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Cheminée Solaire Humide (avec étang solaire)

Une cheminée solaire humide combine à la fois une cheminée solaire, le principe de la tour tornade et un étang solaire à gradient de sel (http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_pond), en prenant les avantages de chacun d'eux. Le plus grand avantage provient de l'application de la chaleur solaire à bas prix générée avec l’étang solaire, qui revient beaucoup moins cher que la chaleur solaire produite grâce à la serre de la cheminée solaire. Son inventeur F. Hagg estime que son projet de cheminée solaire humide peut produire de l'électricité pour un coût compris entre 3 et 5 centimes d’€uro/kWh.

http://www.greenidealive.org/110599/466/solar-pond-tower-for-5-ct-kwh.html

Introduction
Le problème d'une tour solaire est que le rendement est faible, malgré une très vaste zone nécessaire au collecteur pour produire de l'énergie, par exemple, une cheminée solaire de 1000 m de haut et d’une puissance de 200 MW nécessite 20 Km² de serre, ce qui constitue l’un des principaux coûts.


Figure 1: cheminée solaire humide avec échangeur de chaleur à tubes tournant lentement dans la couche inférieure chaude de l'étang.

Le problème d'une tour tornade (également inventée par F. Hagg) est que la hauteur est faible, donc en plus d'une pompe, un ventilateur est nécessaire pour faire s’élever l'air pour la production d'eau douce. S'il est intégré dans une cheminée solaire il n’est plus nécessaire de disposer d’un ventilateur et de l'énergie est même produite, de plus aussi bien la cheminée solaire que la tour tornade peuvent utiliser la même tour.
Au lieu d’un capteur solaire d’une surface énorme, une cheminée solaire humide exploite un grand étang ou un lac dont la surface sert de collecteur naturel chauffé par le soleil. Le lac sert également à stocker la chaleur durant la journée pour ensuite l’utiliser pendant la nuit ou lorsque le ciel est couvert. Pour une bonne efficacité la température de l'eau doit être aussi chaude que possible, mais inférieure à 100° C pour éviter l'ébullition au fond du lac. Pour que l’eau atteigne cette température élevée, la couche d’eau chaude doit être isolée, ce qui est naturellement possible si le lac a une forte teneur en sel : c’est ce qu’on dénomme un étang solaire à gradient de sel (http://www.teriin.org/index.php?option=com_content&task=view&id=58). Une eau à forte teneur en sel avec une température élevée peut contenir encore plus de sel que de l’eau froide à saturation, et elle est donc plus lourde. Une couche d’eau moins salée et à une température inférieure permet de réaliser une couche isolante sans convection au dessus de la couche du fond. Donc sous une épaisse couche isolante avec un gradient de concentration en sel et dont le refroidissement par évaporation est possible, la couche du fond du lac sera plus chaude, car n’étant pas soumise au phénomène de convection elle ne se mélange pas et étant chauffée par le soleil elle peut stocker la chaleur pendant plusieurs jours. La température moyenne de la couche du fond de l'étang sera de 60°C et celle de la couche supérieure froide sera de 30° C. Si l’épaisseur de la couche intermédiaire de gradient est de 0,5m, seulement 30 x 0.6/0.5 = 36 W/m² de chaleur sera perdue, ce qui représente une perte de seulement 20% de la chaleur totale fournie par le soleil.
Grâce à ce principe des températures plus hautes, de l’ordre de 90°C ou plus sont possibles.

Pour produire de l'énergie par l'effet cheminée, la tour solaire humide sera alimentée par de l'air chauffé par la couche d'eau chaude de l'étang solaire. C’est le même mécanisme qui avec de l'eau à 30°C est le moteur des ouragans générés au dessus des océans dans les régions tropicales et qui produisent beaucoup d'énergie cinétique et des tempêtes tropicales : imaginez ce qui se passerait si l'eau de la mer était de 90°C ! Grâce à ce mécanisme, la cheminée solaire humide peut aussi fournir de l'eau douce.


