49 Rapport Morgan Lesellin Tour a Vent

Morgan LE SELLIN Stagiaire ARER 2006 Elève 3ème Année EGIM-ECM

Christophe RAT Maître de stage

Directeur de l’ARER

Etude d’opportunité pour une filière de

cheminée solaire à la Réunion Stage Plateforme Recherche et Développement ARER 2006

Ecole Centrale Marseille (ECM) Technopôle de Château-Gombert 38, rue Joliot Curie 13451 MARSEILLE Cedex 20 Tél. : +33 (0)4 91 05 45 45 Fax. : +33 (0)4 91 05 43 80

Agence Régionale de l’Energie

Réunion (ARER) ARER Siège Social - EIE IUT

Adresse : 40 Avenue de Soweto - BP226 - 97456 Saint-Pierre Cedex

ARER MRST - EIE Nord-Est Adresse : 100 route de la Rivière des Pluies -

97 490 Sainte-Clotilde Tél. : 02 62 92 29 21 Fax. : 02 62 97 39 52

Résumé : Le concept de cheminée solaire se développe aujourd’hui sous l’impulsion de plusieurs laboratoires et industries à travers le monde. Conçue pour des déserts arides, plusieurs projets et recherches tentent aujourd’hui de l’adapter à d’autres milieux. Les dimensions restent néanmoins importante étant donné le faible rendement solaire de ce système. La cheminée solaire intégrée en falaise relève aujourd’hui de techniques d’excavation encore coûteuse. Le développement de cette technologie à la Réunion est rendu difficile par la protection des espaces naturels. Cette technologie est cependant propre et durable et son développement reste à venir.

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Remerciement : À l’ensemble du personnel et des stagiaires de l’Agence Régionale de l’Energie Réunion pour leur accueil et leur aide. À tous les professionnels qui m’ont apporté leur connaissance pour la réalisation de ce rapport. Au personnel de l’Ecole Généraliste Ingénieur de Marseille pour les trois années de formation passées parmi eux.

Avec la participation de Météo France

Sommaire : I /I /I /I / Déroulement du stageDéroulement du stageDéroulement du stageDéroulement du stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 3333

A / Présentation synthétique du sujet .......................................................................................3

B / Planning prévisionnel du stage............................................................................................3

II /II /II /II / Contex te énergétique de la RéunionContex te énergétique de la RéunionContex te énergétique de la RéunionContex te énergétique de la Réunion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3333

A / Un contexte marqué par la situation énergétique mondiale et nationale................................3

B / Le contexte particulier de la Réunion...................................................................................3

C / Bilan énergétique de l’île....................................................................................................3

D / Evolution du secteur de l’énergie à la Réunion .....................................................................3

E / Une politique énergétique régionale réunionnaise dans le cadre national ..............................3

F / Conclusion.........................................................................................................................3

III /III /III /III / Présentation de l’ARERPrésentation de l’ARERPrésentation de l’ARERPrésentation de l’ARER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 3333

A / Rôle et activités de l’ARER ..................................................................................................3

B / Organisation ......................................................................................................................3

C / Partenaires........................................................................................................................3

D / Participation aux activités de l’agence .................................................................................3

IV /IV /IV /IV / Description et généralités sur la cheminée solaireDescription et généralités sur la cheminée solaireDescription et généralités sur la cheminée solaireDescription et généralités sur la cheminée solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 3333

A / Introduction .......................................................................................................................3

B / Historique..........................................................................................................................3

C / Description et principe de fonctionnement d’une tour solaire : ..............................................3

D / Description des différents domaines du système : ................................................................3

E / Quelques éléments de calcul…............................................................................................3

V /V /V /V / Modélisation et optimisationModélisation et optimisationModélisation et optimisationModélisation et optimisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 3333

A / Eléments pour un modèle de cheminée solaire ....................................................................3

a. Notion de base sur les radiations solaires........................................................................3

b. Modèle du collecteur ......................................................................................................3

c. Modèle pour la cheminée................................................................................................3

d. Modèle pour la turbine ...................................................................................................3

e. Algorithme ....................................................................................................................3

f. Résultats.......................................................................................................................3

B / Optimisation des turbines ...................................................................................................3

a. Modèle ..........................................................................................................................3

b. Résultats.......................................................................................................................3

C / Conclusion.........................................................................................................................3

VI /VI /VI /VI / Développement d’une filière de cheminée solaireDéveloppement d’une filière de cheminée solaireDéveloppement d’une filière de cheminée solaireDéveloppement d’une filière de cheminée solaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 3333

A / Méthodologie .....................................................................................................................3

B / Technologies .....................................................................................................................3

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C / Besoins et usages ..............................................................................................................3

c. Alimentation du réseau moyenne tension ou haute tension ...............................................3

d. Alimentation d’un site isolé ou d’un site en bout de ligne...................................................3

e. Conclusion.....................................................................................................................3

D / Description du montage de la filière ....................................................................................3

a. Phases étude d’opportunité ............................................................................................3

b. Phases ultérieures .........................................................................................................3

E / Conclusions.......................................................................................................................3

VII /VII /VII /VII / Cas de la cheminée solaire intégrée en falaiseCas de la cheminée solaire intégrée en falaiseCas de la cheminée solaire intégrée en falaiseCas de la cheminée solaire intégrée en falaise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3333

A / Choix technologiques existants ...........................................................................................3

a. La cheminée..................................................................................................................3

b. Le collecteur..................................................................................................................3

c. La ou les turbines ..........................................................................................................3

d. Le stockage de l’énergie et la régulation de la production .................................................3

B / Potentiel Réunionnais.........................................................................................................3

C / Aspect réglementaire .........................................................................................................3

D / Critère financement et coût de l’électricité...........................................................................3

a. Analyse des besoins de financement................................................................................3

b. Rentabilité.....................................................................................................................3

c. Etude du coût de l’électricité...........................................................................................3

E / Récapitulatif des contraintes identifiées ..............................................................................3

F / Conclusion.........................................................................................................................3

VIIVIIVIIVIII /I /I /I / Conclusions et perspectivesConclusions et perspectivesConclusions et perspectivesConclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 3333

A / A la Réunion ......................................................................................................................3

a. Cheminée solaire intégrée en falaise ...............................................................................3

b. Cheminée solaire à la Réunion ........................................................................................3

B / Ailleurs dans le monde .......................................................................................................3

C / Prospective........................................................................................................................3

IX /IX /IX /IX / AnnexesAnnexesAnnexesAnnexes :::: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3333

A / Bibliographie .....................................................................................................................3

B / Webographie......................................................................................................................3

C / Annuaire............................................................................................................................3

D / Notions de base sur les radiations solaires ..........................................................................3

E / Corrélation pour les phénomènes de convection...................................................................3

F / Coefficients de frottement...................................................................................................3

G / Recherches et travaux annexes...........................................................................................3

a. Coefficients de l’énergie grise .........................................................................................3

b. Fiche Ductal...................................................................................................................3

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c. Calque Ilet Gros Galets ...................................................................................................3

d. Calcul des rejets en équivalent CO2 de la production électrique à la Réunion .....................3

e. Outil de calcul comparatif du prix de l’électricité ..............................................................3

I / Déroulement du stage

A / Présentation synthétique du sujet

Encore largement méconnue, cette nouvelle technologie de production d’énergie solaire pourrait apporter dans les années à venir une nouvelle alternative pour la production électrique à partir de l’énergie solaire. Les publications sont plus nombreuses chaque année et plusieurs projets pilotes sont en cours d’étude ou de réalisation.

Dans un contexte énergétique marqué par une solide augmentation de la consommation et une dépendance croissante, le conseil Régional de la Réunion recherche tous les moyens propres à remédier à cette situation. Il a ainsi confié à l’Agence Régionale de l’Energie Réunion (ARER) l’exploration de ce nouveau système de production durable de l’électricité.

Il s’agira donc dans un premier temps de réaliser la veille technologique relative à la cheminée solaire : identifier les modes de fonctionnement de ce système ainsi que les différents acteurs, travaux et projets sur ce sujet dans le monde. Dans un second temps, nous proposerons une démarche afin d’explorer dans les années à venir l’ensemble de la filière afin d’établir si la cheminée solaire aura une place dans le panorama énergétique réunionnais. Pour finir nous tenterons, en accord avec la démarche proposée, de répondre à la demande spécifique de Monsieur le Président du conseil Régional de la Réunion concernant la possibilité d’intégration de la tour en falaise à la Réunion.

Morgan Le Sellin Morgan Le Sellin Morgan Le Sellin Morgan Le Sellin Stagiaire Plate-forme Recherche et Développement

FormationFormationFormationFormation : Elève ingénieur EGIM - Ecole Généraliste d’Ingénieur de Marseille - 3ème année spécialisation en mathématiques appliquées.

Durée du stageDurée du stageDurée du stageDurée du stage : Du 10 avril au 9 septembre 2006 – 5 mois.

Espace Info Energie, Environnement et DEspace Info Energie, Environnement et DEspace Info Energie, Environnement et DEspace Info Energie, Environnement et Développement Durable éveloppement Durable éveloppement Durable éveloppement Durable ---- ARER ARER ARER ARER

MRST Technopôle de St Denis

100 route de la rivière des pluies

97490 Sainte Clotilde

Tél.Tél.Tél.Tél. :02 62 92 29 21

06 92 47 52 16

FaxFaxFaxFax : 02 62 97 39 52

Mail : [email protected]

TuteurTuteurTuteurTuteur :

Christophe RATChristophe RATChristophe RATChristophe RAT Directeur

EIE Ouest à SaintEIE Ouest à SaintEIE Ouest à SaintEIE Ouest à Saint----LeuLeuLeuLeu

Tél.Tél.Tél.Tél. :02 62 49 90 04

FaxFaxFaxFax : 02 62 49 81 29

MailMailMailMail : [email protected]

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B / Planning prévisionnel du stage

Objectifs du stage :

� Rendre un rapport argumenté sur la faisabilité d’une cheminée solaire intégrée en falaise.

� Réaliser un programme sur les actions à engager pour la suite de l’exploration de la filière.

� Trouver et contacter les différents partenaires potentiels.

Le déroulement du stage s’est effectué selon la démarche habituelle de l’agence en 4 phases :

Une première phase de documentation, de recherche des acteurs et de synthèse.

Durée : 35 jours – du lundi 10 avril au mercredi 5 mai 2006.

• Recherches Internet sur les différents projets de tours solaires.

• Recherche des différents articles scientifiques publiés dans les revues spécialisées ou dans les congrès ou séminaires ISES (The International Solar Energy Society).

• Recherches Internet et bibliographique sur le concept d’écoconception et d’énergie grise.

• Recherches Internet et bibliographique sur les différents types de béton et leur caractérisation.

• Recherches Internet sur le stockage hydraulique et hydrogène de l’énergie.

• Recherches Internet sur le réchauffement climatique, l’ Observatoire National sur les Effets du Réchauffement Climatique (ONERC) et Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

• Lecture et analyse des documents trouvés sur Internet et à la Bibliothèque Universitaire Scientifique de St Denis.

• Révision des connaissances en Mécaniques des fluides, Convection libre et Thermodynamique.

• Réalisation d’une première étude physique de la tour solaire.

• Recherches Internet et bibliographique sur le contexte énergétique de la Région Réunion

Une seconde phase d’analyse du sujet et de prise de contact avec les partenaires et acteurs identifié.

Durée : 43 jours – du jeudi 18 mai au lundi 10 juillet 2006.

• Travail de préparation

• Préparation des rencontres avec les différents partenaires potentiels.

• Réalisation d’une présentation du projet et du site retenu en vue de la communication avec les différents partenaires.

• Entretiens de travail avec différents professionnels.

• Contact avec les différents partenaires pour la mise en place ultérieure d’une simulation.

• Etude sur l’intégration paysagère et architecturale du système.

• Analyse de la faisabilité d’une cheminée solaire intégrée en falaise

• Estimation de la quantité d’énergie produite et de la rentabilité de la centrale.

• Recherche d’activités connexes (activités touristiques, industriels, économiques, technoscientifiques, etc.).

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• Recherches d’autres sites géographiques présentant un intérêt pour l’implantation d’une cheminée solaire.

Une troisième phase de propositions d’actions.

Durée : 20 jours – du mardi 11 juillet au lundi 7 août 2006.

• Réalisation d’un programme d’actions pour l’étude d’opportunité du développement d’une filière de cheminée solaire.

• Préparation de la mise en place d’une convention pour la réalisation d’une simulation.

Et d’une dernière phase de rédaction et de rendu.

Durée : 20 jours – du mardi 8 août au vendredi 8 septembre 2006.

• Rédaction du rapport final EGIM et ARER.

• Réalisation d’un poster et d’un diaporama.

• Lettre d’information à l’attention du conseil régional.

• Une diffusion des documents auprès des partenaires effectifs ou potentiels ainsi que du grand public.

II / Contexte énergétique de la Réunion

Sources : Région Réunion, International Energy Agency (IEA)

A / Un contexte marqué par la situation énergétique mondiale et nationale

Plusieurs tendances de fond caractérisent le contexte énergétique mondial et son évolution.

- Apparition de tensions sur les marchés internationaux de l’énergie caractérisées par une hausse du cours des énergies fossiles.

- Prépondérance des produits pétroliers dans le bilan énergétique primaire et augmentation de la part de l’électricité dans le bilan énergétique final.

- Libéralisation des marchés énergétiques.

- Pression croissante du secteur énergétique sur l’environnement local et l’environnement global (gaz à effet de serre, déchets nucléaires, …)

- Potentiels d’amélioration de l’efficacité énergétique très importants (appareils ménagers, éclairage, isolation, …).

- Développement technique avancé de plusieurs filières ENR et de schémas de production énergétique décentralisés (ENR et cogénération).

Face à ces tendances et tout particulièrement au fait qu’un grand nombre de pays dépendent d’un petit nombre pays aux systèmes politiques peu stables, les stratégies nationales tendent à promouvoir l’indépendance énergétique.

B / Le contexte particulier de la Réunion

Les croissances économiques et démographiques de ces 20 dernières années ont pour conséquence une forte augmentation de la demande énergétique et électrique. En effet, cette augmentation est due à l’accroissement du nombre d’habitants allié à un surcroît d’équipement des ménages et du nombre d’industries. La croissance annuelle de la demande énergétique est évaluée entre 6 et 8%. Entre 1980 et 2000, la consommation énergétique a été multipliée par 2,5 tandis que la consommation électrique a quadruplée.

Les centrales hydrauliques, qui couvraient dans les années 80 près de la totalité des besoins électriques, n’ont pu subvenir à l’accélération de la demande de l’île. De nouvelles centrales au pétrole et au charbon (à charbon/bagasse à Bois Rouge, 54 MW et au Gol, 60 MW, et au fuel au Port , 211 MW)sont alors venues suppléer les anciens moyens de production.

La Réunion se situe désormais dans une situation de dépendance énergétique vis-à-vis des ressources externes et fossiles. Cette situation risque à l’avenir de déséquilibrer les rapports économiques d’offre et de demande sur l’île. Le recours aux énergies renouvelables et à une meilleure maîtrise de la demande électrique s’avère donc être d’un enjeu capital pour l’avenir de cette région insulaire.

C / Bilan énergétique de l’île

La consommation en énergie primaire* (CEP) de la Réunion en 2000 est de 838 ktep**. Celle-ci se décompose en 188 ktep pour les ressources locales (hydraulique, bois, bagasse, et solaire thermique) et 666 ktep pour les importations d’hydrocarbures et de charbon (respectivement 502 ktep et 164 ktep). La dépendance envers les énergies fossiles s’élevait donc à environ 79%. A cela s’ajoute en raison de la situation d’insularité, une consommation de 189 ktep par des carburéacteurs.

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La consommation en énergie finale*** (CEF), en 2000, utilisée par les différents secteurs sous forme d’électricité, de carburants, de combustibles ou de chaleur a été estimée à 597 ktep. La CEF se répartissait selon les tableaux ci-dessous (Tab. 1 et Tab. 2). Là encore se confirme le rôle prépondérant des énergies fossiles qui représentent 64% de la CEF (Tab. 1). La consommation est dominée par les transports (50%) suivie de l’industrie (26%) (Tab. 2).

Un aspect notable est la provenance d’origine

électrique de 50 % de la CEF utilisée par les secteurs tertiaire et résidentiel. Ce fait est principalement du à l’utilisation d’électricité pour la production d’eau chaude sanitaire, la cuisson et le chauffage au détriment des énergies renouvelables et locales.

*Energie primaire : ensemble des produits énergétiques non transformés.

**Selon la méthode du contenu énergétique 1 tep = 42 GJ = 11.67 MWh

(http://www.energie.minefi.gouv.fr/energie/politiqu/textes/nouv-meth-bilan.htm).

***Energie finale : énergie livrée au consommateur pour être transformée en énergie utile.

D / Evolution du secteur de l’énergie à la Réunion

• La demandeLa demandeLa demandeLa demande

Les années 90 sont marquées par une croissance de 5% de la CEP (Tab. 3) et de 2,3% de la consommation d’énergie finale (Tab. 4). Le secteur des transports et les secteurs résidentiel et tertiaire sont les principaux moteurs de cette augmentation, eux même soutenus par une démographie en hausse de 20% sur cette période.

• L’offreL’offreL’offreL’offre

La répartition de l’offre des ressources énergétiques primaires a également été totalement bouleversée au cours des décennies 80 et 90.

En ktepEn ktepEn ktepEn ktep EEEEn %n %n %n %

Produits pétroliersProduits pétroliersProduits pétroliersProduits pétroliers 383 64

ElectricitéElectricitéElectricitéElectricité 133 22

BoisBoisBoisBois 24 4

ChaleurChaleurChaleurChaleur 55 9

Solaire thermiqueSolaire thermiqueSolaire thermiqueSolaire thermique 2 0.3

TotalTotalTotalTotal 597 100

Tab. 1 : Répartition de la CEF par sources En ktepEn ktepEn ktepEn ktep En %En %En %En %

IndustrieIndustrieIndustrieIndustrie 156 26

RésidentielRésidentielRésidentielRésidentiel 89 15

TertiaireTertiaireTertiaireTertiaire 48 8

TransportTransportTransportTransport 300 50

AgricultAgricultAgricultAgricultureureureure 4 0.7

TotalTotalTotalTotal 597 100

Tab. 2 : Répartition de la CEF par secteur

1990199019901990 1995199519951995 2000200020002000

CEP CEP CEP CEP (ktep) 504 712 838

Taux de croissance sur 5 ans

Réunion 26% 18%

France 8% 6%

Taux de croissance annuel sur la décennie

Réunion 5%

France 2%

Tab. 3 : Evolution de la CEP 1990-2000

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1990199019901990 1995199519951995 2000200020002000

CEF CEF CEF CEF (ktep) 475 547 597


Réunion 15% 9%

France 3% 7%


Réunion 2,3%

France 1%

Tab. 4 : Evolution de la CEF 1990-2000

En ktep En ktep En ktep En ktep et en %et en %et en %et en %

CharbonCharbonCharbonCharbon Produits Produits Produits Produits pétrolierspétrolierspétrolierspétroliers

HydroHydroHydroHydro----électricitéélectricitéélectricitéélectricité

Autres Autres Autres Autres ENRENRENRENR****

TotalTotalTotalTotal

1981198119811981 0 171 / 50% 32 / 10% 115 / 40% 340

1990199019901990 0 346 / 67% 47 / 10% 120 / 23% 513

1995199519951995 124 / 18% 400 / 57% 52 / 7% 130 / 18% 706

2000200020002000 163 / 20% 487 / 60% 48 / 6% 140 / 14% 838

2003200320032003 230/ 22% 657 / 62% 53 / 5% 122 / 11% 1062

Tab. 6 : Evolution de l’offre énergétique primaire 1981-2003

* Charbon, bois et bagasse

Au bilan énergétique primaire la part des ENR est passée de 50 à 16% (Tab. 6). Ainsi, presque la totalité de l’augmentation des besoins a été satisfaite par l’importation de combustibles fossiles. Cela en raison de l’absence de technologies de substitution dans le domaine des transports et de l’utilisation d’électricité pour subvenir aux besoins thermiques.

