fonctionnement d'une tour solaire

Installation solaire thermique

Tours solaires à convection d'air

Dans la recherche de sources d’énergie plus propres et plus durables, les tours solaires à convection d’air, également connues sous le nom de cheminées solaires, sont apparues comme une solution prometteuse. Ces structures ingénieuses utilisent les principes de la convection de l’air pour produire de l’ électricité de manière efficace et respectueuse de l’environnement. Dans cet article, nous expliquerons ce qu'est une tour solaire à convection d'air, comment elle fonctionne ainsi que les avantages et défis potentiels associés à cette technologie.

Qu'est-ce qu'une tour solaire à convection d'air ?

Une tour solaire à convection d’air est une installation de production d’énergie unique qui exploite la convection naturelle de l’air pour produire de l’électricité.

La structure de base se compose de trois éléments principaux : un grand toit collecteur transparent, une haute tour centrale et une série d' éoliennes . Le fonctionnement d'une tour solaire à convection d'air repose sur le principe de profiter des différences de température entre le sol et l'atmosphère pour créer un flux d'air qui entraîne des turbines, générant de l'électricité.

Exploitation d'une tour solaire à convection d'air

• Toit collecteur : Le premier élément critique est un grand toit collecteur transparent en verre ou en plastique placé près du sol. Le toit du capteur sert de piège à chaleur solaire, permettant à la lumière du soleil de pénétrer et de réchauffer l'air situé en dessous.
• Effet de serre : La lumière du soleil traverse le toit du capteur et réchauffe l'air de la zone située en dessous. Le sol absorbe le rayonnement solaire et se réchauffe, créant une différence de température significative entre le sol et l’air plus froid de l’atmosphère.
• Convection naturelle : Au fur et à mesure que l'air sous le toit du capteur se réchauffe, il monte grâce au principe de convection. Ce mouvement ascendant crée une zone de dépression à la base de la tour centrale.
• Tour centrale : L'air chaud ascendant est dirigé vers une haute tour centrale, qui fait office de cheminée. La tour est située au centre du toit du collecteur et a une hauteur considérable, généralement plusieurs centaines de mètres. La différence de température entre l’air chaud et l’air extérieur à l’extérieur de la tour crée un courant ascendant.
• Flux d'air : Lorsque l'air monte à l'intérieur de la tour, il accélère, générant un flux d'air fort et constant. Cet air ascendant traverse une série d’éoliennes situées à la base de la tour.
• Production d'électricité : un flux d'air à grande vitesse fait tourner les pales des éoliennes, qui sont connectées à des générateurs. Cette rotation génère de l'électricité qui peut être distribuée aux habitations, aux industries ou au réseau électrique.
• Recirculation de l'air : Après avoir traversé les éoliennes, l'air continue de monter, créant un cycle fermé lorsqu'il retourne au sol, où il est réchauffé sous la toiture du collecteur. Ce cycle de convection continu assure une source d’énergie constante.

Avantages du système de convection d'air

Les tours solaires à convection d’air offrent de nombreux avantages qui contribuent à leur attrait en tant que source d’énergie durable :

• Énergie propre : Ces tours génèrent une énergie propre et renouvelable, sans émettre de gaz à effet de serre ni de polluants nocifs, ce qui les rend respectueuses de l'environnement.
• Production d'énergie continue : les tours solaires à convection d'air peuvent produire de l'électricité en continu pendant la journée, et leur capacité de stockage de chaleur permet une certaine production d'énergie après le coucher du soleil, améliorant ainsi la fiabilité.
• Faibles coûts d’exploitation : une fois construits, les coûts d’exploitation sont relativement faibles, ce qui réduit le coût à long terme de la production d’énergie.
• Faible empreinte environnementale : ces tours nécessitent moins d'espace que d'autres technologies d' énergie renouvelable , telles que les fermes solaires, et ont un impact minimal sur les écosystèmes locaux.

Inconvénients et limites

Malgré leurs avantages potentiels, les tours solaires à convection d’air sont également confrontées à des inconvénients et des limites :

• Coûts initiaux élevés : la construction d'une tour solaire à convection d'air peut être coûteuse, nécessitant des investissements substantiels en matériaux et en infrastructures.
• Efficacité limitée : l'efficacité de la technologie peut être inférieure à celle d'autres sources d'énergie renouvelables, telles que l' énergie solaire photovoltaïque et les éoliennes.
• Espace requis : Ces tours nécessitent une grande empreinte au sol, ce qui peut constituer un défi dans les zones densément peuplées ou lorsque le terrain est cher.
• En fonction de l'emplacement : les tours solaires à convection d'air sont plus efficaces dans les régions à exposition solaire élevée et constante, ce qui limite leur adéquation géographique.
• Impact environnemental : Selon l'emplacement, les tours peuvent avoir un impact potentiel sur les populations d'oiseaux locales car elles peuvent être attirées par le flux ascendant.

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Tour solaire - Définition

Introduction.

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.

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"

• 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.

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 km 2 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

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 .

• 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 réalisé 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.

Les tours solaires à effet de cheminée

La tour solaire à effet de cheminée est un projet d'envergure qui n'a pas d'applications commerciales ou industrielle.

Un prototype construit en 1982 à Manzanares , en Espagne, a fonctionné pendant 7 ans.

Son principale avantage est qu’elle peut fonctionner à la fois le jour en utilisant le rayonnement du soleil et la nuit, avec une production plus faible, en utilisant la chaleur de la croûte terrestre.

Vue d'artiste du projet de tour solaire à effet de cheminée EnviroMission - © EnviroMission

Principe de fonctionnement d'une centrale solaire à effet de cheminée

Fonctionnement d’une centrale solaire à effet de cheminée. Schéma : Kilohn limahn

Une centrale solaire à effet de cheminée se décompose en trois parties distinctes :

• Le collecteur : une serre en forme de disque d’un grand diamètre qui va chauffer l’air
• La cheminée : permet d’évacuer l’air chaud et par conséquent de créer un flux d’air
• La turbine : qui génère de l’électricité

Lorsque les rayons du Soleil viennent frapper la serre, l’air s'engouffre sous cette dernière et remonte par la cheminée par effet de convection. Entrainée par le flux d'air chaud, une ou plusieurs turbines à hélices situées au bas de la cheminée génèrent ainsi de l’électricité.

Au cours de la journée, le Soleil réchauffe les sols et éventuellement des conduites d’eau, qui vont redistribuer leur chaleur la nuit, permettant de poursuivre la production d’énergie après le coucher du Soleil.

• Avantages :
• Source d’énergie inépuisable et gratuite
• Pas d’émission polluante
• Concilie agriculture et énergie solaire : les serres au sol de la tour pour un usage agricole
• Mécanique simple, turbine placée au sol, peu d’entretien
• Peu fonctionner sans intermittence avec un système de stockage de chaleur basé sur le principe d’ inertie thermique
• Inconvénients :
• Rapport puissance/surface très faible
• Investissement de départ important
• Hauteur de la structure qui complexifie le chantier

Exemples de projets & installations : Les tours solaires à effet de cheminée

Tour solaire implantée à Manzanares - © sbp sonne gmbh

Prototype de tour solaire cheminée implantée à Manzanares en 1982 Manzanares, Espagne

Implanté près de Manzanares en Espagne et mise en service en 1982, ce prototype de tour solaire à effet de cheminée de 200m a permis à une équipe de chercheurs d’étudier son efficacité pendant 7 ans, avant que celle-ci ne s’effondre à cause d’un problème de corrosion.

