ANALYSE DE SYSTEMES ET PROBLEMES POSES PAR L'ENERGIE SOLAIRE

J.L. Abatut Laboratolre d'Automatique et d'Analyse des Syst~mes

du Centre National de la Recherche Scientifique 7, Avenue du Colonel Roche

3]400 TOULOUSE France

INTRODUCTION

Les recherches sur le d~veloppement de sources ~nerg~tlques nouvelles

sont de plus en plus une n~cessit~ compte tenu notamment des probl~mes de disponibi-

lit~ des sources fossiles d'~nergie (sur le plan technique et ~conomique) et des

probl~mes d'environnement de plus en plus importants.

Dans le cadre du d~veloppement en France de fili~res "~nergies nouvel-

les", le Centre National de la Recherche Scientifique a mis en place en ]975 le

Programme Interdisciplinaire de Recherches pour le D~veloppement de l'Energie Solai-

re, (PIRDES). Ce programme, men~ en collaboration ~troite avec de nombreux organis-

mes franqals, publics ou priv~s (EDF, CNES, CEA, .... ) comprend 5 th~mes principaux

de recherches :

- Centrales thermo-h~lio-~lectriques

- Conversion photovolta[que

- Habitat solaire

- Photosynth~se et bio-conversion

- Thermochlmie solalre.

Aces thgmes de recherches viennent s'adjoindre des travaux d'int~r~t g~n~ral :

- Etudes cllmatlques et ~cologiques

- Etudes ~conomiques et analyse de syst~mes.

L'analyse de syst~mes, que l'on ne dolt pas consid~rer comme une nouvel-

le science mais plutSt comme une nouvelle approche d'un probl~me complexe, a pour

objectif essentiel de rechercher le r~le potentiel et la place de l'~nergie solaire

dans le contexte ~nerg~tique, ~conomique, ~cologique, social d'une r~gion ou d'un

pays.

Le secteur de l'~nergle ne peut pas ~tre consid~r~ comme une simple

juxtaposition de sources, syt~mes de conversion, usages, mais come un v~ritable sys-

t~me. Ceci implique qu'une analyse de syst~mes sur l'~nergie solaire n'est qu'une

318

analyse partielle qui doit ~tre reli~e ~ l'ensemble du secteur ~nerg~tique, puis aux

domaines ~conomique, ~cologique et social (figure I).

L'objeetif essentiel de cette communication est de donner quelques

idles sur les probl~mes d'analyse qui se posent au niveau d'une seule filiare de

conversion de l'~nergie solo]re : la conversion hdlio-thermo-dynamo-~lectrique

(centrales HTDE de grande puissance).

Apr~s description rap]de d'une centrale HTDE seront d~crits un certain

nombre d'~tudes dont les r~sultats do]vent permettre d'inclure ce type de conversion

dans un module du secteur solaire, puis du secteur ~nerg~tique~ enfin dons des modU-

les plus globaux.

I - FILIERES DE CONVERSION DE L'ENERGIE SOLAIRE

Au dessus de la couche atmosph~rique la terre reqoit, le jour, environ

],35 kw/m 2. La puissance totale intercept~e par la terre est de ]70.]0 ]2 kw dont 30%

environ est r~fl~chi par l'atmosph~re. L'~nergie regue annuellement ~ la surface de

la terre correspond alors ~ plusieurs milllers de fois l'~nergle consomm~e dans le

monde. Ce type de ealculs, effectu~ par de nombreux auteurs, donne des r~sultats ex-

tr~mement impressionnants et font souvent eonsid~rer l'~nerg~e solaire comme une

source in~puisable d'~nergie. En fait pour ~valuer cette source d'~nergie il ne faut

pas onblier qu'on dolt la convertir en ~nergie utilisable par l'homme et c'est dans

ee contexte que se pose tout le probl~me de l'~valuation des possibilit~s de l'~ner-

gie solo]re.