En GWh et En GWh et En GWh et En GWh et en %en %en %en %

CharbonCharbonCharbonCharbon Produits Produits Produits Produits pétrolierspétrolierspétrolierspétroliers

HydroHydroHydroHydro----électricitéélectricitéélectricitéélectricité

Autres Autres Autres Autres ENR ENR ENR ENR (Bagasse)(Bagasse)(Bagasse)(Bagasse)

TotalTotalTotalTotal

1981198119811981 0 0 390 / 100% 0 390

1990199019901990 0 326 / 36% 552 / 61% 27 / 3% 905

1995199519951995 270 / 21% 271 / 21% 592 / 46% 158 / 12% 1288

2000200020002000 553 / 31% 334 / 19% 558 / 32% 322 / 18% 1757

2005200520052005 897 / 40% 601 / 26% 510 / 22% 262 / 12% 2270

Tab. 7 : Evolution de l’offre en électricité 1981-2005

Au bilan de la production d’électricité, les ENR sont passées de 100 à 50% (Tab. 7). Cependant, contrairement à l’énergie primaire, la capacité de production électrique à partir des ENR a doublé sur cette période.

1990199019901990 1995199519951995 2000200020002000

Consommation Consommation Consommation Consommation d’électricité d’électricité d’électricité d’électricité ((((GWh)

795 1143 1543


Réunion 43% 35%

France 14% 14,5%


Réunion 6,8%

France 2,6%

Tab. 5 : Evolution de la consommation électrique 1990-2000

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E / Une politique énergétique régionale réunionnaise dans le cadre national

La politique énergétique à longs termes de la France fixe 5 objectifs stratégiques principaux que sont :

- la diminution des émissions de gaz à effet de serre.

- la compétitivité de toute entreprise française.

- la réponse à l'augmentation de la demande prévue dans le PPI.

- l'indépendance énergétique de la France.

- la contribution au développement économique, national et européen.

La France a choisi de donner une plus large place aux actions énergétiques décentralisées par la mise en place des Schémas de Services Collectifs de l'Energie (SSCE) et du Plan National de Lutte contre les Changements Climatiques (PNLCC).

Les politiques développées à l’heure actuelle par l’intermédiaire de la législation sont :

• Politiques Politiques Politiques Politiques NationaleNationaleNationaleNationalessss

PPI (Programmation PluriannuePPI (Programmation PluriannuePPI (Programmation PluriannuePPI (Programmation Pluriannuelllllllleeee d’Investissement) d’Investissement) d’Investissement) d’Investissement) ::::

La loi du 10 février 2000 oblige le gestionnaire du réseau à mettre en place une PPI. Dans le cadre de la préparation de la PPI, La CRADT (Conférence Régionale de l’Aménagement et du Développement du Territoire), co-présidée par le Préfet et le Président du Conseil Régional, est consultée sur la planification des réseaux de transport et de production d’électricité.

La loi du 4 février 1995 pour l’aménagement et le développement du territoire (LOADT ou lLa loi du 4 février 1995 pour l’aménagement et le développement du territoire (LOADT ou lLa loi du 4 février 1995 pour l’aménagement et le développement du territoire (LOADT ou lLa loi du 4 février 1995 pour l’aménagement et le développement du territoire (LOADT ou loi Voynet). oi Voynet). oi Voynet). oi Voynet). La LOADT instaure le Schéma de Services Collectifs de l’Energie dont l’objectif est de faciliter et de valoriser la contribution des collectivités territoriales à la politique nationale de l’énergie et au développement durable du territoire. Pour cela, elle détermine les conditions dans lesquelles il leur est possible de favoriser les actions de maîtrise de l’énergie et d’utilisation des énergies renouvelables.

LOOM LOOM LOOM LOOM (ou Loi d’Orientation pour l’Outre(ou Loi d’Orientation pour l’Outre(ou Loi d’Orientation pour l’Outre(ou Loi d’Orientation pour l’Outre----Mer, du 13 décembre 2000) :Mer, du 13 décembre 2000) :Mer, du 13 décembre 2000) :Mer, du 13 décembre 2000) :

Elle accorde la compétence en matière de MDE* et de ENR* au Conseil Régional, qui élabore et met en oeuvre un Plan Régional des Energies Renouvelables et d’Utilisation Rationnelle de l’Energie, ou PRERURE.

• Politique Politique Politique Politique régionale régionale régionale régionale réunionnaise réunionnaise réunionnaise réunionnaise

La politique énergétique réunionnaise s’inscrit dans un cadre institutionnel cadré par un ensemble de textes législatifs récents décrits précédemment.

Le PRERURE (Plan énergétique Régional pluriannuel de prospection et d’exploitation des Energies Le PRERURE (Plan énergétique Régional pluriannuel de prospection et d’exploitation des Energies Le PRERURE (Plan énergétique Régional pluriannuel de prospection et d’exploitation des Energies Le PRERURE (Plan énergétique Régional pluriannuel de prospection et d’exploitation des Energies Renouvelables et d’Utilisation RationnelleRenouvelables et d’Utilisation RationnelleRenouvelables et d’Utilisation RationnelleRenouvelables et d’Utilisation Rationnelle de l’Energie) de l’Energie) de l’Energie) de l’Energie) ::::

Face à des problèmes énergétiques qui risquent de s’aggraver, il vise à l’amélioration de l’efficacité énergétique et la valorisation des énergies renouvelables disponibles à La Réunion.

F / Conclusion

La Réunion est dépendante plus que n’importe quelle autre région au niveau énergétique. Cela est du à son insularité et sa densité de population. La part de l’électricité due aux combustibles fossiles est en augmentation constante depuis les années 80. Cette tendance devrait se confirmer puisque le nouveau PPI 2006 prévoit l’installation de 280 MW d’ici 2015.

L’objectif d’autonomie électrique horizon 2025 fixé par le PRERURE est donc un défi ambitieux qui nécessitera l’implication de tous les acteurs et le développement de filières technologiques locales.

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III / Présentation de l’ARER

A / Rôle et activités de l’ARER

L'Agence Régionale de l'Energie Réunion (ARER) est une association de loi 1901 à but non lucratif, elle a été créée en décembre 2001. Cette association est présidée par Monsieur Paul Verges, Président du conseil Régional de la Réunion.

Dans le contexte décrit dans le chapitre précédent et au vue de la politique énergétique régionale, l’ARER a pour mission de :

• Déployer des moyens de communications, d’information et de formation sur la MDE et les ENR auprès des différents acteurs que sont les particuliers, les entreprises et les organisations politiques.

• Explorer l’ensemble des connaissances actuelles au niveau de la MDE et des ENR afin d’identifier les voies de développement les plus aptes à répondre aux enjeux réunionnais.

• Apporter un soutien technique et logistique aux les porteurs de projet de l’île en vue de l’intégration des concepts d’efficacité énergétique.

A cette fin l’ARER dispose :

• D’une équipe technique et d’une méthodologie à disposition des porteurs de projet.

• D’un réseau de site démonstratifs.

• De trois Espaces Info Energie (EIE) réparti dans l’île et d’un siège social.

Activités

Les activités ont été regroupées en 6 grandes familles :

• CMO : Conseil à Maître d’Ouvrage

• DMO : Réseau de sites Démonstratifs

• FIL : Filières Technologiques

• PI : Point Info Energie

• EVE : Evènementiel

• OBS : Observatoire des métiers et des Technologies de l’Energie

B / Organisation

L’ARER est répartie sur quatres sites :

• un siège social,

• un pour le secteur Sud,

• un pour le secteur Ouest,

• et un pour le secteur Nord/Est

Chaque site est géré par un référent de secteur.

A la tête de l’agence se trouve le directeur Monsieur Christophe Rat. L’équipe est composée d’un responsable de pour la formation et le marketing, d’un directeur technique et d’un directeur financier et administratif. Les autres activités sont gérées par des chargés de mission ou d’opération.

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C / Partenaires

Les partenaires sont divisés en plusieurs catégories que sont les membres de droit financeur qui contribuent au financement de l’ARER et aux projets mis en place au travers d’une convention annuel,

• La Région Réunion

• Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME)

• Conseil de la Culture de l'Education et de l'Environnement (CCEE)

• Conseil Economique et Social Régional (CESR)

• EDF

• Mairie de Saint Leu

• L'Union Européenne apporte son soutien financier au titre du programme SAVE "Specific Action for Vigourous Economy"

• La CIVIS

• Le Centre Hospitalier de Bellepierre à Saint-Denis

• Mairie de Saint-Paul

• Mairie de Sainte-Suzanne

les membres associés qui participent au financement par l’intermédiaire d’une cotisation annuelle,

• La CIREST

• Le TCO

• La Commune de Petite-Ile

• La Commune de Mamoudzou

• La Commune de Sainte-Marie

• La Commune de Saint-Pierre

• La Commune de Saint-Denis

• La SIDR

• La SAPHIR

• Le Conservatoire Botanique des Mascarins

• La Chambre de Métiers et de l'artisanat

• Sciences Réunion

• L'Association Technopole de La Réunion (ATR)

• Le Centre Communal d'Action Sociale de Saint-Louis

• DIII

• Le Sidelec

Et les membres qualifiés à constituer, exonérés de cotisation.

D / Participation aux activités de l’agence

J’ai pu participer aux différentes activités de l’ARER au travers :

- de la préparation du Salon de la maison.

- de l’organisation des Forum Techniques mensuels.

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- de travaux sur différents dossiers relatifs aux écoles solaires.

- la réalisation de calculs pour l’Observatoire des Energies.

- d’une présence aux différentes réunions de travail avec les membres financeurs et l’équipe ARER sur la mise en place du schéma directeur 2007-2012.

IV / Description et généralités sur la cheminée solaire

A / Introduction

La cheminée solaire est un moyen de production électrique à partir de l’énergie solaire. Elle repose sur l’idée d’utiliser les mouvements de convection naturelle de l’air chauffé par le soleil. Une immense serre appelée « collecteur » contient et guide l’air chauffé par le rayonnement solaire. Cet air chaud, naturellement aspiré par la cheminée, est continûment renouvelé par l’air situé à la périphérie de la serre. Equipé de ballons d’eau qui absorbent la chaleur la journée pour la restituer la nuit, un vent régulier ce met alors en place. L’énergie cinétique de l’air est ensuite prélevée par un système de turbines et de générateurs. Cette simplicité confère des avantages majeurs en termes de coûts de construction, de maintenance, de robustesse, de durée de vie et d’accessibilité aux pays en voie de développement.

Figure Figure Figure Figure 1111 : : : : Principe de fonctionnement d’une cPrincipe de fonctionnement d’une cPrincipe de fonctionnement d’une cPrincipe de fonctionnement d’une cheminée solaireheminée solaireheminée solaireheminée solaire

B / Historique

Le concept de la Tour Solaire fut formalisé en 1968 par Jörg Schlaich ingénieur et chercheur de nationalité allemande. En 1981 et 1982, un prototype, financé par le Ministère Allemand de la Recherche et des Technologies (BMFT)et réalisé par la société d’ingénierie Schlaich Bergermann und Partner (SBP), fut construit à Manzanares (Espagne) et fonctionna jusqu’à son arrêt en 1989. La centrale a pu fournir une puissance de 50 kW en pointe. La turbine a fonctionné 3067h de jour et 244h de nuit (grâce au stockage thermique du sol) en 1987, réalisant ainsi une moyenne de plus de 8h45 par jour. A la suite de cette série d’essai, de nombreuses recherches publiques et privées ont été menées jusqu’à aujourd’hui. A présent, deux consortiums d’entreprises, auxquels participe l’entreprise SBP, ont prévu la réalisation des deux premières Tours Solaires à grande échelle. Les travaux devraient démarrer en 2006 en Australie et en 2007 en Espagne. Parallèlement le bureau d’ingénierie de OTH baptisé Elioth a breveté au début de l’année 2006 le concept de Montagnes Solaires. Fondé sur le même principe, la cheminée est ici remplacée par un conduit qui épouse le relief montagneux.

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C / Description et principe de fonctionnement d’une tour solaire :

• CollecteurCollecteurCollecteurCollecteur

Description :

Le collecteur est composé du sol (D), d’une surface transparente (A) située quelques mètre au-dessus du sol, d’un domaine de circulation de l’air (B), et d’un système de stockage de la chaleur (C) pour un fonctionnement continu jour et nuit.

Fonctionnement :

Celui-ci, ouvert aux deux extrémités, récupère l’énergie solaire incidente en réchauffant et en contenant l’air qui y circule.

L’air est réchauffé par l’absorption du flux solaire, lequel traverse la surface supérieure transparente du collecteur, suivie du transfert et du transport de la chaleur à travers les différents éléments.

L’air circule au sein du collecteur soumis à des phénomènes de convection.

Fonctions :

Vitrage (A) :

• Conduire l’air.

• Conserver la chaleur dans le système.

• Permettre l’entrée du flux solaire.

Air (B) :

• Porter l’énergie (cinétique et thermique).

Système de stockage (C) :

• Capter le rayonnement solaire.

• Stocker la chaleur.

• Transmettre la chaleur

Sol (D) :

• Capter le rayonnement solaire.

• Stocker la chaleur.

• Transmettre la chaleur.


• CheminéeCheminéeCheminéeCheminée ::::

Description :

La cheminée est délimitée par une paroi (E) au centre de laquelle se situe la zone d’écoulement du fluide (F).

Fonctionnement :

Celle-ci crée un appel d’air en sortie collecteur et le potentiel de pression entre le haut et le bas de cette dernière entraîne le fluide dans un mouvement ascendant.

Fonctions :

Paroi (E) :


Air (F) :

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• Porter l’énergie (cinétique).

• TurbineTurbineTurbineTurbine ::::

Description

La turbine (G) est située sur le parcourt de l’écoulement du fluide.

Fonctionnement :

Elle transforme l’énergie cinétique du fluide en énergie mécanique. Celle-ci sera ensuite transformée en énergie électrique par le biais d’un générateur.

Fonctions :

Turbine (G) :

• Récupérer l’énergie.

Figure Figure Figure Figure 2222 : : : : Différentes parties d’une cheminée solaireDifférentes parties d’une cheminée solaireDifférentes parties d’une cheminée solaireDifférentes parties d’une cheminée solaire

D / Description des différents

domaines du système :

• CollecteurCollecteurCollecteurCollecteur

(A) Enveloppe serre:

AAAA1111 Enveloppe simple vitrage :

AAAA2222 Enveloppe double vitrage

AAAA2222’’’’ : Couche de vitrage supérieur.

AAAA2222’’’’’’’’ : Couche d’air.

AAAA2222’’’’’’’’’’’’ : Couche de vitrage inférieur Figure Figure Figure Figure 3333 : partie supérieure du collecteur : partie supérieure du collecteur : partie supérieure du collecteur : partie supérieure du collecteur

Page 20 sur 109

(B)(B)(B)(B) Domaine de déplacement du flux d’air (collecteur)

(C(C(C(C) Ballons de stockages.

C’C’C’C’ : enveloppe supérieur

C’’C’’C’’C’’ : fluide de stockage

C’’’C’’’C’’’C’’’ : enveloppe inférieur

C’’’’C’’’’C’’’’C’’’’ : couche d’air

(D)(D)(D)(D) Sol.

D’D’D’D’ : végétation

D’’D’’D’’D’’ : sol

• CheminéeCheminéeCheminéeCheminée ::::

(E)(E)(E)(E) Paroi :

E’E’E’E’ : enduit éventuel (pour diminuer les pertes).

E’’E’’E’’E’’ : paroi en béton.

EEEE ’’’’’’’’’’’’ : roche (si tour incrustée ou enterrée).

(F)(F)(F)(F) Domaine déplacement de fluide (cheminé).

• TurbineTurbineTurbineTurbine ::::

(G)(G)(G)(G) Turbine.

Point de vue Physique

Figure 4Figure 4Figure 4Figure 4 : partie inférieure du collecteur: partie inférieure du collecteur: partie inférieure du collecteur: partie inférieure du collecteur

• Phénomènes interne à chaque domainePhénomènes interne à chaque domainePhénomènes interne à chaque domainePhénomènes interne à chaque domaine

CollecteurCollecteurCollecteurCollecteur ::::

Vitrage (A) :

• Rayonnement (transmission, absorption, réflexion).

• Transfert de chaleur.

Air (B) :

• Mécanique des fluides (écoulement et convection).

Système de stockage (C) :

• Rayonnement (absorption, réflexion).


Sol (D) :

• Rayonnement (absorption, réflexion).


CheminéeCheminéeCheminéeCheminée ::::

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Paroi (E) :


Air (F) :

• Mécaniques des fluides.

TurbineTurbineTurbineTurbine ::::

Turbine (G) :

• Ecoulement.

• Mécanique.

• Conditions et échanges aux limites de domaines.Conditions et échanges aux limites de domaines.Conditions et échanges aux limites de domaines.Conditions et échanges aux limites de domaines.

Vitrage (A)

(B) Chaleur.

Rayonnement. Fl. coll.(B)

(C)

Chaleur.

Rayonnement. Stock. (C)

(D)

Chaleur.

Rayonnement. Chaleur. Sol (D)

(E) Paroi (E)

(F) Chaleur. Fl. ch. (F)

(G) Matière. Matière Turbine(G)

Ext.

Flux matière entrant.

Perte de chaleur.

Perte de chaleur

Flux Matière Sortant.

Tab. 8 : échanges entre les différents domaines

• Paramètres deParamètres deParamètres deParamètres de l’étude. l’étude. l’étude. l’étude.

Il s’agira d’étudier l’influence des dimensions et des matériaux, qui n’ont pas été fixés par le choix du site, sur l’état du fluide (Pression, température, densité et vitesse) et le rendement énergétique du système (Puissance et énergie de sortie).

Parmi ces paramètres :

Paramètres fixes Paramètres variables

Matériaux Dimensions Matériaux Dimension

Vitrage Surface id. terrain

Vitrage transparent

- Epaisseur

- Proportion simple/double vitrage

Domaine

Fluide Air

Surface id. terrain

-Hauteur en tout point

Sol

- Terre site

- Végétation site ou agricole

Surface id. terrain

Collecteur

Stockage Fluide : Eau - Contenant :

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type plastique

- Fluide : additifs éventuels

Paroi hauteur Type béton Epaisseur

Cheminée Domaine

Fluide Air hauteur Diamètre

Turbine A déterminer A déterminer

Tab. 9 : Résumé des différents paramètres

E / Quelques éléments de calcul…

Notations :

VariablesVariablesVariablesVariables IndicesIndicesIndicesIndices

η : rendement ch. : cheminée

Q& : débit de chaleur coll. : collecteur

A : Surface turb. : turbine

m& : débit massique sol : solaire

E : Energie par unité de surface et de temps tot. : total

pc : capacité calorifique ∆ : différence

ρ : masse volumique s. : sortie

v : vitesse e : entrée

p : pression stat. : statique

P : puissance dyn. : dynamique

H : hauteur f : fluide

T : température U : utile

g : champ de gravité ext. : extérieur

Hypothèses :

H1 : Considérant l’air comme un fluide peu visqueux, nous négligerons par la suite les phénomènes de cisaillement interne et de frottement sur les parois.

