteurs à induction CA ou moteurs CC à aimant permanent, sont normalement remplis d'eau (propre et non corrosive). 11 s'ensuit que la pression appliquée aux joints d'étanchéité serait mieux équilibrée de plus l'eau ne plus s'introduire aussi facilement les moteurs remplis d'air à la pression atmosphérique. Seuls les moteurs sans balais peuvent être installés en contact avec l'eau, tandis qu'avec les autres on court le risque des courts-circuits. Un autre avantage des moteurs remplis d'eau c'est qu'ils sont mieux protégés contre un échauffement excessif.

Sécurité électrique

Les différences de potentiel alternatif de plus de 110 volts environ et les différences de potentiel continu supérieures à 80 volts pourraient constituer un danger mortel particulièrement si le courant emprunte un circuit favorisé par l'eau en présence. Par conséquent il faut être trop prudent lorsque l'énergie électrique est utilisée avec l'eau, et tout utilisateur de l'énergie électrique pour le pompage des eaux potables et pour l'irrigation doit veiller à ce que tout l'équipement de protection nécessaire soit mis en place. C'est-à-dire, il faut que le disjoncteur ou les fusibles soient toujours en bon état de fonctionnement, les câbles bien isolés, les enceintes et les boîtiers étanches et mises à la terre; etc. De plus, tous les éléments essentiels tel que, moteur, pompe et ossature de maintien doivent être correctement mis a la terre (mis a la masse) et toutes les mises à la terre doivent être reliés ensemble. II est primordial que les installations é 1ectriques soient effectuées par des 61ectriciens qualifiés, au bien, au cas où l'agriculteur effectue lui-même ce travail, il faut que les installations soient inspectées et contrôlées par une personne dûment qualifiée, avant la première mise en service (dans certains pays, c'est recommandé par la loi). II est par ailleurs recommand6 que les utilisateurs soient familers avec les premiers soins à prendre en cas d'électrocution (choc électrique). La plupart des grandes compagnies d'électricité distribuent en gènèral gratuitement les instructions ou les brochures décrivant les précautions nécessaires et les soins à prendre en cas d'accident électrique.

FIGURE 107
Pompe éolienne en bois de fabrication artisanale destinée au pompage l'eau de mer dans les cuves de sel de saunage de l'île de Sal (Cap Vert)