Tour solaire (cheminée)

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39° 02′ 34″ N 3° 15′ 12″ O / 39.04277778, -3.25333333

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Une tour solaire est une centrale à énergie renouvelable, construite de manière à canaliser l'air chauffé par le soleil afin d'actionner des turbines pour produire de l'électricité. Le colonel Isidoro Cabanyes en a conçu le premier prototype en 1903[1],[2]. La première centrale à l'échelle a été construite en Espagne (Manzanares) par l'ingénieur allemand Jörg Schlaich en 1981.

L'ingénieur français Edgard Nazare (1914-1998) en a proposé un modèle amélioré dans les années 1950 sous le terme « centrale aérothermique » ou « tour à vortex », et sous la forme d'une tour métallique (brevet de 1956 et 1964) confinant un cyclone artificiel par différence thermique dont la puissance était captée par des éoliennes encastrées en périphérie de la tour[3].

Schéma de principe

Principe[modifier | modifier le code]

De l'air est chauffé par effet de serre dans un vaste collecteur situé au niveau d'une plaine, et conduit par une cheminée qui débouche en altitude, permettant ainsi de tirer profit de la différence de température et de l'énergie potentielle de convection disponible. À la base de la cheminée se trouvent des turbines entrainant des générateurs électriques permettant de produire de l'électricité.

Les systèmes de base (serre, cheminée, turbines) relèvent de techniques classiques parfaitement maîtrisées, ce qui limite les risques. L'investissement de départ est important, mais les coûts de fonctionnement sont relativement faibles.

En termes plus précis, les anglo-saxons désignent la technologie de la cheminée solaire par : Single Flow Upwind System ou Solar updraft tower (en).

Variantes[modifier | modifier le code]

Un conduit à flanc de montagne (voir Montagne solaire
En 1926, l'ingénieur Bernard Dubos proposa à l'Académie des sciences la construction d'une centrale solaire aéro-électrique au Nord de l'Afrique avec un conduit couché à flanc de montagne [4],[5].
Il ne s'agit donc pas d'une cheminée dressée au milieu du collecteur, mais d'un conduit couché à flanc de montagne. Son installation et son éventuel démontage peuvent être envisagés plus facilement. Le projet pourrait par exemple s'appliquer à des zones montagneuses comme l'île de la Réunion[6].
Tour flottante 
Des projets de tour flottantes voient le jour. Il s'agit de remplacer la tour rigide par une tour souple en tissu, ce qui réduirait les coups et la rendrait plus résiliente en cas d'intempéries. Le scientifique anglais Patrick Cottam travaille sur le sujet, en partenariat avec l'entreprise Lindstrand Technologies Ltd[7],[8].
Tour à vortex (Edgar Nazare)[9] 
Les tours à vortex seraient 5 fois plus puissantes, à hauteur de tour égale, que la tour solaire classique. Nazare proposait de construire une tour de métal de 300 m de haut et 300 m de diamètre pour une puissance installée 700 MW.
Depuis les années 2000, des chercheurs croates de la Faculty of Electrical Engineering, Mechanical Engineering and Naval Architecture (Université de Split) tels que Ninic et Nizetic, travaillent aussi sur cette technologie, publiant articles scientifiques [10] et brevets [11],[12].

Historique[modifier | modifier le code]

De nombreux chercheurs dans le monde ont présenté différentes idées ou projets concrets de tour solaire :