Le rendement total de la tour est donné par le produit des rendements attribués à chaque élément, soit :

.... .. turbcollchtot ηηηη = (1)

Les rendements du collecteur et de la ou les turbines données dans les publications spécialisées sont respectivement de 50 à 55% et de 75 à 85% (références : annexes « Bibliographie » et « Présentation Forum Technique du 17/5 »)

� Le collecteurLe collecteurLe collecteurLe collecteur : expression du rendement et de la vitesse du fluide: expression du rendement et de la vitesse du fluide: expression du rendement et de la vitesse du fluide: expression du rendement et de la vitesse du fluide

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Le rendement du collecteur est égal au rapport de la quantité de chaleur accumulée par le fluide par l’énergie solaire incidente.

Scoll

collPA

Q&=η (2)

La chaleur emmagasinée par le fluide est exprimée en fonction de la différence de température entre l’entrée et la sortie du collecteur, et le flux massique de l’air :

TcmQ p ∆= .&& (3)

Avec le débit massique exprimé par rapport à la sortie du collecteur (Fig. 5)

.,.,., collscollscolls Avm ρ=& (4)

Fig. 5 : calcul du débit massique

Le débit de chaleur peut également être exprimé par

collScoll ATEAQ .... ∆−= βα& (5)

Nous déduisons de (3), (4) et (5) l’expression de la vitesse en entrée de la cheminée (également sortie du collecteur)

( ).,.

.

.,.

...

checoll

collS

cheA

ATEv

ρβα ∆−

= (6)

� La cheminéeLa cheminéeLa cheminéeLa cheminée : expression du rendement et d: expression du rendement et d: expression du rendement et d: expression du rendement et de la différence de pression totalee la différence de pression totalee la différence de pression totalee la différence de pression totale

Dans l’hypothèse H1, la différence de pression entre la base et le haut de la cheminée peut être décomposée en la somme d’une pression statique et dynamique :

... dynstattot ppp ∆+∆=∆ (7)

Avec la pression statique entre l’entrée et la sortie de la turbine et la pression dynamique qui donne l’énergie cinétique du fluide.

La puissance est définie par le produit vectoriel :

vFP .= avec ApF .∆= (8)

Soit ici,

... .. chchtotf AvpP ∆= (9)

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En considérant que la totalité de la différence de pression sert à la cinétique du fluide (absence de turbine), nous avons alors :

2

.2

1chf vmP &= (10)

Le rendement de la cheminée est alors exprimée par le rapport de la puissance du fluide sur la quantité de chaleur absorbée dans le collecteur :

Q

P f

ch &=.η (11)

Dans l’hypothèse d’un fluide parfait s’écoulant sans frottement dans la cheminé, la vitesse atteinte par un courant de convection libre est donné par l’équation de Torricelli :

ext

chchT

THgv

∆= .

2

. ..2 (12)

Les expressions (3), (10), (11) et (12), nous donne l’expression suivante du rendement de la cheminée :

.

.

extp

chTc

zg∆=η (13)

Il est à noter que cette expression correspond au rendement d’un cycle de Brayton-Joule composé de deux adiabatiques et deux isentropiques.

Les équations (9), (10) et (12) nous donnent alors la différence de pression totale entre l’entrée et la sortie de la cheminée :

.

... ...ext

chcolltotT

THgp

∆=∆ ρ (14)

� La turbine et le générateurLa turbine et le générateurLa turbine et le générateurLa turbine et le générateur : expression de la puissance utile: expression de la puissance utile: expression de la puissance utile: expression de la puissance utile

En exprimant, en première approximation la différence de pression dynamique dp∆ à l’aide de

l’équation de Bernouilli, nous pouvons alors écrire :

2

.,.,..2

1chechestattot vpp ρ+∆=∆ (15)

La puissance utile, c'est-à-dire absorbée par la turbine, est donnée par (8)

.., .. chchestatU AvpP ∆= (16)

D’où des deux expressions précédentes :

( ).^.

2stattot

C

SchU pppAP ∆−∆∆=ρ

(17)

En dérivant la puissance utile UP en fonction de la différence de pression statique, nous obtenons

alors que cette puissance atteint un maximum pour une valeur de totstat pp ∆=∆3

2

(Remarque : ce fait est discuté dans une récente publication du laboratoire de Sud Afrique par T. W. von Backström et T. P. Fluri, 2006 [36])

La pression totale s’exprimant à l’aide de (9) et (11) par :

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chch

ch

totvA

Qp

&.η

=∆ (18)

Puis avec (2) :

chch

Scollcollch

totvA

PAp ..ηη

=∆ (19)

Donc en introduisant dans (18), on obtient la puissance utile maximum :

ScollchcollU PAP ...3

2 ηη= (20)

Ou encore, en tenant en compte le rendement de la turbine :

...3

2soltotU PP η= (21)

Nous obtenons ainsi une première approximation de la puissance maximale de la cheminée solaire. La puissance utile ne peut donc excéder les deux tiers du produit de la puissance solaire incidente par le rendement totale.

V / Modélisation et optimisation

Dans une première partie, nous présenterons une introduction pour réaliser une simulation de cheminée solaire. Les études de modélisation du système complet ne sont pas les seules permettant d’améliorer la connaissance du système et d’optimiser ses différents éléments. D’autres études existent, notamment concernant l’optimisation de la forme de la cheminée [20] ou la description thermodynamique des pertes [19]. La seconde partie présente le début d’une étude sur l’optimisation des paramètres des turbines d’après la publication de T.W. von Backström et A.J. Gannon, 2004 [30] (une seconde publication traite des paramètres des turbines celle de E. Bilgen et F. Denantes, 2005 [33].

A / Eléments pour un modèle de cheminée solaire

Nous développerons ici un modèle et un algorithme proposé par M.A. dos S. Bernardes et A. Voß, G. Weinrebe (2003 ) [29]. D’autres programmes ont fonctionnés avec de légères différences dans le modèle et l’algorithme. Des variations apparaîtront également selon que l’on veuille déterminer la production annuelle ou la répartition quotidienne. Il est donc impératif avant de se lancer dans une telle simulation de déterminer les objectifs de l’étude. En général il s’agira d’étudier l’influence d’un paramètre ou d’une configuration sur la production.

Cependant tous les modèles publiés sont profondément similaires. Les équations correspondant au fonctionnement de la cheminée et de la turbine sont identiques. De même le modèle utilisé pour le rayonnement solaire est le même. Cette référence se retrouve d’ailleurs dans de nombreuse études sur des systèmes solaires tel que les chauffes eau ou les panneaux photovoltaïques. Seul les modèles utilisés dans la description du collecteur présentent quelques différences. En particulier, les relations de corrélations utilisées pour décrire les transferts thermiques par convection sont systématiquement différents. Les corrélations à employer sont discutées et remises en cause dans une publication de J.P. Pretorius et D.G. Kröger, 2005 [35].

Ce chapitre n’a pas la prétention d’être une méthode complète pour réaliser une simulation de cheminée solaire mais à pour but d’introduire et de présenter l’état de l’art de cette discipline pour quiconque aurait besoin de se lancer dans de tels travaux par la suite. Nous tenons aussi à préciser que plusieurs contacts ont été pris auprès de spécialistes. Mr Calogyne s’est montré particulièrement interesser par ce sujet et semble disposer à réaliser une simulation sur FLUENT dans le but d’estimer le potentiel d’un site donné. Cette simulation ne semble pas poser de problèmes de faisabilité et peut être une bonne opportunité pour une étude de potentiel puisqu’une semaine devrait suffir à la mettre en place. Nous n’avons cependant pas pu obtenir les autorisations liées au problème de licence, principalement en raison des périodes de vacances. Les différentes données climatologique et topographique sont disponible sur la base de donnés MAMANord dans le rapertoire associé à ce stage. Une proposition de convention entre l’ARER et le Laboratoire de Physique du Bâtiment et des Systèmes (LPBS) est également disponible dans ce même répertoire. Cette convention doit être signée par le directeur du laboratoire. Nous tenons également à signaler Mr Bilgen du Département de Génie Mécanique à Montréal s’est montré interessé vis à vis de notre étude. Il a réalisé ces dernières années plusieurs publications sur ce thème [33] [34]. Les coordonnées de ces acteurs sont disponibles en annexe.

a. Notion de base sur les radiations solaires Comme le modèle de la cheminée solaire traite d’énergie solaire, il nécessaire de connaître en premier lieu certains principes fondamentaux de génie énergétique solaire. Le chapitre associé en annexe retrace en un certain nombre de notions. Cette annexe n’a cependant pas la prétention d’être un véritable cours théorique. Des informations plus précise pourront être trouvées en consultant des ouvrages de référence sur le sujet, comme le manuel de Duffie et Beckman (1991) duquel la plupart des équations sont extraites.

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b. Modèle du collecteur Contrairement à ce qu’il pourrait être pensé, il ne s’agit pas ici de résoudre des équations de la mécanique des fluides mais uniquement des problèmes de transfert de chaleur. Toute la difficulté réside principalement dans le choix de coefficients de transfert de chaleur appropriés à chaque domaine.

Le débit du fluide est déterminé au niveau de l’ensemble de la cheminée et de la turbine en fonction de la température obtenue en sortie du collecteur. Le transfert de chaleur dépendant lui-même de la valeur du débit, l’algorithme réalisera donc une boucle jusqu’à la convergence des paramètres.

NotatioNotatioNotatioNotationsnsnsns Re (3)(3)(3)(3) : nombre de Reynolds: nombre de Reynolds: nombre de Reynolds: nombre de Reynolds ( ( ( (----))))

h : coefficient de transfert de chaleur (): coefficient de transfert de chaleur (): coefficient de transfert de chaleur (): coefficient de transfert de chaleur () Ra Ra Ra Ra (4)(4)(4)(4) : nombre de Rayleigh: nombre de Rayleigh: nombre de Rayleigh: nombre de Rayleigh ( ( ( ( ----))))

S : flux de radiation solaire absorbée (): flux de radiation solaire absorbée (): flux de radiation solaire absorbée (): flux de radiation solaire absorbée () UUUU : cœfficient de perte de chaleur: cœfficient de perte de chaleur: cœfficient de perte de chaleur: cœfficient de perte de chaleur (W(W(W(W.m.m.m.m----1111KKKK----1111))))

T : température (K): température (K): température (K): température (K) tttt : temps: temps: temps: temps

L : rayon du collecteur (m): rayon du collecteur (m): rayon du collecteur (m): rayon du collecteur (m) indicesindicesindicesindices

σ : constante de Stephan: constante de Stephan: constante de Stephan: constante de Stephan----Boltzmann (5,67.10Boltzmann (5,67.10Boltzmann (5,67.10Boltzmann (5,67.10----8888W.mW.mW.mW.m----2222KKKK----4444))))

f : fluide: fluide: fluide: fluide

ε : émissivité (: émissivité (: émissivité (: émissivité ( ----)))) e : entrée: entrée: entrée: entrée

k : conductivité thermique (W.m: conductivité thermique (W.m: conductivité thermique (W.m: conductivité thermique (W.m----1111KKKK----1111)))) s : sortie: sortie: sortie: sortie

pc : capacité calorifique à pression constante : capacité calorifique à pression constante : capacité calorifique à pression constante : capacité calorifique à pression constante (J.kg(J.kg(J.kg(J.kg----1111KKKK----1111))))

rrrr : par rayonnement: par rayonnement: par rayonnement: par rayonnement

Nu (1)(1)(1)(1) : nombre de Nusselt (: nombre de Nusselt (: nombre de Nusselt (: nombre de Nusselt ( ----)))) bbbb : par le sol : par le sol : par le sol : par le sol

Pr (2)(2)(2)(2) : nombre de Prandtl: nombre de Prandtl: nombre de Prandtl: nombre de Prandtl ( ( ( ( ----)))) tttt : par le toit: par le toit: par le toit: par le toit

(1) Le nombre de Nusselt Nu représente le rapport de la résistance conductive sur la résistance convective.

k

hLNu =

h - coefficient de convection en W.m-2K-1

L - dimension caractéristique de l'écoulement en m

k - conductivité thermique du fluide en W.m-1K-

1

En pratique, le nombre de Nusselt est une mesure commode du coefficient d’échange de chaleur par convection. (2) Le nombre de Prandtl Pr représente le rapport entre la diffusivité de quantité de mouvement (ou viscosité cinématique) et la diffusivité thermique.

ανµ

==k

c pPr

Cp - la chaleur massique en J.kg-1.K-1

k - la conductivité thermique du fluide en W.m-1.K-1

ν - la viscosité cinématique en m2.s-1

α - la diffusivité thermique en m2.s-1

µ - la viscosité dynamique en N.s.m-2

(3) Le nombre de Reynolds Re caractérise la nature du régime d’un écoulement. Il représente le rapport entre forces d'inertie et forces visqueuses.

νLv f=Re

vf - vitesse du fluide en m.s-1

L - dimension caractéristique de l’écoulement en m

ν - viscosité cinématique du fluide en m2.s-1

(4) le nombre de Rayleigh représente le rapport entre la poussée et le produit de la traînée visqueuse par le taux de diffusion de la chaleur si ce nombre est supérieur au nombre de Rayleigh critique des phénomènes de convection libre auront lieu.

ανβ

.

...3LTg

Ra∆=

ν - viscosité cinématique du fluide en m2.s-1

g – gravité en m.s-2

β - coefficient de dilatation thermique isobare du fluide en K-1

α - diffusivité thermique en m2.s-1

T∆ - différence de température en K

L - dimension caractéristique de l’écoulement en m

Dans ce modèle le vitrage est composé de deux couches et une couche d’eau servant à stocker la chaleur est également comprise. Il s’agit donc ici de décrire le collecteur le plus complexe. La méthode pour déterminer les équations sur un collecteur plus simple est la même, il s’agira uniquement de retirer du système les lignes correspondant aux couches inexistantes.

Chaque surface transmet, réfléchie et absorbe S le rayonnement incident. Un échange de chaleur se met en place entre chaque surface et les surfaces voisines par rayonnement hr et par convection h.

Page 29 sur 109

Fig. 6 et 7 : schéma de principe et schéma équivalent du modèle utilisé

On réalise ensuite des bilans énergétique au niveau de chaque couche. Le système est ici composé de 4 couches de fluides et 5 surfaces les séparant, nous obtenons donc un système de 9 équations. Avec un simple vitrage Cette mise en équation du modèle pris en exemple ci-dessus nous mène au système suivant :

)()()()( 1112112211 srsAvfr TThTThTThTThS −+−=−+−+ (1)

)()( 212111 TThTTh ff −=− (2)

)()()()( 122132322232122 TThTThTThTThS rrff −+−+−=−+ (3)

qTThTTh ff +−=− )()( 324223 (4)

)()()()( 344333532322343 TThTThTThTThS rfrf −+−+−+−= (5)

)()( 436335 TThTTh ff −=− (6)

)()()()( ,4444734433464 swfrf TTUTThTThTThS −+−+−+−= (7)

)()( 548477 TThTTh ff −=− (8)

Page 30 sur 109

)()( ,55548 sbf TTUTTh −=− (9)

Avec la température du fluide T définie comme la moyenne arithmétique entre la température d’entrée et de sortie.

2

)(,, sfef

f

TTT

−=

(10)

Et la chaleur utile

)( ,eff TTq −Γ= (11)

Où

rL

cm p

π&

=Γ (12)

Le système d’équation (1) à (9), complété par (11) est équivalent au système matriciel suivant :

+

Γ−

++

=

+−

−−

−

+++

−−

−−

−−

+++

−−

Γ−−−

−−

+++

−−

+−

−−

+++

sb

sw

ef

CrsAv

f

f

f

f

b

w

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

rs

v

r

TU

TUS

S

T

S

ThThS

T

T

T

T

T

T

T

T

T

U

hh

hh

hh

h

U

h

h

h

hh

hh

hh

hh

h

h

h

h

hh

hh

h

h

hh

h

h

h

h

hh

hh

hh

hh

h

hh

h

,5

,44

3

,2

2

1

5

4

4

3

3

2

2

1

1

8

8

8

8

7

7

7

7

6

43

643

6

6

5

5

435

5

43

32

4

432

43

4

3

323

3

21

32

2

221

2

2

1

1

21121

1

0

0

0

0000000

000000

00000

000000

0000

000000

0000

000000

000000

� coefficients de transfert de chaleurcoefficients de transfert de chaleurcoefficients de transfert de chaleurcoefficients de transfert de chaleur

Page 31 sur 109

Nous abordons ici le point le plus délicat. Il s’agit de déterminer les coefficients de transfert de chaleur adéquat au problème posé. Ceux-ci dépendent généralement de la nature et de la géométrie de l’écoulement.

Le coefficient de perte par le sol est calculé à partir de la formule établie par Ingersoll et al. (Heat Conduction, 1954, The University of Wisconsin Press, New York) :

t

ckU

p

b π

ρ2=

(17)

Les coefficients d’échanges thermiques par rayonnement entre deux plaques sont calculés à partir de la formule d’émission des corps gris :

( )( )111

22

−+++

= −−ji

jiji

rij

TTTTh

εεσ

Le coefficient de perte par transfert d’énergie par le dessus du collecteur peut être obtenu par la somme des pertes par convection et par rayonnement :

rsvthhU +=

(13)

Avec

NuL

khv

= (14)

Avec Nu le coefficient de Nussel

et

)(

)( 44

1

CA

C

rsTT

TTh

−+

=σε

(15)

=C

T (16)

Les flux de radiation solaire absorbés par les différentes surfaces sont :

HS11

α= (21)

HS212

ατ= (22)

HS323

ατ= (23)

HS434

ατ= (24)

Avec les cœfficients de transmittance τ et d’absorption α .

Le cœfficient de transfert thermique du système de stockage :

( )∑∞

=

−

+=

0

22

)cos()sin((

)sin(21

k kkkk

kw

wke

L

tU

αδ

δδδαδδ

(27)

Avec

πδ

−=2

1k

k

Page 32 sur 109

La détermination des coefficients de transfert thermique par convection est le point le plus délicat à aborder.

Avec 7 variables (le coefficient de transfert de chaleur, la dimension caractéristique de l’écoulement, la chaleur massique, la conductivité thermique, la viscosité, la densité et la vitesse) et 4 unités fondamentales (la longueur, le temps, la température et la masse), la loi fondamentale de la convection doit dépendre de 3 grandeurs sans dimensions (théorème de Buckingham). Il est ainsi possible de démontrer toute loi d’un problème de convection peut s’écrire à partir des nombres de Prandtl, de Nusselt et de Reynolds. Pour les problèmes de convection libre où la vitesse n’est pas imposée, le nombre de Nusselt peut être exprimé simplement à partir du nombre de Rayleigh. Différentes lois sont établies selon la nature de l’écoulement et de la convection. Une fois la loi identifiée, il est alors possible de calculer le nombre de Nusselt et donc le coefficient de transfert de chaleur par convection.

Cependant, les corrélations utilisées dans la littérature varient d’un auteur à l’autre. Les hypothèses et approximations changent selon les équipent de recherche et selon les avancés en matière de convection. Les corrélations utilisées par ces différents auteurs sont regroupées en Annexe.

c. Modèle pour la cheminée La cheminée transforme la chaleur captée par l’air au niveau du collecteur en énergie cinétique. La différence de densité crée par l’augmentation de la température dans le collecteur agit comme une force motrice.

gz

p

z

v)(

)(0

2

ρρρ −+∂∂=

∂∂

(28)

D’où l’expression de la vitesse en l’absence de turbine :

∆−−= ∫ f

H

pgdzv

k

0

0)(

2 ρρρ

(29)

Avec,

2

2

1v

D

Lfp

fρ=∆

Un tableau en annexe résume les différents coefficients de frottement utilisés dans la littérature. Les expressions des variations de températures, pressions et densité à l’extérieur de la cheminée sont calculées en tenant compte de l’atmosphère standart.