Projet de tour solaire d’une puissance de 200 MW en Australie - © EnviroMission

EnviroMission - projet de tour solaire d’une puissance de 200 MW

Grâce aux résultats apportés par le projet pilote de Manzanares, un projet de tour solaire à effet de cheminée gigantesque a été étudié, destinée à la production électrique de masse. Cependant, à cause des prix très compétitifs des autres technologies solaires, le financement et la construction de ces projets semble de moins en moins probable.

Prototype de 6 mètres de haut réalisé en Savoie - © Association Energie Environnement

La tour solaire à vortex - le projet Français de centrale aérothermique Savoie

Développé par la société Française SUMATEL, ce démonstrateur de 6 mètres de haut a été réalisé en Savoie en 1997.

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Rédaction & contributions.

• Antoine Cornet
• Romain Guillo

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Solaire thermodynamique (à concentration)

Située en Californie, la centrale solaire thermodynamique d'Ivanpah a, avec ses 173 500 miroirs, une puissance de 392 MW. (©BrightSource)

Définition et catégories

• Fonctionnement

Acteurs majeurs

• Unités et chiffres clés
• Zone de présence

Passé et présent

Un système solaire à concentration thermodynamique exploite le rayonnement du Soleil en orientant, au moyen de miroirs, les flux de photons. Ce système thermique concentré permet d’atteindre des niveaux de température bien supérieurs à ceux des systèmes thermiques classiques non concentrés . 

Alors que les chauffe-eau domestiques produisent une eau à une cinquantaine de degrés, il est possible, par la concentration, de chauffer des fluides à des températures de l’ordre de 250 à 1 000°C. Il devient alors envisageable de les utiliser dans des processus industriels comme la génération d’ électricité  (on parle parfois « d’électricité solaire thermodynamique »). D’autres utilisations directes ou indirectes des fluides chauds sont possibles comme le dessalement de l'eau de mer , le refroidissement ou encore la génération d' hydrogène .

Le principe de la concentration de l'irradiation solaire est connu depuis l'Antiquité.

Le principe de concentration

Le principe de la concentration de l’irradiation solaire est connu depuis l’Antiquité, comme l’illustre le mythe des « miroirs ardents » d’Archimède. Le plus souvent grâce à des miroirs réfléchissants ou des loupes, un système à concentration réoriente le rayonnement solaire collecté par une surface donnée sur une cible de dimension plus réduite : le démarrage d’un feu de feuilles mortes avec une loupe utilise ce principe.

Le fonctionnement des centrales solaires thermodynamiques

Les centrales solaires thermodynamiques utilisent une grande quantité de miroirs qui font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauffé à haute température. Pour ce faire, les miroirs réfléchissants doivent suivre le mouvement du soleil afin de capter et de concentrer les rayonnements tout au long du cycle solaire quotidien. Le fluide produit de l’électricité par le biais de turbines à vapeur ou à gaz. Il existe quatre grands types de centrales solaires thermodynamiques : les centrales à miroirs cylindro-paraboliques et leur variante à miroirs de Fresnel (1) , les centrales à tour et enfin les concentrateurs paraboliques Dish-Stirling.

Fonctionnement technique ou scientifique

Les différents types de centrales

Systèmes de concentration linéaire

Le rayonnement solaire est concentré sur un ou plusieurs tube(s) absorbeur(s) installé(s) le long de la ligne focale des miroirs. Ce tube contient un fluide caloporteur porté à une température de l’ordre de 250 à 500°C.

Les miroirs réfléchissants suivent le mouvement du Soleil tout au long de la journée.

• Centrales à miroirs cylindro-paraboliques : c’est la technologie la plus répandue aujourd’hui. Le foyer d’une parabole est un point, celui d’un miroir cylindro-parabolique est un axe, sur lequel est placé un tube absorbeur (le récepteur) de couleur noire, pour capter un maximum de rayonnement. Dans ce tube circule le fluide caloporteur, qui se réchauffe jusqu’à une température d’environ 500°C et qui est ensuite centralisé et transporté jusqu’au bloc de génération électrique. L’ensemble miroir cylindro-parabolique/récepteur suit le mouvement du Soleil.

Exemples : Andasol, une des plus puissantes centrales thermodynamiques d’Europe située en Espagne (150 MW) ; Nevada Solar One aux États-Unis (64 MW).

Miroirs cylindro-paraboliques d'Andasol, Espagne (©photo)

• Centrales solaires à miroirs de Fresnel : plutôt que de courber les miroirs (processus industriel coûteux), les miroirs de Fresnel « miment » la forme cylindro-parabolique avec des miroirs très légèrement incurvés, et placés à un même niveau horizontal. Seuls les miroirs bougent, la structure et le tube absorbant sont tous deux stationnaires. Les coûts des centrales solaires à miroirs de Fresnel sont donc inférieurs à ceux des centrales à miroirs cylindro-paraboliques tant à l’installation qu’à la maintenance. La focalisation est toutefois dégradée dans ce système (puisque la parabole n’est pas parfaite) : le pari est donc que la baisse de coût « compense » la dégradation de l’efficacité d'un point de vue économique. Ce type de système est encore relativement peu répandu.

Exemples : Puerto Errado en Espagne (31,4 MW), Kimberlina en Californie (5 MW).

Centrale solaire thermodynamique à miroirs de Fresnel (©Alsolen)

Systèmes de concentration par foyer

Le rayonnement solaire est concentré environ 1 000 fois à destination d’un foyer unique de taille réduite. La température peut atteindre de 500 à 1 000°C.

• Centrales à tour : des centaines de miroirs suivant la course du soleil (les « héliostats ») réfléchissent et concentrent le rayonnement solaire sur un récepteur central situé au sommet d’une tour, dans lequel circule le fluide caloporteur. Comme dans les systèmes cylindro-paraboliques, la chaleur du fluide est alors transférée à un cycle classique à vapeur pour générer de l’électricité. Par rapport à un système cylindro-parabolique, la tour solaire offre l’avantage de ne pas avoir à faire circuler de fluide dans l’ensemble du champ de miroirs : les pertes thermiques sont donc significativement réduites. Par ailleurs, le niveau de concentration de l’irradiation peut être bien supérieur et l’efficacité du cycle thermodynamique s’en trouve augmentée. Il reste que ces gains techniques doivent aussi se traduire par un gain technico-économique, limité par le coût de construction de la tour.

Exemples : Crescent Dunes au Nevada (110 MW), Solar Tres en Espagne (19,9 MW), projet PEGASE sur le centre français de Thémis (Pyrénées-Orientales).

Tour solaire à concentration (©photo)

• Centrales à miroir parabolique Dish-Stirling : une parabole concentre le rayonnement sur un foyer en son point focal afin d’actionner un moteur dit « Dish-Stirling ». Une fois chauffé dans un circuit fermé, le gaz qu’il contient actionne un piston qui récupère l’énergie mécanique produite. Cette technologie n’est pas adaptée à une production industrielle de masse du fait de son coût élevé, d’où le retard de son développement. Cependant, c’est la seule technologie thermodynamique qui puisse être mise en œuvre dans des sites isolés de petite taille.

Exemple : site de Font-Romeu Oreillo, siège des recherches du CNRS sur le sujet.