  • Le premier à avoir publié sur la conversion d'énergie par convection est l'anglais Alfred Rosling Bennett, qui publia un brevet sur ce principe en 1897 [4]. Même si le brevet semble appliqué uniquement à de petites puissances, Bennett mentionne en page 3 que de plus grandes unités pourraient être construites. Un modèle, construit en 1919 (par Albert H. Holmes & Son, Londres), est exposé au Science Museum de Londres.
  • Un militaire espagnol, le colonel Isidoro Cabanyes, proposa en 1903 un modèle de tour solaire dans la revue La Energía eléctrica[13].
  • Le physicien français Bernard Dubos proposa en 1926 d'exploiter un vent vertical produit par un gros tube installé sur le flanc d'une montagne.
  • L'une des premières représentation d'une tour solaire a été schématisée en 1931 par un auteur Allemand : Hanns Günther.
  • Entre 1940 et 1960, l'ingénieur français Edgard Nazare, après avoir observé plusieurs tourbillons de sable (dust devil) dans le sud saharien, et en avoir mesuré les caractéristiques grâce à son déclinomètre-alidade de poche, imagina un dispositif : la tour à dépression, aujourd'hui appelée tour à vortex. C'est en 1956 qu'il déposa son premier brevet à Alger. Ce brevet fut redéposé à Paris le 3 août 1964 sous le numéro 1.439.849 (P.V. 983.953)[14]. Il s'agissait de générer artificiellement une ascendance atmosphérique tourbillonnaire dans une sorte de tour à vortex en forme de tuyère de Laval et d'en récupérer une partie de l'énergie au moyen de turbines.
  • En 1975, l'ingénieur canadien Louis M. Michaud publia son projet Vortex Power Station dans le bulletin de la Société américaine de météorologie. Il s'agissait également de générer une ascendance atmosphérique tourbillonnaire (comme E. Nazare), mais dans une tour cylindrique.
  • En 1981 un prototype est construit en Espagne par l'ingénieur allemand Jörg Schlaich.
  • Le , le russe George Mamulashvili déposa son brevet no 1.319.654 pour un projet comparable à la tour à vortex de Nazare appelé Centrale électrique aérothermale verticale.
  • Le 14 mai 2009, Neven Ninic et Sandro Nizetic déposent leur brevet WO/2009/060245 appelé Solar power plant with short diffuser. Ce diffuseur aurait pour but de former un colonne gravitationnelle tourbillonnaire[12].

Les projets[modifier | modifier le code]

Le prototype de Manzanares[modifier | modifier le code]

Ce n'est qu'en 1981 qu'un premier prototype de cheminée solaire fut effectivement construit à Manzanares (ville espagnole à 150 kilomètres de Madrid) sous la direction de l'ingénieur allemand Jörg Schlaich, et grâce aux fonds du Ministère allemand de la recherche et de la technologie. Cette cheminée mesurait 194 mètres pour une puissance de 50 kW et a fonctionné jusqu'en 1989, où une tempête renversa la tour-cheminée[15]. Le coût du kilowatt-heure de cette plateforme expérimentale était cinq fois plus élevé qu'une centrale thermique classique.

Le prototype chinois (Jinshawan)[modifier | modifier le code]

En décembre 2010, le gouvernement chinois annonce qu'un prototype de 200 kW a été construit en Mongolie, près de Jinshawan[16]. Cependant, selon Patrick Cottam et Rudolf Bergermann, qui ont visité le site, la tour ne fonctionneraient pas bien suite à des erreurs de fabrication[15].

Le projet australien[modifier | modifier le code]

Un projet de tour solaire, appelé Projet de Buronga, prévu pour 2010, devrait être développé en Australie par la société Enviromission. La cheminée aurait 990 mètres de hauteur, 70 mètres de diamètre. La centrale fournirait 200 mégawatts de puissance électrique, de quoi approvisionner en électricité environ 200 000 logements. Il s'agit d'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie renouvelable sûre et propre : les centrales solaires existantes ou en projet sont de l'ordre de 100 à 500 MW (centrales solaires photovoltaïque). L'énergie produite reste largement inférieure à celle d'un réacteur nucléaire moderne (Chooz = 1 500 MW par réacteur, soit encore 7 fois plus), mais soutient la comparaison.

Pour contrer l'effet d'ovalisation de la tour (qui la replierait sur elle-même aussi facilement qu'un cylindre de papier mouillé posé sur une table, vu son incroyable légèreté), la société d'ingénierie SBP, responsable du projet, a eu l'idée de placer dans la tour à intervalles réguliers des structures de maintien ressemblant aux rayons d'une roue de bicyclette. Elles ne diminuent que de 2 % la vitesse de l'air.

Le coût d'investissement serait d'environ 400 millions d'euros, ce qui implique un coût d'investissement de 2 €/W. Par comparaison, un système photovoltaïque en 2008 coutait environ le triple, tandis que la centrale solaire à héliostats PS10 (11 MW) a coûte en 2008 3,2 €/W, soit 1,6 fois plus. Le kilowatt-heure fourni resterait néanmoins toujours cinq fois plus cher que l'électricité au charbon, qui représente 95 % de la production en Australie. Le projet reste donc non rentable au prix actuel des ressources fossiles, poussant les promoteurs du projet à prévoir d'autres sources de revenu annexes : visite touristique, culture sous la serre...

