La centrale MicroSol-R

I.3.1. Description générale de la centrale

La centrale solaire « MicroSol-R » (pour micro-centrale solaire pour la recherche) est un prototype expérimental de centrale solaire à concentration à technologie cylindro-parabolique. Elle produit de la chaleur grâce à trois collecteurs de 50 kWth chacun et une résistance électrique d’appoint de 70 kW. En régime de fonctionnement nominal, le fluide de transfert, de l’huile Jarysol®, est chauffé de 220 °C à 300 °C. Un stockage thermique de type thermocline d’environ 250 kWh (dans la gamme de température précédemment définie) permet de pallier les problèmes d’intermittence de la ressource solaire sur de courtes périodes (environ 1h30). Au stockage de type thermocline s’ajoute un stockage conventionnel à deux cuves d’une capacité énergétique de 45 kWh.

Un générateur de vapeur permet de transférer l’énergie calorifique collectée par l’huile à de l’eau qui passe à l’état vapeur dans un circuit secondaire. Cette vapeur suit ensuite les étapes d’un cycle thermodynamique classique : détente, condensation et compression. Un cycle organique de Rankine constituant un circuit tertiaire a été connecté ex post au circuit secondaire, en série avec le condenseur initial. Ce cycle thermodynamique est capable de produire une puissance électrique de 15 kW dans ses conditions nominales de fonctionnement. Tous les éléments principaux constituant la centrale, à l’exception des collecteurs, de la machine ORC et du condenseur, sont situés dans un local dédié. Un schéma général de la microcentrale solaire est proposé dans la Figure 20. Y sont représentés tous les éléments constitutifs précédemment décrits.

Figure 20 : Schéma général de la centrale MicroSol-R

I.3.2. Le fluide de transfert thermique

Le fluide de transfert utilisé dans la centrale est de l’huile Jarytherm® DBT (dibenzyltoluène), désormais appelée Jarysol® [75]. Cette huile synthétique produite par la société française Arkema a été choisie pour ses propriétés thermiques et pour sa faible pression de vapeur, en comparaison des huiles classiquement utilisées dans les centrales solaires. En effet, non seulement cette huile présente une capacité énergétique volumique supérieure à la moyenne (Figure 21-a), mais elle ne nécessite pas d’être circulée sous pression, grâce à une pression de vapeur inférieure à l’atmosphère jusqu’à environ 380 °C (Figure 21-b).

(a) (b)

Figure 21 : Comparaison entre l'huile Jarysol® de l'huile Therminol VP1 (a) au niveau de la capacité énergétique volumique et (b) au niveau de la pression de vapeur saturante [75-77]

Cependant, cette huile ne peut être utilisée au-dessus de 350 °C, et il est même conseillé de l’utiliser à 300 °C pour augmenter sa durée de vie. Ceci est un inconvénient important en comparaison de l’huile Therminol® VP1 [76] ou à l’huile Dowtherm® A [77] qui sont utilisées à 400 °C dans les centrales solaires à concentration en opération.

I.3.3. La cuve de stockage à thermocline

Le stockage d’énergie dans la microcentrale est principalement constitué d’un réservoir de stockage de type thermocline. Cette cuve mesure environ 3 mètres de haut, pour un diamètre extérieur d’environ 1,3 mètre. Le garnissage solide est maintenu dans la cuve grâce à 4 paniers métalliques facilitant son insertion et son extraction (dans le but de changer le type de matériau et d’éviter les contraintes liées au thermal ratcheting). Enfin, la cuve est isolée grâce à 20 cm de laine minérale.

Toutes ses caractéristiques sont détaillées dans la Figure 22 et dans le Tableau 10. Une photo de la cuve nue est présentée dans la Figure 23-a.

Dénomination Valeur

Volume interne de la cuve 4 m³ Volume tampon supérieur 0,38 m³

Volume tampon inférieur 0,27 m³ Volume au niveau du lit de solide 3,38 m³

Masse d’alumine 6280 kg

Porosité au niveau du lit de solide 48,5 % Masse totale d’acier 1720 kg

Tableau 10 : Caractéristiques principales de la cuve thermocline de MicroSol-R

Taille du lit de solides : 2,64 m

Diamètre du lit de solide : 1,2 m

Taille du volume tampon inférieur : 0,232 m Diamètre interne:

1,276 m

Taille du volume tampon supérieur : 0,3 m

Figure 22 : Schéma général de la cuve thermocline de MicroSol-R

Les paniers, d’une masse d’environ 95 kilogrammes chacun, ont en premier lieu été remplis avec des billes d’alumine de diamètre moyen 2 cm (Figure 23-b). Au niveau de l’axe de la cuve, un espace central d’un diamètre de 5 cm reste vide de matériaux solides et permet l’insertion d’une canne contenant tous les thermocouples mesurant la température en son centre. Le fond des paniers est perforé d’une multitude de trous de 1,5 cm de diamètre pour laisser passer le flux d’huile entrant. Le tube central est également perforé par endroit pour une meilleure homogénéisation du flux et de la température.

Les volumes tampons sont occupés par des diffuseurs homogénéisant, sur toute la section de la cuve, la vitesse du fluide entrant (non représentés dans la Figure 22, mais en photo sur la Figure 23-c).

(a)

(b)

(c)

Figure 23 : (a) La cuve thermocline de la centrale MicroSol-R non isolée et avant son installation ; (b) un panier rempli de billes d'alumine ; (c) un diffuseur de la cuve

À partir de la différence de masse entre les paniers à vide et les paniers pleins, la porosité dans les paniers a été estimée à 41,7 %. Ce résultat est cohérent avec les valeurs généralement obtenues pour un lit constitué de matériaux désordonnés de mêmes dimensions. Cependant, puisque les paniers ne remplissent pas tout le diamètre de la cuve (il y a un espace entre la paroi du panier et la paroi interne de la cuve), la porosité de la cuve sur toute la hauteur du lit de solide est plus élevée : 48,5 %. Une collerette sur chaque panier permet toutefois d’empêcher les chemins préférentiels au niveau des bords de la cuve.