Paraboles solaires Dish-Stirling testées à Albuquerque au Nouveau-Mexique (©photo)

Enjeux par rapport à l'énergie

L’électricité produite grâce à l’énergie solaire thermodynamique devrait être compétitive économiquement face aux énergies fossiles d’ici 10 à 15 ans (actuellement, les experts marocains évoquent par exemple un prix proche de 150 euros par MWh pour la centrale Noor 1). La durée de vie d’une installation est estimée entre 25 et 40 ans. Certaines technologies de la concentration bénéficient déjà d’un retour d’expérience important. De plus, la cogénération , c'est-à-dire l’utilisation de la chaleur résiduelle après génération électrique pour produire par exemple de l’eau dessalée ou du froid, augmente sensiblement la compétitivité des installations solaires thermodynamiques.

Technologie

Contrairement aux installations solaires photovoltaïques dont le produit est directement l’électricité, les technologies solaires thermodynamiques dans leur process génèrent de la chaleur. Le fluide chauffé ayant une certaine inertie thermique (capacité à stocker de la chaleur), la production d’électricité thermodynamique est donc moins « saccadée » que la production d’électricité photovoltaïque. De surcroît, des systèmes de stockage dynamique de la chaleur peuvent être intégrés aux installations, prolongeant la génération d’électricité jusqu’à plusieurs heures après la disparition des rayonnements solaires.

Environnement

L’énergie solaire thermodynamique ne produit pas directement de déchets ou de gaz à effet de serre .

Les premières installations ont vu le jour dans les années 1980, mais l’après chocs pétroliers a laissé cette technologie dans l’ombre jusqu’aux années 2000. Il faut attendre l’adoption de tarifs de rachat préférentiels durant cette décennie pour que la filière industrielle redémarre. On compte, en 2015, environ 4,7 GW de capacités installées de solaire thermodynamique dans le monde,dont 2,3 GW en Espagne et 1,7 GW aux États-Unis (2) .

Les annonces se multiplient : citons entre autres le projet d'une centrale de plus de 1 GW dans le sultanat d'Oman (Petroleum Development Oman), les 3 projets CSP dans le cadre du plan solaire Noor au Maroc (société saoudienne Acwa Power) ou encore l'entrée de l'agence marocaine de l'énergie solaire (Masen) au capital de la société française Alsolen pour 30 millions d'euros à l'été 2015.

Les États-Unis, l'Espagne, l'Afrique du Nord, la Chine et l'Australie constituent les prochaines zones probables de croissance. L'AIE prévoit que cette source d'énergie pourrait fournir 11% de l'électricité mondiale en 2050 (3) . Cela correspondrait à une production annuelle d'environ 4 770 TWh, soit l'équivalent de la consommation électrique des États-Unis (avec une capacité installée de plus de 1 000 GW dans ce scénario).

Entreprises

La société espagnole Abengoa Solar est le principal développeur de centrales solaires thermodynamiques dans le monde. Elle est toutefois confrontée à d'importantes difficultés de financements et a présenté début février 2016 à ses banques un plan de redressement afin de lui éviter une faillite.

Les nouveaux systèmes sont la plupart du temps développés par des start-up, dont une majorité sont américaines (eSolar, BrightSource). Les équipements spécifiques au secteur sont dans les mains d’un nombre réduit d’entreprises : tubes (Solel, Flabeg), miroirs (Rioglass, Saint-Gobain). Les grands groupes comme Alstom, Siemens, Enel et Areva sont entrés en 2010 dans le secteur, pour certains par des acquisitions de start-up (Ausra, BrightSource). Total a construit en partenariat avec Abengoa Solar et Masdar une centrale de 100 MW à Abou Dabi, inaugurée en mars 2013.

Incitations gouvernementales

Depuis 2004, certains gouvernements ont pris des mesures visant à encourager la construction de centrales à énergie solaire thermodynamique. Le gouvernement espagnol a par exemple fixé des tarifs de rachat d’électricité. Par conséquent, plusieurs projets de centrales solaires thermodynamiques ont vu le jour.

Initiatives internationales

L'AIE (Agence Internationale de l'Energie) a établi dés 1977 un programme de coopération (Solar PACES) portant sur la Recherche et Développement dans le domaine de la concentration de l'énergie solaire. Quinze pays dont la France y participent.

Des initiatives internationales ont également été engagées dans ce domaine comme le Plan Solaire Méditerranéen, un partenariat entre les pays riverains de la Méditerranée et l'Union européenne ayant pour but de lancer des projets régionaux. Un projet privé, Désertec , initié en 2003 par des industriels allemands, affiche d’importantes ambitions.

Unités de mesure et chiffres clés

La puissance électrique

• Une grande éolienne récente : 5 MW ;
• La centrale solaire à concentration thermodynamique Andasol : 150 MW ;
• Un réacteur nucléaire de Flamanville (1 ou 2) : 1 300 MW.

L’énergie électrique

• Une grande éolienne récente de 5 MW : 16 GWh/an ;
• La centrale solaire à concentration thermodynamique Andasol : 180 GWh/an ;
• Un réacteur nucléaire de Flamanville : de l'ordre de 9 000 GWh/an.

Zone de présence ou d'application

Un système à concentration, par définition, réoriente le rayonnement : il faut donc que celui-ci ait une direction. C’est le cas de l’irradiation directe (qui nous vient « directement » du soleil), mais pas de l’irradiation diffuse (qui est distribuée dans toutes les directions).

L'ensoleillement direct français n'est pas suffisant pour envisager des projets substantiels en métropole.

Dans les zones les plus favorables à l'utilisation de l'énergie solaire concentrée (voir carte ci-dessous), l'ensoleillement direct est supérieur à 2 000 kWh/m²/an. Les meilleurs sites reçoivent eux un rayonnement solaire de l’ordre de 2 800 kWh/m²/an. L'ensoleillement direct français n'est pas suffisant pour envisager des projets substantiels en métropole.

De plus, certaines technologies requièrent une grande quantité d’eau à disponibilité, essentiellement pour nettoyer les miroirs. Selon les estimations, une centrale à concentration thermodynamique à tour d’une puissance de 50 MW consomme 300 000 m 3 d’eau par an. Cette double contrainte Soleil/eau rend la localisation de ce type de centrales délicate.

1878  : Augustin Mouchot, un ingénieur français, présente à l’Exposition Universelle un réflecteur associé à une machine à vapeur qui porte de l’eau à ébullition.

1912  : Frank Shuman construit un système parabolique suivant le soleil de 45 kW près du Caire.

1985  : La compagnie américano-israélienne Luz International commence à construire des centrales utilisant le concept cylindro-parabolique dans le désert californien. Les 9 centrales privées totalisent en 1991 une puissance installée de 354 MW.

2008  : Andasol, la plus puissante centrale solaire cylindro-parabolique thermodynamique d'Europe à l'époque, est inaugurée près de Guadix en Andalousie (Espagne). Elle a alors une capacité de 50 MW.

2016 : Inauguration de la centrale Noor 1 à Ouarzazate (160 MW) au Maroc , première étape vers un parc solaire thermodynamique de 500 MW à l'horizon 2018.

Opportunités et technologies d’avenir

Les professionnels du programme Solar Paces de l’AIE et de Greenpeace international, estiment avec optimisme que les installations d’énergie solaire thermodynamique pourraient atteindre une capacité installée de près de 37 GW en 2025 (susceptible de produire 95,8 TWh) et même 600 à 800 GW en 2040.

• Les technologies de référence

Les centrales à miroirs cylindro-paraboliques sont aujourd’hui les technologies les plus anciennes et matures du secteur, constituant 95% des capacités thermodynamiques installées. Si ces technologies bénéficient d’un retour d’expérience, ces systèmes ne sont probablement pas les installations compétitives de demain, dans un marché sans subventions. Les tours solaires et les centrales à miroirs de Fresnel sont actuellement en phase d’expérimentation pré-industrielle. Les tours solaires représentent déjà 1/3 des projets annoncés.

