tours solaires
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PROJET DE FIN D’ÉTUDES
Pour l’Obtention du Diplôme de Licence Appliquée en Energétique
SUJET :Etude d’une centrale solaire à effet de cheminée
Présenté parElhoula Nizar
Hmida Abdelmajid
Soutenue le 27/06/ 2009 devant le Jury d’Examen :
Mr Bouzidi Cheker PrésidentMme Zouari Kammoun Emna RapporteurMr Ibrahim Ali Encadreur
Université de Gafsa
Ministère de l’Enseignement Supérieur, de la Recherche Scientifique et de la Technologie
Institut Supérieur des Sciences et de Technologie de l’Énergie de Gafsa
Mr Ismail Naoufel Encadreur
Dédicace
Avec plaisir nous dédions ce modeste
travail
A nos parents,
A nos frères,
Pour leur aides leurs encouragement durant
nos études.
A nos professeurs,
A ceux qui nous ont aidé de près ou de loin.
Enfin, nous dédions ce projet
A nos amis, nos collègues
Et tous qui nous aiment.
Année Universitaire 2008-2009
Remerciements
Avant tout, il est de notre devoir de rendre grâce à DIEU et
sa volonté pour la patience et le courage qu’il nous a offert afin
de réaliser ce travail.
Nos vifs remerciements s’adressent à ceux qui ont
contribué à la finition de ce projet de fin d’étude dans des
bonnes circonstances et notamment à nos encadreurs qui ont
dirigé tout nos travaux.
A Mr Ibrahim Ali
A Mr Ismail Naoufel
Nous tenons également à exprimer nos gratitudes au
président et membres de jury de bien vouloir accepter
d’évaluer ce travail.
A tous ceux qui nous ont aidés.
MERCI
Sommaire
Présentation générale de la Société Tunisienne d’Electricité et du Gaz (STEG).......................1
Introduction générale..................................................................................................................2
Chapitre 1 : Etude générale d’une centrale solaire à effet de cheminée.....................................4
1. Introduction.........................................................................................................................5
2. Historique............................................................................................................................5
2.1 Projet australien............................................................................................................5
2.2 Projet espagnol.............................................................................................................6
3. Principe de fonctionnement d’une centrale solaire à effet de cheminée.............................7
4. Les avantages et les inconvénients d’une centrale à tours..................................................8
4.1. Les avantages..............................................................................................................8
4.2. Les inconvénients........................................................................................................8
5. Conclusion..........................................................................................................................8
Chapitre 2 : Composante d’une centrale solaire à effet de cheminée.........................................9
1. Introduction.......................................................................................................................10
2. Composantes d’une centrale à effet de cheminée.............................................................10
2.1 Collecteur...................................................................................................................10
2.2 Cheminée...................................................................................................................11
2.3. Turbine......................................................................................................................13
3. Conclusion........................................................................................................................13
Chapitre3 : Etablissement des équations de dimensionnement d’une centrale solaire à effet de
cheminée...................................................................................................................................15
1. Introduction.......................................................................................................................15
2. Puissance fournie par la tour solaire.................................................................................15
3. Le rendement du collecteur..............................................................................................15
4. Le rendement de la cheminée..........................................................................................16
4. Le rendement de la turbine...............................................................................................17
5. Expression finale de la puissance fournie par la tour solaire............................................18
6. Conclusion…………………………………………………………………………………18
Chapitre 4 : Etude des opportunités d’installations d’une centrale solaire à effet de cheminée
dans la région de Gafsa.............................................................................................................19
1. Introduction.......................................................................................................................20
2. Besoin en énergie électrique de la région de la ville de Gafsa.........................................20
3. Dimensionnement de la centrale à tour : identification des variantes..............................23
3.1. Méthodologie............................................................................................................23
3.2. Hypothèses................................................................................................................23
3.3. Résultat et interprétation...........................................................................................24
3.4. La variation de la puissance en fonction de la surface du collecteur.......................24
3.5. Condition de choix de la variante optimale..............................................................25
4. Conclusion........................................................................................................................26
Chapitre 5 : Condition générale pour l’implantation d’une centrale à effet de cheminée dans la
région de Gafsa.........................................................................................................................27
1. Introduction.......................................................................................................................28
2. Type d’usage de l’énergie issue d’une centrale à tour......................................................28
2.1. Alimentation d’un site isolé ou d’un site en bout de ligne.......................................28
3. Description du montage d’une centrale solaire à tour......................................................28
3.1. Phases étude d’opportunité........................................................................................28
3.2. Phases ultérieures.....................................................................................................29
4. L’emplacement de la région de Gafsa sur la carte géographique.....................................30
4.1. Localisation...............................................................................................................30
4.2. Description géométrique...........................................................................................30
4.3. Description climatique..............................................................................................30
5. Critères de sélection du site..............................................................................................30
5.1. Connexion au Réseau Electrique..............................................................................30
5.2. Connexion au Réseau Routier..................................................................................31
5.3. Nature du Sol.............................................................................................................31
5.4. Utilisation du Terrain.................................................................................................31
5.5. Facteurs de Risques Externes....................................................................................31
6. Conditions Générales en Tunisie......................................................................................31
6.1. Rayonnement Solaire Direct et Données Météorologiques......................................31
6.2. Sites Sélectionnés......................................................................................................32
7. Critère de financement et coût des composantes de la centrale........................................32
8. Estimation de l’évolution de la puissance et de la production en énergie électrique pour ..35
8.1. Courbe de puissance..................................................................................................35
8.2. Courbe de production d’énergie électrique..............................................................36
9. Etude de rentabilité économique d’un projet de centrale solaire à effet de cheminée..........37
9.1 Hypothèses......................................................................................................................37
9.2 Resultat et conclusion ....................................................................................................38
Conclusion générale..................................................................................................................39
Bibliographie
Annexes
Présentation Générale de la Société Tunisienne
d’Electricité et du Gaz (STEG)
La société tunisienne d’électricité et du gaz a été criée par le décret - loi n° 62-8 du
03/04/1962 on la forme d’une entreprise publique à caractère industrielle et commerciale.
En tant que société nationale assurent publique la S.T.E.G joue le rôle d’opérateur
économique respectable de la réalisation de la politique du gouvernement en matière de
développement des infrastructures électrique et gazière surtout le territoire de la république
La S.T.E.G dans la mission consiste en la production, le transport et la distribution de
l’électricité et du gaz jouit dans ce domaine d’une situation monopolistique. En vie de bien
assurer sa mission, elle est invite de moyens humains et matériels très importants.
La S.T.E.G assure la totalité de la demande nationale en électricité. Avec un totale de
1967 MW la puissance installée, elle reste l’unique producteur de l’énergie électrique en
Tunisie
En effet, la S.T.E.G assure un taux d’électrification de 81% en 1991. Ce qui représente
une évolution en moyenne de 10% par an entre 1962 et 1991 de la consommation d’électricité
BT A progressé de 7%.
Tandis qu’au niveau industriel, le nombre d’abonnés BT a passé de 530 à 8000 et la
consommation 1-IT/MT présente 75% de la consommation totale en 1992.
En somme, bien que la S.T.E.G soit la seule société d’électricité en Tunisie, elle arrive
à satisfaire la demande locale. De plus, le raccordement avec l’Algérie de notre réseau permet
son renforcement d’une part et la possibilité du secours mutuel d’autre part.
La puissance installées du parc de production de la S.T.E.G est de 3196 MW en (2006)
elle a connu au cours des années allant de 2003 à 2005 une évolution annuelle entre 15% et
17%.
La production nationale d’énergie électrique injectée dans le réseau de transport
(S.T.E.G, IPP et achats auprès des auto producteurs) s’est élevée à 12547 GWh en 2006
contre 2805 GWh en 2005 enregistrant par la même une progression de 3.5%.
