Tour solaire - Définition
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 concept a été inventé par l'ingénieur allemand Jörg Schlaich.
Principe
La tour n'est en fait qu'une cheminée. L'air, sous une serre gigantesque, le " collecteur ", placée tout autour de la cheminée centrale, est chauffé par le Soleil et dirigé vers le haut par convection, le déplacement de l'air permettant à des turbines situées à l'embouchure de la cheminée de produire de l'électricité. Son fonctionnement se base sur un principe simple : l'air chaud étant plus léger que l'air froid, il s'élève.
Les avantages principaux de cette technologie sont : le peu d'entretien nécessaire, une mécanique simple, et la gratuité des rayons du soleil. De plus, comme le sol sous le collecteur, truffé de conduites d'eau, emmagasine de la chaleur le jour pour la redonner la nuit, le système est opérationnel quasiment 24 heures sur 24. La seule difficulté est l'investissement de départ.
Une variante qui consiste à coucher la tour à flanc de montagne est également à l'étude. Le principe reste le même : un vaste collecteur situé au niveau d'une plaine, et un conduit qui débouche en altitude, permettant de tirer profit de la différence de température. 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.
Historique
Depuis la fin de la deuxième guerre mondiale, 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].
L'une des premières représentation d'une tour solaire a été rédigée in 1931 par un auteur Allemand: Hanns Günther.
En France, le militaire français Edgard Nazare qui, sous les ordres du général Suffrin Hébert, travailla longtemps sur les profils d'ailes d'avions au sein du Bureau de recherche aéronautique d'Alger. C'est après avoir mesuré scientifiquement les tourbillons de sables observés au Sahara qu'il déposa à Alger en 1956 un premier brevet sur ce qu'il appelait alors " la tour à dépression ". 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.
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.
Mais ce n'est qu'en 1981 qu'un premier prototype de tour solaire fut construit en Espagne à Manzanares (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 (en Allemagne de l'Ouest). Contrairement aux deux projets précédents exploitant le phénomène de l'ascendance tourbillonnaire (rotational flow wirling system), il s'agissait d'exploiter l'énergie produite par simple effet de cheminée (Single Flow Upwind System). Cette tour mesurait 194 mètres seulement pour une puissance de 50 kW 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. Enfin, c'est le 8 octobre 1985 que le russe George Mamulashvili déposa son brevet N° 1.319.654 pour un projet comparable appelé Vertical Aeorothermal Power Station.
Les projets
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. Il s'agit d'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie alternative : une usine à énergie renouvelable qui fournit 4 fois moins de puissance qu'un petit réacteur nucléaire (200 MW contre 915 MW pour un réacteur à eau pressurisée) tout en étant plus sûre et plus propre.
Le coût d'investissement est d'environ 400 millions d'euros.
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.
La tour solaire fournirait un kilowatt-heure près d'un tiers moins cher que ceux fournis par les panneaux solaires, mais encore cinq fois plus cher que l'électricité au charbon, qui représente 95% de la production en Australie. Des touristes pourraient visiter la tour, afin de réduire encore significativement le prix du kilowatt-heure. La culture de tomates au sein du collecteur est aussi envisagée.
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.
- Énergie produite : 200 mégawatts, 7 fois moins qu'un réacteur nucléaire moderne (Chooz = 1500 MW par réacteur), mais assez pour fournir en électricité environ 200 000 logements.
- 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 aux vues 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 de ce genre 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 espèrent réunir en 2007.
- En complément de cette production énergétique, le projet permettrait également l'installation d'équipements de télécommunication et de surveillance contre les incendies, et devrait revêtir un aspect touristique en prévoyant un accès au public.
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.
Pour une tour de 500 m, par exemple, 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.
Homonymie
Une tour solaire est aussi un instrument scientifique pour examiner le soleil : tour solaire de Meudon.