• Une technologie encore au stade de la recherche : les centrales sans focalisation

Les centrales solaires thermiques sans focalisation du rayonnement direct sont une variante technique encore au stade de la recherche. Ces centrales à « effet de cheminée » utilisent le rayonnement solaire pour réchauffer l’air sous une grande surface couverte d'un toit. En s’échappant par la cheminée, le courant d'air permet d'entraîner une ou plusieurs turbines éoliennes et le générateur qui y est connecté.

Concrètement

Nevada Solar One est une centrale à concentration cylindro-parabolique d’ une puissance crête de 64 MW qui a coûté environ 220 millions d’euros. Elle est composée de 182 000 miroirs et 18 240 tubes absorbeurs. Cette centrale d’une surface de 162 hectares alimente l’équivalent de 14 000 foyers américains en électricité.

Le saviez-vous ?

Chaque km 2  de désert reçoit annuellement une énergie solaire équivalente à l’énergie contenue dans 1,5 million de barils de pétrole ( 4 ) .

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Qu’est-ce qu’une tour solaire ?

Une tour solaire est un moyen respectueux de l’environnement de produire de l’électricité en exploitant le différentiel de température entre l’air au niveau du sol et l’air à une altitude significative. L’un des modèles qui doit être construit en Australie dès 2006 mesure un kilomètre de haut et produirait autant d’énergie qu’un petit réacteur nucléaire. Une conception de preuve de concept en Espagne mesure 195 mètres de haut et a pu produire jusqu’à 50 kW de puissance.

À la base d’une tour solaire se trouve un capteur solaire – une immense jupe circulaire transparente (environ 25,000 100 acres ou 24 kilomètres carrés) en plastique qui crée un effet de serre et chauffe l’air emprisonné dans la jupe. La tour solaire est creuse, comme une cheminée, et extrait l’énergie de l’air chaud qui monte rapidement au sommet de la tour à l’aide de turbines. Plus la tour est haute, plus l’énergie est extraite. La tour fonctionne XNUMX heures sur XNUMX car le sol sous la tour retient la chaleur absorbée pendant la journée et continue de la restituer la nuit.

La tour solaire australienne devrait coûter environ 500 millions de dollars et serait la plus haute structure artificielle au monde, presque deux fois la taille de la tour CN de Toronto. Sa construction serait entreprise par EnviroMission Limited, basée à Melbourne, avec le soutien du gouvernement australien. On estime que la tour produirait 200 mégawatts, suffisamment d’électricité pour alimenter 200,000 80 foyers, et empêcherait près d’un million de tonnes de gaz à effet de serre de l’atmosphère chaque année. Une tour solaire serait un point de repère massif, visible jusqu’à 15 milles de distance. Son fonctionnement ne nécessite qu’un effectif de XNUMX techniciens.

La tour solaire est peut-être l’alternative proposée la plus impressionnante aux combustibles fossiles ou à l’énergie nucléaire. Ce serait une mesure palliative idéale pour fournir à la race humaine de l’énergie bon marché jusqu’à ce que nous développions l’énergie de fusion, améliorions la fission, trouvions un moyen de déployer de grands réseaux de panneaux solaires, ou trouvions une idée encore meilleure pour nous fournir l’énergie nous avons envie.

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Tour solaire à vortex: fonctionnement

Econologie.com » Les énergies renouvelables » Tour solaire à vortex: fonctionnement

La tour solaire à dépression: aspects scientifiques et techniques par François MAUGIS, Association Energie Environnement. (d’après les éléments fournis par la société SUMATEL )

1. Introduction

Le principe de fonctionnement de la tour à dépression du professeur français Edgard NAZARE qu’il avait baptisé « tour à vortex » ou « centrale aérothermique » (à rapprocher de l’ « Atmospheric Vortex Engine » de l’ingénieur canadien Louis MICHAUD), peut être abordé sous deux angles différents : l’approche « thermodynamique » ou l’approche « mécanique des fluides ».

1.1. L’approche thermodynamique (principe de Carnot)

On part du fait que la différence de température entre les couches hautes et basses de l’atmosphère, induit un rendement du cycle (quelques %) qui est appliqué à une quantité de chaleur évacuée par la tour en fonction de sa dimension et de la vitesse ascensionnelle de l’air. Cela donne globalement la puissance mécanique récupérable. Bien sûr des séries de paramètres modifient ces calculs, mais la ligne directrice est là. NAZARE conclu donc en disant que si l’équilibre archimédien est à une altitude donnée, il y a une température d’état.

La différence entre la température de l’air au niveau du sol (à l’entrée dans la tour) et la température de l’air en altitude, au niveau d’équilibre (au sommet du phénomène tourbillonnaire) constitue donc le cycle de Carnot.

1.2. L’approche « mécaniques des fluides » (équation de Bernoulli)

On part du fait que l’atmosphère depuis le sol, a une courbe d’état (température et humidité) qui induit ou non une cellule convective (nuage). La tour n’est présente que pour transformer la cellule convective en phénomène tourbillonnaire. Dans la nature, ce tourbillon ne peut s’établir que dans des conditions précises. Si ces conditions précises ne sont pas remplies, nous n’avons que des « bulles convectives » désordonnées. C’est l’équation de Bernoulli associée aux calculs de « perte de charge et couches limites » qui donne la puissance mécanique du système en fonction de la courbe d’état de l’atmosphère.

1.3. Résultats de ces deux approches

La société SUMATEL ( evoquée dans ce document ) a travaillé avec le professeur NAZARE sur la démarche « Carnot » durant des années. Elle travailla ensuite sur la démarche « mécanique des fluides » avec courbe d’état de l’atmosphère . Dans les deux cas elle a obtenu des résultats de puissance mécanique, très proches. En confirmant la réalité des premières hypothèses, cette cohérence des résultats a conforté l’entreprise SUMATEL dans la poursuite du projet et des efforts de recherche développement.

2. Mode de fonctionnement

C’est la différence de température entre l’air en altitude (sommet du tuba atmosphérique) et l’air à la base de la tour, qui fait fonctionner le système. Ce n’est pas, comme cela a été dit quelquefois par erreur, la différence de température entre la base et le sommet de la tour réelle.

La tour à vortex exploite « une bulle thermique naturelle » et donc la différence entre la densité de l’air entrant à la base de la tour et la densité de l’air au sommet du tuba. La mise en rotation de cette masse d’air permet de constituer une cheminée « fictive » (le tuba ou colonne d’air en rotation) de hauteur bien supérieure à celle de la tour (cheminée réelle), qui isole le phénomène de la loi « altitude-pression-température » et induit donc une altitude d’équilibre.

La puissance de la tour (mécanqiue des fludies Bernoulli) est fonction uniquement du produit : « différence de densité par hauteur du tuba ».

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C’est la différence de température entre l’air au sol et l’air au sommet du tuba qui détermine la vitesse ascensionnelle de l’air.

Les calculs de NAZARE, ceux de SUMATEL, aussi bien que ceux confiés à « XJunior » et « Mathématiques Partenaire », confirment bien que les règles générales citées plus haut sont respectées. La tour à vortex fonctionne comme un phénomène atmosphérique naturel et répond aux mêmes règles et aux mêmes lois mathématiques que celles appliquées à ces phénomènes.

