HTF-ISCCS :

Dans le cadre de la PAESI, Allani et al. [19] ont étudié la faisabilité technique et économique de l'implantation HTF-ISCCS en Tunisie.

Figure .I.10. La première configuration HTF-ISCCS proposé [48].

La configuration proposée illustrer dans la (figure I-10), a été conçu pour fournir environ 88 MW d'électricité pendant les périodes ensoleillées, tout en produire 58 MW dans la nuit lors du fonctionnement en mode à cycle combiné.

Ce dernier est composé de deux turbines à gaz et une turbine à vapeur surdimensionné. Le champ solaire se compose de capteurs cylindro-paraboliques ou circule l’huile chaude, un réservoir de séparation et un générateur de chaleur solaire à vapeur (HSSG), qui est lui-même lié au récupérateur de chaleur des générateurs de vapeur (HRSG). Les auteurs ont examiné deux stratégies d'exploitation, en termes de performance thermique, les émissions de gaz à effet de serre et l'aspect économique. Ces deux stratégies sont la stratégie d'efficacité maximale et la stratégie de puissance maximale. Ils ont constaté que la stratégie de puissance maximale offre un potentiel élevé pour la diminution des émissions de CO₂ ainsi que le l'efficacité maximale, un plan économique correspond à petit champ solaire. Ils ont également signalé que l’ISCCS est plus avantageux que le système de génération solaire électrique (SEGS).

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Pour améliorer le HRSG et HSSG, Kane et al. [20] ont couplé une approche de la technologie de pincement avec une modélisation thermodynamique pour optimiser les débits de vapeur et les niveaux de pression de cycle à vapeur. Ils ont trouvé que les pertes d'exergie dans le réseau d'échangeurs de chaleur sont fortement dépendantes de l'apport d'énergie thermique solaire du champ solaire. Par conséquent, ils ont proposé l'utilisation de cycle de la vapeur à haute pression pour améliorer l'efficacité exergétique. Encore une fois, et afin d'optimiser le réseau d'échangeurs de chaleur, Kane et al. [21] ont étudié l'effet du niveau de pression et l'interaction entre l'écoulement dans le HRSG et HSSG sur le rendement énergétique de la HTF-ISCCS. Ils ont examiné trois cas de niveaux de pression, c’est à dire, un simple niveau de pression pour HRSG et HSSG, doubles niveaux de pression pour HRSG tandis que la pression simple pour HSSG et double pression pour les deux niveaux de récupération de chaleur. Pour chaque cas, différentes configurations d'interactions de vapeur entre le HRSG et HSSG ont été examinés. Les résultats ont montré qu'une ISCCS avec deux niveaux de pression, est la meilleure configuration pour la centrale (PAESI) en raison du rendement thermique supérieure.

Figure .I.11 : Autres conception HTF-ISCCS [20].

Dans les études précédentes, Kane et al. [19-21] ont constaté que si la turbine à vapeur est sur les conditions de conception large, le pincement minimum ne peut pas être conservée et les pertes exergétiques vont être fortement dépendante de la quantité de l'apport d'énergie thermique à partir du champ solaire. Pour résoudre ce problème, ils ont couplé une approche de la technologie de pincement avec un algorithme d'optimisation de programmation

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mathématique pour maximiser l'efficacité exergétique dans les générateurs de vapeur (HRSG, HSSG) en ce qui concerne les conditions de fonctionnement des turbines à vapeur [22]. Les auteurs ont étudié les performances des ISCCS pour différentes configurations de turbines à vapeur et pour différents modes de fonctionnement. Les résultats ont montré que d'une centrale électrique avec double pression avec réchauffe et champ solaire limité offre de meilleures performances.