−−=0

11)0()(

H

zTzT

AA κκ

(30)

1

0

11)0()(

−

−−=κκ

κκ

H

zpzp

AA

(31)

11

0

11)0()(

−

−−=κ

κκρρ

H

zz

AA

(32)

Avec

g

TRH Al

)0(0

= (33)

Page 33 sur 109

235.1=κ (atmosphère standard)

Les expressions des variations de températures, pressions et densité à l’intérieur de la cheminée sont calculées en tenant compte de la détente adiabatique.

−−=0

11)0()(

H

zTzTChCh κ

κ

(34)

1

0

11)0()(

−

−−=κκ

κκ

H

zpzpChCh

(35)

11

0

11)0()(

−

−−=κ

κκρρ

H

zz

ChCh

(36)

Avec

g

TRH Chl

)0(0

= (37)

4005.1=κ

Avec la constante des gaz parfait11.05.287 −−= KkgJR

l

d. Modèle pour la turbine Le saut de pression au niveau de la turbine peut être exprimé en fonction de la différence de pression totale entre la base et le haut de la cheminée.

2

2

1vpp

totturbρ−∆=∆

(38)

Avec,

∫ −=∆kH

totgdzp

0

0)( ρρ

(39)

Et,

xvvtot

−= 1 (40)

Et tot

turb

p

px

∆∆

=et tot

vla vitesse obtenue sans turbine ni frottement

e. Algorithme L’algorithme proposé peut donc être expliqué de la manière suivante :

1. Dans un premier temps le code lira toues les données du problème (données géographique, données climatologique, dimensions du système, propriétés des matériaux).

2. Le premier calcul déterminera les intensités et les angles d’incidence des rayonnements directes, réfléchis et diffus. Ceci permettra de déterminer ensuite les coefficients mensuels moyens de réflexion, de transmission et d’absorption pour ces angles incidents.

3. Ensuite, le programme calculera les différents coefficients d’échanges thermiques. Le calcul au niveau du collecteur est lancé à partir de valeurs initiales du flux de matière (calculé préalablement

Page 34 sur 109

Section III. E.). Ce calcul se résume à l’inversion de la matrice du système d’équation des bilans d’énergie (Section IV. A. b.). L’inversion cette matrice permettra ensuite de déterminer le vecteur des températures et donc le flux de chaleur.

4. Ces variables déterminées permettront de lancer le calcul dans la cheminée permettant ainsi de retrouver la valeur du flux de matière.

5. Si cette valeur est différente de la valeur d’entrée de plus d’un pourcentage fixé à l’avance, le calcul recommence à l’étape 3 avec la nouvelle valeur du flux. Sinon le programme calcul les valeurs de la puissance et de l’énergie produite et reprend l’algorithme à l’étape 2 avec les nouvelles données climatologiques.

Schéma 8 : Représentation schématique de l’algorithme.

• Validation des calculsValidation des calculsValidation des calculsValidation des calculs

Seul le prototype de Manzanares, en activité dans les années 80, permet de tester les résultats du code. Les résultats sont donc à prendre avec prudence étant donné la puissance de l’installation de seulement 50 kW. Tous les modèles réalisés dans la littérature en vérifient les résultats cependant c’est une fois appliqué à des systèmes de plus grande envergure que les modèles divergent de 15% à 20%.

Page 35 sur 109

f. Résultats Les résultats cette étude furent les suivants :

- La hauteur de la cheminée, la taille du collecteur, les propriétés optiques de la serre et la chute de tension au niveau de la turbine sont des facteurs influençant fortement la production quotidienne de la centrale (de manière quasi égale et linéaire).

- Le système de stockage et le double vitrage n’influencent que très peu la production (quelques %).

- Le facteur de pénétration de la chaleur et la distance entre le sol et le système de stockage n’influence pas les résultats du test (<0.01%).

Les résultats de la seconde étude sont tout particulièrement intéressant puisqu’elle s’intéresse au cas d’un collecteur incliné. En effet, la plupart des sites réunionnais favorables à l’implantation d’une cheminée intégrée en falaise présente un relief important. Cela sera probablement le cas dans la majorité des sites ailleurs dans le monde. Les résultats sont donc les suivants :

- Le collecteur joue le rôle de la cheminée. La hauteur a prendre en compte est celle entre la prise et la sortie.

- Il existe une inclinaison optimal du collecteur.

Plusieurs travaux du département d’ingénierie mécanique de l’université de Stellenbosch en Afrique du Sud sur la simulation numérique de cheminée solaire sont également à noter :

• Sur le choix des corrélations. Ces travaux ont été réalisé par J.P. Pretorius et D.G. Kröger, 2005200520052005 [35].

Résumé des résultats :

- Réduction de la puissance de sortie de 11,7% par rapport aux précédentes simulations.

- Les nouveaux coefficients de perte dans la turbine augmentent la production de 0,6%.

- Un verre de bonne qualité n’entraîne une hausse de la production que de 3,4% par rapport à un verre de mauvaise qualité (coefficients d’extinction respectivement de 32m-1 et 4 m-1)

- La nature du sol influence à raison de moins de 0.01% la production annuelle (grès, calcaire, granit).

- La hauteur optimale à l’entrée du collecteur passe de 3m à plus de 6m.

• Sur une approche de l’écoulement compressible dans la cheminée. Réalisé par T. W. von Backström et A. J. Gannon, 2000200020002000.

Résumé des résultats :

- Un léger évasement de bas en haut est préférable pour faciliter l’écoulement de l’air. Celui-ci est déterminé en fonction de la vitesse du fluide et de la nature des parois.

B / Optimisation des turbines

a. Modèle variables symboles

H : l’entropie statique ∆ : différence

U : la vitesse de l’extrémité d’une pâle indices

ψ : coefficient de charge u : projection dans le plan horizontal

Page 36 sur 109

R : degré de réaction 1 : entrée rotor

H : entropie totale 2 : sortie rotor

V : vitesse dans le repère lié au stator r : rotor

w : vitesse dans le repère lié au stator s : stator

ξ : coefficient de perte e : diffuseur

L : facteur de perte t : turbine

Le coefficient de charge de la turbine est donné par :

2

2

1U

H∆=ψ

(1)

Le rendement de la turbine se défini suivant :

perte

tHH

H

∆+∆∆=η

(2)

Le degré de réaction de la turbine est exprimé par l’équation suivante :

H

hR r

∆∆

= (3)

rh∆ saut d’entropie du à la turbine avec :

2

2

1whH

rr+=

(4)

Et

2

)( 2

2

2

121

wwhhh rrr

−=−=∆ (5)

Or

2

1

22

1 uz wVw += (6)

Nous obtenons alors :

))((2121

wwwwhr −+=∆ (7)

2w la vitesse relative du fluide

L’équation d’Euler des turbomachines nous donne:

)( 21 uu VVUH −=∆ (8)

Avec uV la projection de V dans le plan de la turbine

D’où, après quelques calculs à partir de (3), (7) et (8),

U

VVR uu

21 21 +

−= (9)

Page 37 sur 109

Avec (1), (8), et (9) et quelques relations vectorielles triviales, nous obtenons :

+−=

+−=

−−=

−−=

4

41

4

41

1

1

2

2

ψ

ψ

ψ

ψ

RU

W

RU

V

RU

W

RU

V

u

u

u

u

(10)

Or, le facteur de perte L s’écrit,

ersU

V

U

W

U

VL ξξξ

2

2

2

2

2

1

+

+

= (11)

Avec sξ, rξ et eξ

respectivement les coefficients de pertes du stator, du rotor et du diffuseur.

A l’aide des relations vectorielles et des équations (10), (11) devient,

( ) ( ) es

RRRRL ξ

ψξξψψφ

ψ

−++−+

−+−−+= ∑

12

2

11)1(1

216

1 2

2

2

(12)

b. Résultats Les trois coefficients de perte partagent donc une influence sur le premier terme. Les coefficients du diffuseur et du stator ont eux une influence supplémentaire. Les pertes de la turbine peuvent être

minimisée soit en diminuant les coefficients de pertes ξ , soit en diminuant leur influence. Il est alors possible de réaliser une étude d’optimisation sur les paramètres de la turbine ψ, φ et R, c’est le sujet de la publication de l’équipe Sud Africaine T.W. von Backström et A.J. Gannon, “Solar chimney turbine characteristics” (2004). Ces travaux démontrent toute l’importance d’une étude de dimensionnement de la turbine.

Une seconde équipe traite également de l’influence du type et de la position des turbines sur le rendement. Il ‘agit de F. Denantes et E. Bilgen dans “Counter-rotating turbines for solar chimney power plants” (2005200520052005, ref. en annexe). Ils réalisent une comparaison des performances entre une turbine simple (1 stator, 1 rotor) SRT (Single rotating turbine) et des turbine à contre rotation (1 stator, 2 rotor) CRT (Counter rotating turbine) avec ou sans stator. Le résumé de leurs résultats est le suivant:

- Les avantages en rendement et en production de la SRT sur une CRT augmentent avec l’augmentation de la puissance nominale de la centrale.

- Les simulations donnent un avantage à la turbine CRT sans stator sur la SRT allant de +0,10 à +0,15% de la production annuelle selon la puissance.

- Les résultats pour la CRT avec stator par rapport à la SRT vont de +0,02 à -0,08%.

C / Conclusion

De nombreuses études et travaux ont d’hors et déja été réalisé sur la cheminée solaire. Les résultats sont souvent mitigés. Les modèles de cheminée solaire proposent des résultats différents en raison des différentes approximations réalisées par les équipes de recherche. Il sera difficile d’éclaircir ce point tant qu’une centrale pilote ne présentera pas ces résultats. Une avancée dans ce domaine est

Page 38 sur 109

donc à prévoir d’ici 5 ans. Différents travaux ont également été réalisés en vue de l’optimisation des paramètres. Ceux ci démontrent toute l’importance des études préliminaires d’optimisation à mener sur les différents éléments composants une cheminée solaire.

Une simulmation peut s’avérer nécessaire afin de préciser le potentiel d’un site donné. Cependant les calculs approximatifs donnés au chapitre III permettent de donner un résultat cohérent avec les différentes estimations réalisées jusqu’à présent. Une simulation à ce stade de l’étude ne semble donc pas nécessaire étant donné les moyens humains et financiers qu’elle requiert.

VI / Développement d’une filière de cheminée solaire

A / Méthodologie

Le développement d’une filière demande la mise en place d’une méthode rigoureuse aboutissant à une vision globale des technologies, des usages et des contraintes. Nous devrons donc en premier lieu établir une liste complète des technologies et usages existant (chapitres suivants). Une fois ces listes établies, chaque couple technologie/usage devra être l’objet d’une étude ou plusieurs études sur les contraintes associés. L’objectif final sera d’être en capacité de comparer, pour un usage donné, les technologies de cheminée solaire non seulement entre elles mais également vis à vis des autres procédés existant. Cette méthode découle des méthodes couramment utilisées au sein de l’agence.

Cependant, il existe des méthodes normalisées afin de comparer différents systèmes. La méthode MASIT (Multicriteria Analysis for Sustainable Industrial Technologies) par exemple donne un sept critères comparatifs afin d’identifier les filières et technologies durables.

� Régulation

� Fonction

� Technologie & Industrialisation

� Environnement

� Risque technologique et Industriel

� Economie

� Social

Cette méthode est développée entre autre par EDF et l’ADEME.

B / Technologies

Le but du présent chapitre est d’élaborer une liste complète des technologies de cheminée solaire existante à ce jour afin d’en faire ressortir les grands axes.

� Pour le collecteur, deux types de technologies existent actuellement :

- Les collecteurs « en dur » : des plaques de vitrage plastique soutenues par une structure métallique.

- Les collecteurs gonflables (concept OTH : plastique souple gonflé par de l’eau ou de l’air.

AvantagesAvantagesAvantagesAvantages InconvénientsInconvénientsInconvénientsInconvénients IncertitudesIncertitudesIncertitudesIncertitudes

Collecteurs en durCollecteurs en durCollecteurs en durCollecteurs en dur Résistance + Démontage - Démarche en cas d’alerte cyclonique.

Coûts financiers

CollecteCollecteCollecteCollecteurs souplesurs souplesurs souplesurs souples Stockage intégré +

« Posée » sur le sol +

Impact +

Résistance - Brevet OTH

Coûts financiers

Démarche en cas d’alerte cyclonique.

� Pour la cheminée, trois axes ont été identifiés :

o Cheminée « classique ».

o Conduit sur relief.

Page 40 sur 109

o Cheminée intégrée en falaise (appuyée ou creusée).


Cheminée Cheminée Cheminée Cheminée «««« classiqueclassiqueclassiqueclassique »»»»

Réalisable partout ++ Impact visuel sur l’environnement --

Contraintes de la structure --

Faisabilité en régions cycloniques

Coûts financiers

Cheminée Cheminée Cheminée Cheminée appuyéeappuyéeappuyéeappuyée

Soutenue par la falaise* + Dégradation paysagère –

Sites d’accueil limités --

Coûts financiers

Cheminée Cheminée Cheminée Cheminée creuséecreuséecreuséecreusée

Soutenue par la falaise* +

Pas d’impact visuel ++

Sites d’accueil limités -- Risques géotechniques

Coûts financiers

Conduit sur Conduit sur Conduit sur Conduit sur relief (OTH)relief (OTH)relief (OTH)relief (OTH)

Simplicité de mise en œuvre ++

Impact visuel sur l’environnement -

Sites d’accueil limités -

Tableau 10Tableau 10Tableau 10Tableau 10 : technologies pour la cheminée: technologies pour la cheminée: technologies pour la cheminée: technologies pour la cheminée

* L’appuie de la falaise est un élément positif si l’étude géologique confirme sa stabilité

� Pour la turbine :

o Turbine unique à axe vertical.

o Turbines multiples à axe vertical.

o Turbines multiples à axe horizontal.

o Turbine à rotor unique.

o Turbine contre rotative.

o Turbine avec ou sans stator.


Turbine Turbine Turbine Turbine unique à axe unique à axe unique à axe unique à axe verticalverticalverticalvertical

Rendement ++ Faisabilité --

Turbines Turbines Turbines Turbines multiples à multiples à multiples à multiples à axe vertical.axe vertical.axe vertical.axe vertical.

Mise en œuvre + Faisabilité - Rendement

Turbines Turbines Turbines Turbines multiples à multiples à multiples à multiples à axe axe axe axe horizontal.horizontal.horizontal.horizontal.

Mise en œuvre ++ Rendement

Turbine à Turbine à Turbine à Turbine à rotor uniquerotor uniquerotor uniquerotor unique

Simplicité + Rendement

Turbine Turbine Turbine Turbine contre contre contre contre rotativerotativerotativerotative

Rendement

Turbine Turbine Turbine Turbine sansansansans stators stators stators stator

Simplicité + Rendement

Page 41 sur 109

Turbine avec Turbine avec Turbine avec Turbine avec statorstatorstatorstator

Mise en rotation de l’air + Charge de frottement - Rendement

Tableau Tableau Tableau Tableau 11111111 : technologies pour la : technologies pour la : technologies pour la : technologies pour la turbineturbineturbineturbine

Les options technologiques mentionnées ci-dessus concernent les parties principales de la cheminée solaire. Les différentes solutions techniques envisagées pour la ou les turbines ne permettent pas de faire ressortir de différences décisives. Le type de collecteur est par contre à prendre en considération. En effet, des différences en termes de coût ou d’impacte sont à prévoir. Cependant, c’est le choix de la cheminée qui est le plus significatif. Ce choix aura des répercutions sur un grand nombre de critères et de contraintes. Nous considérerons donc 3 grands types de cheminées solaires correspondant au type du conduit. La catégorie intégrée en falaise est déclinée en deux sous catégories « creusée » ou « forée ». A chacune de ces catégories peut être associé un collecteur « souple » ou en « dur ».

C / Besoins et usages

Les besoins de l’île ont été longuement discuté dans le chapitre traitant du contexte réunionnais. Suite aux démarches réalisées plusieurs utilisations ont été identifiées. Ces utilisations se regroupent en deux grandes catégories : celles aux objectifs d’autonomie électrique (1) définis dans le PRERURE horizon 2025 et celles répondant aux objectifs d’autonomie énergétique (2) horizon 2050. Une troisième catégorie regroupe les usages correspondant à des opportunités présentées par l’installation d’une centrale de ce type.

• Dans le cadre de l’autonomie électrique (objectif 2025), usages de type 1:

o UUUUsagesagesagesage 1.1 1.1 1.1 1.1 : Alimentation du réseau moyenne tension ou haute tension.

o UUUUsagesagesagesage 1.2 1.2 1.2 1.2 : Alimentation de sites isolés.

o UUUUsagesagesagesage 1.3 1.3 1.3 1.3 : Alimentation des réseaux en bout de ligne.

• Dans le cadre de l’autonomie énergétique (objectif 2050), usages de type 2 :

o UUUUsagesagesagesage 2.1 2.1 2.1 2.1 : Production de l’hydrogène pour les réseaux de transport en commun.

o UUUUsagesagesagesage 2.2 2.2 2.2 2.2 : Alimentation des infrastructures de transport.

Une filière cheminée solaire pourrait également répondre par la même occasion aux utilisations secondaires (UsageUsageUsageUsage 3 3 3 3) que sont:

o La production agricole (maraîchère, sucrière, etc.)

o La récupération des eaux de pluie.

o L’attraction touristique.

o Le support d’habitations.

Page 42 sur 109

c. Alimentation du réseau moyenne tension ou haute tension

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380

min

MW

1. Le Gol 2. Bois Rouge

3. Le Port PC4

4. Le Port PC3

5. Le Port PC2

6. hydraulique 7. TAC 40 8. TAC 20

Schéma 9Schéma 9Schéma 9Schéma 9 : Courbe de charge moyenne de la région Réunion: Courbe de charge moyenne de la région Réunion: Courbe de charge moyenne de la région Réunion: Courbe de charge moyenne de la région Réunion

Le schéma ci dessus représente la courbe de charge du réseau électrique de la Réunion. Les moyens de production 1 et 2 sont des centrales thermiques à charbon dont le prix de l’électricité à la production se situe autour de 8ch/kWh. Les moyens 3 à 5 sont des centrales thermiques à fuel dont le coût de l’électricité se situe autour de 10ch/kWh. Les centrales hydraulique 6 fournissent de l’électricité à un prix estimé à 4-5ch/kWh. Les turbines à combustible 7 et 8 produisent une électricité aux environs de 20ch/kWh.

Les centrales 1 à 5 sont des bases, elles produisent à une puissance constante sur de longue période. Les centrales hydrauliques viennent ensuite compléter ce schéma en répondant à la consommation durant les heures creuses. Les turbines à combustibles sont les moyens les plus souples pour répondre à la consommation durant les pointes mais elles sont également les moyens les plus chères.

Afin d’être retenu pour alimenter le réseau réunionnais, une centrale de production doit être capable de remplacer les centrales actuelles sur l’une de ces fonctions.

d. Alimentation d’un site isolé ou d’un site en bou t de ligne.

Pour alimenter un site isoler, le système de production doit avoir la souplesse nécessaire pour satisfaire la consommation sur l’ensemble de la journée.

Pour le cas du site en bout de réseau, celui ci est assimilé à site isolé en cas de coupures du réseau ou au réseau classique dans le cas contraire.

e. Conclusion Dans tous les cas un système de production solaire doit disposer d’un système de stockage afin de fournir la puissance instantanée nécessaire pour l’usage qui lui est assigné.

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D / Description du montage de la filière

a. Phases étude d’opportunité Afin d’améliorer les connaissances sur l’opportunité de réaliser une filière « cheminée solaire », il sera nécessaire de développer simultanément les deux axes suivants :

- Connaissance du système.

