Données de terrain d'une centrale photovoltaïque saoudienne de 150 MW (4 200 électrodes chimiques, résistance moyenne des plots de 3,1 Ω) et des expéditions à l'exportation vers le Moyen-Orient, l'Afrique et l'Asie du Sud-Est : pourquoi les tiges d'entraînement standard échouent dans les sols sableux, rocheux et latéritiques — et ce que le document d'approvisionnement prévoit à la place.

La conversation sur laquelle je souhaite fonder cet article a eu lieu en août 2020, lorsqu'une entreprise d'ingénierie, d'approvisionnement et de construction (EPC) basée à Madrid a envoyé la demande de renseignements qui a donné naissance au projet photovoltaïque saoudien de 150 MW dont sont issues les données de terrain présentées dans cet article. Le courriel de demande de renseignements portait surpiquets de terre chimiquesPour un site photovoltaïque de grande envergure où l'étude de résistivité du sol avait révélé des valeurs comprises entre 1 500 et 2 200 Ω·cm, le rapport géotechnique était clair, l'entreprise d'ingénierie, d'approvisionnement et de construction (EPC) compétente, et le site se situait dans une zone de caliche que l'ingénieur principal avait déjà observée sur un projet plus modeste au Chili en 2018. Dans ce cas, le niveau des barres d'irrigation arrosées avait dépassé le seuil de tension de contact au bout de trois ans, car deux opérations d'arrosage programmées avaient été manquées en raison des restrictions de voyage liées à la COVID-19. Il ne souhaitait pas que cela se reproduise. L'article que vous lisez présente l'argumentaire technique issu de cet échange par courriel : le cadre de référence sur les types de sols que l'EPC a finalement intégré au cahier des charges, et les données de terrain de l'usine qui l'a produit.

Ce guide s'adresse aux équipes d'approvisionnement qui reçoivent une demande similaire : maîtres d'ouvrage du Moyen-Orient, d'Afrique et d'Asie du Sud-Est dont le rapport géotechnique est en attente, dont l'équipe de conception demande une électrode chimique plutôt qu'une tige enfoncée, et dont le document d'approvisionnement doit être rédigé dans les deux semaines à venir. Les trois types de sols mentionnés ci-dessous — sable, roche et latérite — sont les plus fréquemment cités dans ces rapports, et les modes de défaillance sont spécifiques à chacun. La réponse apportée par l'équipe d'approvisionnement reste toutefois la même pour les trois.

1. Sol sableux — la défaillance du fil dans l'air

Le sable sec est le mode de défaillance le plus contre-intuitif des trois. Sur le papier, il semble constituer un excellent milieu de mise à la terre : meuble, bien drainé et facile à forer. Cependant, la mesure effectuée avec un appareil Wenner à quatre broches révèle une tout autre réalité. Le sable sec du désert, à 1 m de profondeur, présente généralement une résistivité comprise entre 3 000 et 10 000 Ω·cm ; le sable dunaire, à 1,5 m de profondeur, peut afficher une résistivité supérieure à 20 000 Ω·cm dans le pire des cas. La raison est d’ordre ionique, et non mécanique : le sable sec ne contient pratiquement pas d’argile ni de minéraux dissous susceptibles de conduire le courant loin de la surface de la tige.

Ce qui modifie le calcul, c'est l'humidité à la surface de la tige. A tige de terre chimiqueIl s'agit d'une âme en cuivre insérée dans un anneau foré de 100 mm, rempli d'un composé de remblai hygroscopique (généralement de la bentonite mélangée à du sulfate de magnésium). Ce composé absorbe l'humidité ambiante du sol et l'humidité saisonnière, la retient contre la surface de la tige et libère lentement des ions dans le sol environnant. Ainsi, l'interface tige-sol se comporte comme un sol d'une résistivité d'environ 200 Ω·cm, même lorsque le sol environnant présente une résistivité de 8 000 Ω·cm. La géométrie de la tige NEMA GR-1 reste inchangée ; seul le contact avec le sol est modifié.

Lors de nos livraisons au Moyen-Orient entre 2020 et 2025, la résistance médiane des plots de mise à la terre chimique dans la bande de sable de 2 000 à 8 000 Ω·cm s'est établie à 3,6 Ω, contre un objectif de conception de 5 Ω, sans cycle d'arrosage. Les installations à tiges enfoncées uniquement, sur des sites adjacents dans la même bande, présentaient des valeurs de résistance comprises entre 18 et 42 Ω lors de leur mise en service et ont nécessité un nouveau forage au cours de la première année. Le diamètre des tiges était identique ; la différence résidait dans le remblai.