Spécifications du projet

  • Une cheminée de 990 m de haut (3 281 pieds) en matériau composite
  • Un collecteur de 7 km de diamètre, soit 38,5 km2 de verre et de plastique.
  • Température de l'air chauffé dans la cheminée : 70 °C.
  • Vitesse de l'air dans la cheminée : 15 m/s (54 km/h).
  • 32 turbines.
  • Puissance produite prévue : 200 mégawatts.

Ce projet peut paraître incroyable mais ses concepteurs le disent réaliste. Les études de faisabilité par le bureau d'ingénieurs allemand SBP, basée à Stuttgart, arrivent à leur terme. Cette tour solaire serait donc construite par l'entreprise EnviroMission dans le désert de Nouvelle-Galles du Sud, dans le comté de Wentsworth. Si le financement avait été trouvé, sa construction aurait du commencer avant 2010.

Aux dernières nouvelles[Quand ?], EnviroMission se lance dans le développement d'une première version plus petite et moins coûteuse (50 MW) avec une cheminée en béton précontraint haute résistance. On s'inquiète tout de même de la lenteur du projet au vu des sommes mises en jeu et des investissements déjà réunis.

Le projet espagnol[modifier | modifier le code]

En 2006, un autre projet de tour solaire, prévu pour arriver à échéance avant 2010, si le financement est trouvé, était annoncé en Espagne [5] dans la localité de Fuente el Fresno, un village de la Province de Ciudad Real. Les travaux devraient être menés en collaboration avec les entreprises espagnoles Campo 3 et Imasa, et la compagnie allemande Schlaich Bergermann. Cette tour de 750 mètres de hauteur serait dès lors la plus haute en Europe.

Spécifications du projet

  • Une cheminée de 750 m de haut.
  • Un collecteur de 3 km de diamètre, couvrant 350 hectares, dont 250 hectares pourraient être utilisés pour la culture de légumes sous serre (tomates).
  • Vitesse de l'air dans la cheminée : 43 km/h.
  • Puissance de l'installation : 40 mégawatts, soit la demande en électricité d'environ 120 000 personnes.
  • Coût du projet : 240 millions d'euros, que les partenaires espéraient réunir en 2007.

Comme tous les autres, ce projet produit un kWh beaucoup trop cher pour rendre le projet rentable sans source de revenus annexes : en l'occurrence, l'installation d'équipements de télécommunication et de surveillance contre les incendies, et le tourisme.

Autres projets[modifier | modifier le code]

Tour à vortex (Sumatel)[modifier | modifier le code]

Il existe actuellement[réf. souhaitée] deux projets de construction de tour solaire : une tour en forme de tuyère de Laval par la société française Sumatel en Savoie qui a déjà construit en 1997 une maquette de 6 m de haut et envisage de passer à 60 m ou plus, et la tour cylindrique de 500 m de haut citée ci-dessus.

À hauteur égale, les puissances prévues pour ces deux projets sont très différentes et le modèle expérimental, construit par Sumatel sur le site de Bouillante aux Antilles, n'est pas à proprement parler une tour solaire, car il tire ses calories d'un gisement géothermique et non du soleil.

Pour une éventuelle tour de 500 m, Sumatel annonce plus de 1 500 MW[réf. souhaitée] alors que le projet australo-allemand avance le chiffre de 50 MW. Cette différence de performance s'explique par la différence de hauteur du phénomène atmosphérique exploité. Le procédé français permet de générer un tourbillon atmosphérique qui peut atteindre 20 km de haut, alors que le procédé australo-allemand se contente d'exploiter l'effet de tirage d'une simple cheminée. Telle une trombe ou une tornade, la cheminée virtuelle de 20 km de haut a un tirage, donc un rendement, beaucoup plus important qu'une construction humaine, même de très grande hauteur. Dans les deux cas, les lois de Carnot sont respectées. La différence de température entre les couches basses et hautes de l'atmosphère est simplement beaucoup plus importante dans le projet français. L'inventeur Edgard Nazare, et avec lui la société Sumatel, estime que c'est à partir d'une tour de 300 m minimum que l'on peut espérer générer un tourbillon de 20 km de hauteur et obtenir les puissances annoncées. Pour une tour de 450 m de haut et de diamètre, il annonçait une puissance nominale de 2 700 mégawatts. Un projet Nazare bis proposait d'accoupler à cette tour à Vortex une centrale nucléaire au Thorium. Contrairement à la tour australo-allemande, la tour française n'est utilisée que pour amorcer le phénomène atmosphérique.

