Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire UPR-CNRS 8521 Odeillo et Perpignan A....

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et Perpignan

A. Ferriere Séminaire IPN Orsay, 17 septembre 2007 1

CurriculumAlain FERRIERE, 47 ans, marié, 3 enfants

1982: Ingénieur Supelec

1987: Doctorat en Energétique, Université de Perpignan: "Conception et optimisation d'un outil d'aide à la conduite d'une centrale solaire: application à la centrale Thémis.«

1988: Chercheur CNRS, Institut des Matériaux et Procédés, laboratoire PROMES (2004), Odeillo (France)

•Propriétés thermophysiques des matériaux HT

•Traitements thermiques superficiels par énergie solaire concentrée

•Mesures de flux et de température

•Conversion de l’énergie solaire: production d’électricité et d’hydrogène

Responsable de l’équipe de recherche « Vecteurs énergétiques durables » au laboratoire PROMES-CNRS

Comité Exécutif du programme SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems) de l’AIE

College of Members de l’Agence EUREC

Site web laboratoire PROMES-CNRS: http://www.promes.cnrs.fr

E-mail: [email protected] Tel: 04 68 30 77 49



LES CENTRALES SOLAIRES THEERMODYNAMIQUES: PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT, ETAT DE L’ART ET

PERSPECTIVES MONDIALES

Alain FERRIERE (PROMES-CNRS, Odeillo)



1- Les enjeux

2- Les technologies solaires à concentration

3- Les centrales solaires thermodynamiques

4- Les coûts et les performances

5- Les progrès des technologies CSP

6- Les projets pour le futur

7- Le rôle de la France

LES TECHNOLOGIES SOLAIRES A CONCENTRATION APPLIQUEES A LA PRODUCTION D’ELECTRICITE ET D’HYDROGENE: SITUATION ET PERSPECTIVES

Sommaire



1- Les enjeux


Surface nécessaire pour obtenir avec l’énergie solaire la même énergie annuelle que le barrage d’Assouan: 10200 GWh/an (efficacité globale 10%, puissance installée 4080 MW)

Un problème de surface?

Emprise au sol:

2 ha/MWe



1- Les enjeux


Source: DLR (2001)

kWh/m2/an

Source: DLR (2001)

1- Les enjeux Un problème de terrain?



Source: C. Philibert (1991)

La ressource Ceinture solaireEnsoleillement direct normal >2000 kWh/m2/an Max: 2900 kWh/m2/an70 villes de plus de 1 millions d’habitants

60000 km2 (eq. 11% du territoire français) x 2000 kWh/m2/an x 10% = 12000 TWhe= consommation mondiale d’électricité

1- Les enjeux Un problème de ressource?


1% de la surface des zones arides et semi-arides est suffisante pour produire

l’électricité consommée dans le monde annuellement



1- Les enjeux

0

500

1000

1500

2000

2500

3000Electricity generationPotential TWh/a

Renew. used in 2001

TWh/a

Source: “Encyclopedia of Energy”, Elsevier Inc 2004

Un potentiel de production suffisanten Europe




Filière Emission CO2

[kg CO2/MWhe]

Charbon 900

Gaz C-C 400

Photovoltaïque 100

Solaire Thermique <20

Nucléaire 6

Hydraulique 4

Temps de retour énergétique: 5 moisComposants recyclablesCréation d’emplois: 1 MWe installé = 2 emplois directs créés

1- Les enjeux: l’impact environnemental et social





Applications


Electricité

Zéro émissionde CO2

Cycle combiné

Générateur(Cycle Stirling)

Turbine à gaz(Cycle Brayton)

Turbine à vapeur(Cycle Rankine)

Stockagethermique

ChaleurHT

Récepteur/réacteur

HT

RéactifsH2O

biomassegaz naturel

hydrocarbures oxydes

…/...

Produits(stockage chimique)

H2

Métaux C

Régénération

H2O

Pile à combustible

O2

Valorisation du C

Noirs de carboneFullerènesNanotubes



Moteur Stirling (moteur thermique avec apport de chaleur externe) Source solaire = aucune combustion Gaz de travail : hydrogènePuissance électrique brute : 9,8 kW Rendement nominal: 38 %

ParaboleDiamètre: 8,5 mSurface collectrice: 56,7 m2

Puissance thermique: 55 kW

Systèmes parabole – StirlingDéveloppés par SBP/SOLO et SES ; 10 et 25 kWeRendement: 20 à 25%


Programme ENVIRODISHBMU (All.) + 7 Utilisateurs1 unité installée à PROMESCNRS Odeillo-Fiabilisation-Démonstration




Centrales à tourProduction de chaleur à HT avec caloporteursels fondus, eau/vapeur, air (gaz)