2. Sol rocailleux — le goulot d'étranglement de la couche de caliche

Le site saoudien ayant fourni les données de terrain présentées dans cet article comportait une couche de caliche à 3,5 m d'épaisseur dans l'angle sud-ouest du réseau. Les spécifications initiales prévoyaient des électrodes enfoncées de 2,4 m, ce qui fonctionnait sur 94 % du réseau. Les 6 % restants reposaient sur une couche de caliche trop peu profonde pour être traversée et trop résistive pour être négligée. Les six plots situés dans cet angle affichaient une résistance supérieure à 4,7 Ω lors de la mise en service, même avec l'électrode enfoncée à 3,0 m. Nous avons mis en œuvre deux solutions : le passage à des électrodes doublées en configuration delta (deux électrodes de 2,4 m disposées en triangle autour de chaque plot) et l'ajout de…modules de mise à la terre en graphite de colonneAu niveau des bornes du transformateur MT en parallèle. Le test de contrôle effectué cinq ans plus tard a donné une valeur maximale de 4,7 Ω — dans la marge de conception — car les modules étendaient latéralement la surface équipotentielle là où le chemin vertical était bloqué.

Pour l'équipe d'approvisionnement, les sites rocheux se répartissent en deux catégories pratiques. La première concerne la roche fracturée avec des interstices remplis de terre ; le forage est possible, mais la tige n'entre en contact qu'avec la couche de terre, et non avec la matrice rocheuse. La seconde catégorie comprend la roche intacte ou le caliche (sol cimenté par du carbonate de calcium) à la profondeur prévue pour l'électrode, ou à proximité, où le forage devient impossible ou non rentable. Le Moyen-Orient et l'ouest des États-Unis présentent fréquemment ce second type de terrain ; de vastes régions d'Arabie saoudite, du Qatar et des Émirats arabes unis possèdent une couche de caliche de 2 à 4 mètres d'épaisseur.ISRIC Informations mondiales sur les solsLe catalogue présente le même profil à travers le Sahel et la Corne de l'Afrique dans les zones sèches saisonnières.

Pour une question plus approfondie relative à l'approvisionnement sur les sites rocheux, leCentre de données de classification des sols de la FAOCela permet à une équipe d'approvisionnement de consulter la carte régionale des sols avant la mobilisation de l'entrepreneur en géotechnique — le moyen le plus économique de savoir si le site repose sur un substrat de caliche ou de granit altéré.Document de référence de la FAO sur les sols mondiauxest la référence de terrain pour les noms de classes de sol qui se retrouvent sur une BES (fiche d'évaluation des offres).

3. Sol latéritique — le problème des variations saisonnières

La latérite est le type de sol où une tige d'essai standard réussit la mise en service, mais ne résiste pas à la tension de contact pendant la saison sèche. Ce type de sol résiduel, riche en fer et en aluminium, est courant en Afrique tropicale (Nigeria, Ghana, Kenya, Mozambique), en Asie du Sud (une grande partie de l'Inde péninsulaire, le Sri Lanka, certaines régions du Bangladesh) et en Amérique du Sud (le nord-est du Brésil, le Guyana). Le profil de ce sol est bien drainé et présente une forte teneur en oxyde de fer, ce qui lui confère sa couleur brun-rouge caractéristique.

Le problème électrique réside dans les variations saisonnières. Les études de terrain publiées sur la latérite d'Afrique de l'Ouest font généralement état d'une résistivité en saison humide comprise entre 200 et 800 Ω·cm – parfaitement exploitable pour une tige enfoncée standard – et d'une résistivité en saison sèche supérieure à 5 000 Ω·cm – hors de la plage d'utilisation de cette même tige. La tige enfoncée reste inchangée ; seule la composition du sol environnant varie. Un cycle d'arrosage de six mois peut stabiliser la mesure en saison sèche, mais le problème de régularité de l'arrosage se pose à nouveau : si l'équipe d'arrosage n'intervient pas au bon moment, la dalle reste dans la zone de défaillance de la tension de contact pour le reste de la saison sèche.

Pour les sites latéritiques d'Asie du Sud-Est en particulier, la même logique saisonnière s'applique, avec un décalage temporel léger : la saison sèche en Indonésie et aux Philippines est plus courte mais plus intense qu'en Afrique de l'Ouest, ce qui concentre les variations de résistance sur une période plus courte. Le modèle d'exploitation par ancrage chimique et barres de terre (remblai retenant l'humidité, sans arrosage) fonctionne dans les deux cas.

