Energie solaire Le thermodynamique -...

Energie solaireLe thermodynamique

Diaporama réalisé à partir des publications du SER de juin 2011

Patrick MONASSIERUniversité Lyon 1Faculté des Sciences et TechnologiesMaster ERGE3

Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2

Le thermodynamique en Europe et dans le monde

Les perspectives du solaire thermodynamique

Principes de fonctionnement du thermodynamique

Les différents types de centrales

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Le thermodynamique

Sommaire


Le marché mondial

Fin 2010, on recensait une capacité mondiale de solaire thermodynamiqued’environ 1 300 MW. L’Espagne et les États-Unis concentrent la quasi-totalité descentrales thermodynamiques en activité. Ils sont les seuls à commercialiseractuellement de l’électricité provenant du solaire à concentration.

L’Espagne représente également 66 %des centrales en cours de constructionéquivalant à une puissance d’environ900 M W.

Des projets de centrales à concentrationsont également en cours de constructionaux États-Unis, en Egypte, au Maroc eten Algérie pour une capacité totaled’environ 457 MW.


Répartition des capacités selon les technologies en 2010

Les centrales solaires à collecteurs cylindro-paraboliques représentent 96 % descentrales actuellement en activité. C’est également la technologie privilégiée pourla plupart des centrales en construction et en projet. Cette technologie bénéficie, eneffet, du retour d’expérience des centrales SEGS (Solar Energy Generating Systems)en Californie, en opération depuis bientôt 30 ans.

Il existe également plusieurs exemples de centrales Compact Linear Fresnel (CLFR)dans le monde : aux États-Unis avec la centrale thermique de Kimberlina (5 M W), àLiddell en Australie ( 3MW) ou encore à Murcia en Espagne (1,4 M W).

La technologie des centrales à tour est présente en Espagne, à Séville, avec lescentrales PS10 et PS20 de puissances respectives de 10 M W et 20 M W, ainsi qu'auxÉtats-Unis avec la Sierra Sun Tower de 5 M W, ou encore en Allemagne avec lacentrale expérimentale de Jülich de 1,5 M W.


Inaugurée en 1983 à Targasonne dans les PyrénéesOrientales, la centrale Themis constitue alors unevéritable référence internationale en matière deconversion de l'énergie solaire en électricité. Fermée en1986 pour raisons économiques, elle renaît aujourd’huigrâce à deux projets : Thémis-PV (Photovoltaïque) etPégase (Production d'électricité par turbine à gaz eténergie solaire).

Ainsi, la moitié haute des héliostats a été équipée depanneaux photovoltaïques, en vue de produiredirectement de l'électricité injectée sur le réseau public.L'autre moitié est consacrée au projet de recherchePégase : les 100 héliostats vont concentrer les rayons dusoleil vers la tour centrale existante où circulera de l'air.Ce projet permettra de mener des travaux de R&D sur latechnologie du solaire à concentration.

L’opération pilote de la centrale Themis a permis à laFrance d’être pionnière dans le domaine du solairethermodynamique

France :La centrale Themis


Le potentiel, les ressources

Les zones les plus favorables à l'utilisation de l'énergie solaire concentrée sont celles où l'ensoleillement direct est supérieur à 1 900 kWh/m2/an. Les régions adaptées sont très nombreuses et recèlent un potentiel très important. Elles se situent principalement en Afrique du Nord et septentrionale, au Proche et Moyen-Orient, en Australie, dans le sud-ouest des États-Unis, en Inde ou encore en Asie centrale. En France, seul l’ensoleillement direct du pourtour méditerranéen permet d’envisager des projets sur le territoire national.

« Couvrir 0,3 % de la surface des déserts suffirait à produire l'électricité nécessaire à l'ensemble de l'humanité »selon les experts du projet Desertec

La technologie solaire thermodynamique pourra, dans les prochaines années, être employée pour d’autres usages et applications:

procédés industriels, dessalement, carburants solaires


Les applications de demain

Procédés industriels

De nombreuses industries utilisent des procédés faisant appel à la hautetempérature : stérilisation, chauffage, cuisson, traitement thermique, fusion,distillation, blanchissement, etc.