Pour étudier la performance de HTF-ISCCS sous le climat iranienne, Hosseini et al. [23] ont comparé techniquement et économiquement six centrales thermiques concédèrent de diverses configurations et capacités, ISCCS avec champ solaire de 67MW, ISCCS avec champ solaire de 67MW avec bruleur, ISCCS avec champ solaire de 33MW, ISCCS avec champ solaire de 33MW avec bruleur, SEGS et une turbine à gaz à cycle simple (GT). Ils ont conclu que les ISCCS avec champ solaire de 67MWe est la configuration la plus adaptée pour la première centrale solaire en Iran. Une telle centrale est capable de sauver environ 59 millions de dollars de la consommation de carburant et de réduire d'environ 2,4 millions de tonnes des émissions de CO2 au cours des 30 années d'exploitation. En outre en tenant compte des coûts environnementaux, son coût moyen actualisé de l'énergie (LEC) est respectivement de 10% et 33% inférieur à celui d'un CC et un GT. La (figue I.12) représente la configuration d’ISCCS proposé par Hosseini et al. [23].

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Baghernejad et al. [24] ont effectué une analyse sur l'énergie et l'exergie d’ISCCS localisé à Yazd, Iran. Ils ont estimé les pertes d'énergie et d’exergie pour évaluer la performance de la centrale, y compris l'énergie et l'efficacité exergétiques des composants clés.

Figure .I.13 : Conception de Yazd HTF-ISCCS [24].

Ils ont trouvé que la chambre de combustion de la turbine à gaz est la plus grande partie des pertes d'exergie avec 29,62%, suivi par le champ solaire (9%), tandis que les pertes d'énergie importantes ont lieu dans le condenseur et les fumés. L'analyse a également indiqué que le champ solaire est la composante la moins efficace dans les ISCCS parce que son rendement exergétique ne dépasse pas 27%. Néanmoins, l'efficacité d'énergie et d’exergie pour la majorité des ISCCS ont été trouvées autour de 46,17% et 45,6% respectivement. Ces valeurs sont supérieures à celles des SEGS et même plus élevé que certaines centrales fossiles.

Baghernejad et al. [25] ont couplé les principes exergeo-économique et algorithmes génétiques pour optimiser les ISCCS de Yazd, en termes de coût de l'investissement, le coût de la destruction de l'exergie et le coût de l'électricité. Pour ce faire, les auteurs ont mis au point un code en utilisant un logiciel MATLAB et ils ont validé avec les résultats obtenus de l'approche d’optimisation mathématique classique publiée par Silveira [26]. Les résultats simulés ont confirmé l'analyse exergétique de Baghernejad [25] et ont montré que le rendement exergétique de ISCCS pourrait être améliorée de 43,79% à 46,8%, tandis que le coût de la destruction de l'exergie réduite de 14,82%. En outre, le LEC de la turbine à vapeur et la turbine à gaz pourrait être diminué d'environ 7,1% et 1,17% respectivement, mais avec une augmentation de 13,3% des investissements en capital. En d'autres termes, le plus sont la

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durée de fonctionnement du champ solaire et de la durée de vie de la centrale, la plus faible est le LEC.

Baghernejad et al. [27] ont focalisé l’analyse sur l'énergie et l'exergie d’ISCCS de Yazd. Ils ont utilisé trois équations d'équilibre, c’est à dire, de masse, de l'énergie et des équations de bilan exergétique pour localiser l'irréversibilité et les pertes énergétiques et exergétique de chaque composant de la centrale. L'analyse exergétique a indiqué l'augmentation des pertes d'exergie dans la chambre de combustion, suivi par le champ solaire et l'échappement de la turbine à gaz qui correspondent respectivement à 29,62%, 9% et 7,78% de l'entrée totale de l'exergie dans la centrale. D'autre part, l'analyse de l'énergie a révélé que les principales pertes d'énergie ont lieu au niveau du condenseur et des fumés qui correspondent respectivement à 35,94% et 10,15% de l'apport énergétique total. Dans ce contexte, l'énergie et l'efficacité globale exergétiques d’ISCCS ont été jugées respectivement 46,17% et 45,6%. Les auteurs ont également identifié la source des pertes antérieures de telle sorte que les études futures pourraient se concentrer sur l'amélioration de la performance d’ISCCS.

