Empreinte eau du nettoyage des poussières atmosphériques pour la production photovoltaïque en Afrique de l'Ouest

Water footprint of photovoltaic production for atmospheric dust cleaning in West Africa

• Auteur / Autrice : Amy Banigo
• Direction : Benoît Hingray, Béatrice Marticorena
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Géosciences de l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Empreinte eau

Photovoltaïque

Nettoyage des poussières

Water footprint

Photovoltaic

Dust cleaning

Résumé

En 2021, moins de 60% de la demande énergétique en Afrique subsaharienne était satisfaite (Peters et al., 2023) avec moins de 33% de la demande en Afrique de l'Ouest satisfaite en 2011 (REN 21, 2014). L'important potentiel énergétique solaire de la région (avec 1200 GW concentrés au Nigéria, Niger et Mali), et la nécessité d'améliorer l'accès à l'énergie par le biais d'une "énergie propre" dans la région ont mené au déploiement massif de systèmes PV (photovoltaïques) et CSP (énergie solaire concentrée) (Ishaku et al., 2022). Leur nombre devrait de surcroît être multiplié par 10 dans les années à venir (Peters et al., 2023). L'Afrique de l'Ouest, située au sud du Sahara et à proximité de la dépression du Bodélé, a la charge de poussière atmosphérique la plus élevée au monde. La poussière dans l'atmosphère atténue la quantité de lumière solaire atteignant les panneaux PV et la poussière déposée sur les panneaux réduit la transmission et donc la production d'énergie (Mani & Pillai 2010, Sarver et al., 2013). Le nettoyage des panneaux solaires pour maintenir un rendement acceptable nécessite de l'eau et se fait manuellement, principalement en raison de la quantité de poussière dans la région et de la situation rurale de la plupart de ces fermes solaires. Le projet NETWAT (NExus ClimaTe - WATer - Energy) financé par l'Agence Nationale de la Recherche a été mis en place pour étudier les conditions d'une production solaire durable en Afrique de l'Ouest. Le projet a débuté en 2023 pour une durée de 4 ans et est coordonné par l'Institut des Géosciences de l'Environnement. Dans une première phase de la thèse, le dépôt de poussières est modélisé à partir de variables atmosphériques et des paramètres des panneaux photovoltaïques. La quantité de poussières sur le panneau ainsi modélisée permettra ensuite de modéliser la perte de salissure PV. Le modèle de dépôt de poussières sera validé en comparant les dépôts modélisés aux mesures hebdomadaires de poussière effectuées sur plusieurs sites en Afrique de l'Ouest. Enfin, des expériences sur site permettront de suivre différents scénarios de nettoyage et d'obtenir des données de sortie PV dues aux pertes par salissure qui seront utilisées pour valider le modèle de pertes liées aux salissures PV. Puis, les modèles développés seront appliqués en tout point de l'Afrique de l'Ouest. A cette fin, la chaîne de modélisation sera forcée avec des réanalyses régionales des conditions atmosphériques/météorologiques passées. Les données de réanalyse régionales, et en particulier les données de réanalyse Copernicus et les données du modèle atmosphérique en cours de développement pour le projet NETWAT, seront comparées aux observations locales effectuées par LISA en vue de la régionalisation. Les pertes liées aux salissures pour toute ferme photovoltaïques virtuelle de la région seront ainsi cartographiées sur une grille régulière de 0,125°. Différents scénarios d'opérations de nettoyage seront testés au cours de cette étape et évalués en termes de production photovoltaïque et d'efficacité des opérations de nettoyage. Enfin, l'empreinte eau sera estimée sur la base de la quantité d'eau prélevée à des fins de nettoyage et des ressources en eau disponibles. Le volume d'eau nécessaire au nettoyage des panneaux devra d'abord être évalué pour calculer l'eau consommée par chacun des scénarios de nettoyage. L'empreinte eau de chaque scénario sera ensuite estimée sur l'ensemble de la région, et mis en regard de l'efficacité de la production photovoltaïque pour déterminer des scénarios de nettoyage optimaux. Les ordres de grandeur des volumes d'eau consommés par le nettoyage des panneaux photovoltaïques seront enfin comparés au taux de recharge de l'eau ainsi qu'aux autres consommations et besoins en eau de l'agriculture, des services et de l'industrie. Ce travail devrait donc déboucher sur des recommandations pour un déploiement durable des systèmes photovoltaïques en Afrique de l'Ouest.

As of 2021, over 40% of the energy demand in Sub-Saharan Africa was not met (Peters et al., 2023) with a value as high as 66% for West Africa in 2011 (REN 21, 2014). The large potential for solar energy (over 1200 GW only for Nigeria, Niger and Mali), and the need to improve access to energy via ‘clean energy' in the region has given rise to a huge deployment of PV (Photovoltaic) and CSP (Concentrated Solar Power) systems (Ishaku et al., 2022). This number is further expected to increase by 10 times in the coming years based on the proposed amount of energy production (Peters et al., 2023). West Africa has the highest atmospheric dust load globally being located south of the Sahara and close to the Bodélé depression. The dust in the atmosphere has been observed to attenuate the amount of sunlight reaching the PV panels and the dust deposited on the panels reduces transmission and thus energy output (Mani & Pillai 2010, Sarver et al., 2013). Cleaning solar panels to maintain an acceptable output efficiency requires water and is done manually. This is mainly due to the dust amount in the region and that most of these solar farms are situated in rural areas. There is thus a need to address the issue of the water footprint due to large scale deployment of PV systems. The NETWAT (NExus ClimaTe – WATer – Energy) project funded by the French National Research agency (ANR) was set up to provide sustainable solar production and energy access. It commenced early 2023 for a duration of 4 years and is coordinated by the Institute of Environmental Geosciences. This PhD will contribute to the work carried out in NETWAT by providing a decision support tool via water demand assessment to ensure that the maintenance of solar PV farms is effective in terms of energy production and sustainable in terms of water use. In a first step of this PhD thesis, a dust deposition model is developed to make use of atmospheric variables and PV panel parameters. The output of this model will be the amount of dust deposited on the panel, which will be the input variable for the PV soiling loss model. The dust deposition model will be validated by comparing the output with weekly dust measurements carried out at several sites in West Africa. Finally, proposed cleaning operations and other useful experimental patterns are followed on site with the soiling kit to get PV output data due to soiling loss which would be used to validate the PV soiling loss model. Secondly, the developed dust deposition and PV soiling loss models will be applied over West Africa. To that end, the modelling chain will be forced with regional datasets of past atmospheric and meteorological conditions. Regional reanalysis data, such as Copernicus data and data from the atmospheric model being developed for the NETWAT project, will be compared with local observations carried out by LISA in view of regionalization. Soiling losses for virtual PV farms in the region will be thus mapped with a regular grid of 0.125°. Cleaning operations will be tested in this step and assessed based on PV production and cleaning operations efficiency. Finally, the water footprint will be estimated based on the amount of water withdrawn for cleaning purposes and on available water resources. The volume of water needed to clean panels will first have to be assessed to derive the water consumed by various cleaning scenarios. The water footprint of each scenario will then be estimated for the entire region alongside their PV production efficiencies. The optimal cleaning scenario will therefore be one that minimizes the water footprint and maximizes the PV production. Water volumes consumed by PV panel cleaning will lastly be compared with the water recharge rate as well as other water consumption and needs from the agriculture, service and industry sectors. This work should thus result in recommendations for sustainable PV system deployment in West Africa.