Tour solaire (cheminée)

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 coûts 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].

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[16]. Le coût du kilowatt-heure de cette plateforme expérimentale était cinq fois plus élevé qu'une centrale thermique classique.

En décembre 2010, le gouvernement chinois annonce qu'un prototype de 200 kW a été construit en Mongolie, près de Jinshawan[17]. Cependant, selon Patrick Cottam et Rudolf Bergermann, qui ont visité le site, la tour ne fonctionnerait pas bien à la suite d'erreurs de fabrication[16].

Un projet de tour solaire, appelé Projet de Buronga, aurait dû voir le jour en 2010, en Australie. Il a été développé par la société Enviromission. La cheminée devait atteindre 990 mètres de hauteur et 70 mètres de diamètre. La centrale devait fournir 200 mégawatts de puissance électrique, de quoi approvisionner en électricité environ 200 000 logements. Il s'agissait 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 7 fois plus), mais soutient la comparaison. Cependant, ce projet a pris du retard et n'a pas encore vu le jour[18].

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 de la pré-étude 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 diminueraient que de 2 % la vitesse de l'air.

Le coût d'investissement prévu serait d'environ 400 millions d'euros, ce qui correspond à un coût d'investissement de 2 €/W. Par comparaison, un système photovoltaïque en 2008 coûtait environ le triple, tandis que la centrale solaire à héliostats PS10 (11 MW) a coûté en 2008 3,2 €/W, soit 1,6 fois plus. Le kilowatt-heure fourni resterait néanmoins cinq fois plus cher que l'électricité à base de charbon, qui représente 95 % de la production en Australie. Le projet restait donc non rentable au prix 2008 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 disaient réaliste. Les études de faisabilité par le bureau d'ingénieurs allemand SBP, basé à Stuttgart, arrivent à leur terme^[Quand ?]. Cette tour solaire devait être 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 dû commencer en 2010.

En 2006, un autre projet de tour solaire, dont la construction aurait dû commencer en 2010, était annoncé en Espagne dans la localité de Fuente el Fresno, un village de la province de Ciudad Real si le financement avait été trouvé. Les travaux devaient 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 devait dès lors être la plus haute construction 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.

Ce projet, qui a vu le jour en 2014, a été la plus haute tour solaire au monde, avec 137 mètres de hauteur, avant que la tour d'Ashalim en Israël ne vienne battre ce record en 2018. La centrale solaire d'Ivanpah comporte 173 500 miroirs héliostats. Avec une capacité de 392 mégawatts (MW) (377 MW nets) ; sa production annuelle couvre la consommation de 140 000 foyers[19].

En 2018, les Israéliens ont construit la plus haute tour solaire au monde dans le désert du Néguev, au sud d'Israël : la tour d'Ashalim. Elle mesure 250 mètres de haut, soit l'équivalent de 80 étages. Selon Eran Gartner, PDG de Megalim Power Ltd, « la raison pour laquelle notre tour est la plus haute au monde est due, non pas au fait que nous voulons battre des records, mais à cause de la densité du champ solaire. Plus les héliostats sont concentrés, plus la tour doit être élevée pour qu’il n’y ait pas d’interférences entre les rangées de miroirs »[20].

Sa construction a pris 4 ans[21]. La tour est visible à des dizaines de kilomètres à la ronde et ressemble de loin à une immense ampoule.

Au pied de la tour, il y a un champ solaire composé de 50 000 miroirs (héliostats) qui sont répartis sur une surface d'un million de mètres carrés, ce qui équivaut à 400 terrains de football. A l'extrémité de la tour, une immense chaudière recueille les rayons du soleil et convertit l'eau chaude en vapeur pour produire de électricité en faisant tourner une turbine comme dans une centrale électrique classique.

• Capacités de production : 310 mégawatts par jour, de quoi alimenter une ville de 130.000 habitants, soit environ 1% de l‘électricité du pays.
• Coût du projet : environ 500 millions d’euros.

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.

Patrick Nicolas présente sur le site web UMD une tour solaire souple autoporteuse[22], 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 exposée au Tecnolac Solar'event^{[réf. souhaitée]} (voir la vidéo sur le site UMD).

La taille réelle de ce projet pourrait atteindre 2 000 m de hauteur pour un diamètre de 100 m et une serre de base de 5 000 m. La puissance variable est alors de 5 à 250 MW. Cette tour fonctionnerait par vent nul ou faible et viendrait 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 en 2013 par le scientifique anglais Patrick Cottam de l'University College de Londres, en partenariat avec l'entreprise Lindstrand Technologies Ltd[7]^,[8].

• Tour énergétique
• Montagne solaire
• Tirage thermique

• Une tour solaire en Australie Sur le site techno-science.net
• (fr) « Un projet de tour solaire géante en Namibie » (consulté le 28 février 2015) Sur le site enerzine.com
• (fr) Les inventeurs de la tour solaire Sur le site quanthomme.free.fr
• (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) Tour-solaire.fr Fonctionnement de réacteurs météorologiques, vortex, etc.

Michaud LM, « Vortex process for capturing mechanical energy during upward heat-convection in the atmosphere », Applied Energy, vol. 62, n^o 4,‎ 1999, p. 241–251 (DOI 10.1016/S0306-2619(99)00013-6, lire en ligne [PDF])

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