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

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[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

[6]: Etude d’opportunité pour une filière de cheminée solaire à la Réunion Stage Plateforme

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