Certaines technologies solaires thermodynamiques et notamment les collecteurscylindro-paraboliques et miroirs de Fresnel sont appropriées pour ces applications.

Elles peuvent être envisagées dans le cas d’une installation couvrant une gammeentière d'industries utilisant des procédés haute température.



Dessalement

Le dessalement est le processus de transformation de l'eau de mer en eau potable. Les régions souffrant le plus d’une pénurie d’approvisionnement en eau potable sont souvent celles qui reçoivent les grandes quantités de radiation solaire.

Parce qu’il est compatible avec des zones chaudes et sèches, le solaire thermodynamique pourra être mis à contribution pour dessaler l’eau de mer de ces pays en minimisant l’impact environnemental de ce procédé par rapport aux technologies actuelles.



Carburants solaires

Le développement et la recherche pourraient permettre, dans les prochainesannées, la production de carburants solaires. La production d’hydrogène parséparation thermochimique de l’eau pourrait être permise par les hautestempératures fournies par les systèmes solaires à concentration.


Des projets ambitieux

Plan solaire méditerranéen (PSM)

Ce programme, lancé le 13 juillet 2008 par l’Union pour la Méditerranée(UPM) a pour objectif de permettre aux pays situés sur le pourtourméditerranéen, en Afrique du Nord et au Proche-Orient, de développer uneproduction d’électricité d’origine renouvelable par la construction de capacitésadditionnelles de production d’électricité bas carbone, et notamment solaired’une puissance totale de 20 000 M W à l’horizon 2020.

Le fort potentiel solaire de ces pays permettrait d’approvisionner, en électricitéà faible contenu CO₂, le marché local et d’en exporter une partie vers les payseuropéens, fortement demandeurs d’électricité. Pour mettre en œuvre cesobjectifs, de nombreux pays se sont dotés de plans solaires nationaux.



Medgrid

Le projet Medgrid s’inscrit dans le cadre du Plan Solaire Méditerranéen. Cetteinitiative industrielle a pour objet d’étudier la faisabilité d’un réseau de transportde l’électricité entre les rives nord et sud de la Méditerranée et ledéveloppement des interconnexions autour du bassin méditerranéen.

En effet, acheminer l’électricité produite par les centrales développées dans lecadre du PSM vers les zones de consommation nécessite de nouvellesinfrastructures de transport et d’interconnexion reliant les sites de productionaux réseaux locaux et à l’Europe, notamment par des lignes sous-marines àcourant continu haute tension (CCHT).



Desertec

Initié en 2009, le projet Desertec vise à exploiter les potentiels énergétiques desdéserts du Moyen-Orient et d’Afrique du Nord, grâce à un vaste réseau decentrales solaires à concentration et de parcs éoliens.

L’objectif de cette initiative industrielle est de faire coopérer l’Europe, le Moyen-Orient et l’Afrique du Nord afin de produire de l’électricité et de l’eau douce.

D’ici 2050, 15 % des besoins en électricité de l’Europe et une grande partie deceux des pays producteurs pourraient être assurés.


Le solaire thermodynamique est l'une des valorisations du rayonnement solairedirect. Cette technologie consiste à concentrer le rayonnement solaire pour chaufferun fluide à haute température et produire ainsi de l’électricité ou alimenter enénergie des procédés industriels.


Quelques définitions :

• Solaire thermodynamique : également appelé solaire à concentration ou CSP(concentrated solar power), cette technologie permet de convertir le rayonnement solaire direct en électricité via des processus thermodynamiques

• Miroir : également appelé collecteur, capteur, réflecteur ou concentrateur, le miroir est le système qui permet de collecter et de concentrer le rayonnement solaire

• Fluide caloporteur : également appelé fluide de transfert, il est chargé de transporter la chaleur collectée et concentrée par le miroir

• Fluide thermodynamique : appelé également fluide de travail, il permet d’actionner et d'entraîner les machines (moteurs, turbines, etc.)


