Cheminées solaires : solution énergétique viable ou beaucoup d’air chaud ?

Nous considérons que l’énergie que nous produisons provient de tous ces différents types de sources. Pétrole, gaz, charbon, nucléaire, éolien… tellement variés ! Et pourtant, ils se résument tous fondamentalement au déplacement d’un gaz dans une turbine pour faire tourner un générateur et produire du jus. Même certaines centrales solaires fonctionnaient de cette façon, utilisant l'énergie du soleil pour chauffer l'eau et la transformer en vapeur afin de faire tourner certaines pales et de maintenir les lumières allumées.

Une tour solaire à courant ascendant fonctionne également selon ces principes de base, mais dans une configuration plutôt unique. Ce n'est pas depuis l'aube de l'ère industrielle que l'humanité a construit beaucoup de grandes cheminées, et si cette technologie a du sens, nous pourrions être à nouveau obligés. Voyons comment cela fonctionne et si cela en vaut la peine, ou si ce n'est qu'un tas d'air chaud.

Tu me fais tourner tout droit, bébé, tout droit

Le concept d’une tour solaire à courant ascendant est relativement simple à comprendre. L’idée est de créer une grande structure de type serre entourant une haute cheminée verticale. Lorsque l’énergie solaire traverse la vitre de la serre, elle chauffe l’air intérieur ainsi que le sol et d’autres contenus. Étant donné que la serre n’est, dans l’ensemble, pas complètement ouverte sur l’atmosphère, la chaleur ne peut pas s’évacuer facilement par convection et l’air à l’intérieur a donc tendance à devenir plus chaud que la température ambiante. Autrement dit, à l'exception de la cheminée. À mesure que l'air sous la serre se réchauffe, il devient moins dense et, par conséquent, en raison des forces de flottabilité, il souhaite voyager vers le haut et la seule issue est de passer par la cheminée. Il est ainsi possible d'installer des turbines à la base de la cheminée pour capter l'énergie de cet air lors de sa montée et de sa sortie de la tour.

Au-delà de la simple production d’électricité, la tour solaire ascendante offre également un certain potentiel de stockage d’énergie, un peu comme un barrage hydroélectrique. Le soleil peut être utilisé pour chauffer l’air sous la serre, mais il n’est pas nécessaire que cet air passe immédiatement par la cheminée. Il peut être stocké pendant un certain temps avant de passer dans les turbines et dans la pile. Certains concepts proposent d'améliorer encore la capacité de stockage en ajoutant de grands réservoirs d'eau comme puits thermiques sous la serre. Cependant, comme tout stockage thermique, il est limité dans le temps, car l'air de la serre commence à perdre de l'énergie lorsque le soleil se couche et que la température ambiante baisse.

Une ingénierie simple nous indique que la puissance potentielle dépend principalement de la quantité d’air chaud dont vous disposez pour faire tourner la turbine et de la quantité d’air chaud dont vous disposez pour la faire bouger. Ainsi, une plus grande surface de collecteur de serre aura un plus grand potentiel de puissance. Il en sera de même pour une cheminée plus haute, qui créera une plus grande différence de pression entre l’air chaud au niveau du sol et l’air ambiant plus frais au sommet. Comme vous pouvez l'imaginer, il n'y a pas une énorme quantité d'énergie emmagasinée dans l'air qui vient d'être s'est un peu réchauffé par le soleil. Ainsi, pour obtenir un rendement significatif, il faudrait un énorme collecteur et une énorme cheminée. Si vous vous interrogez sur l'échelle, envisagez des cheminées de plusieurs centaines de mètres de haut et des serres mesurées en kilomètres carrés.