A ce jour, voici ce qui a pu être démontré :

• le phénomène peut s’amorcer seul ou artificiellement
• le phénomène peut s’auto-entretenir
• le phénomène remonte dans l’atmosphère
• le sens de rotation importe peu (Coriolis quasi nul)
• Une masse d’air importante permet la stabilité et la puissance du phénomène et la hauteur du tuba
• Seule la courbe d’état de l’atmosphère (température-humidité) et les courbes des adiabatiques et pseudo-adiabatiques règlent le phénomène
• Le phénomène produit une puissance mécanique importante dont une partie seulement peut être exploitée (sous peine d’étouffement)
• le phénomène produit de l’eau de condensation dans la tour, mais en faible quantité (écoulement diphasique)
• le phénomène produit du froid en grande quantité (inférieur à 0°C dans le vortex à l’intérieur de la tour)
• le phénomène crée des nuages d’altitude (fonction de la courbe d’état de l’atmosphère) et, dans certaines conditions, de la pluie

Les évolutions par rapport au projet initial du professeur Nazare

Les observations indiquées plus haut ont amené la société SUMATEL à modifier la géométrie de la tour en modifiant le rapport entre les deux section de passage de l’air (à la base de la tour et au col du venturi).

Pour Nazare, on devait avoir une section d’entrée d’air dix fois plus importante que la section du col du venturi, SUMATEL à ramené ce rapport à 7.

Pour une tour de 300m qui serait la taille d’un premier prototype opérationnel et réellement démonstratif, le débit d’air serait de 130 tonnes/seconde pour un delta de température (différence de température entre l’entrée d’air à la base de la tour et le sommet du phénomène tourbillonnaire) de 30°C et un taux d’humidité de 85%. Dans ce cas de figure, la puissance mécanique exploitable serait de 250MW, la vitesse de l’air serait de 4m/s à l’entrée de la tour au niveau du sol, et de 200 m/s (note: soit plus de 700 km/h!!) au col du venturi (diamètre 50 m au lieu de 30 calculé par Nazare) pour une inertie de 100 t/s.

Compte tenu de la taille de ces tours et des perturbations atmosphériques engendrées localement, (nébulosité, pluie ou bruine, refroidissement de l’air sur 2 à 3 km autour de la tour) il va de soi, comme l’indiquait Nazare, qu’elles seront implantées loin des agglomérations, et bien entendu, dans des régions chaudes.

En savoir plus:

– Informations sur les travaux de SUMATEL – Télécharger des rapports et fichiers sur les tours solaires – Coordonnées de l’Association Energie Environnement:

Association Energie Environnement 7 route de Fontaine Chaalis 60300 MONTLOGNON [email protected]

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Qu’est-ce qu’une centrale solaire thermique ?

Une centrale solaire thermique permet de produire de l’électricité grâce aux rayons du soleil. Utilisant des miroirs, elle concentre la chaleur du soleil afin de générer une énergie propre et renouvelable. Surtout utilisé aux États-Unis, ce type de centrale thermique connaît un développement important dans notre pays, notamment grâce à la baisse des prix des panneaux solaires. Faisons un point sur son fonctionnement, ses avantages et ses inconvénients.

Le fonctionnement d’une centrale solaire thermique

Une centrale solaire thermique est aussi appelée centrale solaire thermodynamique à concentration. Elle se compose de quatre éléments principaux : les miroirs, la chaudière, la turbine et l’alternateur.

Les miroirs tout d’abord sont la partie la plus visible d’une centrale solaire thermique. Ces derniers concentrent le rayonnement solaire afin de générer de très hautes températures. Elles peuvent s’élever de 400°C à 1000°C, selon le type de centrale. 

Le générateur de vapeur, ou chaudière thermique, va ensuite transformer l’eau en vapeur d’eau, grâce à la chaleur obtenue à partir des miroirs. Ce processus thermodynamique va ainsi utiliser le fluide caloporteur, ici l’eau, pour convertir la chaleur des miroirs en électricité. 

Afin de générer un courant électrique, la vapeur d’eau produite par la chaudière va entraîner la turbine, 3e partie essentielle de l’installation. Cette turbine fonctionne grâce à la vapeur sous pression et va, de ce fait, alimenter l’alternateur en sortie de la centrale solaire.

L’alternateur va quant à lui produire le courant alternatif. Ce courant électrique va ensuite être envoyé vers le transformateur qui va ajuster la tension. C’est ensuite que l’ énergie solaire thermique va être transportée grâce aux lignes à très haute et haute tension.

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Les différents types de centrales solaires et leur fonctionnement

Sur la planète, les rayons solaires ne sont pas focalisés de la même façon. Ainsi, afin de s’adapter à la focalisation des rayons, il existe plusieurs types de centrales solaires , réparties en deux catégories.

Les centrales solaires avec un système de concentration linéaire

Dans ce cas, le rayonnement solaire se concentre sur plusieurs tubes absorbeurs qui sont placés sur la ligne focale des miroirs. Ici, le fluide caloporteur contenu dans les tubes peut atteindre les 500°C. Les centrales solaires utilisant ce système de concentration sont réparties en deux groupes.  

Les centrales solaires à miroirs cylindro-paraboliques sont les plus utilisées à travers le monde. Le tube absorbeur emmagasine un maximum d’énergie solaire et fait chauffer le fluide jusqu’à 500°C. Ici, les miroirs cylindro-paraboliques suivent le mouvement du soleil, pour un maximum d’efficacité.  

Les centrales solaires à miroirs de Fresnel disposent quant à elles de miroirs incurvés qui sont installés horizontalement et bougent afin de suivre les rayons.

Les centrales solaires avec un système de concentration de foyer

Ici, il existe un unique foyer où le rayonnement solaire va être concentré. Les températures peuvent monter jusqu’à 1000°C. Il existe deux sortes de centrales solaires utilisant ce système.

Les centrales solaires à tour, tout d’abord. Elles se caractérisent par des champs de miroirs qui sont placés au sol. Orientables, les miroirs suivent la course du soleil et renvoient les rayons solaires vers la chaudière thermique qui est située en haut d’une tour.

Les centrales solaires à miroir parabolique Dish-Stirling disposent quant à elles de paraboles qui concentrent le rayonnement solaire vers le point focal du foyer. Ce processus va conduire à actionner le moteur Dish-Stirling afin de générer de l’électricité. Une centrale solaire peut aussi utiliser des panneaux photovoltaïques. Ces derniers utilisent des photopiles ou cellules photovoltaïques afin de transformer l’énergie lumineuse en un courant électrique. 

Les avantages de la centrale solaire

Utilisant une ressource inépuisable, le soleil, les centrales solaires offrent plus d’un avantage. Le type de ressource énergétique utilisé est de loin le plus gros avantage de ces installations.

En plus d’être renouvelable, cette source d’énergie n’émet aucun effet de serre, responsable du réchauffement climatique . Elle est donc propre, autrement dit c’est une énergie verte. Non polluantes, les centrales solaires ont donc un avenir prometteur devant elles, dans notre pays et partout dans le monde.

Un autre avantage des centrales solaires est leur rendement énergétique. Le rendement élevé d’un panneau solaire permet de produire de grandes quantités d’énergie et donc d’électricité. Cette électricité peut être réinjectée sur le réseau et revendue via une OA solaire ou autoconsommée.

Les inconvénients de ce type de centrale

Toutefois, les centrales solaires peuvent aussi avoir des désavantages. Le premier est bien entendu son emplacement. La corrélation entre le soleil et le rendement est forte. Ainsi, les centrales ne peuvent être véritablement rentables que dans des zones géographiques où l’ensoleillement est généreux. C’est pour cela que leur utilisation est importante aux États-Unis ou encore au Mexique.  