Les systèmes de concentration

L'énergie solaire étant peu dense, il est nécessaire de la concentrer, via des miroirsréflecteurs, pour obtenir des températures exploitables pour la productiond'électricité. Le rayonnement peut être concentré sur un récepteur linéaire ouponctuel. Le récepteur absorbe l'énergie réfléchie par le miroir et la transfère aufluide thermodynamique. Les systèmes à concentration en ligne ont généralementun facteur de concentration inférieur à celui des concentrateurs ponctuels.

Les centrales solaires thermodynamiques recouvrent une grande variété desystèmes disponibles tant au niveau de la concentration du rayonnement, du choixdu fluide caloporteur ou du mode de stockage.

Le facteur de concentration

On caractérise la performance du système par son facteur de concentration. Cecoefficient permet d’évaluer l’intensité de la concentration solaire : plus le facteurde concentration est élevé, plus la température atteinte sera importante.

Facteur de concentration = surface du miroir / surface du récepteur


Les systèmes de concentration


Les fluides caloporteurs et thermodynamiques

L’énergie thermique provenant du rayonnement solaire collecté est convertiegrâce à un fluide caloporteur puis un fluide thermodynamique.

Dans certains cas, le fluide caloporteur est utilisé directement comme fluidethermodynamique.

Le choix du fluide caloporteur détermine la température maximale admissible,oriente le choix de la technologie et des matériaux du récepteur et conditionne lapossibilité et la commodité du stockage.

Huiles, sels fondus, gaz, eau liquide, fluides organiques, air



Les huiles sont des fluides monophasiques qui présentent un bon

coefficient d’échange. Leur gamme de température est limitée à environ 400°C. C’est le fluide le plus couramment employé dans les centrales à collecteurscylindro-paraboliques.

Les sels fondus à base de nitrates de sodium et de potassium offrent un

bon coefficient d’échange et possèdent une densité élevée. Ils sont doncégalement de très bons fluides de stockage. Leur température de sortie peutatteindre 650 °C. Leur association avec un concentrateur à tour et un cycle deRankine constitue une combinaison déjà éprouvée.

Les gaz tels l’hydrogène ou l’hélium peuvent être utilisés comme fluides

thermodynamiques et entraîner les moteurs Stirling qui sont associés auxcollecteurs paraboliques.



L’eau liquide est, a priori, un fluide de transfert idéal. Elle offre un excellent

coefficient d’échange et possède une forte capacité thermique. En outre, elle peutêtre utilisée directement comme fluide thermodynamique dans un cycle deRankine. Cependant son utilisation implique de travailler à des pressions trèsélevées dans les récepteurs en raison des hautes températures atteintes, ce quipose problème pour les technologies cylindro-paraboliques.

Les fluides organiques (butane, propane, etc.) possèdent une température

d’évaporation relativement basse et sont utilisés comme fluide thermodynamiquedans un cycle de Rankine.

L’air peut être utilisé comme fluide caloporteur ou comme fluide

thermodynamique dans les turbines à gaz.


Le stockage, une production en continu

Un atout majeur de certaines technologies solaires thermodynamiques est leurcapacité de stockage qui permet aux centrales de fonctionner en continu. Eneffet, lorsque l'ensoleillement est supérieur aux capacités de la turbine, lachaleur en surplus est dirigée vers un stockage thermique, qui se remplit aucours de la journée.

La chaleur emmagasinée permet de continuer à produire en cas de passagenuageux ainsi qu'à la tombée de la nuit. Plusieurs procédés de stockage peuventêtre utilisés : sel fondu, béton, matériaux à changement de phase, etc.


Les systèmes de génération d’électricité

Plusieurs systèmes de génération d'électricité sont envisageables : turbine à gazsolarisées, cycle de Rankine vapeur, moteur Stirling, Cycle de Rankine organique,etc.

Le choix d’un système est conditionné par le type de fluide, la technique decaptage et de stockage envisagés. Les cycles de Rankine vapeur sont, dans l’étatactuel des technologies, les plus largement déployés.

L'hybridation

L’hybridation avec une source de chaleur fossile ou biomasse permet d’accroîtrela disponibilité des installations et de produire la chaleur de manière garantie.