Description globale
Une cheminée solaire humide sera donc une tour de refroidissement de type spécifique, située près d’un lac. L'entrée d'air sera chauffée par des roues thermiques hydrophobes qui sont rechauffées par les eaux chaudes de la couche du fond du lac (http://cipco.apogee.net/ces/library/tdew.asp). L'admission de l'air se fait juste au dessus de la surface du lac et l’air sera saturé par la vapeur d’eau à une température de 30°C, qui contient 25 grammes d'eau par kg d'air. Après chauffage, l'air entrant dans la cheminée aura une température de 80°C et aura une masse spécifique de 1 kg/m³. Parce que la masse spécifique de l'air autour de la tour est de 1,2 kg/m³, une différence de pression de (1.2-1) x 9.81 x 1000 = 1962 Pa sera générée si la hauteur de la tour est de 1000 m. L'énergie cinétique générée par cette différence de pression est ensuite transformée en énergie électrique utile par des turbines.
Pour plus de simplicité dans la représentation d'artiste, les turbines axiales figurent dans la gorge d'une tour en forme de tuyère, ce qui semble plutôt esthétique.
Grâce à cette forme des turbines compactes peuvent être utilisées. Cependant parce que le diffuseur / condenseur a une forme de disque, peut-être qu’une turbine radiale serait plus appropriée. D'autres concepts de la tour solaire ont été décrits avec des turbines moins compactes à la base de la tour. Quoi qu’il en soit, pour les développements futurs, il faudrait étudier quel type de turbine et quel type de tour sont les plus appropriés. Pour une cheminée dont la surface de la section ferait 1400m² et qui serait équipée d'une turbine avec 60% d'efficacité, la puissance nette serait de 200 MW.

Afin de minimiser les pertes de pression, la tour sera équipée d'un concentrateur situé devant la turbine et d’un diffuseur placé à l’arrière de la turbine pour rendre possible l'échange de chaleur avec une entrée d'air à faible vitesse causant de faibles pertes de pression. Toujours à la sortie, là où se situe le condenseur, la vitesse de l'air doit également être faible pour éviter des pertes de pression.
A l’arrière de la turbine l'air doit être mélangé à de l'air froid extérieur afin de laisser l'humidité du lac d’origine se condenser dans un diffuseur en forme de venturi qui aspire l'air froid des alentours. À la queue du diffuseur de l’eau distillée valorisable peut être soustraite grâce à un condenseur.

En raison de la gravité, le mélange humidité / air va à sa façon causer une diminution de la pression et refroidir à 73°C. Si le mélange est encore plus refroidi avec l'air froid ambiant, l’inventeur émet l’hypothèse que 10% de l’humidité initiale peut être condensée, ce qui représente 2,5g d’eau/kg d'air, soit environ 120 kg d’eau/s ou 10000 m³/jour, ce qui est beaucoup d'eau potable.





Figure 2: Vue en coupe du sommet de la tour avec 2 des 4 turbines axiales à air, l’admission d'air froid et la condensation pour la capture d'eau douce, les générateurs sont à l’intérieur des turbines.

Pour éviter une perturbation de la couche de gradient entre les couches d'eau chaude et d’eau froide de l'étang, la chaleur sera soustraite par un réseau de tubes, qui aspireront l'eau de la couche supérieure froide à partir du bord de la zone où la Tour Solaire Humide fournit de la chaleur. Les tubes flottent dans la couche d'eau chaude du fond sous la couche de gradient salé du lac et sont maintenus par des flotteurs. Alors que le débit d'eau dans les tubes circule dans la tour grâce à une pompe, il sera chauffé par l'eau chaude de la couche profonde. Pour couvrir tout le réseau de tubes, ils seront mis en rotation lente axialement comme une roue et passeront à travers le bas tout autour de la tour.





Figure 3: réseau de tubes échangeurs de chaleur avec flotteur d’entrée sur l'eau de la couche supérieure de l'étang (photo en mouvement rapide).

Après que la chaleur ait été transférée à l'air entrant grâce aux roues de transfert de chaleur, l'eau est renvoyée par une pompe vers la surface du lac d'où elle retournera vers le bord, ce qui clôt le cycle.





Figure 4: Vue en coupe du bas de la tour avec une turbine à eau douce et les détails de la pompe à eau chaude et des roues thermiques hydrophobes.

Parce que le transfert de chaleur dans l'eau est environ 10 fois plus efficace que dans l'air les roues thermiques doivent tourner pour 7% dans l'eau et pour 70% dans l'air aspiré. Elles doivent être résistantes à la corrosion et hydrophobes pour éviter que la vapeur d’eau s’y dépose, ou le moins possible. Une trop forte évaporation consommerait trop de chaleur et réduirait la performance de la cheminée solaire humide. Pour cette raison, 23% de la roue est utilisée pour éventuellement libérer des gouttelettes peut-être toujours présentes, grâce à la force centrifuge de la roue en rotation. Les roues thermiques provoquent peu de pertes à basse pression, sont compactes pour le transfert de chaleur et plutôt bon marché, donc conviennent bien pour la Tour Solaire Humide. Du fait que normalement les roues thermiques sont utilisés pour le transfert de chaleur air – air, il se pourrait qu’elles ne fonctionnent pas bien pour un transfert de chaleur à partir d'eau à l'air, cela devrait être étudié. S’il n’est pas possible de les utiliser, une autre technique possible serait l'utilisation de Fiwihex (http://www.xs4all.nl/~fiwihex/english/), qui est compact et bon marché aussi.

