Discussions des hypothèses de calcul entre le cycle Jour et le cycle Nuit

Dans ce paragraphe, on étudie l'influence des hypothèses de conservation des ratios de détente des turbines du CDR entre la Nuit et le Jour et de températures de condensation du fluide de travail du CDR différentes entre la Nuit et le Jour, sur les conditions opératoires (§2.2.3.1) et les performances (§2.2.3.2) de la centrale solaire (hors champ solaire). Deux cas de fonctionnement de la centrale solaire sont comparés au cas de base (J-B&N-B : §2.2.1 et §2.2.2), le premier cas aura pour hypothèse "la non-conservation des ratios de détente entre les phases de fonctionnement Jour et Nuit" et le deuxième cas aura pour hypothèse "une température de condensation du fluide de travail du CDR identique en Jour et en Nuit.

2.2.3.1. Influence des hypothèses sur les conditions opératoires

Hypothèse de conservation des ratios de détente entre Nuit et Jour :

Parmi les hypothèses de calcul formulées au paragraphe 2.1.1, seule l'hypothèse de conservation des ratios de détente entre le cycle Nuit et le cycle Jour est supprimée; le rendement isentropique des turbines de 0,8 est conservé. Le jour, seules les caractéristiques du point 10 (température et pression de condensation) sont connues. Afin de calculer l'ensemble des points de fonctionnement de ce cycle noté J-B2, il est donc nécessaire de fixer une seconde contrainte. Les pressions maximales généralement rencontrées dans la littérature pour des CDR avec resurchauffe utilisés dans les centrales solaires thermodynamiques à concentration sont de l'ordre de 100bar (Andasol [160]).

La méthodologie employée pour le calcul des points de fonctionnement Nuit reste inchangée. La méthode de calcul pour le cycle J-B2 diffère légèrement, il s'agit de rechercher la pression amont

connaissant la température et non de rechercher la température amont connaissant la pression. Le point 10 Jour est connu, la température du point 9 Jour est initialement fixée à la température du point 9 Nuit. Une méthode de résolution implicite (solveur Excel) est appliquée afin de déterminer la pression en amont de la turbine 3 qui est solution des équations ( 2 ) et ( 3 ). Une procédure similaire est appliquée pour la turbine 2 (7-8) puis la turbine 1 (5-6). La température du point 9 Jour est incrémentée par pas de 1°C jusqu'à ce que la pression calculée au point 5 Jour soit égale à 100bar. Les points de fonctionnement Jour (J-B2) et Nuit (N-B) du CDR sont représentés sur la Figure IV.27 et détaillés en Annexe XIX.

Figure IV.27 : Diagramme (p,h) de l'eau avec points de fonctionnement du CDR Jour pour la

configuration J-B2 (■) et Nuit pour la configuration N-B (■).

Il est à noter que le cycle thermodynamique du CDR J dans sa configuration J-B2 est indépendant des conditions de fonctionnement du CDR N de la centrale et s'apparente donc au cycle de Rankine d'une centrale solaire thermodynamique de référence sans système de stockage.

Hypothèse de températures de condensation du fluide de travail du CDR différentes entre Nuit et Jour :

Le cas de base admet pour hypothèse des températures ambiantes différentes entre le Jour et la Nuit qui influent directement sur les conditions opératoires du CDR. Ainsi, la température de condensation du fluide du CDR est fixée à 40°C la Nuit et 50°C le Jour. Il est envisagé ici, dans le cas noté J-B3&N-B2, que les cycles Nuit et Jour fonctionnent sous les mêmes conditions opératoires.

Seule la valeur de la température de condensation du CDR Nuit est modifiée afin de correspondre aux conditions de condensation du cycle Jour : elle passe de 40°C (cas de base J-B&N-B) à 50°C. La méthode de calcul reste identique et conduit donc, pour des températures de condensations identiques Jour&Nuit, à des cycles Jour (J-B3) et Nuit (N-B2) identiques (Figure IV.28 et détails en Annexe XIX).

