IA La tour solaire australienne

N° d'ordre : 129-2004
Année 2004 ThÈse présentée devant l'UNIVERSITÉ CLAUDE BERNARD - LYON 1 - FRANCE pour l'obtention du DIPLÔME DE DOCTORAT (arrêté du 25 avril 2002)
présentée et soutenue publiquement le 9 juillet 2004
par M. Denis BONNELLE TITRE : Tour solaire, tour à vaporisation d'eau, et modes de conversion
d'énergie renouvelable apparentés : présentation, critiques et suggestions Directeur de thèse : M. Pierre LANTÉRI
JURY : M. le Professeur Christian JALLUT,
président
M. Paul CHANTREL, ingénieur
M. le Professeur André LALLEMAND, rapporteur
M. le Professeur Pierre LANTÉRI
Mr. Thomas MATHIA, directeur de recherches, rapporteur
M. le Professeur Jacques PERCEBOIS
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_____ RÉSUMÉ en français Sont principalement étudiés : -une tour solaire (un large collecteur
circulaire en verre + une cheminée d'1 km de haut dans laquelle l'air chaud
monte et entraîne des turbines) ; - et une tour à flux descendant d'air sec
refroidi par vaporisation de gouttelettes d'eau. Des publications
concurrentes présentant de graves erreurs de principe affectent la
crédibilité de ces deux projets, pourtant sérieux malgré leur gigantisme. D'autres modes de conversion d'énergie renouvelable sont, de même, peu
étudiés en France, recherchent des processus « pauvres » (rendements,
matériaux, fluides moteurs), avec une production centralisée pour bénéfi-
cier d'économies d'échelle. Dans tous les cas, l'optimisation économique ne fait pas assez varier
ensemble de nombreux paramètres pour déterminer une configuration optimale.
Quelques améliorations techniques de la tour solaire sont proposées, en
particulier pour pouvoir agrandir le collecteur solaire et la tour, et
améliorer le rendement global.
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_____ titre en anglais / title Solar Tower, water spaying Energy Tower, and linked renewable energy
conversion devices :
presentation critics and proposals.
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_____ ABSTRACT Mainly two projects are studied : a solar tower constituted from a wide
circular glass collector and a 1 km high chimney, where hot air flows
upwards and drives some turbines ; and a downwards tower where dry air is
cooled down by the evaporation of sprayed water droplets ("energy tower").
Each of both projects is born by a competent team, but their credibility
is undermined by competitors, whose publications include serious basic
errors. Some other renewable energy conversion devices, which haven't been more
studied in France, have common features : research of "poor" processes
(physical efficiency, materials, operating fluids), but a centralised
production in order to get the benefit of scale economies. In all cases, the economic optimisation doesn't let enough parameters vary
together, and can't determine the optimal configuration. Some technical
improvements are proposed for the solar tower, with the goal to be able to
design a larger solar collector and a higher tower, and boost the global
efficiency. Possible effects on the global biosphere circulations are described, in
order to find the most neutral or beneficent solution, e.g. a combination
of energy towers and bigger towers having many common features with solar
chimneys.
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_____ Disciplines Physique (énergétique) et Économie
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_____ MOTS-CLÉS Énergie renouvelable ; Production d'électricité ; Tour solaire ; Tour à
vaporisation d'eau ; Économies d'échelle ; optimisation économique ;
Circulation atmosphérique et thermohaline ; Dessalement d'eau.
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_____ ADRESSE pour tout contact : Adresse de l'auteur : 79, Cours R. Vitton, 69003 LYON, FRANCE
denis( point )bonnelle( a_r_o_b_a_s_e )normalesup( p o i n t )org " Quand se disputent
La Pluie et le Soleil,
Qui leur dit : "Non, Non, Non" ?
C'est l'arc-en-ciel".
de mon fils Damien, quand il avait 4 ans
peu avant que je m'engage dans ce projet
de recherche. *
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Tour solaire, tour à vaporisation d'eau, et modes de conversion d'énergie renouvelable apparentés : présentation, critiques et suggestions
Le présent document peut être librement copié sans
autorisation particulière. Il suffit d'avoir la gentillesse
d'en citer l'origine.
