3.4.1 L’eau, la vapeur
La plupart du temps, l’eau est utilisée comme fluide caloporteur et de travail. On travaille alors généralement à 250 °C. C’est le cas des centrales à tour espagnoles PS10 et PS20 [26]. L’eau est en effet un excellent caloporteur. Le problème est que l’eau se vaporise à relativement basse température. Or les rendements de cycles thermodynamiques sont d’autant plus élevés que l’on a des écarts de température importants. Cela est dicté par le rendement de Carnot. Ainsi, pour augmenter le rendement, on peut hausser la température de la source chaude. Pour cela, on augmente la pression de travail. A 40 bars, l’eau s’évapore à 250 °C. Certains, comme SPG (Solar Power Group), mettent au point un procédé à 100 bars, pour monter à 450 °C. Le prototype FresDemo en Espagne a montré le bon fonctionnement du procédé [27]. L’inconvénient de devoir monter en pression est qu’une installation hydraulique est d’autant plus onéreuse que la pression est grande.
En tous les cas, l’eau a l’avantage de ne pas polluer. Comme on fonctionne en circuit fermé, la ressource en fluide caloporteur et fluide de travail n’est pas un problème. Il faut veiller à la technologie utilisée pour la source froide. Si on utilise un refroidissement à l’eau, cela peut poser problème en zone aride. On devrait alors préférer un refroidissement à air. Cela est un point important car les zones à ensoleillement généreux sont souvent les régions les moins fournies en eau.
3.4.2 Génération directe de vapeur
On utilise aussi la génération directe de vapeur (DSG pour Direct Steam Generation). Cette technologie fait l’objet de nombreuses recherches à l’heure actuelle. Elle suscite beaucoup d’espoir. En effet, le système évite un échangeur intermédiaire entre le récepteur solaire et la machine de détente, dans le cycle thermodynamique. L’eau vapeur sortant du récepteur peut directement être injectée dans la turbine ou autre machine de détente.
et cylindro-parabolique. La maîtrise du transfert thermique pendant l’évaporation et surtout la surchauffe pose moins de problème avec le concentrateur de Fresnel. L’éclairement est plus régulier sur le tube au cours de la journée. De plus, la technologie de Fresnel n’impose pas de liaison flexible à haute température. Cela est un net avantage pour la possibilité de surchauffe de la vapeur. La technologie de Fresnel est ainsi mieux adaptée pour la génération directe de vapeur.
Une des difficultés est la régulation de la génération directe de vapeur. Du fait que l’échange thermique est mal maîtrisé dans le récepteur, il est difficile d’assurer une production de vapeur à débit constant. La DSG n’en demeure pas moins une technologie séduisante. Sa régulation est donc un enjeu important. Les derniers résultats de Novatec Solar montrent la faisabilité de la production continue et maîtrisée de vapeur surchauffée [28].
3.4.3 Les huiles thermiques
Les huiles thermiques sont des mélanges d’hydrocarbures synthétiques. Leurs compositions sont choisies pour optimiser leurs propriétés d’échange thermique. Les huiles restent liquides jusqu’à des températures relativememnt élevées. On peut les utiliser jusque 400°C. Elles ont un bon coefficient d’échange thermique, sur toute la plage de températures.
L’huile n’est pas utilisée comme fluide de travail. Il y a donc en général un échangeur entre huile et eau, qui permet ensuite de produire la vapeur et alimenter la turbine à vapeur. Le circuit hydraulique sous pression est limité au cycle thermodynamique. Tout le champ solaire n’est pas à haute pression, ce qui diminue l’investissement. En revanche, l’échangeur huile-eau vient en plus. Il réduit donc le rendement, en s’ajoutant au système.
L’inconvénient des huiles est le risque de pollution. En cas de combustion accidentelle, néan- moins peu probable, elles dégagent des vapeurs toxiques. Elles ne permettent pas de travailler à des températures très élevées.
3.4.4 L’air
L’air est un bon fluide de travail. Son omniprésence permet de l’utiliser en cycle ouvert. On n’a ainsi pas besoin de refroidissement pour la source froide. Cela est un grand avantage en zone aride, où un refroidissement à l’eau est parfois problématique.