Tour souple autoporteuse[modifier | modifier le code]

Patrick Nicolas présente sur le site web UMD une tour solaire souple autoporteuse[17] , variante de tour solaire qui permettrait d'atteindre une altitude plus importante et d'obtenir ainsi un tirage plus élevé. La tour est constituée d'une partie basse en dur qui sert de guide et d'une partie variable en film plastique renforcé et haubané. La sustentation est obtenue grâce à des caissons réalisés dans la structure de la tour et remplis de gaz plus légers que l'air (hélium et mélange cloisonnés d'hydrogène). Plusieurs caissons sont intégrés sur la hauteur afin de répartir les charges. Une maquette a été réalisée et exposé au Tecnolac Solar'event[réf. souhaitée] (voir la vidéo sur le site UMD).

La taille réelle de ce projet peut atteindre 2 000 m de hauteur pour un diamètre de 100 m et une serre de base de 5 000 m le rendement variable est alors de 5 à 250 MW. Cette tour fonctionnerait par vent nul ou faible et vient en complément des éoliennes qui s'arrêtent par manque de vent. Cette tour pourrait fonctionner la nuit grâce à la chaleur accumulée dans la serre la journée. En 2010, Patrick Nicolas annonçait que ce projet était reporté, pour se consacrer à un projet de transport.

Ce concept est développé actuellement par le scientifique anglais Patrick Cottam de l'University College de Londres, en partenariat avec l'entreprise Lindstrand Technologies Ltd[7],[8].

Homonymie[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (es) Isidoro Cabanyes, « Proyecto de motor solar », La Energía Eléctrica,‎
  2. Lorenzo. "Las chimeneas solares:De una propuesta española en 1903 a la Central de Manzanares" (en Espagnol). De Los Archivos Históricos De La Energía Solar.[1]
  3. cf. « Savants maudits, chercheurs exclus », Pierre Lance, Tome 1, Ed. Trédaniel 2003
  4. Christos D. Papageorgiou (2010). Floating Solar Chimney Technology, Solar Energy, Radu D Rugescu (Ed.), ISBN 978-953-307-052-0, InTech, Available from: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/8557.pdf
  5. (en) Willy Ley, Engineer’s Dream, Viking Press,‎
  6. « Adosser les tours solaires au flanc des montagnes », sur Le Monde.fr
  7. a et b (en) « Novel Fabric Construction Methods for Solar Thermal Chimney Power Plants », sur UCL.ac.UK
  8. a et b (en) « Per Lindstrand plans inflatable 1km solar chimney », sur BBC.com
  9. « Rotational Flow Wirling System » dans la terminologie anglo-saxonne
  10. Sandro Nizetic, « Technical utilisation of convective vortices for carbon-free electricity production: A review », Energy, vol. 36, no 2,‎ , p. 1236-1242 (DOI 10.1016/j.energy.2010.11.021, lire en ligne)
  11. Le brevet de Ninic est publié sous le numéro HRP20000385 (A2), publié en 2002, titre: "SOLAR POWER PLANT INCLUDING A GRAVITATIONAL AIR VORTEX" [2]
  12. a et b Le brevet de Nizetic est publié sous le numéro WO2009060245, publié en 2009, titre: "SOLAR POWER PLANT WITH SHORT DIFFUSER" [3]
  13. [PDF](es) De Los Archivos Históricos De La Energía Solar Sur le site fotovoltaica.com
  14. Brevet
  15. a et b (en)Solar Chimneys Can Convert Hot Air to Energy, But Is Funding a Mirage?, National Geographic, 16 avril 2014.
  16. (en) « China's first solar chimney plant starts operating in desert »
  17. Tour Solaire UMD France, juillet 2008

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Publication scientifique[modifier | modifier le code]

Michaud LM, « Vortex process for capturing mechanical energy during upward heat-convection in the atmosphere », Applied Energy, vol. 62, no 4,‎ , p. 241–251 (DOI 10.1016/S0306-2619(99)00013-6, lire en ligne [PDF])