Tour solaire (cheminée)

Pour les articles homonymes, voir Tour solaire (homonymie).

Schéma de principe

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. La première centrale a été construite par l'ingénieur allemand Jörg Schlaich en 1981.

Principe

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. À la base de la cheminée se trouvent des turbines 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 ensuite faibles.

En termes plus précis, les anglo-saxons désignent la technologie de la cheminée solaire par : "Single Flow Upwind System".

Variantes

• Coucher la tour à flanc de montagne est également à l'étude. Puisqu'il ne s'agit 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.

• Tour à vortex, "Rotational Flow Wirling System" dans la terminologie anglo-saxone. Les tours à vortex seraient 5 fois plus puissantes à hauteur de tour égale.

Historique

De nombreux chercheurs dans le monde ont présenté différents projets de tour solaire.

Le premier est incontestablement un militaire espagnol, le colonel Isidoro Cabanyes, qui en 1903 proposa un modèle de tour solaire dans la revue La Energía eléctrica^[1].

On peut également citer le physicien français Bernard Dubos qui 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 rédigée en 1931 par un auteur Allemand: Hanns Günther.

Entre 1940 et 1960, le 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). Il s'agissait de générer artificiellement une ascendance atmosphérique tourbillonnaire dans une sorte de tour 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, mais dans une tour cylindrique.

En 1981 un prototype est construit en Espagne par l'ingénieur allemand Jörg Schlaich.

Enfin, c'est le 8 octobre 1985 que le russe George Mamulashvili déposa son brevet N° 1.319.654 pour un projet comparable à la tour à vortex appelé Vertical Aerothermal Power Station.

Les projets

Le prototype de Manzanares

Ce n'est qu'en 1981 qu'un premier prototype de cheminée solaire fut effectivement construite 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 50kW et a fonctionné jusqu'en 1989. Elle fut arrêtée en raison d'un coût du kilowatt-heure, cinq fois plus élevé qu'une centrale thermique classique.

Le projet australien

Un projet de tour solaire, appelé Projet de Buronga, prévue pour 2010, est actuellement 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 solaire existante ou en projet sont plutôt de l'ordre de 10 MW, soit 20 fois moins. L'énergie produite reste largement inférieure à celle d'un réacteur nucléaire moderne (Chooz = 1500 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 légereté), 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 cout d'investissement de 2 €/W. Par comparaison, un système photovoltaïque de 2008 coute environ le triple, tandis que la récente centrale solaire thermodynamique PS10 (11 MW) a couté 3,2 €/W, soit 1,6 fois plus. Le kilowatt-heure fourni resterait néanmoins toujours cinq fois plus cher que l'électricité de 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 (3281 pieds) matériaux 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 : 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 est trouvé, sa construction devrait commencer avant 2010.

Aux dernières nouvelles, 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^{[réf. souhaitée]}

Un autre projet de tour solaire, prévu pour arriver à échéance avant 2010, si le financement est trouvé, est actuellement développé en Espagne 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

Il existe actuellement 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. A 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 1500 MW 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 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. Contrairement à la tour australo-allemande, la tour française n'est utilisée que pour amorcer le phénomène atmosphérique.

Le projet de tour solaire souple autoporteuse développé par Patrick Nicolas (http://www.umd-france.org/index.php?option=com_content&task=view&id=60&Itemid=35) est une variante de tour solaire qui permet 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 cloisonné d'hydrogène). Plusieurs caissons sont intégrés sur la hauteur afin de répartir les charges. Une maquette a été réalisée et a rencontré un vif succès lors de son exposition au Tecnolac Solar'event. La taille réelle de ce projet peut atteindre 2000m de hauteur pour un diamètre de 100m et une serre de base de 5000m le rendement variable est alors de 5 à 250MW. Cette tour fonctionne par vent nul ou faible et vient en complément des éoliennes qui s'arrêtent par manque de vent. Cette tour peut fonctionner la nuit grâce à la chaleur accumulée dans la serre la journée.

Homonymie

Une tour solaire est aussi un instrument scientifique pour examiner le soleil : tour solaire de Meudon.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Tour énergétique
• Montagne solaire

Liens externes

• (fr) Une tour solaire en Australie
• (en) Film de présentation sur le site de la société Solarmission
• (en) Projet de tour solaire d'une puissance de 200 MW en Australie par EnviroMission
• (fr) Une tour solaire en Namibie

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