Un autre calcul amusant est celui de la surface au sol qui seralt n~ces-

so]re pour produire en France les 180 TWh d'~lectricit~ produite en 1974 et 1975 :

Seh~matiquement une eentrale HTDE produit une puissance en m~ga-watts

~gale ~ :

-3 Pe =~w(t) N S h ]0 MW

rendement de conversion, ~valu~ ~ ]5 %

N nombre d'h~liostats du syst~me de concentration 2

S h surface d'un h~liostat en m

w(t) flux solaire incident en kw/m 2

En supposant un taux de couverture au sol de 20% et de ]200 heures

de fonctionnement par an avee un flux solo]re direct de 0,850 kw/m 2 la surface au

sol n~cessaire pour produire les 180 TWh serait de :

180 109 10 -6 = 5 882 km 2

Sol = ]200 x 0,15 x 0,2 x 0,85

319

soit ] % du territoire m~tropolitain, ou la superficie moyenne d'une d~partement

franGais, en encore ]0 % des l| d~partements de la bordure m~diterran~enne convena-

blement ensoleill~s (figure 2). Encore faut-il analyser tr~s finement ce syst~me de

conversion afin d'~valuer la comp~titivit~ avec les autres ressources ~nerg~tiques

dans le futur.

Sur la base des technologies aetuelles (ou en d~veloppement), on peut

classer les diff~rentes solutions envisageables pour l'utilisation de l'~nergie so-

laire ~ partir d'un schema cow,nun ~ routes les sources d'~nergie :

"gisement"~"extraction"~"transport"~transformation"~ produit fini"

On a alors le schema de la figure 3. Chaque fili~re donne un produit flnl dont la

valeur est fondamentalement li~e g la technologie utilis~e au contraire d'autres

ressources ~nerg~tiques.

L'expos~ qui suit sera limit~ au cas des syst~mes de conversion

h~lio-thermo-dynamo-~lectriques de grande puissance (quelques m~ga-watts ~lectriques)

et donnera une br~ve description de prohl~mes relevant de l'analyse des systames.

II - CENTRALES HELIO-THERMO-DYNAMO-ELECTRIQUES (HTDE)

En liaison avec les travaux men~s par le PIRDES en vue de d~velopper

de~ centrales HTDE du type "champ d'h~liostats plus tour" dans la gamme ]-25 MWe,

nous d~crivons iei le syst~me ]0 MW e dont les ~tudes sont les plus avanc~es.

Le schema g~n~ral de ce type de centrale est donn~ sur la figure 4.

On y distingue quatre parties essentielles :

- le syst~me de concentration et la tour

- la ehaudi~re (r~cepteur)

- la conversion thermo dynamique, turbine

- l'alternateur.

Les deux derni~res parties,turblne et alternatenr~ peuvent ~tre con-

sid~r~es come des ~l~_ments classlques de centrales therm~ques, ~ l'exception du

syst~me de stockage.

Le r~eepteur qul revolt le rayonnement solaire concentr~ est destin~

ehauffer le fluide ealoporteur et doit done poss~der un coefficient ~lev~ d'ab-

sorptlon de ee rayonnement.

Enfin le syst~me de concentration du rayonnement solaire est const~tu~

d'environ ]800 miroirs carr~s de 49 m 2 de surface chaeun, dont le rSle est d'en-

voyer le rayonnement solaire ~ l'entr~e de la ehaudi~re. Compte tenu du mouvement

apparent du soleil, la position de la normale au centre de chacun des miroirs dolt

se d~plaeer de telle mani~re que les rayons r~fl~ehis soient toujours dans l'axe

320

de la chaudi~re. Un tel type de miroir automatis~ (h~liostat) est repr~sent~ sur

la figure 5. Le syst~me de concentration appara~t comme la partie la plus fonda-

mentale de la centrale rant au point de vue technique qu'~eonomique.

III - PROBLEMATIQUE RETENUE ET OPTIMISATION

Sch~matiquement, figure 6, on peut consid~rer le probl~me de d~velop-

pement d'une centrale HTDE eomme une combinaison de d~cisions et d'optimisations,

les d~cisions provenant d'analyses ~ un niveau sup~rieur et les optimisations ~tant

pour la plupart "internes".

Les d~cisions portent sur :

- le choix de la puissance nominale du turbo-alternateur P e - la nature et la temperature du cycle thermo-dynamique, et le type

de stockage (nature et duroc)

- la dur~e moyenne journali~re de fonctiounement, par ciel clair,

you bien le seuil Wsmin du flux solaire incident ~ partir duquel la centrale fonc-

tionne.