Solar Two

Solar Two (Barstow, Californie, 1997-2000)85000 m2

Sel fondu, Cycle Rankine 12,4 MWe

Centrales à tourProduction de chaleur à HT avec caloporteursels fondus, eau/vapeur, air (gaz)


Projet SOLGATE (2001-2003)Prototype de centrale hybride solaire/fossile

Cycle à gaz (1100°C, 7 bars)Récepteur solaire multi-étagé modulaire

1000 kWth, 800-1000°CTurbine à gaz 250 kWe






Production de chaleur à 250-400°C avec caloporteur huile, eau/vapeur

Centrales solaires cylindro-paraboliques

Chaleur 400°C Stockage Vapeur Electricité





Centrales solaires cylindro-paraboliques

Chaleur 400°C Stockage Vapeur ElectricitéProjets DISS et Inditep (PSA, Espagne)

1998-2004Génération directe de vapeur

400°C, 100 bars




Les centrales solaires existent!


354 MWe exploités commercialement par SCE et NPL en Californie depuis 1985 (centrales SEGS)

1 MWe mis en service par SolarGenix en Arizona en 2005 (Saguaro)

64 MWe mis en service par SolarGenix/Acciona au Nevada en 2007(Solar One)

11 MWe mis en service par Solucar/Abengoa en Espagne en 2007(PS10)

50 MWe en construction par SolarMillennium/Cobra en Espagne(Andasol I)

30 MWe en construction par Abener/Abengoa en Algérie(Hassi R’Mel, ISCC)



PS10: première centrale à tour commerciale, 11 MWel

Centrale PS10Séville (Espagne), Solucar (groupe Abengoa)Tour + vapeur saturée, Cycle Rankine 11 MWeChamp solaire 75 000 m2

PS10, mise en service en 2006







SEGS, Kramer Junction

• 354 MWe dans le désert de Mojave (Californie)• 1984-91 sur le réseau de Los Angeles• 9 centrales de 30 à 80 MWe

• 2000000 m2 cylindro-paraboliques• Huile gilotherm 250-390°C, Cycle Rankine• Systèmes hybrides 80% solaire / 20% gaz• Emprise au sol : 2 ha / MWe

• Coût de production électricité solaire: 0,16 €/kWhe

Les centrales SEGS en Californie




1985-2001:11 milliards kWhe

Production annuelle [GWhe]

Production cumulée [GWhe]

Vente cumulée [M$ US]

800 GWhe/an


L’expérience américaine des centrales SEGS (1985-2007, Californie): un marché bénéfique




L’expérience américaine des centrales SEGS (1980-2007, Californie): importance de la ressource





L’expérience américaine des centrales SEGS (1980-2007, Californie): importance de la ressource

Seuil

16%

10%




Avantages du stockage et de l’hybridation


Accroissement de la disponibilité des centrales

Production d’électricité garantie

SolutionDisponibilit

éFraction solaire

Sans Stockage 25% 100%

Stockage

(et hybridation)60% 75 - 100%

Hybridation

(et stockage)60 - 100% 10 - 50%





Technologie Cylindro-parabolique

Tour Parabole-Stirling

Rendement thermique 70 % 73 % 75 %

Puissance (MWth) 1 - 300 10 - 100 < 0,1

Concentration 80 - 500 700 - 1200 6000-10000

Température de travail 250 – 400 °C 450 – 1000 °C 600 – 1200 °C

Coût des capteurs (€/m2) 210 - 250 140 - 220 ~1000

Investissement (€/We) 2,8 – 3,5 3 - 4 7 - 14

Rendement annuel de conversion solaire-électricité (%)

14% 15% 17%

De la chaleur à haute température, à quel prix?




Ruptures technologiques

1985 2005 2015

Puissance typique (MWe) 30 40 - 80 200

Rendement annuel moyen 8 % 13 - 15 % 16 - 17 %

Coût des capteurs (€/m2) 300 225 120

Coût d’investissement (€/We) 3 - 4 2 - 2,5

Coût d’exploitation (€/MWhe) 30 - 40 10 - 15

Coût de production (€/kWhe) 0,25 0,16 - 0,19 0,06 – 0,07

Incitations (primes, tarifs,…)

(SolarPACES, 1992)

Les coûts de production baissent


net

fuelMOinvest

E

KKKFCRLEC

&

insurancen

d

ndd k

k

kkFCR

11

1

FCR = 9,88%kd = 8%kinsurance = 1%n = 30 ans

Centrales de 50 MWe

avec ensoleillement de Séville (2014 kWh/m2/an)




Des nouvelles technologies se développent en Espagne, en Allemagne, en Italie et aux USA

Concentrateurs cylindro-paraboliques « Flabeg »et récepteur solaire « Schott » (Allemagne)

Héliostat « Solucar – Abengoa »(Espagne)

Une industrie des technologies solaires à concentration s’est créée en Allemagne et en Espagne





La recherche se structure

SunLab: regroupement des activités « solaire thermique » de deux laboratoires Américains Sandia Labs + NREL, USA

SolLab: Alliance de centres de recherche européens (2004-2007)CNRS (France), DLR (All.), CIEMAT (Esp.), ETHZ (Suisse)

SolarPACES: Programme de l’AIE (1995-2007)« Solar Power And Chemical Energy Systems »USA, Australie, Mexique, Afrique du Sud, Allemagne, Espagne, France, Suisse, Italie, Israël, Egypte, Algérie.