L’inconvénient de l’air est qu’il n’est pas facile à chauffer. Ses faibles capacité calorifique et conductivité thermique n’en font pas un caloporteur de premier choix. On peut réduire cet inconvénient en augmentant la pression du gaz. Mais la pression sera surtout dictée par le cycle thermodynamique. En effet, l’air est alors fluide caloporteur et fluide de travail, ce qui simplifie le système. Le cycle thermodynamique à air fonctionne très bien. La température n’est pas limitée par le fluide : l’air peut être chauffé à plus de 1000°C. Dans la concentration linéaire de Fresnel, c’est le système optique qui sera alors limitant : dépasser 500°C est déjà compliqué.
Dans certains cas, l’air est utilisé seulement comme fluide caloporteur. On l’utilise pour sa stabilité à haute température, en particulier dans des récepteurs de centrales à tour. A Jülich, Allemagne, le concentrateur à tour de démonstration utilise un récepteur à air. L’air travers une structure poreuse en céramique et chauffe à 700°C. Mais un cycle à vapeur est ensuite utilisé. En concentration linéaire, la compagnie AirLight développe un collecteur cylindro-parabolique avec de l’air comme fluide caloporteur. Un récepteur spécifique est donc développé en partenariat avec le laboratoire ETH de Zürich. Voir en particulier les travaux de Roman Bader [29]. L’avantage de n’utiliser l’air que comme fluide caloporteur est qu’on peut fonctionner à pression atmosphérique. Le circuit de fluide est donc plus simple à mettre en oeuvre.
Avantages comparés aux huiles Inconvénients comparés aux huiles Génération Système simple Manque de système de stockage adapté
directe Température de travail plus élevée Contrôle du champ solaire plus compliqué de vapeur Risque nul de pollution ou incendie Champ solaire à plus haute pression
Gaz Température de travail plus élevée Mauvais échange thermique du récepteur sous Amélioration du stockage thermique Contrôle du champ solaire plus compliqué pression Risque nul de pollution ou incendie Champ solaire à plus haute pression
Stockage thermique plus efficace Pertes thermiques plus élevées la nuit Sels fondus Température de travail plus élevée Champ solaire plus compliqué
Risque nul de pollution ou incendie Consommation électrique plus élevée Table 3.3 – Tableau récapitulatif : comparaison des fluides de travail pour la concentration linéaire. Source Zarza [3]
3.4.5 Les sels fondus
Les sels fondus sont un très bon fluide de stockage d’énergie thermique (voir section 3.5.1). Ils permettent aussi de travailler à assez haute température : jusqu’à 550°C sans problème. Il est possible de les utiliser comme fluide caloporteur, bien que cela ne soit pas une solution évidente. Les sels solaires sont généralement constitués d’un mélange de 60% NaNO3+ 40% KN O3. La
difficulté vient du fait que ces sels sont solides à température ambiante. Pour les utiliser comme fluide, ils doivent donc être maintenus à une température minimale d’environ 270°C. Cela augmente donc la consommation d’énergie en l’absence de soleil. Pour mettre en marche un tel système, des fils électriques chauffants sont disposés le long des tubes.
Plusieurs centrales ont été construites avec ce fluide comme caloporteur. La centrale Thémis en particulier fonctionnait en chauffant directement les sels fondus, qui permettaient ainsi un stockage thermique facile. Aujourd’hui, le projet Archimede, mené par l’ENEA, consiste en une centrale de 5 MW, en cylindro-parabolique. Il s’agit donc de concentration linéique et la faisabilité a été prouvée [30, 31]. Cependant, les sels fondus semblent plus adaptés à des applications en concentration ponctuelle, qui posent moins de problème de maintien des sels en phase liquide. 3.4.6 Comparaison des fluides
L’eau et les huiles thermiques sont les fluides les plus utilisés actuellement. L’eau comme simple caloporteur montre ses limites : température peu élevée, échangeur-évaporateur pour produire la vapeur. Les huiles ont aussi leurs limites en température. Le risque de pollution conduit aussi à écarter les huiles thermiques. Les recherches se concentrent donc sur les alternatives les plus sérieuses : la génération directe de vapeur, l’air sous pression (ou autre gaz), les sels fondus.
Le tableau 3.3 récapitule les principaux avantages et inconvénients des fluides de travail.