Ces d~cisions ~tant fix~es, on peut ~crire l'expression de la puissan-

ce ~lectrique fournie d'une mani~re simplifi~e :

Pc(t) = 0~i . 0~2 , ~3(t) , w(t) . N,Sh, ]0 -3 MW

le flux solaire incident en kw/m 2

le rendement du cycle thermo-dynamique et de stQckage et le rendement du

turbo-alternateur

~2 le rendement du r~cepteur

q~3(t) le rendement du champ d'h~liostats, que l'on peut d~composer :

"e3 (t) : eO (t). ~S influence des deformations de structure des h~liostats

97== influence du facteur cosinus et des ombres

9~ coefficient de r~flexion de la surface r~fl~ehissante

~pinfl~ence de la plan~it~ de la surface r~fl~chlssante

~¢ influence des erreurs du syst~me de glJidage,

2 N : hombre d'h~liostats de surface S h m ,

Les optimisations (stockage, r~cepteur, h~liostats,.°,), permettent

d'analyser les diff~rents param~tres 92, chaque optimisation ~tant ~ double objec-

tif : maximiser individuellement ehaque ~ tout en minimisant le coGt global

(kw install~).

avec :

W(t)

321

Dans une deuxi~me phase, l'adaptation ~ une courbe de charge donn~e

(e'est ici un objectif) permet d'~valuer le prix de revient du kwh produit pour les

d~eisions prises.

En faisant verier les d~clslons dens un ensemble de d~cisions possi-

bles on dolt pouvoir d~finlr la structure optimale de la centrale compte tenu de

contraintes donn~es (courbe de charge et lieu d'implantation).

Cette probl~matique a ~t~ initialement cholsie au LAAS en vue d'~va-

luer les possibilit~s des centrales HTDE. La phase "optimisation" a port~ sur les

h~liostats et leur implantation optimale sur un site donn~. II n'est pas question

de d~velopper ici ces travaux mais pour fixer les idles je donne quelques r~sultats

qui montrent que les m~thodes d'approche pour chaque optimisation peuvent ~tre de

natures tr~s diff~rentes.

Compte tenu d'un certain nombre de sp~ciflcations physiques (precision

de pointage, d~pense minimale d'~nergie de commande, ...), l'objeetif est de r~a-

liser un h~liostat ayant le prix de revient minimum. Des etudes de m~canique, de

mat~riaux, de techniques de fabrication, d'automatisation, .... done des ~tudes

d'ing~nieur de conception et de fabrication, ont permis de d~finir un h~liostat

automatis~ dont le eo~t ne d~passe pas 650 F/m 2. C'est encore un eoQt relativement

~lev~ et un grand hombre d'~tudes techniques sont encore ~ faire pour diminuer ce

eo~t.

Dang ee cas c'est par ]'interm~diaire d'une simulation sur ealeulateur

num~rique d'un champ d'h~liostats qu'a pu se falre eette optlmisation. Le probl~me

qul est pos~ est de p]acer un hombre maximal d'h~liostats sur une surface limit6e

(essentiellement distance maximale h~liostat-tour), tout en maximisant le coeffi-

cient 9~c ° , e'est-~-dire tout en minimisant les ph~nom~nes d'ombres entre helios-

tats voisins. L'optimisation a ~t~ faite en fixant ~ priori un pourcentage maximal

de pertes ~nerg~tiques annuelles dues aux effets d'ombres, par exemple pour un sys-

t~me ]MW e avec des h~liostats de 3,5 m de cDt~. La figure 7 donne une telle implan-

tation pour des pertes de 3 % et |0 %. II faut remarquer que pour 3 % le taux de

couverture au sol est de 22 % et pour ]0 % ce taux est de 30 %, alors que les va-

leurs moyennes de ~=o varient de 85 % ~ 79 %. Ceci met en ~vidence eertalnes in-

teractions entre les diff~rentes optimisations.