Comme un guide, un projet proposé en Australie occidentale promis de produire 200 MW d’électricité. Le compromis? Il s'agissait d'une tour de 1 km de haut et d'un collecteur de 10 km de diamètre, dont la construction a coûté 1.67 milliard de dollars. L'équipe d'ingénierie à l'origine de l'idée, Schlaich Bergermann et Partner, a noté que les tours solaires à courant ascendant n'avaient vraiment de sens qu'à ces échelles massives. Les petites installations ne sont pas compétitives par rapport aux panneaux solaires photovoltaïques, mais les plus grandes peuvent l'être. Les grandes installations produisent suffisamment d’énergie pour compenser les énormes coûts de construction, et la maintenance continue est peu coûteuse, car elle consiste simplement à maintenir les turbines et le générateur opérationnels. Il n'y a pas de panneaux sales à nettoyer, par exemple.

Dans l’ensemble, les tours solaires à courant ascendant sont restées largement conceptuelles, avec peu de projets concrets construits. Le meilleur exemple d’une véritable tour à courant ascendant solaire était un effort à petite échelle construit à Manzanares, au sud de Madrid, en Espagne, en 1982. Il a été construit pour une puissance de 50 kW et devait fonctionner pendant seulement 3 ans. Il a finalement fonctionné pendant 7 ans, avant de s'effondrer en 1989 à cause des vents de tempête et des haubans corrodés qui soutenaient la tour de 194 mètres. La cheminée a été associée à un collecteur de 244 mètres de diamètre, utilisant une combinaison de membranes de verre et de plastique pour créer la serre.

Plus récemment, d’autres projets pilotes ont expérimenté cette technologie. Des chercheurs du Botswana ont expérimenté une construction à petite échelle de seulement 22 mètres de hauteur avec un petit collecteur de 15 mètres de diamètre. Depuis, le pays s’est plutôt tourné vers les concepts d’énergie photovoltaïque et solaire concentrée.

Les efforts chinois sont allés un peu plus loin, mais pas de beaucoup. À Jinshawan, un projet de 200 millions de dollars a permis la construction d'une tour solaire sur des terres désertiques retour à 2010. Il combinait la production de courant ascendant solaire avec une porte d’entrée d’air spéciale qui lui permettait également de capter l’énergie des vents dominants. Les grands projets étaient de voir la construction s'étendre en plusieurs phases pour finalement générer 27.5 mégawatts, mais cela n'a jamais été proche. Il n'atteignait que 200 kilowatts et était en proie à des panneaux de verre brisés dans le collecteur de la serre. À l'origine, il était censé avoir une cheminée de 200 mètres de haut, mais la présence d'un aéroport voisin signifiait qu'elle ne pouvait être construite qu'à 50 mètres. Cela limitait considérablement la différence de pression disponible pour aider à générer de l'énergie à partir de l'air chauffé. Le projet s'est poursuivi pour plusieurs années, mais n'a fait que peu d'impression.

Les tours solaires à courant ascendant sont certes un concept intéressant. Ils reposent sur une physique simple et sont faciles à comprendre. Cependant, pour générer une énergie significative, ils ont besoin d’immenses étendues de terrain et de tours incroyablement hautes. Ils posent un grand nombre de défis, dont beaucoup sont simplement liés à la construction et à l’utilisation des sols, et comportent de nombreuses inconnues.

En comparaison, nous avons maintenant appris à coller des panneaux solaires sur chaque surface plane inutilisée et sommes capables de générer d'énormes quantités d'énergie via cette route. Zut, ils sont quittes je les colle sur l'eau maintenant. Peu de gouvernements ou d’entreprises seraient prêts à accepter un projet de production d’électricité illusoire impliquant une construction à grande échelle alors qu’il existe des voies plus faciles à emprunter. Il semble que la technologie ait bien dépassé le point où les cheminées solaires à courant ascendant pourraient être viables, mais qui sait ! Peut-être qu’un jour, quelqu’un avec beaucoup d’argent et un goût pour les mégaprojets pourrait en faire à nouveau une réalité.

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• La source: https://hackaday.com/2024/01/15/solar-chimneys-viable-energy-solution-or-a-lot-of-hot-air/