4. Ce que contient le document d'approvisionnement

Pour les trois types de sols mentionnés ci-dessus, la décision technique est la même : la tige d’enfoncement standard n’est pas le produit approprié. Le document d’approvisionnement doit préciser le produit adéquat.

Trois mécanismes de contrôle côté approvisionnement font la différence entre une spécification qui résout le problème et une spécification qui le crée.

1. Rapport de test de type joint au bon de commande.Une tige de mise à la terre chimique ne se résume pas à un simple tube de cuivre ; sa composition chimique interne est essentielle. Le fournisseur doit fournir un rapport d'essai portant sur quatre propriétés : facteur de réduction de la résistivité à l'humidité de référence, stabilité ionique à long terme à 60 °C pendant 30 jours, rétention d'humidité après 90 jours de séchage et conformité environnementale selon l'évaluation environnementale de l'environnement (EEE). En 2019, un lot a été rejeté en raison d'un mélange contenant du chlorure de sodium (le chlorure attaque les âmes cuivrées à l'intérieur de la gaine). De plus, le lot fourni par notre fournisseur en 2022 a échoué au test de stabilité ionique avec une rétention d'humidité de 65 %, inférieure à notre seuil interne de 80 %. C'est pourquoi nous avons mis en place une ligne de formulation interne. Le fournisseur incapable de fournir ce rapport est celui qui, à la fin de la deuxième année, se présente avec un courriel annonçant avoir mis au point un nouveau composé amélioré.
2. Norme de connecteur verrouillée à IEEE 837.Les pinces mécaniques échouent au test de courant d'impulsion dansCEI 62561-1et ne doit pas être utilisé dans le cadre d'un projet à grande échelle. La norme relative aux connecteurs constitue la partie du cahier des charges qui protège l'installation pendant toute sa durée de vie nominale de 25 ans.
3. Géométrie de la tige parNEMA GR-1.Diamètre de 17,2 mm à 25,4 mm, épaisseur de la gaine en cuivre ≥ 254 µm. L'épaisseur de la gaine est primordiale pour les charges à courant impulsionnel (terminaisons ESE, plots MT) — une gaine mince est la première à céder.

5. Conclusion — Les questions que le service des achats doit poser en premier

La centrale saoudienne de 150 MW mentionnée dans cet article a enregistré une résistance moyenne des plots de 3,1 Ω, contre un objectif de conception de 5 Ω, lors du contrôle effectué cinq ans plus tard. Le plot le plus fragile, situé dans l'angle sud-ouest où le caliche empêchait le fonçage vertical, présentait une résistance de 4,7 Ω. Ces données n'ont pas été utilisées comme argument lors de l'appel d'offres lorsque le contractant EPC de Madrid a envoyé sa demande de renseignements en août 2020. Elles résultent de la compilation, dans un même document, des informations relatives à la composition chimique du remblai, à la norme des connecteurs, à la géométrie des tiges et à la nouvelle séquence des paramètres du sol, avant que l'équipe d'installation ne réalise le travail.

Si vous êtes maître d'ouvrage au Moyen-Orient, en Afrique ou en Asie du Sud-Est et que le cahier des charges est ouvert, la question déterminante pour la réussite du projet pendant les 25 prochaines années n'est pas « quelle tige acheter ? » mais « quelle est la résistivité du sol à la profondeur d'électrode prévue et lequel des trois modes de défaillance mentionnés ci-dessus s'applique ? ». Il faut d'abord obtenir la réponse concernant le sol ; la réponse concernant le produit viendra ensuite. La question relative à l'approvisionnement est alors de savoir laquelle des deux familles de produits…tige de terre chimique or module de mise à la terre en graphite de colonne(ou les deux, sur les sites les plus difficiles) — correspond à la bande de sol et à la limite de profondeur. La page complète de la catégorie est disponible à l'adresse suivante :/électrode-de-mise-à-la-terre-chimique/possède les options de géométrie, et leLes 5 principaux fabricants de tiges de mise à la terre à ions électrolytiques pour 2025Le blog contient la liste restreinte des fournisseurs.

Pour obtenir un échantillon et un rapport d'essai de type quatre propriétés pour un projet spécifique, la voie la plus rapide est lapage de contactLes échantillons destinés aux projets pour le Moyen-Orient, l'Afrique et l'Asie du Sud-Est sont généralement expédiés de l'usine dans la même semaine, avec des réponses techniques sous 24 heures ouvrables.