Les matériaux de stockage testés dans ce système sont au nombre de trois : l’alumine, le Cofalit® et les cendres volantes frittées en briques. Tous trois sont des céramiques réfractaires qui seront définies en détail dans la section II.1.1.2.

I.3.4. Autres éléments de la centrale

I.3.4.1. Les deux cuves de stockage « conventionnel »

La microcentrale est également pourvue de deux cuves de stockage de 1 m³ qui permettent un stockage « conventionnel » de l’énergie.

Les deux cuves possèdent toutes deux les mêmes caractéristiques, à savoir un diamètre d’environ 1 mètre, une hauteur d’environ 1,5 mètres et une isolation grâce à 10 cm de laine minérale.

Les deux cuves de stockage sont visibles à la Figure 24, sur le châssis cuve qui peut récupérer l’huile lors des vidanges de l’installation (lors des arrêts prolongés ou des maintenances), à côté du vase d’expansion de la centrale (cuve la plus grande) et derrière la résistance électrique d’appoint.

Figure 24 : Les deux cuves de stockage thermique conventionnel, à côté du vase d'expansion (à droite) et derrière la pompe générale, tout ceci disposé sur le châssis cuve

La particularité du stockage deux cuves présenté ici est le fait qu’il soit direct : le même fluide est utilisé et pour le stockage et comme fluide de transfert dans les récepteurs.

En période de stockage, une partie du fluide qui est circulé dans le champ solaire à l’aide de la pompe principale est directement stockée dans la cuve chaude, tandis que du fluide froid est naturellement extrait de la cuve froide (c’est-à-dire qu’aucune pompe n’est utilisée pour extraire le fluide froid de la cuve froide. Cette dernière joue le rôle de vase d’expansion et se vide dans le système quand la pression de ce dernier diminue). Pendant le déstockage, une pompe extrait le fluide chaud de la cuve chaude et la cuve froide est naturellement remplie de fluide froid, en jouant le rôle de vase d’expansion.

Pompe Résistance électrique Cuve froide Cuve chaude Vase d’expansion Chassis cuve

I.3.4.2. Pompe, résistance d’appoint, vase d’expansion et châssis de la cuve

L’huile circule dans les collecteurs, dans la thermocline (charge), dans la cuve chaude (charge) et dans le générateur de vapeur grâce à une unique pompe possédant un débit maximal de 7,43 m³.h^-1. La puissance de fonctionnement de cette pompe, et donc son débit, peut être contrôlée manuellement par l’intermédiaire d’un variateur de fréquence. La thermocline et la cuve chaude possèdent également des pompes dédiées à la décharge, contrôlables également.

La résistance d’appoint est située immédiatement en aval de la pompe principale. Sa puissance peut être modulée manuellement de 0 % à 100 % (70 kW), ou automatiquement (température de sortie de résistance constante, ou compensation de puissance solaire).

Pour éviter des réactions d’oxydation entre de l’huile et de l’air qui accélèreraient son vieillissement et augmenteraient le risque d’incendie, le fluide thermique est préférentiellement mis en contact avec de l’azote. Ainsi, tous les points hauts du circuit sont directement reliés à un vase d’expansion à contact direct (sans membrane) et rempli partiellement d’azote. Seules les cuves de stockage sont directement reliées au circuit d’azote en leurs points hauts respectifs.

Dans le vase d’expansion, l’espace non occupé par l’huile l’est donc par de l’azote. Initialement presque vide de liquide, le vase se remplit d’huile au fur et à mesure de la chauffe (et donc de l’expansion thermique du fluide caloporteur), en poussant l’azote vers l’extérieur. Lors du refroidissement, l’huile se contracte et de l’azote est réinjecté dans le vase d’expansion pour remplir le volume vide ainsi créé.

Enfin, tous ces éléments sont situés sur un châssis cuve dont le but est de recueillir toute l’huile de l’installation en cas de vidange. Une vidange survient automatiquement en cas de problème dans la centrale.

I.3.4.3. Métrologie

La mesure de l’ensoleillement (normal direct, diffus et global) n’est pas effectuée directement au niveau de la centrale, mais sur le toit du four solaire situé à quelques dizaines de mètres de cette dernière. La mesure de la température extérieure est quant à elle effectuée par un capteur situé sur un mur du local, dans un endroit protégé prévu à cette effet. Un autre capteur permet également de connaître la température à l’intérieur du local. La vitesse du vent est mesurée grâce à un anémomètre situé sur le toit du local. Des capteurs de température de type PT100 et des capteurs de pression de type Optibar P1010-C sont répartis dans tout le système, notamment en amont et en aval de chaque constituant. Les capteurs de température ont une précision allant de 0,5 °C à 0,9 °C, en fonction de la température. Les capteurs de pression ont une incertitude de 0,25 %. Le débit général est mesuré grâce à un débitmètre Coriolis, avec une précision de 0,1 %. Les autres débits (déstockage thermocline, déstockage cuve chaude, vapeur produite) sont quant à eux mesurés grâce à des débitmètres à effet vortex, avec une précision de 0,5 %.

Tous les thermocouples utilisés pour mesurer la température dans la centrale sont de type TRA-P14 avec un transmetteur de type PT100, pour une précision de la mesure d’environ 1,2 °C. Les pressions mesurées le sont grâce à des capteurs de type UNIK 5000, avec une précision de 0,28 bars.