La consommation du combustible a atteint 2953 Ktp au cours de l’année 2006 contre
2805 Ktep en 2005, soit un accroissement de 5.3 [1].
1
Introduction Générale
L’histoire des siècles passés nous montre les effets multiplicateurs des réponses
apportées aux défis énergétiques successifs, autant de transformations sur la forme de
l’énergie utilisée, autant de révolutions industrielles. Les perspectives de tarissement de
gisement majeurs d’énergie sont aussi dans les esprits quand on constate que la
consommation des ressources naturelles des 40 dernières années dépasse celle cumulée pour
toutes les générations qui ont vécu depuis le fond des âges .Si on observe par ailleurs les
impacts écologiques , voire climatiques , aux conséquences éventuellement irréversibles , on a
le sentiment d’avoir atteint les limites d’un certain équilibre de l’homme dans son
environnement terrestre. La politique mondiale se caractérise par un recours de plus en plus
remarquable vers des ressources d’énergies renouvelables. La Tunisie est l’un des pays qui
s’intéresse aux énergies renouvelables.
Afin de comprendre le contexte énergétique tunisien, il est nécessaire d’analyser les
facteurs et les évènements qui ont émaillé l’histoire de ce secteur durant les trois dernières
décennies. La mise en exploitation de gisements pétroliers, principalement durant les
décennies 70 et 80, ont permis à la Tunisie d’avoir des bénéfices appréciables qui ont
largement contribué à financer le développement du pays .La croissance économique
accélérée du pays a entraîné une forte croissance de la demande d’énergie, ce qui s’est traduit
par une baisse des excédents énergétiques, voire l’apparition d’une situation de déficit.
La croissance importante des besoins énergétiques nationaux, a permis de mettre en
place une stratégie s’articulant autour de deux axes majeurs :
Intensification des efforts de recherche et d’exploitation pétrolière et gazière.
Concrétisation d’une politique volontariste de maîtrise de l’énergie qui consiste à
contrôler l’utilisation de l’énergie et l’orientation vers le développement des énergies
nouvelles et renouvelables. Cette politique est concrétisée, en 1985, par la création de
l’Agence de Maîtrise de l’Energie.
La Tunisie est un pays bien ensoleillé durant toute l’année. Ainsi, il apparaît très
intéressant d’exploiter cet avantage afin de produire de l’énergie électrique à partir de
l’énergie solaire. L’une des technologies permettant d’atteindre cet objectif est la tour solaire
à effet de cheminée.
2
Ce travail est scindé en deux parties. La première partie formée des trois premiers
chapitres. Le premier chapitre présentera les tours solaires déjà existantes ou en projet, le
deuxième chapitre exposera les diverses technologies de construction de ces tours et le
troisième chapitre abordera les modèles mathématiques utilisés dans les études de ces tours.
La deuxième partie est plus expérimentale et contiendra un quatrième chapitre décrivant
l’étude des opportunités d’installation d’une centrale solaire à tour dans la région de Gafsa en
se basant sur les modèles mathématique du troisième chapitre. Le cinquième chapitre
présente les conditions générales pour l’implantation d’une centrale à effet de cheminée dans
la région de Gafsa. Enfin le sixième chapitre s’intéresse à l’étude de rentabilité économique
d’un projet de centrale solaire à cheminée.
3
Chapitre 1 :
Etude générale d’une centrale solaire à effet de cheminée
1. Introduction« Une centrale solaire » souvent appelée « cheminée solaire » et une centrale
thermique qui se réalise dans les régions ensoleillées de la terre. C’est une usine constituée
par trois éléments principaux : un collecteur, une cheminée et une turbine. En effet les tours
solaires produisent l’électricité à partir du rayonnement solaire qui réchauffe l’air sous un toit
translucide et en raison de la différence de densité entre l’air chaud sous le collecteur à
l’intérieur et l’air ambiant plus froid, l’air chaud monte dans la cheminée creuse. En utilisant
des turbines, l’énergie contenue dans le courant aérien ascendant est convertie en énergie
électrique.
Dans ce chapitre on va présenter l’historique, le principe de fonctionnement et les avantages
et les inconvénients d’une centrale solaire à effet de cheminée.
2. Historique
Le concept de la tour solaire fut formalisé en 1968 par Jorg Schlaich ingénieur et
chercheur de nationalité allemande. En 1981 et 1982, un prototype, réalisé par la société
d’ingénieur Schlaich Bergermann und Partner (SBP), a été construit à Manzanares (Espagne).
La centrale a pu fournir une puissance de 50KW en pointe. En 1987, la turbine a fonctionné
3067h pendant les jours et 244h pendant les nuits (grâce au stockage thermique du sol),
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. A présent, deux consortiums
d’entreprises, aux quels participe l’entreprises SBP, ont prévu la réalisation des deux
premières tours solaire à grande échelle en Australie et en Espagne. Parallèlement, un bureau
d’ingénierie 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. Parmi les principaux projets réalisés dans le monde, nous citons :
2.1 Projet australien Ce projet de tour solaire, appelé Projet de Buronga, est prévu pour 2010 et il est
actuellement développé en Australie par la société Enviromission. La cheminée aurait 990
mètres de hauteur et 70 mètres de diamètre (Figure 2.1.1). La centrale fournirait 200
mégawatts de puissance électrique, de quoi approvisionner en électricité environ 200 000
logements. Il s'agit d'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production
d'énergie renouvelable sûre et propre. Les centrales solaires existantes ou en projet sont plutôt
de l'ordre de 10 MW, soit 20 fois moins puissantes. Les spécifications techniques de ce projet
sont :
5
Une cheminée de hauteur 990 m construite à partir des matériaux composites.
Un collecteur de 7 km de diamètre, soit 38,5 km2 de verre et de plastique.
La température moyenne de l'air chauffé dans la cheminée est de 70 °C.
La vitesse de l'air dans la cheminée est de15 m/s (54 km/h).
32 turbines produisant une puissance de 200 mégawatts. Figure (1.1), [2]
Figure 1.1 : Tour solaire du projet australien
2.2 Projet espagnol
Un autre projet de tour solaire, prévu pour arriver à échéance avant 2010, est
actuellement développé en Espagne dans la localité de Fuente el Fresno. Les travaux
devraient être menés en collaboration avec les entreprises espagnoles Campo 3, Imasa et la
compagnie allemande Schlaich Bergermann. Cette tour de 750 mètres de hauteur serait dès
lors la plus haute en Europe (Figure 2.2.1). Les spécifications techniques de ce projet sont
Une cheminée de 750 m de haut.
Un collecteur de 3 km de diamètre, couvrant 350 hectares dont 250 hectares
pourraient être utilisés pour la culture de légumes sous serre (tomates).
Vitesse de l'air dans la cheminée est de 43 km/h.
La puissance de l'installation est de 40 mégawatts, soit la demande en électricité
d'environ 120000 personne. Figure (1.2), [2]
Figure 1.2 : Tour solaire du projet espagnol
56
3. Principe de fonctionnement d’une centrale solaire à effet de cheminée
Jusqu’à nos jours plusieurs technologies et modèles ont été inventés dans le but de
transformation de l’énergie solaire l’énergie électrique. La cheminée solaire, appelée souvent
tour solaire, est une centrale à énergie renouvelable construite de manière à canaliser l’air
chauffé par le soleil afin d’actionner des turbines pour produire de l’électricité. Tout l’intérêt
de cette centrale se situe dans son principe simple : obtenir de l’électricité à partir du courant
d’air chaud, ascendant, réchauffé à partir des rayonnements solaires collectés au sol.