La durée de vie d’un panneau solaire est relativement basse, environ 30 ans. Cela fait résulter un inconvénient supplémentaire : plus le miroir est vieillissant, moins il est productif.  

Autre inconvénient, le recyclage des miroirs pose un réel problème. En effet, les matériaux dits toxiques utilisés pour la fabrication des panneaux solaires ne sont, à ce jour, pas recyclables. On peut espérer que les géants des filiales solaires trouvent une solution dans l’avenir afin de profiter au maximum des avantages de cette énergie renouvelable.  

Bien que les prix des panneaux solaires soient en baisse, le coût des installations est également un frein dans le développement des centrales solaires.  

Enfin, le procédé intermittent et le stockage réduisent les capacités d’exploitation de l’énergie solaire. Intermittente, l’énergie solaire peut être générée uniquement le jour, lorsque le soleil est présent. La nuit, elle doit être stockée afin de continuer à approvisionner le réseau électrique. 

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Les énergies renouvelables : état des lieux et perspectives

• Introduction
• 1. La place des ENR dans la production d'énergie
• a. Généralités
• b. Le solaire thermique
• c. Le solaire photovoltaïque
• Le solaire thermodynamique à concentration
• Les centrales à tours
• Les centrales à disques paraboliques
• Système à double réflexion : le four solaire d'Odeillo
• Les centrales à capteurs linéaires de Fresnel
• Les centrales à capteurs cylindro-paraboliques

Systèmes thermodynamiques innovants

• La situation en 2011
• Éléments de comparaison des technologies solaires à concentration
• 2.2. L'éolien
• 2.3. La biomasse
• 2.4. Les déchets
• 2.5. L'énergie de l'eau
• 2.6. La géothermie
• 3. Des exemples d'installations ENR en Région Languedoc-Roussillon
• 4. Le point de vue d'Énergie Citoyenne
• Évaluation

La tour solaire : convection de l'air et vent artificiel

Une tour solaire est une centrale à énergie renouvelable, construite de manière à canaliser de l'air chauffé par le soleil. Grâce au phénomène de convection naturelle, l'air chaud léger se déplace vers le haut de la tour, créant ainsi un vent artificiel.

Principe  :

La centrale est composée :

d'une toiture circulaire, ouverte à sa périphérie. Elle forme avec le sol un grand collecteur d'air et favorise la création d'un effet de serre,

d'une grande cheminée centrale avec à sa base, des entrées pour l'air.

Le rayonnement solaire réchauffe le grand volume d'air contenu dans le collecteur. Le gradient de température ainsi créé, entre le haut de la tour et le collecteur, provoque un mouvement ascendant de l'air (l'air chaud est plus léger que l'air froid).

La diminution du diamètre collecteur/colonne, augmente la vitesse d'écoulement de la masse d'air (effet Venturi).

L'air chaud (de moindre densité) se dirige donc vers le haut, la température dans l'atmosphère chutant en moyenne de 1 degré tous les 100 m d'altitude, un courant d'air de 35 à 50 km/h souffle en permanence dans la tour.

La vitesse du vent créé est fonction de la différence de température entre le sommet et la base de la tour. La puissance produite par la tour est fonction de la vitesse du vent au cube.

Fonctionnement en continu : de grands ballasts remplis d'eau sont disposés sur le sol. Le jour, le rayonnement solaire va les chauffer. La nuit, ils libèrent la chaleur diurne emmagasinée.

Intérêt de cette technologie :

Utilisation de l'énergie solaire : renouvelable et non polluant

Production d'électricité : moins chère à surface égale de capteurs photovoltaïques

Protocole de Kyoto : faire chuter, d'ici à 2010, de 5 % des émissions de gaz à effet de serre enregistrées en 1990. La future centrale australienne (voir-ci-dessous) éviterait le rejet de 900 000 t de CO 2 par an

La puissance du vent entrant dans la tour se calcule comme dans le cas d'une éolienne .

La centrale en projet de Buronga (Australie)

La construction d'une centrale de 1000m de haut est prévue en Australie à Buronga. Elle devrait fournir une puissance maximale suffisante pour fournir en électricité 200 000 logements. Son coût estimé est de 670 M$.

Ici de grands ballasts remplis d'eau sont disposés sur le sol. Le jour le rayonnement solaire chauffe les ballasts. La nuit, ils libèrent la chaleur diurne emmagasinée : la centrale peut fonctionner en continu.

Caractéristiques :

Hauteur cheminée : 1 000 m

Diamètre cheminée : 150 m

Diamètre collecteur : 5 km

Surface collecteur : 20 000 000 m²

Vitesse de l'air dans la cheminée : 15 m/s = 54 km/h.

32 turbines.

Puissance max. élec : 200 MW

Complément :

Le site internet de Renaud de Richter www.tour-solaire.com propose un vaste base de donnée concernant le développement des énergies renouvelables à base de cheminées solaires, tours énergétiques, tours à vortex et bien d'autres systèmes de la grande famille des "réacteurs météorologiques". Ce site se positionne comme une base de connaissances de référence spécialisée dans les technologies à "vent artificiel", et se propose de les décrire et d'en expliquer le fonctionnement afin d'essayer d'en promouvoir le développement.

Centrale à vortex

Le principe consiste à pulvériser de l'eau (qui va se vaporiser) en haut d'une tour, ce qui a pour effet de refroidir l'air ambiant. Cet air brusquement plus dense tombe à l'intérieur de la tour. Ce courant d'air peut alors actionner des turbines produisant de l'électricité. La figure ci-dessous présente la tour conçue par Coustou-Alary.

Source : tiré du cours de Master Énergie Solaire de Régis Olives

Source : http://www.sbp.de/en

Source : http://www.enviromission.com.au/

Innovation : une tour solaire pour une énergie verte en continu ?

Voilà une nouvelle technologie qui pourrait avoir son importance sur la voie de la (très) nécessaire neutralité carbone. Début décembre 2023, des chercheurs ont en effet présenté leurs travaux de modélisation d’un nouveau type de tour solaire. Des tours fonctionnant à l’énergie solaire existent en fait déjà. Toutefois, cette innovation, jugée prometteuse, donnerait naissance à une tour à double action capable de produire de l’énergie verte 24 h/24 et 7 j/7. Comment fonctionnerait exactement cette technologie futuriste ? Quels sont encore les obstacles qui se dressent sur la route de sa mise en œuvre commerciale concrète ? Alors que le réchauffement climatique rend l’arrivée de nouvelles solutions climatiques toujours plus urgentes, Choisir.com vous explique tout.

publié le 15/12/2023 à 09h38 | mis à jour le 15/12/2023 à 09h38 | par Johann Sonneck

Des chercheurs présentent une nouvelle technologie : la tour solaire à double action

Alors que la COP28 à Dubaï s’est déroulée sur fond de « déni climatique » , la recherche de solutions pour réduire la dépendance aux énergies fossiles est indispensable. Dans ce but, le recours aux énergies renouvelables est évidemment un levier essentiel à actionner, comme l’ énergie solaire . Les panneaux photovoltaïques sont d’ailleurs de plus en plus nombreux à être installés pour tendre vers une transition climatique toujours plus urgente face au dérèglement climatique.

Autre solution pour capter la puissance du soleil, la construction de tours solaires qui concentrent la chaleur afin de fournir une énergie propre et décarbonée. Certaines existent en réalité déjà dans quelques régions du monde. Cependant, les technologies mises au point jusque-là ne donnent pas réellement satisfaction.