Elle favorise ainsi la stabilité des réseaux électriques nationaux et continentaux.


Ce type de centrale se compose derangées parallèles de longs miroirscylindro-paraboliques qui tournentautour d’un axe horizontal pour suivrela course du soleil.

Les rayons solaires sont concentrés surun tube récepteur horizontal, danslequel circule un fluide caloporteurdont la température atteint en général400 °C.

Ce fluide est ensuite pompé à traversdes échangeurs afin de produire de lavapeur surchauffée qui actionne uneturbine ou un générateur électrique.

Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques


Un facteur de coût important dans latechnologie des collecteurs cylindro-paraboliques repose sur la mise en forme duverre pour obtenir sa forme parabolique.

Une alternative possible consiste à approximerla forme parabolique du collecteur par unesuccession de miroirs plans. C’est le principedu concentrateur de Fresnel. Chacun desmiroirs peut pivoter en suivant la course dusoleil pour rediriger et concentrer enpermanence les rayons solaires vers un tubeou un ensemble de tubes récepteurs linéairesfixes.

En circulant dans ce récepteur horizontal, lefluide thermodynamique peut être vaporisépuis surchauffé jusqu’à 500 °C. La vapeur alorsproduite actionne une turbine qui produit del’électricité. Le cycle thermodynamique estgénéralement direct, ce qui permet d'éviter leséchangeurs de chaleur.

Les centrales solairesà miroir de Fresnel


Les centrales solaires à tour sont constituées denombreux miroirs concentrant les rayons solaires versune chaudière située au sommet d'une tour. Lesmiroirs uniformément répartis sont appelés héliostats.Chaque héliostat est orientable, et suit le soleilindividuellement et le réfléchit précisément endirection du receveur au sommet de la tour solaire.

Le facteur de concentration peut dépasser 1000, ce quipermet d'atteindre des températures importantes, de600 °C à 1000 °C. L’énergie concentrée sur le receveurest ensuite soit directement transférée au fluidethermodynamique (génération directe de vapeurentraînant une turbine ou chauffage d’air alimentantune turbine à gaz), soit utilisée pour chauffer un fluidecaloporteur intermédiaire. Ce liquide caloporteur estensuite envoyé dans une chaudière et la vapeurgénérée actionne des turbines. Dans tous les cas, lesturbines entraînent des alternateurs produisant del'électricité.

Les centrales à tour


Ayant la même forme que les paraboles deréception satellite, les capteurs paraboliquesfonctionnent d'une manière autonome. Ilss’orientent automatiquement et suivent le soleil surdeux axes afin de réfléchir et de concentrer lesrayons du soleil vers un point de convergenceappelé foyer. Ce foyer est le récepteur du système.

Il s’agit le plus souvent d’une enceinte ferméecontenant du gaz qui est monté en températuresous l'effet de la concentration. Cela entraîne unmoteur Stirling qui convertit l’énergie solairethermique en énergie mécanique puis en électricité.Le rapport de concentration de ce système estsouvent supérieur à 2000 et le récepteur peutatteindre une température de 1000 °C.

Un de leurs principaux avantages est la modularité :ils peuvent en effet être installés dans des endroitsisolés, non raccordés au réseau électrique. Pour cetype de système, le stockage n'est pas possible.

Les centrales à capteurs paraboliques


Dans ce concept, les rayons solaires ne sont pas concentrés. L'air est chauffé par unesurface de captage solaire formée d’une couverture transparente et agissant commeune serre. L’air chaud étant plus léger, il s'échappe par une grande cheminée centrale.

La tour solaire à effet de cheminée

La différence de température entre lapartie basse et la partie haute de lacheminée donne lieu à undéplacement perpétuel de l’air(phénomène de la convectionnaturelle). Cette circulation d’airpermet alors à des turbines situées àl’entrée de la cheminée de produirede l’électricité.

Le principal avantage de ce systèmeest qu’il peut fonctionner sansintermittence en utilisant lerayonnement du soleil le jour et lachaleur emmagasinée dans le sol lanuit.

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