Une tour solaire est constituée de trois éléments principaux : un collecteur, une
cheminée et une turbine. Une serre gigantesque, le « collecteur », placée tout autour de la
cheminée centrale, chauffe l'air grâce au soleil. Sous l’effet de la différence de la densité de
l’air chaud, sous le collecteur, et de l’air ambiant plus froid, à l’extrémité de la cheminée, un
flux d’air se produit de collecteur vers la cheminée. Ce courant d’air entraîne la rotation des
turbines situées à l'embouchure de la cheminée et, par suite, la production de l’électricité
(Figure 3). Pour obtenir un fonctionnement plus régulier, des systèmes d'accumulation de
chaleur sont prévus sous le collecteur afin de générer la chaleur pendant l’absence de
l’ensoleillement (par exemple pendant la nuit). Figure (1.3), [3]
Figure 1.3 : Principe de fonctionnement d’une tour solaire
57
4. Les avantages et les inconvénients d’une centrale à tours
4.1. Les avantages
Une tour simple avec un grand collecteur et une cheminée assez haute peut être conçue
pour produire de 100 à 200 MW. Une centrale de cette puissance fournira l’énergie nécessaire
à une ville d’environ 120000 personnes.
On peut citer quelques avantages du tour solaire:
La tour solaire produit de l’électricité sans aucune conséquence environnementale
négative.
Cette structure simple et robuste garantit un fonctionnement avec un entretien très
réduit et sans l’utilisation du carburant combustible.
4.2. Les inconvénients
Le seul inconvénient dans ce projet est la difficulté pour la construction et
l’investissement de départ.
Lors de la construction de se type de centrale a une forte puissance occupe une grande
surface.
5. Conclusion
En conclusion les exécutions des centrales solaires à effet de cheminée sont étudiées.
Le soleil est sans aucun doute l’avenir énergétique de l’humanité.
5
8
Chapitre 2 :
Composantes d’une centrale solaire à effet de cheminée
1. 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.
Dans ce chapitre on va présenter les différentes composantes de centrale à tour solaire
(collecteur, cheminée, turbine).
2. Composantes d’une centrale à effet de cheminée
2.1 Collecteur
Le collecteur et une couverture en plastique ou en vert. Elle est composée d’une
surface transparente située en quelque mètre au dessus du sol qui provoque un système de
stockage de la chaleur.
L’air est réchauffé par l’absorption du flux solaire, lequel traverse la surface supérieure
transparente du collecteur. L’air circule au sein du collecteur soumis à un phénomène de la
convection.
Le collecteur ne peut pas transformer complètement le rayonnement irradié, des pertes
apparaissent par une réflexion et par une convection. Pendant le jour, une petite partie du
rayonnement frappant la couverture translucide du collecteur est réfracté et la plus grande
partie du rayonnement pénètre. Figure (2.1).
Figure2.1: Irradiation et perte de chaleur convective et stockage de chaleur au collecteur
10
Dans les zones arides, le dépôt de sable et de poussière sur le toit du collecteur
diminue son efficacité, surtout que la pluie est rare dans les déserts pour faire un auto-
nettoyage. Le lien entre le collecteur et la cheminée est constitué d’une couche de tissu
plastique pour assurer l’écoulement du vent crée sans aucune fuite.
Les sacs contenant l’eau salée et servant de stocker la chaleur peuvent être fabriqués d’une
membrane transparente pour la surface supérieure et d’une membrane noire en dessous.
L’énergie thermique emmagasinée par l’eau salée se libère pendant la nuit. Figure (2.2), [2]
Figure 2 2: phénomène de stockage d’eau pendant la nuit
Une étude pour réalisabilité technique d’un stockage thermique à eau a porté sur les
propriétés physiques des matières plastiques, de l’aluminium et de polyéthylène est appropriés
pour cette application.
Le polyéthylène se caractérise par sa stabilité et sa faible consommation d’énergie.
L’aluminium a une consommation d’énergie élevée à la fabrication.
Lors de l’étude de déférentes variantes de stockage. De préférence l’utilisation de sacs
en plastique de forme carrée.
2.2 Cheminée
La cheminée est délimitée par une proie ou centre de la quelle se situe la zone
découlement de l’air le potentielle de pression entre le haut et le bas de la cheminée entraîne
le fluide dans un mouvement ascendant.
La cheminée est le moteur de l’énergie produite, elle conduit l’air chauffé pour
produire l’énergie aux turbines. L’efficacité de la tour est proportionnelle à la différence de
température entre le collecteur et l’environnement au dessus de la tour. La chute naturelle de
1° C pour facilite l’effet nécessaire de chute de la température dans la tour. Elle doit
être assez grande pour créer un courant aérien ascendant suffisant pour faire tourner la
turbine. Les tours de de hauteur peuvent être construites en utilisant des techniques
11
conventionnelles. La tour et une structure creuse cylindrique avec un grand diamètre pour
assurer la stabilité du rapport entre la taille et la largeur.
La différence de température produit une vitesse de l’air ascendant d’environ 15
mètres par seconde et permet à des équipages d’entretien de travailler pendant le
fonctionnement de la centrale sans danger. C’est un avantage par rapport à d’autres centrales
électriques qui doivent être arrêtées pendant des périodes d’entretien. Les tours solaires sont
conçues pour fonctionner avec un temps de panne très petit.
Il existe plusieurs méthodes de construction de cheminée d’une tour solaire. La
cheminée peut être fabriquée en béton armé ou avec une structure métallique.
Plusieurs types de cheminées sont présentés sur la figure (2.3), [4].
Type 1 : représente la variante de cheminée dans une méthode de construction en
béton massif.
Type 2 : le tube de tôle d’acier est construit avec un soutien de béton.
Type 3 : la cheminée est construite par des tôles d’une manière de construction légère,
ce qu’on appelle cheminée en tôle maintenue avec des câbles pour résister contre les
forts vents.
Type 4 : représente une construction spéciale « tube de tôle » suspendue dans une
manière de construction légère.
Tous ces types envisagés ont le même but : protéger et assurer la stabilité de la
cheminée contre les vents et prolonger sa durée de vie.
Figure 2.3 : Différents modèles de construction de cheminée
12
2.3. Turbine
La turbine est située sur le parcourt de l’écoulement de l’air à l’entrée de la cheminée,
Figure (1.3). Elle transforme l’énergie cinétique en énergie mécanique. Celle-ci sera ensuite
transformée en énergie électrique par le biais d’un générateur.
Avec l’utilisation des turbines, le rendement mécanique sous forme d’énergies de
rotation peut être dérivé de l’air dans la tour. Les turbines ont un fonctionnement
particulièrement robuste et silencieux. Les turbines dans une tour solaire ne fonctionnent pas
avec la vitesse décalée comme un convertisseur relaxé d’énergie éolienne ; au lieu de cela
elles emploieront les turbines pression par étapes de vent, semblables à une station d’énergie
hydroélectrique, ou de la pression statique est convertie en énergie de rotation en utilisant une
turbine enfermée par l’installation d’une pipe. Le rendement réalisé est proportionnel au débit
produit et à la chute de pression à la turbine. A fin de réaliser le rendement maximum
d’énergie, un système réglementaire de turbine et employé pour maximiser la production dans
toutes les conditions de fonctionnement. Les relations aérodynamiques autour de l’entrée de
cheminée permettent la disposition à une seule turbine avec l’axe vertical et un rayon de
feuille qui correspond au rayon de la cheminée. Figure (2.4), [5]
La production de l’électricité se fait a partir de la rotation de l’axe de la turbine cette
dernière entraîne avec elle la rotation du rotor de l’alternateur.
Figure 2.4 : Turbine avec axe verticale
3. Conclusion
La technologie de construction de centrale solaire à effet de cheminée a atteint un niveau de
développement industriel. Les données recueillies permettent de conclure sans aucun doute
que des cheminées solaires peuvent être construites, fonctionner pour des nombreuses années
et de façon sûr même dans les pays qui sont technologiquement peu développés.