C’est justement dans ce cadre que des scientifiques ont récemment présenté leurs travaux, publiés dans la revue Energy Reports le 5 décembre 2023. Ceux-ci portent sur une nouvelle technologie ayant donné naissance à la modélisation d’une nouvelle tour solaire qui n’en est encore qu’au stade expérimental . Ses auteurs sont des chercheurs des universités :

• d’Al Hussein, en Jordanie ;
• et du Qatar.

En quoi consiste exactement cette innovation ? Il s’agit d’une tour « solaire à double technologie » , appelée également TTSS ( Twin-Technology Solar System en anglais). Les dimensions de cet édifice ont de quoi marquer les esprits, car ce dernier serait absolument gigantesque avec :

• une hauteur de 200 mètres  ;
• un tronc de 13 mètres de diamètre ;
• un collecteur de 250 mètres de diamètre.

Cette tour est conçue pour permettre la rencontre de deux courants opposés  :

• un courant ascendant qui transporte l’air chaud . Cette source de chaleur vient du sol avant de s’élever vers des turbines qui produisent de l’ électricité verte  ;
• un courant descendant qui permet de rafraîchir la structure et la chaleur accumulée sous une chape de plomb. Le moyen utilisé : un système de brumisateur qui force l’air chaud et le reflue vers le bas.

Voilà pourquoi on parle de « tour solaire à double technologie » ou de tour à double action .

Êtes-vous sûr de ne pas payer votre électricité trop cher ?

Des capacités deux fois plus élevées que les technologies existantes, pour une production d’énergie 24 h/24

Les deux courants extrêmes, chauds et froids, se trouvent dans deux tours, elles-mêmes imbriquées dans la tour principale formant la « coquille » de l’édifice. La tour à courant ascendant passe par son centre. En haut, l’air y est chauffé sous un grand toit, dans une vaste zone de collecte conçue dans un matériau de type verrière. Le but : capter et y conserver le plus de chaleur possible.

Les chercheurs jordaniens et qataris ont aussi réfléchi à la meilleure zone d’implantation possible pour favoriser la meilleure efficacité de cette technologie. Sans surprise, cette tour solaire à double technologie serait adaptée à des zones désertiques chaudes et sèches , comme celles du Moyen-Orient par exemple.

Des tests de simulation utilisant les données météorologiques locales ont d’ailleurs déjà été effectués par les scientifiques. Les estimations réalisées vis-à-vis de ce modèle novateur se sont révélées très encourageantes. En effet, les turbines fonctionneraient sans jamais s’interrompre , permettant une production d’électricité de jour comme de nuit . Ainsi, les chiffres de production possible laissent entrevoir de réels espoirs pour l’avenir énergétique. En effet :

• le TTSS permettrait de générer 753 mégawattheures (MWh) d’électricité par an  ;
• ce qui signifierait que ce nouveau système serait capable de multiplier par deux les capacités des tours solaires en fonctionnement aujourd’hui. Le chiffre exact avancé par l’équipe de recherche est une production 2,14 fois supérieure à celle de conceptions similaires standard à courant ascendant uniquement.

Cette innovation est donc la preuve que de multiples solutions sont technologiquement possibles afin de faire fonctionner des turbines et de produire de l’électricité . Dans le domaine de la production énergétique durable et décarbonée , les nouveautés ont d’ailleurs été nombreuses en 2023, avec notamment :

• des travaux menés par l’entreprise Naarea pour mettre au point un nouveau réacteur nucléaire révolutionnaire , utilisant comme combustible les déchets radioactifs des centrales classiques ;
• la mise au point d’une nouvelle technologie de stockage de l’énergie, combinant ciment et noir de carbone , de la part de chercheurs américains du MIT ;
• un projet de développement de l’énergie maréthermique , vue comme l’énergie marine dotée des plus importantes capacités, par une start-up britannique ;
• l’autorisation, en France, des premières recherches d’hydrogène naturel , un gaz neutre en carbone dont certains parlent comme du nouveau pétrole.

Des questions épineuses à régler pour rendre possible la réalisation concrète de la tour solaire

La tour solaire à double technologie pourrait être une solution supplémentaire et une énergie de demain pour réduire le décalage entre l’offre et la demande énergétique. Sa construction à l’échelle commerciale n’est toutefois pas encore prévue dans l’immédiat . La raison : la hauteur vertigineuse de l’édifice :

• nécessaire pour assurer un bon différentiel de température ;
• mais qui implique des coûts en capital très élevés , considérés pour l’instant comme à risque.

Le coût de production de l’électricité qui y serait produite n’a pas non plus été établi. Cela s’explique car cette nouvelle technologie se heurte malgré tout à un problème de taille  : les doutes concernant la possibilité d’ alimentation en eau d’une telle structure. Il n’est effectivement un secret pour personne que cette ressource est plus que limitée dans les zones désertiques . L’équipe de scientifiques a d’ailleurs reconnu l’existence de cette difficulté. Selon eux, l’eau pourrait ne pas être suffisante pour faire fonctionner le système à courant descendant là où le TTSS serait le plus efficace. Autrement dit, dans les zones désertiques sèches.

Si ce projet est prometteur, les questions à régler restent encore essentielles avant de penser à sa mise en place concrète. En attendant, il est déjà possible de souscrire à des offres vertes proposant la fourniture d’ électricité renouvelable . Vous souhaitez justement œuvrer en faveur de la transition énergétique en choisissant un tel contrat ? Pour simplifier vos démarches, pensez à utiliser le Comparateur Énergie de Choisir.com . Outil gratuit, complet et pratique, il vous permettra d’y voir clair rapidement pour réaliser cet acte fort en faveur de l’environnement… comme de votre propre avenir.

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Etude du fonctionnement d'une tour solaire

Résumé du document.

Nous étudions une installation fonctionnant grâce au rayonnement solaire. Cette installation appelée « tour solaire » a fait l'objet de plusieurs projets dont un en Espagne (prototype) et un autre en Australie (étude). Le but est de pouvoir calculer les performances de cette installation et de prédire l'évolution des performances en fonction des paramètres caractéristiques de la tour (surface d'échange, hauteur, qualité du sol, stockage d'énergie…).

• Fonctionnement global de la tour
• Calculs à partir du prototype espagnol
• Transferts entre la vitre (v) et le sol (s)
• Profil de température dans le collecteur
• Résolution du système d'équations
• Phénomène de conduction et stockage dans le sol
• Paramétrage du logiciel
• Influence des caractéristiques de la tour

[...] Puis on rentre les 3 équations correspondant aux 3 bilans. On utilise enfin l'instruction Solve qui permet de résoudre le système de 3 équations à 3 inconnus et qui fournit la solution suivante : Tv 295,8K Ts K . Ce calcul fonctionne avec des coefficients figés, notamment le calcul du débit s K col avec les premiers résultats de l'estimation. On trouve des températures proches de la méthode itérative pour le sol et pour le collecteur ainsi qu'une température plus réaliste pour la vitre. [...]

[...] Etude du fonctionnement d'une tour solaire Figure 1 : Prototype espagnole de Manzanares de 50 kW (1981) Estimation rapide des performances. Equations régissant les phénomènes de transferts de chaleur. Résolution itérative d'un système matriciel. Utilisation du logiciel ESACAP pour un calcul complet. Sommaire Introduction Premiers calculs et paramètres importants Fonctionnement global de la tour Calculs à partir du prototype espagnol Equations traduisant le problème thermique Transferts entre la vitre(v) et le sol(s) Distribution du rayonnement solaire (sol) sur la vitre et sur le sol Bilan thermique sur la vitre Bilan thermique sur le sol Profil de température dans le collecteur Résolution du système d'équations Résolution du problème sous forme matriciel Résolution du système avec un logiciel de calcul formel Phénomène de conduction et stockage dans le sol Utilisation du logiciel ESACAP pour le modèle complet Paramétrage du logiciel Influence des caractéristiques de la tour Première évaluation Influence de la surface du collecteur Influence du sol Conclusion Annexes Résultats sous ESACAP Page 1 Introduction Nous étudions une installation fonctionnant grâce au rayonnement solaire. [...]