Pour l'~valuation du prix de revient du kwh produit c'est par l'inter-

m~diaire de scenarios pla~ant ce type de centrales dens des conditions de produc-

tion hien d~finies que l'on eompte faire eerie ~valuation. Un premier scenario

(~tudi~ avec le service Etudes Economiques G~n~rales d'EDF) consiste ~ ~tudier le

probl~me de la gestion optimale du pare de production franqais en presence de cen-

822

trales solaires sans stockage (production £atale). A partir d'une courbe de char-

ge donn~e, il s'agit de placer au mieux la production des centrales HTDE en vue de

la valoriser par rapport aux autres composantes du pare de production. Un deuxi~me

scenario consid~re des centrales HTDE avec stockage, et une analy~e de la gestion

optimale du pare dolt aider au dimensionnement du stockage. Oette premiere approche

(kw install~ et kwh produit) tout en ayant l'avantage de permettre une ~valuation

rapide des possibilit~s des centrales solaires, a cependant le d~faut essentiel de

figer un certain nombre de paramgtres (type de centrale, d'h~liostats .... ) et done

laisse peu de libert~ dans le choix des solutions techniques pour la conversion

HTDE. Dans ce qui suit est propos~e une deuxi~me approche qui devrait permettre

une ~valuation simultan~e des diff~rentes solutions technologiques.

IV - ANALYSE MORPHOLOGIQUE ET AIDE A LA CONCEPTION

Le probl~me est maintenant pos~ de la mani~re sui~ante :

"pour produire de l'~lectricit~ par un syst~me THDE, quelles sont les "formes" pos-

sibles de centrales et comment peut-on ~valuer l'int~r~t respectif de chaque solu-

tion"?

Pour r~soudre ce probl~me on proe~de en deux ~tapes :

i) recherche de routes les solutions possibles par analyse morpho-

logique (aide ~ la conception)

ii) ~valuation de chaque solution par un bilan de routes les res-

sources primaires n~cessaires g sa construction et son fonctionnement (eau, ~ner-

gie, terrain, minerals, main d'oeuvre).

Ce type d'approche est actuellement utilis~ pour le syst~me de conver-

sion h~lio-thermique d'une centrale HTDE (syst~me de concentration et chaudi~re).

Le premier travail consiste ~ ~laborer le tableau morphologique de ce syst~me :

l~re r~flexion : h~liostat

2ame r~flexion : oui

struture m~canique : fixe

tour : : oui

r~cepteur : tronconique

r~cepteur : fixe

cylindroparabolique

non

11on

cono~de

mobile

orient~

mobile

L'analyse des incompatihilit~s de ce tableau permet de d~gager les formes possibles,

par exemple :

"h~liostats, tour, r~cepteur orient~, r~cepteur fixe""

823

Ensuite, tenant eompte du fair que chaque constituant premier est en fait une for-

De ~ laquelle on peut associer plusienrs ~tats, on construit nn deuxi~me tableau

faisant appara~tre les ~tats correspondants aux formes daja d~termin~es, exemple :

"h~liostat focallsatlon, tour hors du champ, colm~andes indlviduelles

des h~liostats , .... "

Ayant ainsi dress~ un catalogue des solutions admissibles, il s'ag~t de valuer

chaque ~tat constituant les diff~rentes formes. Pour cela il est propos~ d'asso-

cier ~ chaque ~tat une quantit~ sous la forme d'un vecteur, qui repr~sente les

consommations en eau, ~nergie, sols, mlnerais~ main d'oeuvre n~hessalres ~ la

construction et au fonetionnement de chaque "~tat". Ceci permet de constrnire un

vecteur pour chaque solution admissible et ainsi de fournir des ~l~ments quantita-

tifs d'aide ~ la dSeislon. Les premiers travanx dans ce sens portent sur l'~valua-

tion des diff~rents types d'h~liostats en collaboration avec I'I,I.A.S.A.

CONCLUSION

En guise de conclusion, ce bref expose, ayant pour but de presenter

quel peut ~tre le r~le de l'analyse des syst~mes dans les ~tudes de d~veloppement

de nouvelles technologies, a je pense montr~ que :

I) l'analyse des syst~mes fair appel ~ de nombreuses sp~cialit~s d'ho-

rizons divers, technique, m~thodologie (simulation, optimisation),.,, et le probl~

me essentiel de l'analyse des syst~mes est de d~finlr une PROBLEMATIQUE tr~s claire

faisant ressortir les principaux objectifs poursuivis.