Différemment de la plupart des autres projets d’énergie renouvelable, on a constaté que les
tours solaires pourraient constituer des projets faciles, attrayants et rentables.
13
Chapitre.3 :
Etablissement des équations de dimensionnement
d’une centrale solaire à effet de cheminée
1. Introduction
Afin de comprendre le fonctionnement des tours solaires, l’étude des grandeurs
physiques et des équations qui décrivent le fonctionnement des centrales solaires s’avère
important. Nous allons nous intéresser au modèle mathématique d’établissement des
équations de dimensionnement d’une centrale solaire à effet de cheminée pour calculer les
différentes grandeurs physiques d’écrit par (Morgan LE SELLIN).
2. Puissance fournie par la tour solaire
La puissance fournie par la centrale peut être calculé à partir du flux de chaleur
solaire multiplié par les rendements relatifs au collecteur, cheminée et turbine.
La puissance s’exprime par :
(3.1)
Avec :
: Flux de chaleur solaire (w)
: Rendement du collecteur
: Rendement de cheminée
: Rendement de turbine
Peut être exprimé en fonction de la l’irradiation solaire globale et la surface
totale du collecteur par :
(3.2)
Avec :
: Irradiation solaire globale (w.m-2)
: Surface de collecteur (m2)
Donc la puissance devient :
(3.3)
Dans ce qui suit, on va déterminer les expressions de rendement relatif au collecteur,
cheminée et turbine.
3. Le rendement du collecteur
Le rendement du collecteur est égal au rapport de la quantité de chaleur accumulée
sous le collecteur par l’énergie solaire incidente.
15
(3.4)
Avec :
: Débit de chaleur (w)
Le débit de chaleur sous le collecteur peut également être exprimé par :
(3.5)
Et
Avec :
: Absorptivité effective du collecteur
: Le coefficient de perte thermique du collecteur (wm-2 k-1)
: Diamètre du collecteur (m)
: Diamètre de la cheminée (m)
: La densité de l’air (kg/m3)
: Le volume spécifique (m3/kg)
: La capacité thermique massique de l’air (J.Kg-1.K-1)
: La différence de la température entre l’air sortie du collecteur et de l’air ambiante.
Donc le rendement du collecteur doit être de la façon suivante :
Donc la formule finale de rendement du collecteur est exprimée de cette façon :
(3.6)
4. Le rendement de la cheminée
En considérant que la totalité de la différence de pression sert à la cinétique de l’air (en
l’absence de la turbine), nous avons alors :
(3.7)
Avec :
: Débit massique de l’air (kg.s-1)
: Vitesse de l’air (m.s-1)
16
Le rendement de la cheminée est alors exprimé par le rapport de la puissance de l’air sur
la quantité de chaleur absorbée par le collecteur :
(3.8)
Peut être exprimé par :
(3.10)
Dans l’hypothèse de l’air parfait s’écoulant sans frottement dans la cheminé, la vitesse
atteinte par un courant de convection libre est donné par l’équation
(3.11)
Avec :
: Champ de gravité (m.s-2)
: Hauteur de cheminée (m)
: Température extérieure (°k)
Les expressions (3.11), dans (3.7) nous donnons l’expression (3.12) :
(3.12)
Les expressions (3.12), (3.10) dans (3.8) le rendement de la cheminée est :
(3.13)
4. Le rendement de la turbine
(3.14)
Avec :
: Respectivement les coefficients de pertes du stator, du rotor et du diffuseur
: La différence de L’entropie statique (kJ.Kg-1.K-1)
17
5. Expression finale de la puissance fournie par la tour solaire
Sachant que :
D’après (3.6), (3.13) et (3.14), l’expression de la puissance fournie par le tour solaire
devient comme suit :
(3.15)
(3.16)
On remarque que la puissance fournie par le tour solaire dépend de la hauteur de
cheminée, de surface du collecteur et de l’irradiation. [6]
6. Conclusion
Dans les calculs de la puissance de la centrale solaire à effet de cheminée il présente
plusieurs autres modèles sont décrit par les chercheurs. Dans le cas de ce modèle représente
une étude pour faire des Simulations.
18
Chapitre 4 :
Etude des opportunités d’installations d’une centrale
solaire à effet de cheminée dans la région de Gafsa
1. Introduction
En Tunisie l'utilisation des installations de centrale solaire à effet de cheminée a été
approuvée par l’Etat dans la stratégie « Maîtrise de l’énergie ». La zone de Gafsa se
caractérise par des conditions climatiques favorables de point de vue nombre important des
jours ensoleillés par ans (330 Jours/ans). Ainsi, l’installation d’une centrale solaire à effet de
cheminée s’avère utile et rentable afin de satisfaire toute la ville en énergie électrique.
Dans ce chapitre on va présenter les données relatives aux conditions climatiques de
la région, la consommation maximale et minimale durant l’année 2008 et le
dimensionnement de centrale solaire à tour dans la région de Gafsa.
2. Besoin en énergie électrique de la ville de Gafsa
La zone de Gafsa se caractérise par des conditions climatiques favorables de point de
vue nombre important des jours ensoleillés par ans (330 Jours/ans). L’installation d’une
centrale solaire à effet de cheminée s’avère utile et rentable afin de satisfaire toute la ville en
énergie électrique. Figure (4.1), [7]
Figure 4.1 : Schéma électrique de l’alimentation de la ville de Gafsa
20
La ville de Gafsa est alimentée à partir des trois postes sources 150/30 KV : poste
150/30 KV Metlaoui, poste 150/30 KV M’Dhilla et poste 150/30 KV Gafsa.
Le départ 30KV Gafsa issu du poste 150/30 KV Metlaoui, le départ 30KV sidi Boubaker issu
du poste mobile 150/30 KV Gafsa et le départ 30 KV EL Ksar issu du poste 150/30 KV
M’Dhilla sont les principaux postes qui desservaient la ville de Gafsa en énergie électrique.
L’alimentation de la ville est assurée par ces trois départs comme suit :
Le départ 30 KV Gafsa alimente un poste de transformation 30/15 KV « MIDA »
équipé par deux transformateurs de puissance 15 MVA chacune et desserve par la
suite la centre ville de Gafsa via une boucle en câble souterraines à travers trois
départs souterrains Gafsa 1, Gafsa 2 et Gafsa 3.
Le départ 30 KV EL Ksar alimente toute la ville d’El Ksar et la délégation de Sned
(3,5MW).
Le départ 30 KV Sidi Boubaker alimente en totalité Gafsa Nord (Cité Ennour, Cité
Essourour) d’une puissance 5 MW, le reste sert à l’alimentation de la zone rurale Sidi
Boubaker d’une puissance (1,5 MW)
La détermination de la valeur de puissance de la ville de Gafsa est faite selon l’équation
suivant :
P = (Pposte Mida + PDepart Zaroug + PDepart sidi boubaker + PDepart Ksar) (4.1)
Les pointes de la charge enregistrée dans les différentes postes sont enregistrées par le
Bureau Centrale de Conduite de Gafsa. Les seules informations disponibles sont ceux
relatives aux 12 mois de l’année 2008 dont les valeurs sont les suivantes :
21
Mois Puissance en
(MW)
Janvier 17.05 (pic)
Février 15.4
Mars 12.5
Avril 12.15
Mai 15.35
Juin 14.55
Juillet 17.2
Août 17.05 (pic)
Septembre 17.05 (pic)
Octobre 15.58
Novembre 15.2
Décembre 16.1
Tableau 4.1: différentes valeurs de puissance électrique de la région de Gafsa
puissance max année 2008 (MW)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mois
pu
issan
ce e
n (
MW
)
Figure 4.2 : Courbe de variation de la puissance maximale (MW)
De la région de Gafsa année 2008
On constate que la variation de la puissance au niveau de la ville est transitoire, elle
présente une stabilité pendant les mois d’été (Juillet, Août et Septembre) avec une puissance
maximale aux alentour de 17 MW, ceci est expliqué par l’utilisation des climatiseurs à cause
22
de l’augmentation de la température au niveau de la région qui varie entre 30 °C et 52 °C. Ce
pic de puissance est enregistré aussi pendant le mois de Janvier, ceci est expliqué par
l’utilisation des chauffages à cause de la baisse de température au niveau de la région qui
varie entre -3°C et 20°C.