50ºC 100ºC 150ºC 200ºC 250ºC 250ºC 350ºC 450ºC

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Pression [bar]

Enthalpie [kJ/kg]

Entropie [kJ.kg^-1.K^-1]

J-B2& N-B

Masse volumique [kg.m^-3]

Figure IV.28 : Diagramme (p,h) de l'eau avec points de fonctionnement du CDR Jour et Nuit pour la

configuration J-B3&N-B2 (■).

2.2.3.2. Influence des hypothèses sur les performances de la centrale solaire (hors champ solaire)

Le rendement énergétique du CDR Jour et du CDR Nuit (Éq. ( 40 )) ainsi que le rendement global du système (Éq. ( 44 )) sont représentés sur la Figure IV.29 pour le cas de base (J-B&N-B) du paragraphe 2.1 et les deux cas (J-B2&N-B et J-B3&N-B2) étudiés dans le paragraphe précédent (§2.2.3.1).

Figure IV.29 : Rendement énergétique du CDR Jour (■), du CDR Nuit (■) et global du système (▲) en fonction des hypothèses de calculs.

Hypothèse de conservation du ratio de détente entre Nuit et Jour :

Comparé au cas de base (J-B&N-B, Figure IV.25, §2.1), le cycle Nuit (N-B ■ Figure IV.27) reste donc inchangé et le cycle Jour (J-B2 ■ Figure IV.27) est caractérisé par une pression haute et une

50ºC 100ºC 150ºC 200ºC 250ºC 250ºC 350ºC 450ºC

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Pression [bar]

Enthalpie [kJ/kg]

Entropie [kJ.kg^-1.K^-1]

J-B3& N-B2

Masse volumique [kg.m^-3]

27,3%

Max de Valeurs Rdt CDR Rankine Jour Max de Valeurs Rdt CDR Rankine Nuit Max de Valeurs Global cycle avecpompe Rendement [%]

température haute plus élevée (+33bar; +24°C). En conséquence, le rendement du CDR Jour est augmenté de 0,6 points de rendement (31,2%) et le rendement exergétique de 2,6 points de rendement (50,0%). Le rendement global du système croît donc jusqu'à une valeur de 28,0%.

Hypothèse de températures de condensation du fluide de travail du CDR différentes entre Nuit et Jour :

Comparé au cas de base (J-B&N-B, Figure IV.25, §2.1), la température basse (condensation) du cycle Nuit (N-B2) est plus élevée (Figure IV.28), et la température haute du cycle Jour (surchauffe) (J-B3) est plus basse de 30°C (Figure IV.28). Les rendements énergétiques des cycles Nuit et Jour sont donc égaux entre eux (27,8%) et inférieurs (Nuit : -1,1point de rendement et Jour : -1,8point de rendement) à ceux évalués dans le cas de base (J-B&N-B). Il en découle que les rendements exergétiques sont également plus faibles (Nuit : 55,2% et Jour : 44,6%). Le système J-B3&N-B2 a donc un rendement global plus faible (26%).

2.2.3.3. Conclusion sur les hypothèses du cas de couplage de base

L'hypothèse de conservation des ratios de détente des 3 turbines entre les fonctionnements Nuit et Jour, entraîne donc une limitation de la pression et de la température haute du CDR Jour.

Toutefois, il reste raisonnable de penser que dans un cycle réel, les turbines fonctionneront dans des conditions proches de leurs conditions nominales en Jour et en Nuit et l'hypothèse de conservation des ratios de détentes entre les fonctionnements Nuit et Jour (J-B&N-B) est donc raisonnable.

L'hypothèse des températures de condensation du fluide de travail du CDR différentes entre les fonctionnements Nuit et Jour a un impact significatif sur les rendements du CDR Nuit et Jour ainsi que sur le rendement global (1,3 points de rendement). Toutefois, cette hypothèse permet de représenter plus fidèlement le fonctionnement de la centrale. Il est à noter que la faisabilité technologique d'un CDR avec des conditions opératoires différentes entre le Jour et la Nuit serait à analyser vis-à-vis des gammes de variations acceptables.

La méthode de calcul basée sur ces deux hypothèses sera donc retenue dans la suite de cette étude. Les cas Jour (J-B) et Nuit (N-B) serviront ainsi de référence dans les paragraphes 2.3 et 2.4 qui porteront sur des configurations d'intégration permettant la valorisation interne des chaleurs fatales.