Pour l’ISCCS de Hassi R'Mel, Khaldi [28] a réalisé l'analyse énergétique et exergétique de la première HTF-ISCCS en Algérie, compte tenu des conditions de point de conception. Il a utilisé le programme Cycle-Tempo développé par l'Université de technologie de Delft pour évaluer l'énergie et l'efficacité exergétiques de la centrale, et donc, en positionnant les composants inefficaces. Pour les échangeurs de chaleur, il a utilisé le diagramme de flux d’exergie avec le schéma de valeur afin de fournir une analyse plus profond. L'étude de simulation a été démontrée que la chambre de combustion de la turbine à gaz et le champ solaire sont les principales sources de pertes énergétiques et exergétiques, alors, les machines turbo compresseur y compris les turbines offrent des performances supérieures. L'auteur a également présenté de nombreuses informations sur les données de conception d’ISCCS de Hassi R'Mel et il a constaté que la part de l'énergie solaire est d'environ 14% (ce qui correspond à 22 MW), tandis que la part d’exergie solaire est de 12% (18,4 MW). Au point de la conception, l'efficacité énergétique et exergétiques de la centrale ont été respectivement de 56% et 53%.

Derbal- Mokrane et al. [29] ont utilisé le logiciel (TRNSYS) pour simuler la performance annuelle de HTF-ISCCS localisé à Hassi R'Mel. La bibliothèque des composants électriques thermiques du modèle (STEC) a été utilisée pour le champ solaire et le cycle combiné classique. Les résultats ont montré que la centrale peut produire 150 MW avec 52%

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d'efficacité. La fraction solaire peut attendre environ 30 MW de la production totale de la centrale électrique.

Behar et al. [30,31] ont développé un programme mathématique pour étudier la performance d’ISCCS de Hassi R'Mel, en utilisant le Visual Fortran. Ils ont proposé, une HTF-ISCCS avec un simple niveau de pression par laquelle la méthode la plus pratique pour convertir l'énergie solaire en électricité a été sélectionnée. La centrale proposée a été composée de deux turbines à gaz de 47MW, une turbine à vapeur surdimensionné d’une capacité maximale de 80 MW et un champ solaire de 183120 m² de surface réfléchissante. Il a été observé que l’énergie produite et l'efficacité de la centrale réplique sensiblement à l’entrée d'énergie thermique solaire, l’augmentation de l'énergie solaire, améliore la performance. Au point de la conception, la production d'électricité et l'efficacité de la HTF-ISCCS ont été trouvés à être meilleurs que ceux de la centrale à cycle combiné (134 MW, 57,5%) de 17% et 16,5%, qui sont correspondre à 157 MW et 67%, respectivement.

En Libye, Elhaj et al. [32] ont développé un modèle mathématique, avec Visual Basic 6.0, pour prévoir les avantages de modifier une turbine à gaz existée, situé dans la ville de Misurata, dans HTF-ISCCS. Les données météorologiques de la ville ont été prises à partir de base données du logiciel DESALSOLAR 1.0 tandis que les propriétés de la vapeur ont été calculées en utilisant le logiciel de Thermodynamique Assistée par Ordinateur (CATT2). Ils ont analysé l'effet du rapport de concentration de l'énergie solaire et l'efficacité de la HSSG sur la performance du système solaire intégrée à cycle combiné proposé. Il a été rapporté que la modification d'un cycle de Brayton simple, dans un ISCCS offre de nombreux avantages en termes de production d'électricité et l'efficacité thermique.

Encore une fois, Elhaj et al. [33] ont étudié l'effet du champ solaire, la turbine à gaz et la turbine à vapeur sur la performance d'une HTF-ISCCS. Ils ont mis l'accent sur l'effet de l'efficacité, la contribution solaire et la principale des données de conception de ces composants majeurs mettant en vedette la centrale. Les résultats de simulation ont prouvé que le facteur influant sur le rendement de la centrale est le rapport entre le débit massique de vapeur d'eau à celui de l’HTF. L'analyse des performances a également montré que l’efficacité du champ solaire, les turbines à vapeur et à gaz peuvent atteindre respectivement 62%, 32% et 40%. Par conséquent, la valeur de l'efficacité globale de l'usine peut atteindre 29%.