Les deux mois avril et Mai présente une consommation moyenne qui ne dépasse pas
13 MW, ceci est expliqué par la modération de climat.
Une première estimation nous permet de déduire la puissance moyenne nécessaire à
l’alimentation de la ville de Gafsa.
=15.43MW (4.2)
Si on considère un coefficient de foisonnement de 0.9 la puissance moyenne
nécessaire à couvrir les besoins de la région de Gafsa est estimé à environ 17MW. [7]
3. Dimensionnement de la centrale à tour : Identification des variantes.
3.1. Méthodologie
Le développement d’une centrale solaire à tour 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 .Une fois cette liste est établie, chaque couple technologie/usage devra être
l’objet d’une étude ou plusieurs études sur les contraintes associées. 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 existants. Cette
méthode découle des méthodes couramment utilisées.
3.2. Hypothèses
En effet, les caractéristiques du climat dans la région de la ville de Gafsa constituent une
bonne opportunité. Grâce à ces ressources naturelles, notre région dispose d’un gisement
d’énergie renouvelable le plus diversifié au niveau international. On a étudié le calcul de la
puissance pour l’alimentation de la région de la ville de Gafsa au mois de décembre dont
l’irradiation est le plus faible = 434.24 w/m2 (voir annexe), la durée d’ensoleillement est de
l’ordre de 197h30 min par mois (voir annexe) , la température moyenne mensuelle de l’air est
de l’ordre de 11.4 C° (voir annexe), l’humidité moyenne à Gafsa est de l’ordre de 55%,
est choisie dans l’ordre de 1013 KJ/Kg.K, la densité de l’air =1.2 Kg/m3 [8], l’absorptivité
effective du collecteur = 85% [9], le coefficient de perte thermique du collecteur = 6.4
23
Wm-2K-1[10], le volume spécifique = 0.86 m3/Kg [11]. Le diamètre de la cheminée est
choisi de l’ordre = 5m et l’efficacité de la turbine est choisie de l’ordre de = 80%.
3.3. Résultats et interprétations
On peut calculer la valeur de la différence de température (entre température sous le
collecteur et la température ambiante) à partir de l’équation suivante.
(4.3)
Diamètre du collecteur en (m)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
en (C°) 40.9 52.32 55.16 56.23 56.74 57.024 57.19 57.03 57.38 57.43
Le tableau si dessous présente le calcul numérique :
Tableau 4.2: Différentes valeurs de la température en fonction du diamètre du collecteur
On constate d’après ce tableau que l’augmentation du diamètre du collecteur provoque
une augmentation de la différence de la température.
3.4. La variation de la puissance en fonction du diamètre du collecteur
Le tableau ci-dessous présente le calcul de la puissance de la centrale solaire à
cheminée en fonction du diamètre du collecteur et de la hauteur de la cheminée.
Et sont variables
Est constante
(m)
(m)50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
100 3.71 7.40 11.14 14.85 18.56 22.28 25.99 29.71 33.42 37.13
200 4.44 8.89 13.34 17.00 22.24 26.69 31.14 35.95 40.04 44.49
300 5.01 10.03 15.04 20.06 25.08 30.09 35.11 40.13 45.14 50.16
400 5.11 10.23 15.35 20.47 25.59 30.71 35.82 40.94 46.06 51.18
500 5.16 10.33 15.50 20.66 25.83 31.60 36.17 41.33 46.50 51.67
600 5.20 10.40 15.61 20.81 26.01 31.62 36.42 41.62 46.83 52.03
700 5.23 10.46 15.70 20.93 26.16 31.64 36.63 41.86 47.10 52.33
800 5.27 10.54 15.81 21.09 26.36 31.68 36.91 42.18 47.45 52.72
900 5.32 10.62 15.87 21.19 26.47 31.71 36.95 42.68 47.52 52.85
1000 5.35 10.70 16.05 21.41 26.76 32.11 37.47 42.81 48.17 53.53
Tableau.4.3 : différentes valeurs de puissance de la centrale en fonction du diamètre du collecteur et la hauteur
de cheminée
24
Un plus grand diamètre du collecteur peut produire une plus grande quantité de chaleur
convertie en énergie électrique. Finalement et à partir de ces résultat en peut dire que la
puissance de sortie de la turbine augmente avec l’augmentation de la surface du collecteur et
la hauteur de cheminée.
Figure 4.3 : courbes des puissances en fonction du diamètre du collecteur pour différentes valeurs de la
hauteur du tour
3.5. Condition de choix de la variante optimale
Pour le besoin de la région de Gafsa d’une puissance de 17MW ; on a projeté cette
puissance sur le graphe de la variation de la puissance en fonction du diamètre du collecteur,
et nous avons identifié dix variantes possibles représentées dans le tableau suivant :
17 Mw
25
VarianteHauteur de
cheminée (m)
Diamètre du
collecteur (m)
X1 228 100
X2 200 200
X3 170 300
X4 166 400
X5 165 500
X6 164 600
X7 162 700
X8 161 800
X9 161 900
X10 158 1000
Tableau 4.4 : différentes valeurs de hauteur de cheminée et surface du collecteurPour un besoin de Gafsa de 17MW
Nous déduisons d’après le tableau ci dessus que si le diamètre du collecteur augmente
la hauteur de cheminée diminue et vis versa.
4. Conclusion
Le choix des caractéristiques technique de la centrale à tour dépend de plus que deux
variables, pour cela, nous étions obligés à fixer le diamètre de la tour en plus de l’irradiation
solaire qui est fixé pour le mois le plus défavorable (décembre). Des multiples résultats
peuvent êtres traités en fonction des paramètres variables à prendre en considération. Le choix
préliminaire de la variante dépend de sont coût qui doit être comparé aux autres variantes
envisagées.
26
Chapitre 5 :
Condition générale pour l’implantation d’une centrale à
effet de cheminée dans la région de Gafsa
1. Introduction
Les besoins de la région de Gafsa ont été longuement discutés dans le chapitre ce
dessous. Suite aux démarches réalisées plusieurs utilisations ont été identifiées. Ces
utilisations se regroupent en deux grandes catégories : celles aux objectifs d’autonomie
électrique et celles répondant aux objectifs d’autonomie énergétique.
2. Type d’usage de l’énergie issue d’une centrale à tour
Les utilisations identifiées se regroupent en deux grandes catégories d’usage : celles
aux objectifs d’autonomie électrique et celles répondant aux objectifs d’autonomie
énergétique. [5]
Dans le cadre de l’autonomie électrique, usages de type 1 :
Usage 1.1 : Alimentation du réseau moyenne tension ou haute tension.
Usage 1.2 : Alimentation de sites isolés.
Usage 1.3 : Alimentation des réseaux en bout de ligne
Dans le cadre de l’autonomie énergétique, usages de type 2 :
Usage 2 : Alimentation des infrastructures de transport
2.1. Alimentation d’un site isolé ou d’un site en bout de ligne
Pour alimenter un site isolé, le système de production d’une centrale solaire à tour 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 un site isolé en cas de coupure du
courant. [5]
3. Description du montage d’une centrale solaire à tour
3.1. 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 de la région
Pour la connaissance du système, l’étude tendra à déterminer si une des technologies
identifiées peut répondre aux besoins de la région de Gafsa 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.