2) Pour le cas de l'~nergie solaire, en particulier le cas de eentra-

les HTDE, l'analyse des syst~mes ne peut que jouer un rSle prlmodial comme pour

toutes les technologies nouvelles.

Dans ces probl~mes ce sont des ~l~ments d'alde ~ la d~cision qu'il

faut fournir, t~che d'autant plus difficile que le secteur ~nerg~tique mondial est

en pleine ~volution et que nos conceptions sur les ressources ~nerg~tiques ont ~t~

grandement modifi~es par des aspects tels que la prise en eompte de l'environnement.

3) Deux voies pour aborder le probl~me de l'~valuation des centrales

HTDE ont ~t~ pr~sent~es. La premiere relativement traditlonnelle cherche des r~sul-

tats ~ travers des modules d'optimisation (gestion de pare de production) alors que

la seconde cherche ~ d~velopper une m~thodologie d'alde ~ la d~cision faisant

abstraction des conditions actuelles technico-~conomiques. Cette deuxi~me voie nous

semble la plus prometteuse pour ~valuer l'impaet a tr~s long terme des sources

"nouvelles" d'~nergie.

324

Pour terminer,je dois remereier les membres de l'~qulpe Syst~mes

Energ~tiques, Energie Solaire, dont les travaux et rgsultats ont servi de sup-

port ~ cet expose, ainsi que le Service d'Etudes Economlques Gfinfirales de I'EDF

et le Groupe Energie de l'International Institute for Applied Systems Analysis.

I

/ SECTEUR

ENERGIE

ENERGIE

SOLAIRE

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SOCIO-ECONOMIQUE

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G,N

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326

Soleil

direct global

/ concentration par

transmission

lentilles

thermique

stockage ~ oui

production modulfie

I,,

concentration par r~f lexion

2 dimensions 3 dimensions

cylindro- conoides h~liostats parabolique

J I fluide caioporteur oui

non

thermique

3- fluide chauff~

I non

production al~atoire

]

J converslon ]

thermo~ectrique

~lectricit~

oui

thermachimique

1 biofinergie

Figure 3

concentration

oui

non

C.P.C. collecteur plan

photovoltaique

~lectricit~ bio6nergie

327

~CL)

Chomp d'h~ilostots

V

~3

}c,~o~,~<. ~'~C~) = V ~ C ~ ) w (~). N. 5~ .~ ~,AW~

d e ~ ¥ o p e ~

Thermlque

/ ~ / -

Schema de principe d'une centrale HTDE

Figure 4

Prototype de l'h~liostat (LAAS-SOTEREM) fonctionnant au LAAS (Brevet ANVAR)

Figure 5

328

. . . . .

' I

I D~clsion : Nature du cycle

b___ __ s~ag,

f /

/ / ! I I I I [

I I [ ....... I

Puissance nominale Turbo-Al ternateuz Turbo-Alternateux

I ~endement du cycle

I I

~e la turbine P2 I

2 ~TJ Pl

de la chaudiere

P3 " ~ P2

[ Coslnus et c~bres ~.O 4~ rendsment du champ | r~flecUvlt4 ~

| structur, ~

~lssance th~orlgue du champ ] d'h611os~a~s

P4 " '~3 P3

WS~in

41 S 4 surface h6- Optimlsatlon dss i .... ~ dimensions d'un ~ [coQt]

I i NC~Ze d 'h~liOStats I

t *}~ taux de oouvertuxe Impla~tatloB optl-

Figure 6

329

N°rd I M~tres

200

150

IO0

50 ats

Sud 50 I00 150

Figure 7a - 3% de pertes ~nerg~tique8 annuelle

Est

200m

330

150

125

lO0

75

50

25

9

8

- 6

5 t, 3

2

. 1.

A~ "~c -A" .~..A.. ~c I

25

• ++-_~

h = 5 0 m

pertes par ombre~ ]0 % N = 767 h~liostats

I 1 I I

50 75 1110 J25 y

]50 m

Fisure 7 b - ;0 % de pertes ~nerg~tiques annuelle