International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE)






Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques?


Objectifs: Gains en performances

Réduction des coûts

Collecteurs (miroirs, structures, héliostats)

• Matériaux réfléchissants

• Revêtements protecteurs

• Mécanismes et motorisations

• Concepts de nouveaux dispositifs optiques





Stockage (thermique, chimique)

• Matériaux

• Systèmes

• Concepts (réaction renversables)

Récepteurs (absorbeurs)

• Matériaux HT

• Revêtements sélectifs, anti-réflecteurs

• Concepts

Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques?




17.2

6.7

12.7

5.0

0

5

10

15

20

ce

nts

€/k

Wh

Seville, Spain 2000 kWh/m²a

Desert climate 2700 kWh/m²a

CSP cost reduction

Today

2020

Source: ECOSTAR, 2005

Impact des innovations

0.14

0.17

0.30

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Relative costreduction

Technicalinnovation

Scaling of unitsize beyond 50MW

Volumeproduction

0.61

(50→400 MWe)

(+600 MWe/an)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

rela

tiv

e c

os

t re

du

cti

on

optimistic cost reduction estimation

pessimistic cost reduction estimation





Type Cylindro-parabolique Récepteur central Hydride solaire/TAG

Parabole-Stirling

Fluide caloporteur Huile Vapeur Sels fondus Vapeur saturée Air 1 atm Air pressurisé H2, He

Exemple Andasol Inditep Solar II PS10 Solair Solgate EuroDish

Taille du système de réf. 50 MWe 47 MWe 51 MWe 55 MWe 50 MWe 58,7 MWe 72 MWe

Stockage (h) 2-bacs sels fondus, 3 h

- 2-bacs sels fondus, 3 h

Bac tampon eau/vapeur, 40’

Céramique,

3 h

- -

Investissement (€/kWe):

- Champ solaire

- Tour

- Récepteur

- Stockage

- Groupe GTA

- Coûts indirects

3530

51%

-

-

8%

22%

19%

2840

64%

-

-

-

17%

19%

3470

36%

3%

15%

3%

24%

19%

3019

38%

5%

14%

4%

20%

19%

3989

35%

5%

13%

13%

15%

19%

1622

22%

8%

11%

-

39%

20%

8035

38%

-

7%

-

37%

17%

Facteur de capacité 29% 22% 33% 26% 33% 55% 22%

Fraction solaire 100% 100% 100% 100% 100% 19% 100%

Cycle

(rendement)

Rankine

(37,5%)

Rankine (26%)

Rankine

(38%)

Rankine

(30%)

Rankine (34%)

Brayton

(44,7%)

Stirling

(38%)

Rend. annuel solaire-élec. 14% 9,9% 16% 13,6% 13,5% 19,1% 16,7%

LEC solaire (€/kWhe) 0,172 0,187 0,155 0,168 0,179 0,139 0,193

Impact des innovations 13 - 29% 23 - 38% 11 - 25% 21 - 33% 25 - 37% 17 - 28% 55-66%

LEC solaire 2015 (€/kWhe) 0,12-0,15 0,11-0,14 0,12-0,14 0,11-0,13 0,11-0,14 0,093-0,115 0,065-0,09





Avantages de la conversion thermodynamique:

Intégration dans des installations existantes (pas de surcoût groupes)

Energie électrique garantie par: stockage, efficace et peu coûteux et/ou hybridation (solaire/fossile) Possibilité de co-génération: électricité/chaleur électricité/eau potable Production maximale en phase avec les besoins de climatisation (été) Rendements de conversion élevés: 25%-30% 45% Potentiel de réduction des coûts de production important: amélioration des performances des systèmes (innovations) industrialisation (effet de taille) Temps de retour énergétique court et impact GES faible Création d’emplois (15 à 20 emplois directs et indirects par MW)




Abengoa:10MW PS10 Tower

2x 20MW1x 50MW

SENERSolar Tres

15MW Tower

EHN+SolarGenix15MW EuroSEGS

SMAG/ACS3x50MW

AndaSol 1,2, 3

SMAG/ACS50MW ExtremaSol 1

Iberdrola:5x50MW

EuroTrough

6- Les projets pour le futurCas de l’Espagne: rachat à 0,269 €/kWhe garanti 25 ans unités de production <50 MWe , max. 15% fossile




Près de 2000 MWe en projet dans le monde (2015)

USA (Nouveau Mexique, Arizona, Nevada, Californie, Utah, Texas, Colorado)

1000 MWe

ESPAGNE 630 MWe

ISRAEL 100 MWe

AFRIQUE du SUD 100 MWe

EGYPTE 30 MWe

AUSTRALIE 20 MWe

ALGERIE 30 MWe

MAROC 20 MWe

ITALIE 20 MWe

ALLEMAGNE 1 MWe


Plus, provisoirement (→ 2015-2020):

Des politiques publiques incitatives: l’Espagne, un exemple à suivre!