28
Pour chaque couple, les contraintes à surmonter pour le développement ultérieur du
projet devront être identifiées. Les contraintes pourront porter sur différents aspects :
techniques, financiers ou exploitation.
La connaissance du potentiel de la région de Gafsa distingue deux axes :
Conditions météorologiques :
Rayonnement.
Température et pression.
Humidité.
Vent
Topologie :
Topologie des sites.
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 établir afin de permettre aux
décideurs d’effectuer leurs choix. [5]
3.2. Phases ultérieures
Une fois l’usage et les technologies identifiées, le projet peut suivre une procédure
«classique», composée des étapes suivantes : [5]
Mise en place d’une maîtrise d’ouvrage (Le maître d'ouvrage ou maîtrise d'ouvrage,
est la personne privée ou publique pour le compte de laquelle sont réalisés les travaux
de construction)
Etudes d’ingénierie
Ingénierie technique
Ingénierie financière
Mise en œuvre
Mise en place d’une maîtrise d’œuvre
Installation
Essai : performance et conformité au cahier des charges
Contrôle technique
Exploitation
Exploitation
29
Maintenance
Distribution de l’énergie
4. L’emplacement de la région de Gafsa sur la carte géographique
4.1. Localisation.
Gafsa est une ville du sud Ouest de la Tunisie. Elle est située dans une trouée au
milieu d'un alignement montagneux, appelé « monts de Gafsa », entre le Djebel Bou Ramli et
le Djebel Orbata qui culmine à 1165 mètres. Sa latitude est de 34° 25' 30" Nord, sa longitude
de 8° 47' 3" Est, et son altitude moyenne est de 297 mètre. [12]
4.2. Description géométrique
Gafsa se situe dans le secteur sud de l’Atlas saharien au Sud-ouest de la Tunisie, entre
les hautes steppes et le Sahara et jouit d’un emplacement géographique spécifique. En effet, la
région est une zone de passage entre les pays du Maghreb arabe (la Libye et l’Algérie) et les
pays africains à travers la route saharienne actuellement en construction (Tunisie – Algérie et
Niger par Gafsa - Hezoua). Gafsa est aussi un carrefour entre 5 gouvernorats de 100 km de
rayon et reliant le Nord du pays à son Sud. [12]
4.3. Description climatique
La température ambiante de la ville de Gafsa est 20 °C et choisie comme valeur
moyenne des températures durant l’année dans la région de Gafsa, même pour le rayonnement
global moyen Wm-2 (météo). L’humidité varie entre 42 et 67% alors que 55%
et choisie comme valeur moyenne annuelle. Même pour la pression moyenne approximative
de l’ordre de 980 Nm-2. Le site de Gafsa est situé dans le sud Ouest de la Tunisie (latitude
36.5, altitude 127m). [13]
5. Critères de sélection du site
5.1. Connexion au Réseau Electrique
Un réseau électrique existant est très important lors de la sélection du site, car l énergie
produite doit être transportée vers le consommateur. Pour le transport d’une puissance d’un
ordre de grandeur allant de 100 MWe à 150 MWe, une ligne de haute tension de 225 kV sera
nécessaire. Ce niveau de tension est un compromis entre les coûts d’investissement et les
pertes en puissance. De plus faibles niveaux de tension seraient en principe envisageables,
représenteraient ce pendant une perte en puissance plus importante. De plus hauts niveaux de
tension réduiraient les pertes en puissances mais signifieraient des coûts d investissement plus
importants.[14]
30
5.2. Connexion au Réseau Routier
La connexion du site à des routes goudronnées est décisive lors de la sélection du site,
et ce à cause des transports lourds assumés pour la construction de la centrale. Durant l
exploitation de la centrale, une bonne accessibilité du site est également essentielle.
La route à construire ne doit pas, sinon les coûts pour une connexion à une route
seraient excessifs par rapport aux coûts d investissement totaux. [14]
5.3. Nature du Sol
Les conditions à remplir concernant la nature du sol pour le site potentiel peuvent être
résumées en une phrase: le sol doit présenter le moins d irrégularités possibles, être dur et
aussi peu incliné que possible. Ceci est particulièrement important pour des centrales solaires
à tours ces conditions pour des centrales. Les irrégularités doivent être minimales
Collines et cuvettes doivent être aplanies. C’ est pourquoi des cartes détaillées. [14]
5.4. Utilisation du Terrain
Il est important pour la sélection du site que le terrain ne soit ni habité, ni utilisé pour
une autre raison qui pourrait être en concurrence avec l application solaire thermique. Si ces
deux critères sont remplis, il est alors à supposer que les coûts liés à l achat du terrain seront
très bas. Ceci est important, car le besoin en place pour une centrale solaire à tour est
relativement grand. [14]
5.5. Facteurs de Risques Externes
En relation avec la sécurité du site, les critères de risque suivants doivent être bien étudiés:
Tremblements de terre
Tempêtes de sable
Un risque élevé de tremblement de terre est un critère d élimination du site. La
probabilité de tremblement de terre est cependant très faible dans la région du sud de la
Tunisie, ce qui fait que ce point ne sera pas étudié d avantage.
Contre les dégâts dus aux tempêtes de sable, des assurances adéquates doivent être conclues.
[14]
6. Conditions Générales en Tunisie
6.1. Rayonnement Solaire Direct et Données Météorologiques
Une vue sur la carte de rayonnement global montre que la potentiel d’irradiation en
Tunisie augmente en se déplaçant du nord au sud du pays. Ce potentiel d irradiation suffit
pour une centrale solaire à tour de 1.800 kWh/m²/a au nord jusqu à 2600 kWh/m²/a au sud. La
31
mise en place d’une centrale solaire à tour est en principe, si l’on considère le seul
rayonnement solaire disponible, possible partout dans le pays.
Cependant, la production d’électricité est dans les sites à haut rayonnement solaire
moins chère par rapport aux régions à relativement bas rayonnement solaire. Ainsi, les sites
au nord sont exclus de la sélection. Au sud, on peut atteindre des quantités annuelles de
rayonnement solaire supérieures à 2.100 kWh/m². Des sites près des côtes doivent être en
général exclus, car pour ces endroits, la précision des données satellite diminue souvent. De
plus, la brume issue de la mer et tirée sur des centaines de mètres en direction des terres
affaiblit quelque peu le rayonnement solaire direct. Des conditions de rayonnement
particulièrement bonnes sont observées à l ouest des montagnes de Dahar et au sud de la
chaîne de montagnes de Gafsa, s’étalant dans la direction est-ouest.
Les informations relatives aux critères suivants ne sont pas encore complètement
disponibles et vont être considérées lors d études ultérieures:[14]
6.2. Sites Sélectionnés
Les sites sélectionnés ont été notés selon les critères décris ici avec les degrés suivants:
5 = très bien
4 = bien
3 = moyen
2 = en dessous de la moyenne
1 = piètre
Chaque critère de sélection contient un facteur d’évaluation, F, qui, selon la notation
globale, renforce (F>1) ou affaiblit (F<1) la signification du critère. L’évaluation finale d un
site s’ensuit, au cours de laquelle la notation pour chaque critère est multipliée par le facteur
d’évaluation et additionné. Pour les critères liés aux risques externes, le facteur est négatif, car
ces critères désavantagent avec une intensité croissante les sites Pour les sites sélectionnés des
séries temporelles sont établies. [14]
7. Critère de financement et coût des composantes de la centrale
Estimation du coût du collecteur
Le coût d’un collecteur installé en verre avec la charpente métallique peut être estimé à:
10 €/m² soit18 DT (Dinar Tunisien). [5]
Estimation du coût de la cheminée
On considère que la cheminée est en béton armé dont le coût d’1m3 est estimé à 160 €.