Les dispositifs techniques qu'il décrit ne peuvent être
brevetés, puisqu'ils ont déjà été publiés :
- certains d'entre eux grâce à mon livre: "Vent artificiel,
Tall is beautiful", Ed. du Cosmogone, Lyon, France, 2003 ;
- tous au travers de la version française de la présente
thèse de doctorat, qui ont été officiellement enregistrés,
et donc copiés et répartis entre les bibliothèques
universitaires françaises ;
- et également dans la version anglaise de cette thèse, que
j'ai envoyée à tous les spécialistes du domaine que je
connais.
Délimitation et présentation du sujet
Si l'on s'intéresse à d'autres modes de conversion d'énergie d'origine
solaire que les plus connus (photovoltaïque, éolien, hydroélectrique, et
dans une certaine mesure les systèmes à concentration par miroirs
concaves), on trouve des domaines de recherche plus "pauvres".
L'un d'entre eux est l'énergie thermique des mers (ETM, conversion de
la différence de température qui existe entre la surface et le fond des
océans, sous forme de production d'électricité et éventuellement de
dessalement d'eau de mer). La France est plutôt leader dans ce domaine, et
le champ de la présente thèse ayant été limité aux secteurs peu connus en
France, l'ETM n'est pas étudiée ici. Elle présente pourtant de nombreux
points communs avec les techniques qui seront examinées :
- utilisation d'une source chaude à assez basse température (d'où un
rendement physique modeste),
- compensation de ce handicap par la valorisation de grandes quantités de
ressources gratuites (surface au sol ou volume de fluides
thermodynamiquement énergétiques), - donc production d'électricité centralisée, favorisée par des économies
d'échelle, - interaction entre les problématiques de la production d'électricité et de
la rareté de l'eau douce,
- l'origine ultime du phénomène se trouve dans la géophysique externe,
considérée comme une machine thermique fonctionnant en dernier ressort
entre une source chaude (le soleil) et une source froide (l'espace
intersidéral), et ayant elle-même des sources chaudes (tout corps chauffé
par le soleil) et froides (les pôles, la haute atmosphère) intermédiaires,
et des échanges convectifs entre ces sources intermédiaires (les mouvements
de l'atmosphère et des océans).
En dépit de ces affinités avec l'ETM, les technologies qui seront
examinées ici n'ont, à ma connaissance, fait l'objet d'aucune publication
universitaire récente par des auteurs francophones.
Et, comme l'ETM qui arrive à approcher le seuil de rentabilité
économique à partir d'une source chaude et d'une source froide dont la très
faible différence de températures semble décourager toute tentative en ce
sens, les techniques présentées ici ont la particularité d'être fondées sur
des concepts a priori déraisonnables :
- celle qui est la plus avancée cumule deux de ces particularités :
elle fonctionne apparemment sans source froide, et un projet de près d'un
demi-milliard d'euros est en route après n'avoir été précédé que d'un seul
prototype, d'une capacité annuelle de production d'énergie électrique
17 000 fois plus faible.
- une autre fonctionne en n'utilisant que de l'air ambiant et de
l'eau, ce qui semble la classer dans la catégorie, propre à attirer les
sarcasmes, des "moteurs à eau". De ce fait, j'ai cru au départ que seuls
des chercheurs assez peu sensibilisés au 2nd principe de la thermodynamique
aient eu le cran de se lancer dans une recherche sur ce sujet, au point que
nous constaterons quelques entorses au 1er principe ! Mais le fond de
l'idée est valable, et d'autres études menées à ce sujet sont très
sérieuses.
- enfin, une troisième de ces techniques repose sur l'idée d'utiliser,
comme isolant thermique, de l'eau ! Et, là encore, ce n'est pas
physiquement erroné, et c'est donc potentiellement intéressant, compte tenu
du faible coût d'un tel matériau.
Ces modes de conversion d'énergie seront tout d'abord présentés à
travers un état descriptif de la recherche publiée à leur sujet, auquel
succédera une parti