Des initiatives internationales: CSP Global Market Initiative (5000 MWe en 2015)

Des aides: - Pays en développement GEF (Banque Mondiale) - Europe (C.E.)




Nevada (USA)

Les chantiers redémarrent, centrales commerciales en construction !


EgypteAustralieItalie


Espagne




1982-1986: L’expérience française en production d’électricité solaire thermique: THEMIS, Targasonne

• Succès scientifique• Désastre médiatique• Aventure industrielle avortée

Depuis 1986: Aucune réalisation industrielle en service

1995-2001: Veille scientifique & technologique (programme SolarPACES de l’AIE)

2002: Relance des travaux R&D en France, sous l’impulsion du CNRS-SPI (laboratoire PROMES d’Odeillo)

2004: Création du groupe de travail SOLTEC: CNRS-PROMES, EMAC-LGPSD, LATEP, ADEME, TOTAL, EDF, CREED

2004: Création de l’Alliance Européenne SOLLAB: CNRS, DLR, CIEMAT, ETHZ

Projets R&D nationaux et Européens






CEA / GRETH Grenoble

CEA/DEN/SESI Cadarache

CEA Marcoule

CNRS / PROMES Odeillo

UPPA / LATEP Pau

EMAC / LGPSD Albi

ENSAM / TREFLE Talence

CNRS / LSGC Nancy

Les équipes de recherche

+ industries motivéesTOTAL

EDF-R&D

EDF E.N.

Bertin Technologies

Leroux & Lotz

Eiffel

CNIM

Poweo

CREED Veolia Env.

SolarEuromed

Smart Renewable Energy





Une ressource suffisante sur quelques sites (en PACA, L-R)





Un tarif de rachat attractif

Arrêté de juillet 2006

Tarif de rachat: 0,30 €/kWh

Puissance unitaire <12 MW

Maximum 1500 h/an équ. Pmax(fact. capacité max: 17%)

Garanti 20 ans



Système hybride solaire/fossile (ou biogaz) avec cycle à gaz

Objectifs scientifiques et technologiquesProposer et valider une méthodologie de changement d’échelle (4,5 MWth ; 1,4 MWe)Atteindre des fractions solaires élevées

70 – 80% en valeur instantanée50 – 60% en valeur moyenne annuelle

Développer les récepteurs solaires permettant d’atteindre des températures de sortie d’air de 1000°C et plusEtablir une base de données pour la conception et la prévision fiable des performances de la filièreMettre en place les collaborations (organismes de recherche européens et industries) pour assurer un futur développement de la filière

Projet PEGASE à Thémis

Production d’Electricité par turbine à Gaz et énergie Solaire

Centrale solaire Thémis, 1982-1986

THEMIS, 2004THEMIS, 2004

SOLARTECH

Projet de Plateforme technologique régionale (à vocation Européenne), adossée au Pôle de compétitivité DERBI

Il ne s’agit pas de réaliser une centrale solaire rentable, mais d’établir les bases scientifiques et techniques pour que la filière le devienne!





Projet PEGASE à Thémis

Production d’Electricité par turbine à Gaz et énergie Solaire





Projet PEGASE à Thémis (2007-2013)



Phase 1-bRS-PEGASE (ANR, 2007-2009): récepteur solaire

Coût total

0,4 M€

Mai 2007

Faisceau concentré disponible en sommet de tour

Déc 2008

Récepteur et groupe installés

Déc 2009 Jan 2010

Essais du récepteur

Phase 1-a

Rénovation du champ solaire

Coût total

1 M€

PEGASE-DEMOEU FP7, 2008-2011

Contributions (?)UE: 3 M€

Etat/région: 2 M€ Secteur privé: 2 M€

Phase 2

Construction, mise en service et exploitation expérimentale de la centrale

7 M€



Projets commerciaux



• Initiative SolarEuromed: 20 MW en 2009

• Projet Solbio (Smart Renewable Energy): centrale hybride solaire/biomasse 1-5 MW

• Projet ThemDish: 6 x 10 kW paraboles-Stirling à Thémis

• …


A. Ferriere Séminaire IPN Orsay, 17 septembre 2007 [email protected]://www.promes.cnrs.fr

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