- Connaissance du potentiel réunionnais.

Pour la connaissance du système, l’étude tendra à déterminer si une des technologies identifiées peut répondre aux besoins réunionnais par un ou plusieurs usages. Si c’est le cas, il s’agira également d’évaluer si cette proposition est compétitive comparée à d’autres solutions.

Ainsi chaque lien devra technologie/usage devra être étudier comme l’illustre le schéma 1 ci-dessous. Pour chaque couple, les contraintes à surmonter pour le développement ultérieur du projet devront être identifiées. Les contraintes pourront porter sur différents aspects : réglementaires, techniques, financiers ou exploitation.

Schéma 1Schéma 1Schéma 1Schéma 1 : les couples technologie/usage: les couples technologie/usage: les couples technologie/usage: les couples technologie/usage

La connaissance du potentiel réunionnais distingue deux axes :

- Conditions météorologiques :

o Rayonnement.

o Température et pression.

o Humidité.

o Vent

- Topologie :

o Topologie des sites.

o Surface et hauteur admissible.

La connaissance de ces données permettra ensuite d’effectuer les calculs nécessaires pour déterminer le potentiel de chaque technologie.

Ensuite, des critères de comparaison devront être établis afin de permettre aux décideurs d’effectuer leurs choix. Les notations des différentes technologies pour un usage donné pourront par exemple être illustré comme sur le schéma Y ou chaque critère sera noté suivant un axe dont l’échelle sera déterminée par un coefficient de pondération fonction de l’importance du critère pour les décideurs. Sur l’exemple ci dessous le critère 2 est pondéré par un coefficient 1,5 par rapport aux trois autres. La pertinence de chaque technologie (cheminée solaire ou autre) peut être ainsi évaluée par la surface

Cheminée verticale

Cheminée sur relief

Cheminée intégrée en falaise

Usage 1

Usage 2

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du polygone ayant pour sommets les points de notations situé sur chaque axe (la surface du quadrilatère dans l’exemple du schéma 2).

Schéma 2Schéma 2Schéma 2Schéma 2 : Exemple de présentation de la notation des critères pour un: Exemple de présentation de la notation des critères pour un: Exemple de présentation de la notation des critères pour un: Exemple de présentation de la notation des critères pour une technologie et un usage e technologie et un usage e technologie et un usage e technologie et un usage donné.donné.donné.donné.

Une fois cette phase achevée, les responsables concernés auront toutes les informations nécessaires afin de décider si le développement d’une technologie en vue d’un usage doit être ou non poursuivi. Si la décision de développer une technologie en vue d’un usage est prise, cette étape aura également permis de connaître les axes de recherche à mettre en oeuvre afin de surmonter les contraintes.

b. Phases ultérieures Une fois l’usage et la technologie identifiées, le projet peut suivre une procédure « classique », composée des étapes suivantes :

� Mise en place d’une maîtrise d’ouvrage

� Etudes d’ingénierie

o Ingénierie technique

o Ingénierie financière

o Ingénierie juridique (1 an)

� Mise en œuvre

o Mise en place d’une maîtrise d’œuvre (1 an)

o Fabrication ensemblier

o Distribution des sous ensembles

o Installation

o Essai : performance et conformité au cahier des charges

o Contrôle technique

� Exploitation

o Exploitation

Critère 3

Critère 4 Critère 2

Critère 1

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o Maintenance

o Distribution de l’énergie

E / Conclusions

Une méthodologie de mise en place de filière est donc déterminée. Le respect de celle-ci amènera à savoir si le développement d’une technologie basée sur le principe de la cheminée solaire représente une opportunité à la Réunion.

Afin de répondre à la demande formulée par le conseil régional, le chapitre suivant apportera un certain nombre d’éléments sur l’étude la cheminée solaire forée en falaise pour l’alimentation du site de Cilaos.

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VII / Cas de la cheminée solaire intégrée en falaise

A / Choix technologiques existants

a. La cheminée La cheminée doit naturellement se situer au point haut de l’îlet, pour conduire le flux d’air montant, et rejoindre la falaise en minimisant la longueur, afin de réduire les pertes par frottement. Il existe alors deux options :

a. (1) : Une cheminée creusée dans la falaise

b. (2) : Une cheminée appuyée contre la falaise

A cela s’ajoute la possibilité de décomposer la cheminée en plusieurs conduits de diamètre Di inférieur au diamètre initial D et respectant :

22

22∑

≤

i

iDD ππ

Cela aura pour effet de diminuer les problèmes d’ingénierie liés à la construction d’un tube d’une soixantaine de mètre de diamètre. Cependant la quantité de matériaux utilisée en sera probablement augmentée.

L’allongement de la cheminée au delà du sommet de la falaise est également possible. Le rendement du système étant proportionnelle à sa hauteur totale, un allongement de 100 m se traduirait par une augmentation de 10% de la production.

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b. Le collecteur La position et la taille du collecteur sont imposées par la géographie du site. Ci-dessous la carte où sont indiquées les lignes des 1100 et des 1200 mètres.

Les calculs de surface effectués se sont appuyés sur la ligne des 1100m, cependant elle peut être aisément dépassée en de nombreux points. La surface considérée utilisable par le collecteur est donc supérieure à 1 km2.

Deux possibilités existent aujourd’hui pour la construction du collecteur. La première est un collecteur de type serre, des panneaux transparents reposant sur une armature métallique. La seconde, proposée par le bureau d’étude d’OTH, est un collecteur en plastique souple dont les piliers sont gonflé à l’eau, permettant par la même occasion de stocker la chaleur afin de réguler la production.

c. La ou les turbines Des études complémentaires sont nécessaires afin de déterminer la position et les caractéristiques idéales pour la ou les turbines. Plusieurs études ont d’ores et déjà été menées sur le sujet, parmi lesquelles :

a. Gannon, A.J., Von Backström, T.W., 2003. Solar chimney turbine performance. ASME Journal of Solar Energy Engineering 125, 101–106.

b. T.W. von Backström, A.J. Gannon, Solar chimney turbine characteristics. Solar Energy 76 (2004) 235–241

c. F. Denantes, E. Bilgen, Counter-rotating turbines for solar chimney power plants. Solar Energy, 2005.

Il est également à noter que la société SBP a pris le parti d’utiliser 32 turbines à axe horizontal plutôt qu’une à axe vertical en raison des problèmes qu’amenait la réalisation d’une turbine de 200MW supérieure à 100 mètres de diamètre.

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d. Le stockage de l’énergie et la régulation de la production

• StockageStockageStockageStockage

La source d’énergie étant le rayonnement solaire, la production électrique peut donc présenter des variations importantes en fonction des jours voir des heures. Un moyen de stockage peut donc s’avérer indispensable selon l’usage considéré.

Les chaînes partent d’un moyen de production et finissent par un usage. Le reste des éléments de la chaîne sont là pour assurer la réponse à la courbe de charge et doit donc être défini en conséquence.

La mise en place d’un système de stockage nécessite donc la connaissance des courbes de production et de charge. Pour la cheminée solaire, l’estimation de la courbe de production dépend de nombreux paramètres comme le stockage thermique, la géométrie et la nature de la serre mais aussi des conditions de pression, de température et de l’humidité de l’air. L’estimation de la courbe de production nécessite la mise en place d’une simulation.

La courbe de production de la cheminée solaire est nécessaire au dimensionnement précis d’un système de stockage.

• SSSStockage hydrauliquetockage hydrauliquetockage hydrauliquetockage hydraulique

Il est possible de stocker de l’électricité en alimentant une pompe qui remonte de l’eau durant les périodes de surproduction et de récupérer cette énergie en turbinant l’eau dans les périodes de consommation. L’énergie potentielle est proportionnelle au produit de la masse par la différence de hauteur. Il parait donc préférable de se servir de la plus haute différence de niveau possible afin de réduire en proportion le volume des réservoir. Le stockage d’une journée moyenne de production pour une cheminée solaire intégrée en falaise sur l’un des sites identifiés équivaut à remonter environ 20 000 mètres cubes d’eau sur une hauteur de 1 000 mètres.

Il est à prendre en compte que le potentiel de récupération d’eau de pluie est de l’ordre du million mètres cubes. L’eau n’est donc une ressource abondante sur les sites d’altitude. Il existe de plus un grand nombre de cours d’eau saisonnier dont le débit annuel est aujourd’hui inconnu.

Schéma 3 : principe d’un système de stockage hydraulique de l’énergie électrique.

Une simulation de stockage hydraulique a été réalisée afin d’estimer le nombre d’habitant qu’une cheminée solaire pourrait alimenter ainsi que la taille des bassins.

Moyen de production

Consommation

Pompe

Stockage d’eau à haute énergie potentielle

Énergie

électrique

Turbine

Énergie

électrique

Stockage d’eau à faible énergie potentielle

Cycle de circulation de l’eau

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Les hypothèses sont les suivantes :

• Rendement total de la cheminée solaire de 1,2%

• Surface occupée : 100 ha

• Dénivelée : 1000 mètres

• Rendement de la turbopompe de 85%

• Perte par frottement négligeable (D’après l’outil de dimensionnement réalisé par le groupe stockage PFRD 2006)

• Consommation moyenne de 1 MWh par an et par habitant (moyenne 2005)

• Données climatologiques 2003, 2004 et 2005.

La cheminée solaire ainsi modélisée produit en moyenne 20,7 GWh par an. En raison du rendement de la turbo pompe le nombre maximum d’habitants alimentés avec un taux de défaillance de 5% est de 19 900. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau suivant :

Nombre d’habitants

Défaillance

2003/2004/2005/moyenne (en % des jours)

surplus Volume des bassins

19 900 9,6 / 0,5 / 5 / 5 0% 500 000

17 000 0 15% 220 000

17 000 5,2 / 0,8 / 0 / 2 16% 120 000

17 000 8,2 / 4,6 / 2,2 / 5 17% 62 000

15 000 0 26% 86 000

15 000 3,3 / 1,6 / 1,1 / 2 27% 29 500

15 000 6,6 / 4,1 / 4,4 / 5 27% 15 500

9 000 0 56% 11 500

9 000 3,0 / 1,4 / 1,6 / 2 57% 2 600

9 000 6,3 /4,2 / 4,2 / 5 57% 0

2 700 0 87% 0

TablTablTablTableau eau eau eau 12121212: résultats du dimensionnement d’un système de stockage : résultats du dimensionnement d’un système de stockage : résultats du dimensionnement d’un système de stockage : résultats du dimensionnement d’un système de stockage hydrauliquehydrauliquehydrauliquehydraulique

Si le stock est trop souvent saturé, l’électricité produite est perdue à moins qu’il soit possible de l’utiliser pour d’autres usages ou de l’injecter sur un autre réseau. Le surplus varie essentiellement en fonction du nombre d’habitants alimenté et peu en fonction du stock.

Le stockage a été dimensionné afin de répondre chaque jour à la demande. En réalité, un stockage nul n’est pas possible puisque la répartition de la production au long de la journée ne correspond pas à celle de la demande. Un stockage minimum est donc nécessaire.

Dimensionner un stockage pour un taux de défaillance fixé est d’autant plus difficile pour une ressource d’origine solaire. En effet, les jours de défaillances varient considérablement d’une année à l’autre (voir tableau 12 et courbe 2). Cela pose de nombreux problème pour l’approvisionnement car une année « déficitaire » en terme de rayonnement solaire est impossible à prévoir. L’étude pour le dimensionnement d’un système de stockage quel qu’il soit devra donc prendre en compte un grand nombre d’année ; les trois années prise pour cette étude montre bien que cette période est insuffisante.

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Un équilibre est à trouver afin de minimiser à la fois les défaillances, le surplus et le volume des bassins pour une population donné. Un dispositif de secours serait également à mettre en place pour les années « exceptionnelle ».

état du stockétat du stockétat du stockétat du stock

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041temps (jours)temps (jours)temps (jours)temps (jours)

stock (MWh)stock (MWh)stock (MWh)stock (MWh)

Courbe 1 : état du stock pour 15 000 habitants et 29 500 m3

état du stockétat du stockétat du stockétat du stock

0

100

200

300

400

500

600

700

1 107 213 319 425 531 637 743 849 955 1061

temps (jours)temps (jours)temps (jours)temps (jours)

stock (MWh)stock (MWh)stock (MWh)stock (MWh)

Courbe 1 : état du stock pour 17 000 habitants et 220 000 m3

• PPPProduction d’hydrogèneroduction d’hydrogèneroduction d’hydrogèneroduction d’hydrogène

Un système de stockage sous forme d’hydrogène est également réalisable. L’ARER travaille actuellement avec plusieurs partenaires sur la réalisation d’un outil numérique de dimensionnement pour l’hydrogène.

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Schéma XX : principe d’un système de stockage hydrogène de l’énergie électrique.

• Stockage de Stockage de Stockage de Stockage de chaleurchaleurchaleurchaleur

Le stockage de l’énergie solaire sous forme de chaleur dans des ballons ou des bassins d’eau permet de lisser la production et de produire une quantité non négligeable de courant électrique 24h/24. Ce système apporte ainsi l’avantage de maîtriser la répartition de l’énergie durant la journée et donc de la puissance. Une turbine de moindre puissance pourrait donc être éventuellement utilisée.

Le dimensionnement de ce stockage nécessite la mise en place d’un outil de simulation et doit être réalisé en fonction de l’usage retenu ainsi que des autres systèmes de stockage.

B / Potentiel Réunionnais

• L’L’L’L’îlet Gros Galetîlet Gros Galetîlet Gros Galetîlet Gros Galet

� Localisation.Localisation.Localisation.Localisation.

L’îlet Gros Galet se trouve dans la partie Nord-Est du cirque de Cilaos, lui même situé au Sud-Ouest de l’île de La Réunion (Océan Indien). La falaise et cet îlet, orientée Nord Nord-Ouest, sont au Sud de la localité du Palmiste Rouge et à l’Est de l’îlet Calebasse.

L’accès se fait par une route qui relie Le Palmiste Rouge à l’îlet Calebasse longeant la partie inférieure de l’îlet Gros Galet. Il n’existe ensuite aucun sentier qui le traverse.

Moyen de

production

Besoin

Electrolyseur

Eau

Stockage :

- Moyen

- Volume

Énergie

électrique

Pile à combustible (PAC)

Hydrogène

Hydrogène

Énergie

électrique

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� DDDDescription géographiqueescription géographiqueescription géographiqueescription géographique

• L’îlet

La forme générale de l’îlet est proche d’un quart de cône de 1 kilomètre de rayon à la base et de 400 mètres de haut. D’aspect assez régulier, il comprend néanmoins deux ensembles de barres rocheuses de moyenne importance (quelques dizaines de mètre) et plusieurs rochers de l’ordre d’une dizaine de mètres ou moins y sont dressés aléatoirement.

La végétation est haute et dense : il s’agit à première vue d’arbres clairsemés de buissons et fougères.

Des traces d’écoulement d’eau sont visibles sur la paroi à droite de l’îlet et entre la paroi et l’îlet de part et d’autre de celui-ci. Ces écoulements temporaires sont d’ailleurs relevé sur la carte IGN (1:25000-réf. :4405RT).

• La falaise

La falaise mesure environ 1000 mètres de haut dont 600 hauts dessus du sommet de l’îlet. Celle-ci, d’aspect parabolique, forme un angle d’environ 90° horizontalement limitant ainsi le quart de cône. Particulièrement raide (plus de 60°), la pente diminue légèrement sur les 200 derniers mètres (~55°).

La végétation y est également uniformément présente sous forme d’herbe et d’arbuste. Celle-ci donne à la paroi sa couleur variant du brun au vert suivant les endroits et les angles de vue.

• Conditions géographiques et climatiques

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L’ensemble est situé dans une zone montagneuse au relief très accidenté en raison de la récente formation de l’île (moins de 3 millions d’années). Le pied de la falaise et de l’îlet étant situé environ à 900 mètres d’altitude et la crête à 1900 mètres.

La température y est donc fraîche pour cette latitude de 7 à 17°C en hivers et de 17 à 22°C durant l’été. La Pluviométrie Annuelle est comprise entre 1,2 et 2,2 mètres. Le taux d’humidité moyen dans l’air, très élevé à La Réunion, doit varier entre 60 et 80% selon les saisons.

Une description climatique de La Réunion est consultable sur :

www.meteo.fr/temps/domtom/La_Reunion/atlas_clim/ATLAS.htm

� Schéma simplifié.Schéma simplifié.Schéma simplifié.Schéma simplifié.

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Îlet Gros Galet – vue îlet + falaise

� PrePrePrePremière estimation du productible au niveau de l’îlet Gros Galetsmière estimation du productible au niveau de l’îlet Gros Galetsmière estimation du productible au niveau de l’îlet Gros Galetsmière estimation du productible au niveau de l’îlet Gros Galets

Si l’îlet est considéré comme un quart de cône de 400 m de haut et de 1 100 m de rayon de base en moyenne, la surface exploitable est d’environ 1 km2.

Nous prendrons les rendements de la turbine de 75-85% et du collecteur de 50-55% (voir les études de T.W. von Backström, A.J. Gannon (2004) et de E. Bilgen, J. Rheault (2005)).

Avec un rendement de la turbine imposé par la formule :

A laquelle on appliquera les données moyennes du site en question, on obtient alors une estimation de la production annuelle d’une Tour Solaire implanté sur l’îlet Gros Galet de 20 à 25 GWh20 à 25 GWh20 à 25 GWh20 à 25 GWh.

Une étude approfondie sur une simulation numérique de la centrale sera cependant nécessaire pour affiner cette estimation.

• Tableau récapitulatif desTableau récapitulatif desTableau récapitulatif desTableau récapitulatif des sites sites sites sites identifiés identifiés identifiés identifiés

SecteurSecteurSecteurSecteur SurfaceSurfaceSurfaceSurface hauteurhauteurhauteurhauteur PotentielPotentielPotentielPotentiel

Cilaos Cilaos Cilaos Cilaos –––– îlet Gros Galets îlet Gros Galets îlet Gros Galets îlet Gros Galets >1 km2 >1000m 20 à 25 GWh

Cilaos Cilaos Cilaos Cilaos ---- >1 km2 >1000m 20 à 25 GWh

Mafate Mafate Mafate Mafate ---- >1 km2 >1000m 20 à 25 GWh

TotalTotalTotalTotal >3 km2 60 à 75 GWh60 à 75 GWh60 à 75 GWh60 à 75 GWh

TableauTableauTableauTableau 13131313: sites d’a: sites d’a: sites d’a: sites d’accueil potentiels d’une cheminée solaireccueil potentiels d’une cheminée solaireccueil potentiels d’une cheminée solaireccueil potentiels d’une cheminée solaire

• ConclusionConclusionConclusionConclusion

ApTc

zg∆=η

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Le potentiel total pour les cheminées solaires intégrées en falaises représente donc moins de 4% des besoins actuels. Cela représente, pour un fonctionnement, sans système de stockage, d’environ 2500h par an (SBP), une puissance de’ 30MW. Le potentiel éolien est estimé à environ 200MW. Le potentiel pour cette technologie est donc faible.

C / Aspect réglementaire

Attention la liste réalisée ici est non exhaustive, un projet de cette ampleur pourrait également être concerné, entre autre, par le code de l’urbanisme et le code rural.

Il s’agit ici de citer le code de l’environnement et le code général des collectivités territoriales dont sont issues des politiques régionales ou des obligations de déclarations. Les éléments répertoriés sont directement développés au niveau des différents chapitres concernés.