Parce que de l'eau douce est générée par la tour solaire humide à une hauteur de 1000 m, de l'électricité supplémentaire peut être récupérée grâce à une turbine à eau d'environ 2 MW, ce qui est suffisant pour compenser la consommation de la pompe à eau et des roues thermiques.

La performance de la tour s’améliore au fur et à mesure que la hauteur de la cheminée croit, mais les coûts de construction augmentent également. Dans le tableau ci-dessous sont présentées les performances estimées pour des tours de hauteur croissante avec une section de 1400 m² et dont la superficie du lac serait de 20 km2.

Hauteur Puissance Température au dessus Quantité d’eau douce
m MW °C m³/jour
200 20 77 1500
500 70 73 5000
1000 200 67 10000
1500 360 60 15000
2000 560 54 20000

Avantages
Les avantages de la tour solaire humide par rapport à la tour solaire classique sont les suivants :
• il n’est pas nécessaire de construire une serre géante ;
• il n’est pas nécessaire non plus de prévoir un système de stockage de l'énergie solaire, parce que le lac stocke déjà une quantité énorme d'énergie ;
• de l’eau douce est générée et peut être valorisée.

Les avantages de la tour solaire humide par rapport à la tour tornade sont :
• pas besoin de coûteux ventilateurs ;
• il n’est pas nécessaire de disposer d'un échangeur de chaleur coûteux pour condenser l’eau, parce que la chaleur est échangée in situ par condensation directe par contact et mélange avec l'air ambiant ;
• peut utiliser la même tour déjà disponible pour la tour solaire.

Emplacements ou localisations possibles :
Un endroit de prédilection pour la Tour Solaire Humide est une dépression située dans le dessert, avec une entrée d'eau comme celle de la Mer Morte où la teneur en sel est déjà très élevée. Une dépression est le contraire d'un lac de barrage, mais peut aussi produire de l'électricité si l'eau de mer est fournie et évaporée dans la dépression. Un excellent emplacement serait la dépression de Qattara en Egypte, où le niveau du lac pourrait être d'environ 60m au-dessous du niveau de la mer. A partir de cette différence de niveau avec la mer Méditerranée, de l'énergie peut être produite si un canal ou une canalisation les connecte ensemble. Pour le lac de Qattara un canal ou une conduite d’eau de 56 Km de long devrait être construit à travers les collines de sable. Une étude prévoit que 640 MW d'électricité peuvent être générés. Une autre possibilité consiste à pomper l'eau jusqu'à une colline en hauteur, dans un réservoir intermédiaire, où plus d’énergie solaire pourra être emmagasinée. Puis, dans les périodes de pénurie d'énergie, l’électricité peut être produite avec un facteur de multiplication si l'eau est dirigée à partir du réservoir intermédiaire plus haut vers le lac de dépression.
Avec cette combinaison, dans la même étude il est constaté que jusqu'à 2500 MW d'électricité peuvent être générés. En raison de l'entrée du sel de l'eau méditerranéenne, le lac intermédiaire créé serait rapidement apte à devenir un étang solaire, car il devrait rapidement atteindre la teneur élevée en sel nécessaire et en plus de l'énergie due à la différence de niveau, encore plus d'énergie pourrait être générée par l’installation de tours solaires humides (Solar Pond Towers).


Figure 5: représentation du lac possible dans la dépression de Qattara avec le détail de l'entrée d'eau salée de la Méditerranée par la future usine hydro-électrique.

En sus des lacs dans des dépressions ou des mers, d'autres possibilités sont la fermeture de baies ou de mers intérieures, par une digue. Aussi des lacs artificiels peuvent être utilisés, mais ce sera plus cher, parce que pour éviter les fuites (infiltration d’eau salée dans la nappe phréatique) des liners d’étanchéité posés au fond pourraient être nécessaires.