32
Dans notre étude :
Hypothèses :
- Nous avons fixé le diamètre intérieur de la cheminée à 5m.
- Le diamètre extérieur de la cheminée est fixé à 5.5m
- Le volume total d’un mètre linéaire de la tour est alors de 16.49m3.
- Le coût d’un mètre linéaire de la tour est estimé à : 2638.4 € ; égale 4749.12 DT. [5]
Figure5.1 : dimensionnement du diamètre de cheminée
Estimation du coût du système mécanique
Le système mécanique est composé essentiellement d’infrastructures, management,
ingénierie et autres.
D’après le graphique ci-dessous relatif à l’estimation de ce coût, nous tirons, par
interpolation graphique une valeur estimative de du système mécanique est de l’ordre de 1.5
Millions € /MW installé ; égale 2.7 Millions DT (2,7 MMDT) [5]
33
Figure 5.2 : Coût du système mécanique en €/MW installé
Coût global pour chaque variante
Compte tenu des coûts estimés pour chaque composante de la centrale à tour, nous
avons calculé le coût global du projet central solaire pour chacune des sept variantes en
identifiant dans le tableau suivant :
Variante (
m)
(m
)(m2)
Coût de cheminée
en MMDT
Coût du collecteur
en MMDT
Coût de système
mécanique en MMDT
Coût totale
en MMDT
X1 228 100 7853.9816 1.082 0.141 2.7 3.923X2 200 200 31415.9265 0.949 0.565 2.7 4.214X3 170 300 70685.8347 0.807 1.272 2.7 4.779X4 166 400 125663.7061 0.788 2.261 2.7 5.749X5 165 500 196349.5408 0.783 3.534 2.7 7.017X6 164 600 282743.3385 0.778 5.089 2.7 8.567X7 162 700 384845.1001 0.769 6.927 2.7 10.396X8 161 800 502654.8246 0.764 9.047 2.7 12.511X9 161 900 636172.5124 0.764 11.451 2.7 14.915X10 158 1000 785398.1634 0.750 14.137 2.7 17.587
Tableau 5.1 : Les valeurs des coûts pour les différentes variantes
On choisit la première variante car la moins coûteuse et la plus rentable par rapport
aux autre pour l’alimentation de la centrale solaire à effet de cheminée de la ville de Gafsa.
34
8. Estimation de l’évolution de la puissance et de la production en énergie électrique pour la
variante retenue durant toute l’année
8.1. Courbe de puissance
Les données dans le tableau ci-dessous sont des relevés mensuels année 2008 fournis
par le centre météorologique relatif aux durées d’ensoleillement les valeurs des irradiations. :
Jan
Fev
Mar
Avr
Mai
Juin
Juil
Aoû
t
Sep
Oct
Nov
Dec
T (°C) 12.1 13.4 15.2 22.1 25.8 28.7 33.8 32.3 28.5 21.7 15.7 11.4
Irradiation
globale
(W/m2)
519.50627.30737.40827.29760.93730.94787.28767.75721.02601.28458.53434.24
Puissance
(MW)21.48 28.74 38.33 62.51 67.13 71.74 90.98 84.78 70.26 44.61 24.61 17.05
Tableau 5.2 : puissance mensuelle développés pour la centrale à tour solaire (voir annexe)
Figure 5.3 : variation de la puissance de la centrale par la variante retenue en fonction de l’irradiation
globale de la région de Gafsa.
ISSTEG
35
La variation de la puissance augmente progressivement du mois janvier jusqu'à le mois
juillet dans se dernier elle représente un pic du valeur maximale 90.98 MW puis elle diminue
jusqu'à une valeur minimale de 17.05 MW du mois de décembre. Cette variation est liée à
l’irradiation globale de rayonnement solaire durant l’année.
8.2. Courbe de production d’énergie électrique
Nous avons calculé l’énergie électrique (énergie produite) pendant l’année 2008. En
les mettant dans le tableau suivant :
mois Nombres d’heures
d’ensoleillement
Energie produite
(GWh)
Janvier 190 h 0 min 4.08
Février 183 h 30 min 5.27
Mars 214 h 24 min 8.21
Avril 240 h 0 min 15
Mai 264 h 54 min 17.78
Juin 300 h 0 min 21.52
Juillet 289 h 36 min 26.34
Août 278 h 0 min 23.56
Septembre 215 h 24 min 15.13
Octobre 188 h 0 min 8.38
Novembre 214 h 18 min 5.27
Décembre 197 h 30 min 3.36
Tableau 5.3 : différente valeur de l’énergie produite durant l’année (voir annexe1)
On va calculer la production moyenne annuelle de l’équation suivante :
Production annuelle= = 153.9 GWh
Production moyenne mensuelle = = 12.82 GWh
36
Figure 5.4 : variation de l’énergie produite de la centrale par la variante retenue en fonction de l’irradiation
globale de la région de Gafsa
L’augmentation de l’énergie est relative au nombre d’heure d’ensoleillement durant
chaque mois. C'est-à-dire la durée de jours pendant la saison d’été est plus langue que les
autres saisons. Et d’après ce diagramme on constate que l’énergie électrique atteinte son
maximum pendant le mois Juillet de 26.34 GWh (car pendant ce mois la durée de jours est la
plus langue durant l’année), et elle diminue jusqu'à le mois décembre de valeur minimale 3.36
GWh.
9. Etude de rentabilité économique d’un projet de centrale solaire à effet de cheminée
9.1. Hypothèses
Durée de l’étude =25 ans
Durée de réalisation du projet : 2 ans (année 0 ; année 1)
Date de mise en production : années 2
Production annuelle : 153.9 GWh (supposé constante pour tout la durée du
projet)
Prix moyenne d’un KWh pour l’année 0: 0.120 DT
Année i = le prix de vende du kWh est indexé à = 3% chaque année
Prix de vende année i = (prix de vente année i) * (1+ )i
37
Investissement globale : 3.923 MMDT répartir sur l’année 0 et 1 à raison de
50% chaque année
Coût d’exploitation : est évalué à 0.5% de l’investissement initial soit 1.9615
MMDT par an sur toute la période d’étude
Taux d’actualisation adopté à 10%
Quantité de CO2 évité (estimé par l’application RETscreen) : 69,6526 millions
de tonnes par an
Coût de la tonne CO2 vendue 24 DT la tonne
Cach flow = [(Gain total + Gain en CO2) – (l’invéstissement i +
Cout d’exploitation i)] i varie de 0 a 24.
Cach flow ia = (Cach flow i). 1/ (1+a)i
VAN = Cach Flow actualise = Cach flow ia
VAN = Cach flow/(1+a)i
VAN : Valeur Actuelle Nette
Par définition et en adoptant le critère de la VAN, si VAN est positif le projet est rentable,
dans le cas contraire, le projet n’est pas rentable.
9.2 Résultat et conclusion
Le calcul de rentabilité économique relatif à la faisabilité du projet de centrale solaire à effet de
cheminée, nous offre une vanne positive égale à 213.49 Millions de dinars tunisien cette étude
préliminaire peut être affiée pour mieux ajuster les coûts des composantes de la centrale solaire à effet
de cheminée aussi que les coûts d’exploitation associé. D’autre critère de rentabilité tel que le TRI
(taux de rentabilité interne) permet être adopté dans le cas ou ce projet sera étudiée par la STEG.
(Voir annexe 2)
38
Conclusions Générales
Des modèles mathématiques de simulation sont développés pour l’étude de la
puissance de la cheminée solaire, ainsi que des équations récemment développées de transfert
de chaleur et de convection.
Bien que, au début de leur exploitation, de telle région soient légèrement plus chères
que les centrales à combustibles, elles ont néanmoins l’avantage de ne rien consommer. En
outre, elles offrent la production d’électricité continue pendant des périodes de non soleil.