CODE DE L'ENVIRONNEMENTCODE DE L'ENVIRONNEMENTCODE DE L'ENVIRONNEMENTCODE DE L'ENVIRONNEMENT Livre IerLivre IerLivre IerLivre Ier : Dispositions communes: Dispositions communes: Dispositions communes: Dispositions communes

Titre IITitre IITitre IITitre II : : : : Information et participation des citoyensInformation et participation des citoyensInformation et participation des citoyensInformation et participation des citoyens

• Chapitre Ier : Participation du public à l'élaboration des projets d'aménagement ou d'équipement ayant une incidence importante sur l'environnement ou l'aménagement du territoire (Articles L 121-1 à L 121-15)

� Sur la mise en place d’un débat public

• Chapitre II : Evaluation environnementale (Articles L122-2 et L122-11)

� Sur les études d'impact des travaux et projets d'aménagement

• Chapitre III : Enquêtes publiques relatives aux opérations susceptibles d'affecter l'environnement

� Sur la réalisation d’une enquête publique (Articles L 123-1 et suivants)

Citation : « La réalisation d'aménagements, d'ouvrages ou de travaux exécutés par des personnes publiques ou privées est précédée d'une enquête publique », « lorsqu'en raison de leur nature, de leur consistance ou du caractère des zones concernées, ces opérations sont susceptibles d'affecter l'environnement ».

Livre IIILivre IIILivre IIILivre III : Espaces naturels: Espaces naturels: Espaces naturels: Espaces naturels

Titre IITitre IITitre IITitre II : : : : LittoralLittoralLittoralLittoral

• Chapitre Ier : Protection et aménagement du littoral

� Section 2 : Aménagement et urbanisme (Articles L321-3 à L321-7)

Titre IIITitre IIITitre IIITitre III : : : : Parcs et réservesParcs et réservesParcs et réservesParcs et réserves

• Chapitre Ier : Parcs nationaux

� Section 2 : Aménagement et gestion (Articles L331-8 à L331-13)

� Section 3 : Dispositions particulières

• Sous-section 2 : Dispositions particulières aux départements d'outre-mer (Article L331-15)

• Parc nationalParc nationalParc nationalParc national des hauts de la Réunion des hauts de la Réunion des hauts de la Réunion des hauts de la Réunion de la Réunionde la Réunionde la Réunionde la Réunion

Il est à noté que l’ensemble des sites potentiels identifiés pour l’installation de cheminée solaire intégrée en falaise sont positionné à l’intérieur du projet de création d’un parc national. La création du Parc National devient effective par un décret pris en Conseil d'Etat. Celui-ci est prévu pour le début de l’année 2007.

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Ce Parc aura le statut d’un établissement public avec un conseil d’administration composé d’élus des collectivités locales, de propriétaires, usagers et socioprofessionnels locaux, de services de l’Etat et d’experts. Le Parc aura :

• pour mission de base d’accroître les connaissances et de promouvoir le patrimoine naturel et culturel, accueillir, sensibiliser et éduquer à l’environnement, expérimenter pour le développement durable

• et pour mission facultative de concourir aux politiques d’aménagement et de développement, sur sollicitation des autorités compétentes.

D’après la LOI no 2006-436 du 14 avril 2006 relative aux parcs nationaux :

• « L’établissement public du parc national est associé à l’élaboration et aux différentes procédures de révision des schémas de cohérence territoriale et des plans locaux d’urbanisme ».

• « En dehors des espaces urbanisés définis dans le décret de création de chaque parc, les travaux, à l’exception des travaux d’entretien normal et, pour les équipements d’intérêt général, de grosses réparations, les constructions et les installations sont interdits, sauf autorisation spéciale de l’établissement public du parc délivrée après avis de son conseil scientifique ou, sur délégation, du président de ce dernier » .

Titre VTitre VTitre VTitre V : : : : PaysagesPaysagesPaysagesPaysages (Articles L350-1 à L350-2)

Livre VLivre VLivre VLivre V : Prévention des pollutions, des risques et des nuisances: Prévention des pollutions, des risques et des nuisances: Prévention des pollutions, des risques et des nuisances: Prévention des pollutions, des risques et des nuisances

Titre IerTitre IerTitre IerTitre Ier : : : : Installations classées pour la protection de l'environnementInstallations classées pour la protection de l'environnementInstallations classées pour la protection de l'environnementInstallations classées pour la protection de l'environnement

• Chapitre II : Installations soumises à autorisation ou à déclaration

Les installations classées pour la protection de l'environnement nécessitent la mise en place de procédures d'autorisation ou de déclaration. De manière générale y sont soumises toutes les installations qui peuvent présenter « des dangers ou des inconvénients pour la commodité du voisinage, pour la santé, la sécurité, la salubrité publiques, pour l'agriculture, pour la protection de la nature et de l'environnement, pour la conservation des sites, des monuments et des éléments du patrimoine archéologique ». Ces installations sont soumises à une déclaration préfectorale en conformité aux différents décrets. Les déclarations sont généralement des Etudes ou Notice d’Impact (EI et NI) selon l’importance de l’installation. Elles énumèrent les différents désagréments causés par l’ouvrage ainsi que les mesures directes ou compensatoires qui leur sont liées. Une enquête publique décidera alors d’accorder ou non l’autorisation au projet. Cette phase se situe entre les phases de projet préliminaires et de pré projet.

Titre VITitre VITitre VITitre VI : : : : Prévention des risques naturelsPrévention des risques naturelsPrévention des risques naturelsPrévention des risques naturels

• Chapitre V : Commissions départementales et schémas de prévention des risques naturels majeurs (Article L565-2)

• Plan de prévention des risques (PPR)Plan de prévention des risques (PPR)Plan de prévention des risques (PPR)Plan de prévention des risques (PPR)

Les études menées pour le PPR (Plan de Prévention des Risques ) par la Cellule de prévention des risques naturels de la DDE (Direction Départementale de l’Equipement ) ont conduit à classer l’îlet Gros Galets en zone d’aléa très élevé pour ce qui est des mouvements de terrain. Ce terrain est donc inconstructible d’un point de vue réglementaire.

D'une manière générale les PPR ont pour objectif de limiter l'augmentation de la vulnérabilité sur les zones à risque que ce soit en terme de personnes et/ou de biens .Cela signifie d'un point de vue équipement, en zone d'aléa élevé à très élevé mouvement de terrain, que :

c. les petits aménagements (aire pique niques....) sont autorisés car, le coût de ces aménagements étant faible, cela n'augmente que légèrement la vulnérabilité.

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d. les routes et les réseaux sont autorisés lorsqu'il n'existe pas d'autre implantation possible et qu'ils sont nécessaires au fonctionnement des services publics.

e. les autres équipements sont interdits lorsqu'ils entraînent une augmentation de la vulnérabilité et donc du risque.

En l'état actuel, un projet de Tour Solaire ne parait donc pas compatible avec le zonage d'aléa mouvement de terrain défini par l'expert BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières).

Cependant, une étude plus fine réalisée par un expert pourrait être menée afin de préciser le cas échéant le zonage de l'aléa mouvement de terrain sur le secteur envisagé. Une association d'éleveurs à Salazie a commandé une étude ayant précisé favorablement l’aléa pour l'implantation d'une station de traitement d'effluents d'élevage. Il n'existait cependant pas ou peu d'autre implantation possible.

Ci-dessous la cartographie fournie par la Cellule de Prévention des Risques Naturels au niveau de l’îlet Gros Galet:

Titre VII : Titre VII : Titre VII : Titre VII : Prévention des nuisances sonoresPrévention des nuisances sonoresPrévention des nuisances sonoresPrévention des nuisances sonores

• Chapitre Ier : Lutte contre le bruit (Article L571-1)

• Chapitre II : Evaluation, prévention et réduction du bruit dans l'environnement (Articles L572-1 à L572-11)

Titre VIIITitre VIIITitre VIIITitre VIII : Protection du cadre de v: Protection du cadre de v: Protection du cadre de v: Protection du cadre de vieieieie

• Chapitre II : Prévention des nuisances visuelles (Article L582-1)

CODE GENERAL DES COLLECTIVITES TERRITORIALESCODE GENERAL DES COLLECTIVITES TERRITORIALESCODE GENERAL DES COLLECTIVITES TERRITORIALESCODE GENERAL DES COLLECTIVITES TERRITORIALES TITRE IIITITRE IIITITRE IIITITRE III : LES: LES: LES: LES RÉGIONS D'OUTRE RÉGIONS D'OUTRE RÉGIONS D'OUTRE RÉGIONS D'OUTRE----MERMERMERMER

• CHAPITRE IIICHAPITRE IIICHAPITRE IIICHAPITRE III : Attributions: Attributions: Attributions: Attributions

� Section 3 : Attributions des régions d'outre-mer en matière de développement économique et d'aménagement du territoire

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• Le Schéma d’Aménagement Régional (SAR)Le Schéma d’Aménagement Régional (SAR)Le Schéma d’Aménagement Régional (SAR)Le Schéma d’Aménagement Régional (SAR)

La loi du 2 août 1984 confère au conseil régional de la Réunion des compétences particulières en matière de planification et d’aménagement du territoire. Elle demande notamment d’adopter un SAR qui fixe les orientations fondamentales en matière d'aménagement du territoire et de protection de l’environnement. Il s'impose aux schémas de cohérence territoriale (SCOT) et aux plans locaux d’urbanisme (PLU). Le schéma d'aménagement régional de la Réunion a été approuvé par décret pris en conseil d'Etat le 6 novembre 1995. Selon ce dernier, l’ensemble des falaises des trois cirques fait partie intégrante des espaces naturels de protection forte. Dans de tels espaces :

• « Toute urbanisation nouvelle y sera interdite à l’exception des aménagements liés à leur mise en valeur touristique. »

• « l’essentiel de ces espaces pourra bénéficier d’une protection renforcée » : • « les modes de fréquentation » « ne devront en aucune manière porter

atteinte à des intérêts majeurs de protection écologique ».

ConclusionConclusionConclusionConclusion La construction d’une cheminée solaire dans les sites identifiés reste possible. Cependant aux vues du SAR, du PPR et du Parc national, de nombreuses démarches et études seront à mettre en œuvre. Dans un premier temps, une contre étude devra être menée afin de démontrer que l’installation ne remet pas en cause la stabilité du terrain, et un dossier remis à l’administration du parc naturel montrant le caractère essentiel et prioritaire du projet. Une fois ces deux premières étapes franchies, une étude d’impact sera à remettre aux autorités compétentes dans le cadre d’une enquête et d’un débat public pour l’information et la participation des citoyens.

D / Critère financement et coût de l’électricité

Le chapitre précédent, nous montre à quel point le critère environnemental peut aujourd’hui être considéré comme prioritaire au niveau des cirques. Le choix technique de la cheminée pour l’estimation du coût de l’électricité se portera donc sur cheminée forée en falaise car cette dernière minimise le poids porté sur l’environnement. De plus, aucun système de stockage ne sera considéré.

a. Analyse des besoins de financement. Pour le terrainPour le terrainPour le terrainPour le terrain

Terrain agricole :

Prix moyen en 1992 : 10.000 h/ha en 2004 : 80.000 h/ha (source SAFER, www.safer.fr)

Le prix des terrains est en forte hausse depuis plus de 10 ans à la Réunion.

Il est à noter que dans le cas de l’îlet Gros Galet, il ne s’agit pas d’un terrain agricole et que sa position est très éloignée du littoral. Dans ce contexte les prix annoncés ci-dessous majorent probablement le prix réel de ce terrain.

Acquisition d’un terrain :

• de 100 ha : <8 000 000h

• de 125 ha : <10 000 000 h

• de 150 ha : <12 000 000 h

Pour le collecteurPour le collecteurPour le collecteurPour le collecteur : : : :

• Collecteur fixe (acier et verre)

Le coût de l’ensemble collecteur et auvent : < 10h/m² (données SBP, 2005)

D’où le coût d’un collecteur de 1 million de mètre carré : <10 000 000h

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Coût de terrassement :

L’épaisseur moyenne du béton lors de la réalisation de tunnel varie entre 400 et 500 mm. Le prix du béton employé est d’environ 160h le mètre cube.

• Collecteur souple (matières plastiques – polymère organique ETFE)

Devis OTH

• Terrassement :

0.5 million de mètres cubes : >500 000h

� Pour la cheminée :

Le volume de matériaux à déblayer pour la construction de la cheminée est d’environ 2 millions de mètres cube. Dans un cas « idéal », l’excavation de matériaux coûterait environ 20 millions h. Mais dans ce cas, un prix de 40 millions h semblerait plus raisonnable.

De plus le coffrage de l’excavation très probablement indispensable étant donné la nature des sols souvent instable et la forte pluviométrie contribuant à cette déstabilisation. A raison d’environ 50 cm de béton sur l’ensemble de la hauteur et à 160h le mètre cube de béton, un coffrage de la cheminée reviendrait à 20 millions h.

� Pour les composants mécaniques ( turbine, alternateur, autres):

Prix du système mécanique en €/MW installé

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 50 100 150 200 250

Milli

ons

MW

€/M

W

Données SBP, 2005

Coût de l’installation : ~ 1 500 000h/MW pour une centrale de 10 MW (extrapolation des données SBP résumés dans la tableau ci-dessus)

Pour une installation de 5 MW : ~ 8 000 000h

Pour une installation de 10 MW : ~ 15 000 000h

� Infrastructures, management, ingénierie et autres :

Coûts : < 10 000 000h (données SBP, 2005)

� Total Construction :

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TerrainTerrainTerrainTerrain 10 000 000h

Cheminée excavationCheminée excavationCheminée excavationCheminée excavation 20 000 000h-40 000 000h

Cheminée coffrage Cheminée coffrage Cheminée coffrage Cheminée coffrage 0 - 20 000 000h

Collecteur Collecteur Collecteur Collecteur 10 000 000h

Turbine, alternateurTurbine, alternateurTurbine, alternateurTurbine, alternateur 10 000 000h

AutresAutresAutresAutres 10 000 000h

TotalTotalTotalTotal 60606060 000000000000 000h000h000h000h----101010100000 000000000000 000h000h000h000h

Tableau Tableau Tableau Tableau 14141414 : récapit: récapit: récapit: récapitulatif des dépensesulatif des dépensesulatif des dépensesulatif des dépenses

� Maintenance :

Personnel : environ 2 personnes (données SBP, 2005)

Coûts : ~50 000h/pers./an

Coût du matériel : <100 000h/an pour une installation de 5 MW (données SBP, 2005)

Coût du matériel : <180 000h/an pour une installation de 10 MW (extrapolation données SBP, 2005)

Pour une installation de 5 MW : ~ 200 000h

Pour une installation de 10 MW : ~ 280 000h

b. Rentabilité � Production électrique :

20-25GWh/an

Hypothèse : tarif de rachat à 20ch du kWh.

Gain annuel de : 4 à 5 000 000 h/an.

� Carrière matériaux :

• Besoin en matériaux Réunion :

Consommation de 4,7 millions* de tonnes de granulats élaborés par an soit environ 2 000 000 m3 * par an. Le prix et le besoin sont cependant totalement dépendants de la qualité et du diamètre des granulats.

(* Commission Départementale des Carrières, Notice de présentation du Schéma Départemental des Carrières de La Réunion, 2001).

• Gain estimé :

Prix du basalte extrait par minage de précision : ~5h/t (données SEGC)

Volume d’un tube d’une hauteur de 600 m d’un rayon de 60m et d’un angle de 60° : ~2 000 000 m3

Densité du Basalte de Cilaos : ~2.4 (données SEGC)

Gain : ~24 000 000 h

• Coût du transport :

Frange littorale ~0.07 à 0.23 h/t/km*

Hauts – Littoral ~0.15 à 0.30 h/t/km*

Donc selon les données des transporteurs le coût moyen de l’acheminement de 2 millions de tonnes entre Cilaos et le littoral, la distance considérée étant de 30 km, est d’environ 14 000 000h.

� Location terrain agricoleLocation terrain agricoleLocation terrain agricoleLocation terrain agricole

En fixant la location à 5% par an du prix de vente à raison de 50% de l’espace exploité, la location rapporterait environ 250 000h

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c. Etude du coût de l’électricité Hypothèse de travail :

Taux d’intérêt fixé à 6%.

Taux d’inflation de 3,5%.

Durée d’exploitation de 80 ans.

Prix de

Hypothèse (1,x) : prix de l’investissement initial de 100 000 000 h.



Hypothèse (x,1) : remboursement à 80 ans.

Hypothèse (x,2) : remboursement à 20 ans.

Calculs

Il existe de nombreuses méthodes pour calculer le prix au kWh. Le but étant avant tout de comparer le coût du kilowattheure selon différents moyens de production la méthode employée n’a que peu d’importance. Il convient uniquement d’adopter la même méthode pour les différents systèmes de production. Il ne s’agit donc pas ici d’estimer à combien sera facturé le kilowattheure à la consommation.

La méthode employée ici est la méthode des annuités, procédure officielle du VDEW ( Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke). Deux approches peuvent être utiliseés, celle de la valeur nominale et celle de la valeur réelle. A titre comparatif, nous utiliserons ici la valeur nominale.

Le facteur d’annuité sur le capital est :

iz

izA

n

n

n −=

.

Le facteur d’annuité des coûts de maintenance est :

( )iz

iz

fzz

fzB

n

n

n

nn

n −−−

=.

)(

Avec :

ef += 1 et iz +=1

e le taux d’inflation et i le taux d’intérêt.

Le taux d’inflation a été fixé ici à 2% et le taux d’intérêt à 4% (valeurs moyennes arrondies des années 2003, 2004 et 2005 en France).

Lecture du tableau

Il est possible de considérer indépendamment la période d’amortissement de celle de la durée d’exploitation. Plus la première est inférieure à la seconde, plus le prix moyen sur l’ensemble de la durée de vie sera abaissé. Cet effet est du à la diminution des intérêts versés. Cependant le prix sur la première période à l’inverse s’en trouvera augmenté. Cette possibilité donne lieu au hypothèse (x,1) et (x,2).

La prise en compte ou non d’une période d’amortissement différente de la durée d’exploitation n’influence les autres moyens de production que de quelques centimes, a l’exception des centrales photovoltaïques.

Le tableau nous permet de comparer le prix de différentes technologies. On remarque ainsi que, à l’exception faite de l’électricité d’origine photovoltaïque, la cheminée solaire dans l’hypothèse la plus favorable présente un prix supérieur à tous les autres moyens de production.

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Conclusions

La centrale qui a servi à l’étude est celle de l’îlet Gros Galets à Cilaos. Les deux autres sites proposés pour une cheminée solaire intégrée en falaise présentent une surface, une hauteur, une situation et des conditions météos similaires. Les résultats sont donc transposables en première approche à l’ensemble de ces sites.

Au vue des résultats, en l’absence d’étude plus précise et en considérant les technologies actuelles, le prix du kWh d’une cheminée solaire forée en falaise reste particulièrement élevé.