Estimation des coûts
Une estimation approximative des coûts pour une tour solaire humide de 1000 m de haut est de 600 M€ (les parties les plus chères sont la tour, les turbines et les échangeurs thermiques pour chauffer l’air), donc cela coûtera 60 M€/an. Si le prix de l'eau douce dans le dessert est à 25 €/m³ cela rapportera 10000 * 365 * 25 = 9 M€/an. Alors, pour l'électricité il reste 51 M€/ an. Avec une utilisation de 90% de la capacité 200 * 24 * 365 * 0.9 = 1600GWh d’électricité sera produite à un coût entre 3 et 5 centimes d’€/kWh. C’est si bon marché que cela ne serait pas un problème si la tour solaire humide coûtait 2 fois plus cher que prévu.

Si on les compare avec les 20 Km² de serre servant de capteur solaire d'une tour solaire de 200 MW, dont le coût estimatif est approximativement de 25 €/m², 500 M€ seront économisés si le principe de la tour solaire humide est appliqué. Cela permettrait déjà d'économiser plus de 0,03 €/kWh.

La dépression de Qattara occupe une superficie de 18000 Km², donc 500 tours solaires humides de 200 MW peuvent y être installées, soit 100 GW de puissance électrique, ce qui représente une quantité d'énergie suffisante pour 200 millions de personnes.
Malgré la faible efficacité de conversion de l'énergie solaire qui rayonne sur l'étang en énergie électrique nette, en raison de son bas coût, la tour solaire humide est très attrayante, même par rapport aux sources d'énergie conventionnelles. Bien que plusieurs systèmes de conversion de l’énergie solaire soient plus efficaces, comme les cycles de Rankine qui sont possibles, ils sont plus coûteux et requièrent l’utilisation beaucoup de produits toxiques pour l’environnement comme de l'ammoniaque ou du fréon. Par exemple, l’étang Bet Ha-Arava en Israël d’une superficie de 0,2 km2 produit 5 MW soit 25 MW/Km², soit plus que les 10 MW/Km² de la tour solaire humide, mais la comparaison entre la tour solaire humide, et un étang exploité avec une sorte de cycle de Rankine, monte que le second est moins rentable. Il a besoin d'un gros système de refroidissement pour le côté froid du cycle, ce qui n'est pas le cas pour une tour solaire.

Avec 500 tours solaires humides, la dépression de Qattara produirait également 2000 Mégatonnes d'eau douce par an, ce qui est suffisant pour 50 millions de personnes.

Points critiques :
• Sur les sites ventés, la condensation de vapeur dans le condenseur peut être perturbée ;
• L'air froid aspiré dans le diffuseur peut ne pas être suffisant pour condenser l'humidité dans l'air à la sortie de la tour et ni brume ni eau douce ne pourraient être produites ;
• L'admission de l'air pourrait contenir du sel généré au-dessus du lac, qui pourrait contaminer l'eau douce produite ;
• Des gouttelettes encore présentes dans l'air du côté de la roue thermique servant au transfert de chaleur pourrait aussi contaminer avec du sel l'eau douce ;
• La roue thermique pourrait ne pas bien fonctionner comme un échangeur eau / air ;
• Des dépôts de sel pourraient détériorer l'échangeur de chaleur de l'étang aux tubes.

Le premier problème est résolu si le diffuseur est placé sur un côté de la tour comme un chapeau de cheminée et se ferme automatiquement avec le vent. Puis le vent contribuera à produire un air ambiant plus froid et encore plus d'eau douce pourra être condensée.

Si le deuxième problème se produisait il peut être tenté de prendre l'air à un niveau plus élevé dans le ciel ou si cela n’est pas possible, il est préférable de ne pas produire d'eau douce et d’économiser le condenseur et le refroidisseur. Cela rendrait le prix de kWh environ 15% plus cher, ce qui reste encore rentable.

Si la troisième problème survenait, le cycle de l'eau peut être fermé par l'utilisation de tubes doubles pour eau douce, donc il ne serait pas nécessaire de refluer dans la couche de surface du lac. Cela obligeait à doubler la puissance de la pompe mais c’est encore possible.


Comme déjà mentionné, le quatrième point critique ne posera pas de problème, parce qu'on pourrait alors utiliser à la place des échangeurs Fiwihex légèrement plus onéreux ou d'autres échangeurs de chaleur compacts, avec un circuit fermé pour obtenir l'eau fraîche et propre.

Pour résoudre le cinquième problème, un entretien préventif sera obligatoire à l’aide d’un robot de nettoyage avec un jet d'eau chaude non salée.

Texte de F. HAGG, traduit par RdeR
http://www.greenidealive.org/110599/466/solar-pond-tower-for-5-ct-kwh.html
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