Cette technologie est simple, faible et accessible à notre pays qui a des ressources limitées de
carburant et de matière premières. De telles centrales de tour solaire produisent de l’énergie
sans aucun effet négatif sur la nature.
Lors de la réalisation de notre projet, aidé par mes encadreurs, nous n’avons pas
rencontré de difficultés particulaires et le projet est réellement simple. Nous avons souhaités
faire des mesures expérimentales mais nous n’avons pas les instruments de mesure
nécessaires pour les comparer avec les résultats théoriques.
Le projet qui sera réalisé à la région de Gafsa que nous aborderons théoriquement, sera
à dimension plus grande et que nous espoir de participer à la construction de ce projet et de
réaliser des mesures.
La combinaison optimum des dimensions de la cheminée et du collecteur peut être
choisie pour un résultat de puissance exigé, basée sur la simulation et les coûts de
construction dans un emplacement spécifique. Enfin, notre étude montre qu’une centrale de
cheminée solaire composée d’un collecteur de bonne dimension, une cheminée et une turbine
est possible à réaliser à grande échelle pour exploiter l’énergie solaire, surtout que se type de
projet est compatible avec le climat de notre région. Cette réalisation peut être situé dans la
région entre Gafsa et Metlaoui ; elle peut être de grandes dimensions.
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
39
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.
40
Bibliographie
[1]: www.steg.com.tn
[2]: http://fr.wikipedia.org
[3]: www.admiroutes.asso.fr
[4]: Haaf W.solar chimneys, part II: preliminary test results from Manzanares pilot plant.
Int.J.sol Energy 1984; 2:141-161.
[5]: Design of commercial solar updraft tower systems – utilization of solar induced
convective flows for power generation.
Jorg Schlaich, Rudolf Bergermann, Wolfgang Schiel, Gerhard Weinrebe
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Recherche et Développement ARER 2006.(rapport morgan)
Réalisé par : Morgan LE SELLIN Stagiaire ARER 2006 elève 3èm.
[7] : Bureau Centrale de Conduite de Gafsa (BCC).
[8] :http://www.regioncentre.fr
[9]: E.Bilgen and J.Heault .solar chimney power plants for high latitudes 2005
[10]: http://irc.nrc–cnrc.gc.ca
[11]: http://www.thermexcel.com
[12]:www.Wekipédia.com
[13] : (météo)
[14]: Essor des Energies Régénératives et de l Efficacité Energétique
[15] : Etude du Potentiel de Génération Solaire Thermique d Electricité en Tunisie.
Liste des figures
Figure 1.1 : Tour solaire du projet australien…………………………………………….. 6
Figure 1.2 : Tour solaire du projet espagnol……………………………………………... 6
Figure 1.3 : Principe de fonctionnement d’une tour solaire……………………………… 7
Figure2.1: Irradiation et perte de chaleur convective et stockage de chaleur au
collecteur…………………………………………………………………………………... 10
Figure2 2: Phénomène de stockage d’eau pendant la nuit………………………………... 11
Figure 2.3 : Différents modèles de construction de cheminée……………………………. 12
Figure 2.4 : Turbine avec axe verticale…………………………………………………... 13
Figure 4.1 : Schéma électrique de l’alimentation de la ville de Gafsa…………………… 22
Figure Figure 4.2 : Courbe de variation de la puissance maximale (MW)
De la région de Gafsa année 2008………………………………………………………… 24
Figure 4.3 : Courbes des puissances en fonction du diamètre du collecteur pour différent
valeur de la hauteur de tour……………………………………………………………….. 27
Figure5.1 : Dimensionnement du diamètre de cheminée………………………………… 35
Figure 5.2 : Coût du système mécanique en €/MW installé……………………………… 36
Figure 5.3 : Variation de la puissance de la centrale par la variante retenue en fonction
de l’irradiation globale de la région de Gafsa……………………………………………... 37
Figure 5.4 : Variation de l’énergie produite de la centrale par la variante retenue en
fonction de l’irradiation globale de la région de Gafsa …………………………….......... 39
ISSTEG
Liste des tableaux
Tableau 4.1: Différente valeur de puissance électrique de la région de Gafsa……………… 23
Tableau 4.2: Différences valeurs de la température en fonction du diamètre du collecteur... 25
Tableau.4.3 : Différente valeur de puissance de centrale en fonction de la surface du
collecteur……………………………………………………………………………………... 26
Tableau 4.4 : Différente valeur de hauteur de cheminée et surface du collecteur pour un
besoin de Gafsa de 17MW………………………………………………………………….... 28
Tableau 5.1 : Les valeurs des coûts pour les différentes variantes………………………….. 36
Tableau 5.2 : Puissance mensuelle développés pour la centrale à tour solaire …………….. 37
Tableau 5.3 : Différente valeur de l’énergie produite durant l’année………………………. 38
Annexes
Annexe 1 :
Température
moyenne
mensuelle de
l’air sous abri
en C°
Température
maximale au
soleil en C°
Ensoleillement
en heures et
minutes
Irradiation
globale en
W/m2
Température
maximale
mensuelle de
l’air sous abri
en C°
Janvier 12.1 24.2 190 h 0 min 519.50 20.4
Février 13.4 29.4 183 h 30 min 627.30 24.2
Mars 15.2 34.9 214 h 24 min 737.40 29.7
Avril 22.1 43.0 240 h 0 min 827.29 36.1
Mai 25.8 42.6 264 h 54 min 760.93 36.6
Juin 28.7 47.9 300 h 0 min 730.94 42.6
Juillet 33.8 52.1 289 h 36 min 787.28 45.5
Août 23.3 48.5 278 h 0 min 767.75 42.6
Septembre 28.5 47.9 215 h 24 min 721.02 41.1
Octobre 21.7 36.8 188 h 0 min 601.28 28.4
Novembre 15.7 32.4 214 h 18 min 458.53 27.8
Décembre 11.4 29.6 197 h 30 min 434.24 19.9
Donnée par la météo
Remarque : Température sous abri c’est-à-dire température à l’ombre.
année 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Energie produite en Gwh 0 0 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9
PRIX MOYEN D'un Kwh
Vendu DT0,12 0,123 0,127 0,131 0,135 0,139 0,143 0,147 0,152 0,159 0,161 0,166 0,171 0,176 0,181
TOTAL GAINS Millions
DT0,00 0,00 19,59 20,18 20,79 21,41 22,05 22,71 23,39 24,10 24,82 25,56 26,33 27,12 27,93
Quantité de CO2 évité en
Million de tonne 0,00 0,00 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96
Gain de la tonne CO2 en
MMDT0,00 0,00 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671
Investissement en MMDT 1,9615 1,9615
coût d'exploitation 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098
Cash flow MMDT 0.00 0.00 21.359 21.949 22.559 23.179 23.819 24.479 25.153 25.877 26.589 27.329 28.099 28.889 29.699
taux d'actualisation 10% 1 0.91 0.82 0.75 0.68 0.62 0.56 0.51 0.47 0.42 0.39 0.35 0.32 0.29 0.28
Cash flow actualisé 0.00 0.00 17.51 17.46 15.34 14.37 13.33 12.48 11.82 10.86 10.36 9.56 8.99 8.37 8.31
VAN Million de DT 213.49
Annexe 2 :
MMDT : million de Dinar tunisien
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9 153,9
0,186 0,192 0,198 0,204 0,210 0,216 0,223 0,229 0,236 0,243
28,77 29,64 30,52 31,44 32,38 33,36 34,36 35,39 36,45 37,54
6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96 6,96
1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671 1.671
0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098 0,098
30.539 31.409 32.289 43.209 34.149 35.129 36.129 37.159 38.219 39.309
0.23 0.21 0.19 0.17 0.16 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10
7.02 6.59 6.13 7.34 5.46 4.91 4.7 4.45 4.20 3.93
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