Centrales Coût de construction

Puissance (MW)

Production (MWh/an)

tps de fonctionnement initial

durée de vie (ans)

Prix/kWh première période

Prix/kWh période additionnelle

Prix/kWh total

Cheminée solaire

Cheminée intégrée (hyp1,1) 100 000 000,00 h 10 20 000 80 80 0,46 h 0,46 h

Cheminée intégrée (hyp1,2) 100 000 000,00 h 10 20 000 20 80 0,59 h 0,15 h 0,26 h





Hydroélectrique

Centrale la Bresse 2 463 000,00 h 0,9 4106,79612 60 60 0,05 h 0,05 h

Centrale La Pulpe 4 840 000,00 h 3,6 15960,5911 60 60 0,03 h 0,03 h

Eolien

Parc éolien de Ste Suzanne 7 000 000,00 h 3,85 7 000 15 30 0,12 h 0,02 h 0,07 h

Parc de Tonkin 12 000 000,00 h 12 23 000 15 30 0,07 h 0,01 h 0,04 h

Parc de Ventillon-Coussoul 15 000 000,00 h 15 34 000 15 30 0,06 h 0,01 h 0,03 h

Centrale à charbonCentrale à charbonCentrale à charbonCentrale à charbon

CTBR 150 000 000,00 h 99,5 717 000 30 30 0,10 h 0,10 h

Photovoltaïque

Centrale Le Port 5 000 000,00 h 1 1 300 20 20 0,36 h 0,36 h

Centrale Portugal 250 000 000,00 h 64 80 000 20 20 0,29 h 0,29 h

Tableau 14Tableau 14Tableau 14Tableau 14 : Comparatifs des coûts de l’: Comparatifs des coûts de l’: Comparatifs des coûts de l’: Comparatifs des coûts de l’électricitéélectricitéélectricitéélectricité

E / Récapitulatif des contraintes identifiées

Contraintes réglementairesContraintes réglementairesContraintes réglementairesContraintes réglementaires - Plan de Prévention des Risques (PPR) (Code de l’environnement).

- Parc National des hauts de la Réunion (Code de l’environnement).

- Etude d’impacte, enquête et débat publics (Code de l’environnement).

- Installations Classées pour la Protection de l’Environnement (ICPE) (Code de l’environnement).

- Schéma d’aménagement régional (SAR) (Code général des collectivités territoriales).

Contraintes techniquesContraintes techniquesContraintes techniquesContraintes techniques - Paramètres, type et position de la ou des turbines.

- Faisabilité de l’ensemble turbo générateur.

- Contraintes géotechniques exercées sur la cheminée.

o Composition et mouvement des sols.

o Hydrographie.

- Contraintes climatologiques sur le collecteur et la cheminée.

o Pluies et vents violents.

- Raccordement utilisateur.

- Dimensionnement stockage thermique.

- Régulation de la production (stockage hydraulique).

Contraintes Contraintes Contraintes Contraintes d’aménagementd’aménagementd’aménagementd’aménagement - Code de l’urbanisme

- Code rural

Contraintes de financementContraintes de financementContraintes de financementContraintes de financement - Etude géotechnique.

- Etudes d’ingénierie.

- Construction cheminée.

- Montage collecteur.

- Turbines et générateur.

- Raccord utilisateur.

- Entretien.

Contraintes d’exploitationContraintes d’exploitationContraintes d’exploitationContraintes d’exploitation - Maintenance, entretien turbine, cheminée et collecteur.

- Procédure d’alerte cyclonique.

Contraintes d’impactContraintes d’impactContraintes d’impactContraintes d’impact - Impact visuel (Code de l’environnement : Prévention des nuisances visuelles (Article

L582-1))

- Impact sur la stabilité des sols (Code de l’environnement : Prévention des risques naturelles (Livre V, Titre VI))

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- Impact sonore des travaux et du système mécanique (Code de l’environnement : Prévention des nuisances sonores (Livre V, Titre VII))

F / Conclusion

Cette étude ne peut être considérée comme complète puisqu’elle ne prend pas en compte l’ensemble des aspects sociaux et environnementaux. La courbe de production quotidienne manque également pour répondre de façon précise aux problèmes de régulation et stockage.

Plusieurs critères et contraintes ont pu être relevés. Le potentiel réunionnais pour une filière de

cheminée solaire intégrée en falaise est faible et le coût de l’électricité, aux vues des techniques actuelles, est relativement élevé. L’utilisation ce type de technologie pour une alimentation classique

du réseau est donc peu favorable aux vues de ces deux critères puisqu’il ne semble pas qu’elle puisse remplacé un moyen de production actuelle à moindre coût.

D’un point de vue technique, rien ne s’oppose à la faisabilité d’une telle centrale. Une étude

complémentaire pour d’autres usages reste à mener afin de déterminer la pertinence exacte de ce système. En effet certain point comme l’aspect social ou l’impact environnemental (énergie grise,

rejets dus à la construction) n’ont pu être développés.

Cependant, l’aspect réglementaire représente dans la situation actuelle le principal obstacle pour la réalisation d’un tel projet. La démographie actuelle ne permettra pas de légitimer l’installation d’une

cheminée solaire dans les cirques au détriment des contraintes environnementales.

La croissance démographique de l’île se situe aujourd’hui principalement dans les microrégions

littorales (réf. Cartographie SAR). Une étude approfondie sur ce concept ne semble pas nécessaire en l’absence d’une modification importante de cette tendance. Une cheminée solaire permettrait d’alimenter l’intégralité du cirque de Cilaos mais 86% de l’électricité serait alors en surplus.

VIII / Conclusions et perspectives

A / A la Réunion

a. Cheminée solaire intégrée en falaise La faisabilité technique d’une cheminée solaire intégrée en falaise ne pose pas de problèmes majeurs. Cependant, sa réalisation à la Réunion se heurte à plusieurs autres contraintes.

D’une part, le potentiel réunionnais reste réduit à quelques pourcent de la consommation électrique totale de l’île. En outre, le coût du kilowattheure, dans l’état actuel des techniques de construction sera très élevé. En l’absence de nouvelles techniques d’excavation la construction de la cheminée représentera toujours une part importante du coût total.

D’autre part, des études devront être menées en plus de l’étude d’impact, de l’enquête et du débat public auxquels sont contraints tous les projets d’une telle envergure. Ces deux études supplémentaires devront montrer que la cheminée ne risque pas de déstabiliser la falaise et que la structure présente des atouts majeurs qui justifient son installation au sein d’une zone environnementale de protection forte.

Ces contraintes peuvent remettre en cause le développement d’une filière de cheminée solaire intégrée en falaise à la Réunion.

L’étude reste cependant incomplète pour deux raisons. Elle n’apporte pas d’éléments sur les impacts sociaux et environnementaux. Elle n’apporte pas de dimensionnement précis des moyens de stockage. Le développement ultérieur devra donc commencer par déterminer une méthode ou une étude permettant d’englober l’ensemble des impactes. La mise en place d’une simulation sera nécessaire pour déterminer la courbe de production quotidienne en vue du dimensionnement du système de stockage.

b. Cheminée solaire à la Réunion Dans le cas des autres types de conduit, l’éventualité de réaliser le collecteur dans une zone non protégée réduit les possibilités de blocage pour un motif environnemental. En effet, il existe en dehors des zones protégées et urbanisées de nombreux domaines agricoles étendus et continus autour de l’île. D’après les estimations réalisées pour la cheminée solaire espagnole les deux tiers des surfaces occupées restent exploitables pour des activités agricoles. Les activités agricoles possibles dans les conditions de température et de rayonnement présentes sous le collecteur restent à déterminer.

Il pourrait donc être utile de déterminer si un projet de type Elioth peut être développé à des coûts réglementaires, économiques et financiers raisonnables comparés à d’autres technologies. Le potentiel énergétique pourrait être particulièrement important car près de 30 000 hectares sont à explorer et tous présentent un ensoleillement annuel moyen supérieur à 1600 J/cm2 par jour. Cette surface est actuellement occupée par des champs de canne à sucre, secteur actuellement important pour l’île en terme d’économie et d’emplois.

L’utilisation d’une méthode multicritère de type MASIT pourrait apporter une normalisation des comparaisons entre différentes technologies en prenant en compte les différents aspects du développement durable. L’étude de la cheminée solaire intégrée en falaise n’est pas complète au point de vue de cette méthodologie. Certains critères (principalement réglementaires) se sont cependant révélés comme bloquant pour le développement d’un tel projet.

B / Ailleurs dans le monde

Le concept de la cheminée solaire a tout d’abord été développé pour les pays en voie de développement. Cela est dit et répété tout au long de la littérature portant sur ce sujet. L’inventeur, Jörg Schlaich, insiste également sur ce point dans les premières pages de « The Solar Chimney » (Axel Menges, 1995). Plusieurs raisons à cela, la principale étant que les travaux à mener demande

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beaucoup de main d’œuvre aujourd’hui peu qualifiée. Pour cette raison le coût de la centrale sera fortement diminué. SBP estime la réduction globale à 50% entre une centrale construite en Allemagne et la même en Inde.

De plus l’accessibilité à des pays moins développés est augmentée par la simplicité technique de l’ouvrage. Ainsi, la cheminée solaire est principalement développée afin de proposer une nouvelle alternative pour les pays en voie de développement. De nombreuses technologies s’inscrivant dans le cadre d’un développement durable demandent aujourd’hui des efforts financiers en terme de recherche que peu de pays en voie de développement sont capables d’apporter. De plus, la fabrication à grande échelle de systèmes basés sur des technologies avancées nécessite la mise en place d’équipes de recherche spécialisées, et la création de filières de production répondant à de hautes exigences de qualité. La mise en place de telles filières réclame un processus long et coûteux.

Aujourd’hui, la seule technologie effective permettant de produire une quantité significative d’électricité à un coût raisonnable, en favorisant l’indépendance énergétique, l’accessibilité technologique et de développement durable reste la centrale hydroélectrique. Cependant, le potentiel hydraulique varie selon le pays. La cheminée solaire pourrait devenir à court ou moyen terme une nouvelle option pour de nombreux pays bénéficiant de vastes espaces arides. L’Afrique du Sud (désert du Kalahari) se montre d’ailleurs déjà intéressé par cette technologie ; un laboratoire de l’université de StellenBosch publie très régulièrement des articles sur ce thème. Dans l’Océan Indien, Madagascar concilie également une main d’œuvre bon marché à de vastes espaces et un ensoleillement important.

C / Prospective

Au centre d’un projet d’envergure, la tour solaire peut alors servir d’outil à l’aménagement du territoire. En effet, associé à différents équipements, cette centrale peut servir à centraliser la production et le stockage d’énergie durable. Et ainsi, elle permettrait d’alimenter l’ensemble d’un système urbain, réduisant la dépendance énergétique d’une part, et l’impact sur le réchauffement climatique d’autre part. Le désenclavement de sites isolés par des reliefs accidentés pourrait se mettre en oeuvre au travers de projets rendus autonomes par ce moyen. Les sites concernés profiteraient également d’une structure de récupération et de stockage de l’eau, et d’une surface importante de culture sous serre.

IX / Annexes :

A / Bibliographie

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Kröger, D.G., Buys, J.D., Von Backström, T.W..

performance characteristics. EuroSun2004 International Sonnenforum 1, Freiburg, Germany, pp. 870-879

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J Schlaich R. Bergermann, Wolfgang Schiel, G. Weinrebe

Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems – Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation

www.sbp.com

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E. Bilgen F. Denantes

Counter-rotating turbines for solar chimney power plants

Renewable Energy

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Solar chimney power plants for high altitude Solar Energy 79

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Critical evaluation of solar chimney power plant performance

Solar Energy, Volume 80, Issue 5, May 2006, Pages 535-544

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T. W. von Backström, T. P. Fluri

Maximum fluid power condition in solar chimney power plants – An analytical approach

Solar Energy

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M. LENZEN

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Solar Energy Vol. 65, No. 6, pp. 353–368, 1999

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Béatrice BUTEL-BELLINI, Marc JANIN

Écoconception : état de l’art des outils disponibles

Techniques de l’Ingénieur, traité Environnement, Doc. G 6 010

[39] 2005

Luc Gagnon

Options de production d’électricité : Rendement de l’investissement énergétique

Hydro-Québec, 2005G185-F

[40] 2006

DONNEES AGRICOLES ET RURALES

Agreste Réunion Numéro 08 - Avril 2006

[41] 2005

Serge Simon

Culture de la tomate hors-sol : Dix années d’expérimentation à l’île de la Réunion

Cirad, département Flhor

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Pierre ROSSI

Bétons de fibres métalliques (BFM)

Techniques de l’Ingénieur, traité Construction C 2 214

[43] 2006 Véronique BAROGHEL-

Nouvelle approche de la durabilité Techniques de l’Ingénieur C 2 245

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BOUNY du béton. Indicateurs et méthodes

[44] 2006

Bruno DUCROT, Bernard FARGEOT, Gérard MATHIEU

Stockage de l’eau : ouvrages en béton

Contraintes et dimensionnement

Techniques de l’Ingénieur, traité Construction C 3 671

[45] 2003

TRAM-TRAIN REGIONAL ENTRE SAINT-PAUL ET SAINT-BENOIT / Utilisation pour le transport de marchandises ANALYSE DE LA VIABILITE ECONOMIQUE

Rapport JONCTION (Aix-en-Provence)

[46] 2004

TRAM-TRAIN REGIONAL ENTRE SAINT-PAUL ET SAINT-BENOIT / Utilisation pour le transport de marchandises

ANALYSE DE LA VIABILITE TECHNIQUE

Rapport JONCTION (Aix-en-Provence)

[47] 2005

Département Sécurité, Structures et Feu

EVALUATION TECHNIQUE : Ductal®-FO

CSTB : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment.

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B / Webographie

Sites Web

Enviromission www.enviromission.com.au Tour Solaire de Sunraysia

Schlaich Bergerman and Partners

www.sbp.de Tour Solaire de Sunraysia

Solar Mission Technologies Inc. www.solarmissiontechnologies.com

Tour Solaire de Sunraysia

Australian Institute of Energy

www.aie.org.au Tour Solaire de Sunraysia

Article Le Monde du 03.09.02

www.lemonde.fr/web/article/0,1-0@2-3244,36-288891,0.html

Tour Solaire de Sunraysia

Projet Elioth (OTH) www.elioth.com Montagne Solaire

IMASA www.imasa.com Tour de Fuente el Fresno :

CAMPO3 www.ingenieriacampo3.com Tour de Fuente el Fresno :

Page 78 sur 109

Article du 11/04/2006 www.bulletins-electroniques.com/actualites/33044.htm

Tour de Fuente el Fresno :

Article du 17/05/2006 www.energias-renovables.com

Tour de Fuente el Fresno :

Chambre de Commerce et d’industrie de Paris

www.environnement.ccip.fr ACV

Martiland http://s.martinez.free.fr/V2/agro Culture hors sol

Ministère de l’écologie et du développement durable

http://www.ecologie.gouv.fr/rubrique.php3?id_rubrique=639 ONERC

Kompass www.kompass.fr Annuaire d’entreprises

Societe.com www.societe.com Annuaire d’entreprises

C / Annuaire

Nom Adresse Téléphone/Fax Site Web Activité

Entreprise Matériaux

Lafarge Sobex Rue Coco Robert

97438 Sainte Marie

0262 97 64 84 www.lafarge.re Producteur ciment granulats béton

Lafarge Sobex 2 rue Am Bouvet

97420 LE PORT

0262 53 00 00

Fax : 0262 43 20 31

www.lafarge.re Producteur ciment granulats béton

Lafarge Sobex 2 r Amiral Bouvet

97825 LE PORT CEDEX BP 187

0262 42 69 69 fax : 0262 42 69 70

www.lafarge.re Producteur ciment granulats béton

Holcim (Réunion)

Z.I. no 1 - rue Armagnac

BP 73

RE-97822 Le Port

0262 42 58 20

Fax : 0262 42 58 21

www.holcim.com/OU Producteur

ciment granulats béton

Page 80 sur 109

Holcim (Réunion)

ZI No 1 r Armagnac

97420 Le Port

0262 42 58 00 fax : 0262 42 58 01



Holcim (Réunion)

Chemin Badamier

97410 Saint Pierre

0262 32 27 17 fax : 0262 32 27 18



Holcim (Réunion)

patates à Durand ZAC 1 av Stanislas Gimart

97400 SAINT DENIS

0262 28 98 83

www.holcim.com/OU/

Producteur ciment granulats béton

Holcim (Réunion)

Av Stanislas Gimart Ste Clotilde 97490 SAINT DENIS

fax : 0262 28 40 12



Plastic Service

Mr Lauret

19 r Charles Darwin – ZAC 2000

97420 Port (Le)

0262 43 96 96

Fax : 0262 43 96 97

pro.pagesjaunes.fr/plasticservice Vitrage Plastique

Page 81 sur 109

Miroglass

2Bis r Charles Darwin

97420 LE PORT

0262 42 01 54

Vitrage verre

Société Réunionnaise de Vitrage

38 r Montaigne

97430 LE TAMPON

0262 27 33 17 Vitrage verre

Sorevitre

38 r Montaigne

97430 LE TAMPON

0262 27 20 98 Vitrage verre

Page 82 sur 109

Ingénierie, bureaux d'études

Elioth (OTH)

256, rue de Bercy

75012 PARIS

0144 87 86 61

www.elioth.com ingénierie, bureaux d'études

SOGREAH

122, rue Juliette Dodu

BP. 995 - 97479 Saint-Denis Cedex

0262 90 96 00

0262 90 04 98

fax : 0262 90 96 01

www.sogreahsogreahsogreahsogreah.fr

ingénierie, bureaux d'études

SEGC

8 Av de la rivière des galets

ZA cambaie 97460 St Paul

Tel 0262 45 50 17

Fax 0262 22 50 01

www.segcsegcsegcsegc-reunion.com

ingénierie, bureaux d'études (analyse des sols)

RAUX Stéphane

SEGC - Responsable environnement

8 Av de la rivière des galets

ZA cambaie 97460 St Paul

Tel 0262 45 50 17

Fax 0262 22 50 01

[email protected]

Ingénieur

Page 83 sur 109

ANTEA

5, bis rue Sainte-Anne

97400 SAINT-DENIS

0262 20 95 88

Fax : 0262 20 95 87

www.anteaanteaanteaantea-ingenierie.fr

ingénierie, bureaux d'études (projets d'aménagement pour les maîtrises d'oeuvre ou la prise en charge des travaux)

IMASA

Palacio Valdés, 1

33002 Oviedo (Asturias)

+3498 5227366

Ou +3498 5227178

fax : +3498 5222598

Ou +3498 522 9326

www.imasa.com

ingénierie, exécution de projets industriels

SBP

Hohenzollernstraße 1 70178 Stuttgart

+49(711)6 48 710 fax : +49(711)6 48 71-66

www.sbp.de

ingénierie

Page 84 sur 109

Entreprise travaux, BTP

Pyrénnée Minage

Christophe MUTHE

20 Boulevard des Pyrénées

B.P 103

64001 PAU cedex

0692 87 34 57

Tél.:Tél.:Tél.:Tél.: 05.59.98.81.44

Fax :Fax :Fax :Fax : 05.59.98.00.78

www.pyrenees-minage.com Société de

minage

Terrassements et Carrières

RAZEL

Roger COULET

3, rue René Razel - Christ de Saclay 91892 ORSAY Cedex

0692350035

Tél. : 01 69 85 69 85 Fax : 01 60 19 06 45

www.razel.fr

BTP dont Terrassements et tunnels

Sogéa Réunion (SNC, filiale VINCI)

1 bd Chaudron

97490 Saint Denis

Tél.:Tél.:Tél.:Tél.: 0262 48 39 00

Fax :Fax :Fax :Fax : 0262 29 48 82

www.sogea-construction.com

Entreprise BTP

S.B.T.P.C

Standard

28 r Jules Verne

97420 LE PORT

Tél.:Tél.:Tél.:Tél.: 0262 42 45 00 Fax :Fax :Fax :Fax : 0262 43 49 80

www.sbtpcsbtpcsbtpcsbtpc.com

Entreprise BTP

Page 85 sur 109

S.B.T.P.C

Rue Sully Prudhomme

97420 LE PORT

fax : 0262 55 05 62


Entreprise BTP

S.B.T.P.C

lot Alphonse Lebon

97424 SAINT LEU

0262 54 59 60 fax : 0262 43 40 96


Entreprise BTP

S.B.T.P.C

Rue Cambaie

97460 SAINT PAUL

fax : 0262 45 60 89


Entreprise BTP

OTH Développement

159 r Juliette Dodu

97400 SAINT DENIS

0262 21 44 21 fax : 0262 21 84 71

www.oth.fr

Maîtrise d’oeuvre

GTOI

Agence Travaux publics

Z.I. N°2 - BP 2016 97824 Le Port Cedex

0262 42 85 85

fax : 0262 43 80 77

www.gtoi.fr Entreprise BTP

Page 86 sur 109

Centre TP Nord fax : 0262 71 05 21

GTOI

Agence Travaux publics Centre TP Sud

Z.I. Les Sables 97427 l’Etang Salé

0262 26 56 10

www.gtoi.fr

Entreprise BTP

Nicolas Lantenois

0663 16 67 18

0603 61 69 05

Logiciels et modélisation

Mr Harry Boyer

(Codyrun)

[email protected]

Logiciel de modélisation

Mme Sophie Louage

(Fluent)

[email protected] 0130 60 15 07 Logiciel de modélisation

Fluent France 1, place Charles de Gaulle

Immeuble Central Gare

78180 MONTIGNY LE

0130 60 98 97

fax : 0130 64 98 43

Logiciel de modélisation

Page 87 sur 109

BRETONNEUX

Mr Bilgen

Département Génie Mécanique

C.P. 6079 Montréal, Québec

[email protected]

+1514 340 4711

+1514 340 4579

Fax : +1514 340 5917

Programmation et modélisation

Didier CALOGINE

[email protected]

0692 27 98 94

http://www2.univ-reunion.fr/~lanson/MasterPI/index.html

Programmation et modélisation

Dr. Franz Trieb

Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. (DLR) in der Helmholtzgemeinschaft.