[...] A parti des résultats s col obtenus, et ch on peut calculer deux indices de performances col mc p (Text T ) Flux solaire qui sont respectivement le rendement Flux solaire du collecteur et le rendement de la cheminée. Les deux termes de chaque fraction sont d'abord calculés en moyenne, sur une journée (86400 sec). La valeur moyenne du flux solaire reçu par toute la surface est de 13,5 MW (ce qui correspond bien à une densité moyenne de 300 pour une surface de 45000 On choisit Text = 20°C et cp = 1004,5 J/kg/K. Les calculs donnent pour ce cas ηcol = 0,847 et ηch = 0,0054. [...]

[...] On fixe par exemple hext = 15 Il faut ensuite estimer un coefficient hint moyen sur tout le collecteur. Avec la valeur du débit calculé avec l'estimation de la vitesse en sortie de collecteur on peut calculer la vitesse en entrée de collecteur Vecol = 0,52 m/s. On calcul également le nombre de Reynolds en entrée Re e e Vcol Dh = avec Dh = 2e = 4m et ν = Le régime est donc turbulent en entrée. On peut ensuite estimer un nombre de Nusselt à partir de la corrélation adaptée ici (COLBURN ou DITTUS‐BOELTER) : Nu 0.023 Re 0.8 Pr remonte ensuite au coefficient convectif en entrée par hint 3 = 270 avec Pr = 0,71. [...]

[...] On considère aussi une perte de charge au niveau du coude. L'algorithme utilisé s'appelle l'algorithme de Gear, il est dit multi‐pas et très puissant puisqu'il propose une résolution des problèmes thermique et hydraulique de façon itérative et en instationnaire. Enfin le logiciel ESACAP permet de récupérer les valeurs suivantes : le temps (en sec), la température en entrée du collecteur (en la température en entrée de la cheminée (en deux valeurs correspondant à des différences de pressions qui ne nous serviront pas, la température du verre (en les températures du sol en profondeur aux nœuds et 20 (en le débit massique (en les vitesses en entrée et en sortie de collecteur (en la masse volumique en entrée de la cheminée (en kg/m3) et le flux solaire reçu par toute la surface du collecteur (en W). [...]

• Nombre de pages 11 pages
• Langue français
• Format .pdf
• Date de publication 11/11/2013
• Consulté 6 fois
• Date de mise à jour 19/09/2014

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Comment fonctionne une centrale solaire photovoltaïque ?

Elles fleurissent aux quatre coins de l’Hexagone et fournissent une électricité verte et décarbonée en captant l’énergie lumineuse du soleil… Elles, ce sont les centrales solaires, vastes installations dotées de milliers de panneaux photovoltaïques. Mais comment fonctionnent-elles exactement ? Quelles sont les étapes clés à respecter pour les installer ? Nous apportons les réponses aux questions que vous vous posez !

Ces dernières années, la France, engagée dans une démarche de décarbonation, a fortement développé la production d’ électricité photovoltaïque . Selon l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe), la puissance du parc solaire français s’élevait, fin 2021, à 14 GW, l’objectif étant d’atteindre 44 GW en 2028. Ce n’est donc évidemment pas un hasard si les centrales solaires s’installent progressivement sur le territoire. Mais avant qu’elles ne puissent produire de l’électricité verte, le chemin est long, plusieurs étapes venant rythmer le processus. Il est donc naturel de se questionner sur le fonctionnement d’une centrale solaire photovoltaïque.

Et concrètement, comment ça marche ? 

Une centrale solaire fonctionne grâce à des milliers de panneaux photovoltaïques, eux-mêmes composés de cellules photovoltaïques interconnectées. Celles-ci sont des composants électroniques – le plus souvent à base de silicium, un matériau semi-conducteur –, qui captent l’énergie lumineuse du rayonnement solaire. Les photons de la lumière frappent les cellules et transmettent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur. Ces derniers se mettent en mouvement et créent alors un courant électrique continu, collecté par une grille métallique très fine. Ce courant électrique continu est ensuite transformé par un onduleur en courant alternatif, lequel passe alors par un transformateur pour être élevé à la tension du réseau et injecté sur le circuit de distribution.

Le choix de la zone d’implantation

Il ne doit évidemment rien au hasard. Plusieurs typologies de terrain sont compatibles avec une centrale solaire, comme les anciennes décharges ou carrières, les terrains pollués, les friches industrielles, les parkings, les terrains agricoles… l’un des avantages de cette technologie étant qu’elle peut s’adapter aux enjeux de chaque site. Et nul besoin d’être dans le sud de la France pour implanter une centrale solaire : toutes les régions de France disposent d’un ensoleillement suffisant pour produire de l’électricité. 

Bien sûr, il faut tenir compte de certains critères : présence ou non d’un aérodrome à proximité, activités humaines autour et sur le site, zones d’habitation, monuments historiques… La centrale doit par ailleurs se situer à proximité du réseau électrique existant, afin de faciliter son raccordement.

À chaque projet, ENGIE Green porte par ailleurs une grande attention à l’écosystème local et applique le principe ERC – éviter, réduire, compenser. Systématiquement, la nature et l’intérêt écologique sont pris en compte et des études naturalistes sont menées afin d’éviter les zones à enjeux et d’installer la centrale de manière harmonieuse dans l’environnement.

Comment fonctionne une centrale photovoltaïque ?

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Les plus anciennes centrales solaires centrales solaires thermodynamiques à tour sont situées aux États-Unis et en Californie.

Le principe de la centrale à tour

Cœur du dispositif, la haute tour est « alimentée » par des centaines d'héliostats disposés au sol, ici concentriquement. Les miroirs pointent le rayonnement solaire rayonnement solaire sur le capteur capteur placé au sommet et où circule le fluide caloporteur.

Selon un principe commun à tous les systèmes de centrales thermodynamiques, le fluide transfère son énergie énergie à un circuit d'eau qui crée la vapeur permettant d'actionner la turbine (elle aussi située au sommet). Des projets commerciaux existent pour plusieurs dizaines de MW, notamment en Afrique du Sud et en Espagne.

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Le fonctionnement d'une centrale photovoltaïque

Une centrale photovoltaïque est un moyen de production d'électricité industriel qui permet de produire de l'électricité grâce à la lumière du soleil.

1. Le captage des rayons

Les panneaux solaires installés en rangées et reliés entre eux captent la lumière du soleil.

2. La production d'électricité

Sous l'effet de la lumière, le silicium, un matériau conducteur contenu dans chaque cellule, libère des électrons pour créer un courant électrique continu.

3. La transformation du courant

Un onduleur transforme ce courant en courant alternatif pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à moyenne tension du réseau.

4. L'utilisation de l'électricité

L'électricité est consommée par les appareils électriques. Si l'installation n'est pas raccordée au réseau (site isolé), elle peut être stockée dans des batteries. Sinon, tout ou partie de la production peut être réinjectée dans le réseau, EDF ayant obligation de rachat de cette électricité. Lorsque la production photovoltaïque est insuffisante, le réseau fournit l’électricité nécessaire.

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