Atmospheric Vortex Engine

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Le transport de chaleur vers le haut par convection dans l’atmosphère peut entraîner une production d’énergie mécanique. Nous proposons ici, de mettre en marche un tourbillon du genre tornade et de concentrer l’énergie mécanique de sorte qu’elle puisse être captée. L’existence des tornades démontre que l’énergie solaire reçue à basse intensité peut produire de l’énergie mécanique à haute concentration. Il devrait être possible de maîtriser un procédé naturel.

Un moteur tourbillon atmosphérique est une machine conçue pour produire et contrôler un tourbillon de genre tornade. La machine consiste en un mur cylindrique ouvert par le dessus, avec des entrés tangentielles au bas. Le tourbillon est mis en marche en chauffant l’air à l’intérieur du cylindre soit avec du carburant, soit avec de la vapeur. Une fois le tourbillon en marche, la chaleur de l’air peut être augmentée dans une tour de refroidissement périphérique située à l’extérieur du mur cylindrique. La source de chaleur peut être soit la chaleur rejetée par un procédé industriel, soit la chaleur contenue dans l’eau d’une mer chaude ou soit la chaleur déjà présente dans l’air humide du bas de l’atmosphère.

Une centrale AVE (Atmospheric Vortex Engine) pourrait avoir une puissance électrique de 200 MW; le mur cylindrique pourrait avoir une hauteur de 100 m et un diamètre de 400 m. Le tourbillon aurait un diamètre de 50 m à sa base qui s’accroîtrait en montant et une hauteur pouvant atteindre 20 km.

Des vannes situées en amont des déflecteurs permettent de restreindre la quantité d’air entrant le mur cylindrique, et ainsi de régulariser l’intensité du tourbillon. Le tourbillon est arrêté en restreignant le flux d’air chauffé à circulation directe et en ouvrant un flux d’air non chauffé à circulation contraire. L’énergie électrique est produite dans des turbines axiales situées dans les entrées d’air en amont des déflecteurs. La pression au bas du tourbillon est plus basse que la pression ambiante parce que la densité de l’air ascendant est moindre que celle de l’air environnant. La pression à l’intérieur des tours de refroidissement est plus basse que la pression environnante parce que l’air sortant de la tour de refroidissement est envoyé dans le bas du tourbillon.

Le principe thermodynamique est le même que celui de la cheminée solaire. La cheminée matérielle est remplacée par la force centrifuge, et le collecteur de chaleur est remplacé soit par la couche d’air au bas de l’atmosphère, soit par l’eau des mers chaudes.

Le flux convectif de chaleur au bas de l’atmosphère est d’environ 150 W/m2, et un sixième de cette chaleur pourrait être transformée en énergie mécanique en étant transportée vers le haut. Le rendement travail-chaleur est d’environ 15 % parce que la chaleur est reçue à une température moyenne de +15 °C et cédée à une température moyenne de -15 °C. Le travail qui pourrait être produit dans l’atmosphère est de 25 W/m2. Le potentiel énergétique est donc de 12000 TW (25 W/m2 x 510 x 1012 m2), c’est-à-dire 6000 fois plus que l’énergie produite par les humains qui, elle, n’est que de 2 TW. L’énergie produite dans un grand ouragan peut excéder l’énergie produite par toute l’humanité durant une année. Pour capter l’énergie, la dilation doit se faire à équilibre mécanique, ce qui n’est pas facile. À cette fin, il faut un conduit qui permet la transmission du travail d’expansion vers le bas, ainsi qu’une turbine. S’il manque un ou l’autre de ces éléments, le travail qui aurait pu être produit devient chaleur.

Les scientifiques de l’atmosphère appellent le travail produit par kilogramme d’air levé CAPE (Convective Available Potential Energy). Durant les périodes d’insolation lorsqu’il y a convection, CAPE est typiquement autour de 1500 J/kg, ce qui est égal à l’énergie qui peut être produite en abaissant un kilogramme d’eau de 150 m. Il est proposé qu’un tourbillon pourrait transférer cette énergie mécanique vers le bas où elle serait captée.

Le procédé AVE pourrait produire de grandes quantités d’énergie durable, réduire le réchauffement causé par les gaz à effet de serre et aider à rencontrer les objectifs du protocole de Kyoto. Il y a réticence à tenter de contrôler un procédé aussi violent qu’une tornade, mais une tornade bien maîtrisée pourrait réduire l’instabilité atmosphérique et diminuer les risques au lieu de les augmenter. Une petite tornade bien ancrée au-dessus d’une centrale fortement bâtie ne serait pas nécessairement un danger. Le procédé pourrait permettre de capter non seulement l’énergie des vents soufflant à l’horizontal, mais également l’énergie non produite par manque d’équilibre mécanique.

Nous estimons qu’il serait possible, dans des conditions atmosphériques idéales, de démontrer la faisabilité de produire un tourbillon qui se maintiendrait sans apport de chaleur avec une installation de 30 m de diamètre. Apprendre à maîtriser les grands tourbillons sera un défi et un projet d’ingénierie d’envergure. Les ingénieurs et scientifiques de l’atmosphère devront s’entendre sur la faisabilité et travailler en collaboration. Il y aura bien des difficultés à surmonter, mais elles ne devraient pas être plus grandes que celles rencontrées par d’autres grands projets.

Le moteur tourbillon atmosphérique pourrait devenir une source importante d’électricité. Le coût de l’électricité produite devrait être bien inférieur à celui d’autres moyens de production car le processus ne nécessite ni carburant ni collecteur.

AVE Power Plant Illustration by Charles Floyd




Lien article: De grands Canadiens à l'Impérial de Marcia Kaye, paru dans la revue de l'Impérial (Esso Canada) en automne 2008.