Institut für Technische Thermodynamik.

Pfaffenwaldring 38-40

70569 Stuttgart

+49 711 6862-423

Fax: +49 711 6862-783

www.dlr.de/tt/institut/abteilungen/system/publications/

[email protected]

Page 88 sur 109

Chercheurs ayant réalisé une publication sur ce thème

Mr Bilgen

Département Génie Mécanique

C.P. 6079 Montréal, Québec

[email protected]

+1514 340 4711

+1514 340 4579

Fax : +1514 340 5917

www.polymtl.ca/meca/ Programmation

et modélisation

Mr T. W. von Backström

Department of Mechanical Engineering

University of Stellenbosch

Private Bag X1

Matieland 7602, South Africa

+27 (0)21 808 4267 Fax: +27 (0) 21 808 4958

www.mecheng.sun.ac.za

[email protected]

D. G. Kröger

Departement of Mechanical Engineering

University of Stellenbosch

Private Bag X1

Matieland 7602, South Africa

+27 (0)21 808 4259

Fax : +27(0) 21 808 4958

www.mecheng.sun.ac.za

[email protected]

Page 89 sur 109

Autres Contacts

DEGREANE Horizon

Mr Van Den Bossche

Toulon 0498 16 32 01 Mesure et ingénierie en météorologie

Mr Fung

SR21

Avenue René Cassin - Moufia

97490 SAINTE-CLOTILDE

30 rue de la République BP231

97465 SAINT-DENIS CEDEX

0262 20 21 21

0262 41 00 26

[email protected]

Renseignement Tunnel Le port- St Denis

DDE - Cellule de Prévention des Risques Naturels

Mr Crozet

0262 40 28 08 [email protected] Renseignement

aléa mouvement de terrain.

Page 90 sur 109

CIVIS

COLLIN François

BP 370 - 17 rue François de Mahy

97455 SAINT PIERRE CEDEX

Tel : 0262 49 96 00 ou 0692 65 16 51

Fax : 0262 49 96 99

[email protected]

Communauté de communes

D / Notions de base sur les radiations solaires

variables β : inclinaison du collecteur

δ : déclinaison S :

n : jour de l’année de 1 à 365 ( )ατ : coefficient de transmittance absorbance

ψ : lattitude Indices

sω : angle horaire au coucher du soleil

0 : ex traterrestre

SCG :

T : sur plan incliné

H : rayonnement d: diffus

TK : indice de clarté b : direct

θ : angle d’incidence s : réfléchi par le sol

DéclinaisonDéclinaisonDéclinaisonDéclinaison :::: Angle que fait le soleil au maximum de sa course par rapport au plan équatorial. Sa valeur est donnée, en degrés, par l’équation de Cooper :

+=365

2842sin45.23

nπδ (22)

Où n est le jour de l’année (de 1 pour le 1er janvier à 365)

Angle horaire du soleilAngle horaire du soleilAngle horaire du soleilAngle horaire du soleil ::::

Déplacement angulaire du soleil autour de l’axe polaire, soit 15° (360° en 24h). La valeur de l’angle est nulle au midi solaire, négative le matin et positive le soir.

Angle horaire du soleil à son coucherAngle horaire du soleil à son coucherAngle horaire du soleil à son coucherAngle horaire du soleil à son coucher ::::

Angle horaire au coucher du soleil Sω, il est donné par :

)tan()tan()cos( δψω −=S (23)

Avec ψ la latitude.

RayonnemenRayonnemenRayonnemenRayonnement extraterrestret extraterrestret extraterrestret extraterrestre :::: Le rayonnement solaire avant qu’il atteigne la couche atmosphérique terrestre.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

+

+= δψωωδψππ

sinsinsincoscos.365

2cos033.01

864000 SS

SC nGH

(43)

Et sa moyenne mensuelle du rayonnement quotidien,

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

+

+= δψπωωδψπ

sinsin180

sincoscos.365

360cos033.01

2436000

S

S

SC nGH

(44)

Avec SCG la constante solaire égale à 1367 W/m2.

Page 92 sur 109

Indice de clartéIndice de clartéIndice de clartéIndice de clarté :::: Atténuation du rayonnement par l’atmosphère. Sa moyenne mensuelle TK est exprimée par :

0H

HK T =

(45)

Avec H la moyenne mensuelle du rayonnement quotidien au niveau du sol.

Cette indice v varie généralement entre 0.3 et 0.8.

Rayonnement dans le plan du collecteurRayonnement dans le plan du collecteurRayonnement dans le plan du collecteurRayonnement dans le plan du collecteur ::::

La valeur de la moyenne mensuelle du rayonnement quotidien absorbé par une surface inclinée est exprimé selon :

( ) ( ) ( )2

cos1

2

cos1)(

βατρβατατ −+++−= ggddbbdT HHRHHS (46)

Avec,

( )TH

S=ατ ()

TH la moyenne mensuelle du rayonnement quotidien reçut par une surface inclinée, ( )ατ le facteur

de transmittance-absorbance et S la moyenne mensuelle du rayonnement quotidien absorbé par une

surface inclinée. La différence dT HH − représente bH

la moyenne mensuelle du rayonnement direct. Les trois termes de l’équation correspondent respectivement au rayonnement direct, au

rayonnement diffus et au rayonnement réfléchi par le sol. Le coefficient bR est un terme qui dépend de l’orientation du collecteur, du moment de l’année et de la latitude du lieu.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )δψπωωδψ

δβψωπωδβψ

sinsin180

sincoscos

sinsin180

sincoscos

S

S

S

S

bR

+

−′

+′−=

(47)

Avec,

( ) ( )( ){ }δβψδψω tantancos,tantancosmin −−−=′ aaS (48)

Moyenne mensuelle du rayonnement diffus quotidienMoyenne mensuelle du rayonnement diffus quotidienMoyenne mensuelle du rayonnement diffus quotidienMoyenne mensuelle du rayonnement diffus quotidien ::::

Elle est calculée par les formules suivantes :

Si °> 4.81Sω :

32 137.2189.4560.3391.1 TTT

T

d KKKH

H−+−=

: (49)

Si °< 4.81Sω :

32 821.1427.3022.3311.1 TTT

T

d KKKH

H−+−=

(50)

Page 93 sur 109

Les moyennes mensuelles des angles d’incidence des rayonnements direct, diffus et réfléchis par le sol sont :

+−=

+−=

++

+−=

2

2

002693,05788,090

001497,01388,07,59

)sinsinsincoscoscossinsincos

coscoscoscoscossincossincossincos(sin

ββθββθ

ωγβδωγβψδωβψδγβψδβψδθ

s

d

b a

Cet angle moyen se situe en moyenne mensuelle à 2,5h après le midi solaire. L’erreur commise lors de cette approximation peut être estimée en comparant les résultats du code aux solutions graphiques (Klein, 1979).

E / Corrélation pour les phénomènes de convection

Convection forcée (surface plane à température constante)

( ) 6141 Pr36,21Pr7,11

PrRe

++=

πNu

Régime laminaire

Re < 5.105, Baher et Stephan (1996)

( ) 6141 Pr36,21Pr7,11

PrRe

++=

πNu

5.105 < Re < 107 et 0,6 < Pr < 2000

Petukhov et Popov (1963)

( )vk

L8,37,5Nu +=

Mc Adam (1954)

3/1

22

31

.

0026,02106,0

Nu

∆

∆+

=

ρµ

µρ

kcTg

T

Tg

Tv

k

L

p

m

m

Burger (2004)

Pour une surface réchauffant l’air vers le haut

ou refroidissant l’air vers le bas

( )

( )1Pr8

7,121

Pr1000Re8Nu

3/2

2/1

−

+

−=

f

f

Gnielinski (1975)

Pour une surface refroidissant l’air vers le haut

ou réchauffant l’air vers le bas

ww

ww

Vh

VVff

c

0,38,2

0066,0118,076,0

0000267,000651,02529,1

2

2

+=+−=

+−= ββ

( )N

ffN

TT

hffN

TTNc

TTq

p

p

ap

w

ap

ap

t

−−++

−+

+

+

−

−=

−−

−−

εε

σ121

44

1

41

1

Duffie et Beckman (1991)

Pour un vitrage multicouche

Avec N le nombre de couche du vitrage extérieur.

Convection libre (surface plane à température constante)

410,54RaNu = 104 < Ra < 107, Churchill et Chu (1975)

310,14RaNu = 107 < Ra < 101 1, Churchill et Chu (1975)

Page 94 sur 109

( )41

Ra.cosL

S0,64Nu

= β

tunnel incliné d’un angleβ , de longueur L et de hauteur S, Azevedo and

Sparrow(1985) avec 0° < β <

45°, et ( )βRa.cos

L

S

> 2.102

F / Coefficients de frottement

Flux entre deux plaques

Equation Régime Source

Re

664.0

2=fc

Laminaire Baher and Stephan (1996)

51Re

0592.0

2=fc

Faiblement turbulent

Baher and Stephan (1996)

Re

1700

Re

072.051

−=fc

Transition Schlichting et al. (1999)

25

log62.189.1

−

−=L

kc r

f

Fortement turbulent Schlichting et al. (1999)

Flux dans un tube

Equation Régime Source

Re

16=f

Laminaire Baher and Stephan (1996)

=7

Reln5635.1

1

f

Turbulent Colebrook (1939)

51

10

2010 7

Reln21.2

36500

Re

Re

8

12

+

+

=

f

Fortement turbulent Schlichting et al. (1999)

Page 95 sur 109

G / Recherches et travaux annexes

a. Coefficients de l’énergie grise

Page 96 sur 109

Page 97 sur 109

Page 98 sur 109

Selon une étude de Institute for International Assistance and Solidarity (IFIAS)

Sources des données sur l’énergie grise

Page 99 sur 109

Page 100 sur 109

Page 101 sur 109

Selon une étude de Institute for International Assistance and Solidarity (IFIAS)

b. Fiche Ductal Production :

Lafarge, en collaboration avec Bouygues et Rhodia

Description :

a. Ductal® : béton fibré à ultra haute performance (BFUP)

b. Combine la matrice cimentaire à des fibres métalliques ou organiques.

c. Livré pré mélangé.

d. S’utilise comme un béton auto plaçant.

e. Composition fibrée - entre 2 et 4 %

f. Energie Grise : 6,62 GJ/m3

Page 102 sur 109

3 familles de matériaux Ductal®:

Le Ductal®Le Ductal®Le Ductal®Le Ductal®----FMFMFMFM contient des fibres métalliques. Cette gamme est dédiée aux applications de structure telles les ouvrages d’art et structures porteuses de bâtiment.

Le Ductal®Le Ductal®Le Ductal®Le Ductal®----AFAFAFAF est une déclinaison du Ductal®-FM. Cette gamme en possède les mêmes propriétés mécaniques et présente également un très bon comportement face à un feu normalisé de bâtiment.

Le Ductal®Le Ductal®Le Ductal®Le Ductal®----FOFOFOFO contient des fibres organiques. Cette gamme est dédiée aux applications architectoniques telles les panneaux de façade, mobiliers urbains etc …

Performances mécaniques :

Comportement en compression est quasiment linéaire :

Comportement ductile en flexion :

Ductile : Qui peut être étiré, allongé sans se rompre. (Larousse)

Fluage : Variation de déformation, en fonction du temps et du niveau de chargement, qui intervient après la déformation instantanée, lorsqu'on applique un état de contrainte constant. (www.futura-sciences.com)

Page 103 sur 109

Durabilité :

Indicateurs de durabilitéIndicateurs de durabilitéIndicateurs de durabilitéIndicateurs de durabilité

Portlandite : Hydroxyde de calcium

Essais de durabilité accélérésEssais de durabilité accélérésEssais de durabilité accélérésEssais de durabilité accélérés

Applications notables :

Plaques d’ancrage à La Réunion Le chantier à la Réunion visait à stabiliser un mur de soutènement bordant l’océan, le long de la route

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du littoral. Cet ouvrage de soutien à la chaussée, constitué de plaques préfabriquées, était fortement endommagé. Pour le consolider, des systèmes d’ancrage souterrains ont été reliés à des plaques de répartition d’ancrage en Ductal® fixées sur la digue face à l’océan. Au total, 6 300 plaques en Ductal® avec fibres organiques et 200 plaques en Ductal® avec fibres métalliques ont été installées.

http://www.ductal-lafarge.com/ puis lien Applications et Références/Génie Civil

c. Calque Ilet Gros Galets

Calque de la photo DSC_2738

Village du

Palmiste Rouge

Îlet Calebasse

Ravine

Calumets

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Îlet Calebasse

Ravine

Calumets


Ravine

Calumets

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d. Calcul des rejets en équivalent CO2 de la production électrique à la Réunion

ProdProdProdProd RejetsRejetsRejetsRejets RejetsRejetsRejetsRejets MWhMWhMWhMWh t CO2t CO2t CO2t CO2 g CO2/kWhg CO2/kWhg CO2/kWhg CO2/kWh CTBRCTBRCTBRCTBR 717 000 782 347 1091,1 dontdontdontdont CharbonCharbonCharbonCharbon 299 000 BagasseBagasseBagasseBagasse 126 000 huileshuileshuileshuiles 292 000 CTGCTGCTGCTG 440 000 409 884 931,6 dontdontdontdont CharbonCharbonCharbonCharbon 306 000 BagasseBagasseBagasseBagasse 134 000 CPCPCPCP 480 000 411 311 856,9 TACTACTACTAC 120 000 51 991 433,3 Hydrau.Hydrau.Hydrau.Hydrau. 503 000 0 Bras LionBras LionBras LionBras Lion 6 700 0 PV + éolienPV + éolienPV + éolienPV + éolien 1 069 0 SecoursSecoursSecoursSecours 1 040 ? ? influence : <0,06%

TotalTotalTotalTotal 2 268 809,00 1 655 533 729,7729,7729,7729,7 dont bagasse <25%

Rejet CO2 de la production électrique réunionnaiseRejet CO2 de la production électrique réunionnaiseRejet CO2 de la production électrique réunionnaiseRejet CO2 de la production électrique réunionnaise Année 2005Année 2005Année 2005Année 2005 Source Production : INSEE, CTBR, CTG, EDF Source Rejets : Système d'échange de quotas d'émission de CO2 - MEDD

e. Outil de calcul comparatif du prix de l’électric ité Centrales Date Coût de

construction Puissance (MW)

Production (MWh/an)

tps de fonctionnement initial

durée de vie (ans)

Surface (ha)

Frais entretien par an la première année

Frais entretien par an (% de l'investissement initial

Photovoltaïque Centrale Le Port 2006 5 000 000 h 1 1 300

20 20 1 25

000,00 h 0,50

Centrale Hemau (Bavière) 18 400 000,00 h 4 3 900 20 20

92 000,00 h 0,50

Centrale Portugal Projet 2006

250 000 000,00 h 64 80 000 10

20 114 1 250 000,00 h 0,50

Hydroélectrique

Centrale la Bresse 2 463 000,00 h 0,9 4106,79612 30 30 36 945,00 h 1,50

Centrale La Pulpe 4 840 000,00 h 3,6 15960,5911 30 30 72 600,00 h 1,50

Eolien

parc éolien de Bonneval 2006 13 500 000,00 h 12 23 000 15 30 202 500,00 h 1,50

Parc éolien de Ste Suzanne 2006 7 000 000,00 h 3,85 7 000 20 30 100 000,00 h 1,43

Solar trough

Marquesado Valley 2006 500 000 000,00 h 100 300000 30 30 400 50 000 000,00 h 10,00

dish/stirling

SCE (California), 20 000 unité à 50 000$ Projet 781 000 000,00 h 500 1 500 000 30 30 1820 39 050 000,00 h 5,00

Centrales thermiques Charbon/bagasse

CTBR 150 000 000,00 h 99,5 717 000 15 30 28 680 000,00 h 19,12

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tps de fonctionnement plein régime (h/an)

Frais combustible par an

MWh/ha/an

Prix/Winstallé

taux d'intérêt

An Bn Prix/kWh première période

Prix/kWh période additionnelle

Prix/kWh total

Photovoltaïque

1 300,00 - h 1 300,00 5,00 h

0,04 ### ### 0,31 h #DIV/0! 0,31 h

975,00 - h 4,60 h

0,04 ### ### 0,38 h #DIV/0! 0,38 h

1 250,00 - h 701,75 3,91 h

0,04 ### ### 0,40 h 0,02 h 0,21 h

Hydroélectrique

4 563,11 - h 2,74 h

0,04 ### ### 0,05 h #DIV/0! 0,05 h

4 433,50 - h 1,34 h

0,04 ### ### 0,02 h #DIV/0! 0,02 h

Eolien

1 916,67 - h 1,13 h

0,04 ### ### 0,06 h 0,01 h 0,04 h

1 818,18 - h 1,82 h

0,04 ### ### 0,09 h 0,02 h 0,07 h

Solar trough

3 000,00 - h 750,00

5,00 h 0,04

### ### 0,31 h #DIV/0! 0,31 h

dish/stirling

3 000,00 - h 824,18

1,56 h 0,04

### ### 0,06 h #DIV/0! 0,06 h

Centrales thermiques Charbon/Bagasse

7 206,03 #########

1,51 h 0,04

### ### 0,09 h 0,07 h 0,08 h

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Détaille Bois Rouge Détaille Bois Rouge Détaille Bois Rouge Détaille Bois Rouge Distance Le Port Bois Rouge 45 km Distance Richards Bay (Afrique du Sud) - Le Port(La Réunion,France) Coût moyen du transport littoral* 0,15h/t/km 1359 NM Consommation charbon mensuelle (CTBR) 30 000 t Estimation tarif de transport du charbon par vraquier de 70 000t** Prix charbon Afrique du Sud 30 $/t ou 23 h/t

0,12 à 0,16 $/t pour 100NM

Soit 0,094 à 0,13 h/t pour 100NM Frais de maintenance 2 à 3c€ le Wh (AD) **Ministère des transports, de l'équipement du tourisme et de la mer NB : les tarifs de la maintenance à Bois Rouge est probablement Statistiques 2002 plus élevé puisque la maintenance est réalisée en interne (AD) *Recensement transporteur 2001

Documents

49 Rapport Morgan Lesellin Tour a Vent