Une fois de plus, Elhaj et al. [34] ont examiné l'analyse exergétique d'une HTF-ISCCS. Le HTF-SF a été supposé être constitué de plus de 3 m² de collecteurs cylindro-paraboliques,

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tandis que la centrale électrique de (CC) à été composé d’un seul turbine à gaz et un cycle de Rankine de 80% d'efficacité isentropique. Les auteurs ont réalisé des études de sensibilité, notamment l'effet du rayonnement solaire, la température ambiante et le rapport de pression du compresseur sur le rendement exergétique de chacun des composants de la centrale. Ils ont constaté que le taux de compression le plus élevé équivalent au rendement exergétique le plus grand. Néanmoins, il a été observé que la chambre de combustion de la turbine à gaz et le champ solaire sont les principales sources de pertes d'exergie avec 39% de la consommation de combustible fossile pour le premier et 33% de la DNI pour le domaine solaire.

Pour l'Europe, Bakos et al [35] ont concentré sur l'analyse économique de HTF-ISCCS et étudié l'effet de la taille du champ solaire sur les coûts de la centrale en Grèce méridionale. Les ISCCS sélectionnés dans cette étude sont constitué de turbine à gaz de 35MW, une turbine à vapeur de 15MW et un champ solaire cylindro-parabolique. Le champ solaire est supposé être dans la plage de 30000m² jusqu'à 180000m² de sorte que six champs avec différentes tailles ont été considérés. Le logiciel TRNSYS-STEC a été utilisé pour modéliser et simuler la consommation horaire de carburant et la contribution solaire dans deux modes de fonctionnement. Les résultats ont été prouvés que le mode d'économie de carburant peut fournir le cout de la production d’électricité (LEC) inférieure que le mode amplifié. En outre, l’augmentation du champ solaire augmente le coût de la production d'électricité. Les auteurs ont conclu que, si le prix de l'électricité exportée, en Grèce, élevé de 0,05026 €/kWh à 0,060 €/kWh, le ISCCS deviendra rentable même avec un grand champ solaire.

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Franchini et al. [36] ont comparé la performance thermique de HTF-ISCCS avec une technologie cylindro-parabolique à celle d'une technologie de récepteur central sous un climat de Séville (Espagne). Pour ce faire, ils ont couplé le simulateur TRANSYS-STEC avec le logiciel THERMOFLEX pour analyser l'effet de la technologie CSP sur la performance thermique de l’ISCCS.

La simulation horaire a montré que durant l'été l’ISCCS avec la technologie cylindro-parabolique peuvent offrir une meilleure performance que celle de la technologie de la tour solaire en raison de l'efficacité optique du champ solaire plus élevé, c’est à dire, le champ solaire cylindro-parabolique recueille plus de rayonnement solaire que le champ des héliostats avec une efficacité thermique jusqu'à à 60% dans les journées chaudes. Néanmoins, la simulation de performance annuelle a été indiquée que l’ISCCS avec la technologie de l'énergie de la tour solaire produit plus d'électricité avec une efficacité supérieure à sel de l’ISCCS avec les capteurs cylindro-paraboliques. Les auteurs on sortie d’une conclusion importante, est qu’à l'exception dans les mois chauds de l'été, la technologie de la tour solaire fournit une collection annuelle beaucoup plus stable d'énergie que sel du cylindro-parabolique. Il est à noter que l'entrée solaire stable dans le cycle thermodynamique maintenir un rendement élevé et élimine les coûts supplémentaires induits par la variation du rayonnement solaire.

Pour l'Inde, Siva Reddy et al. [37] ont présenté une courte revue des études sur les centrales thermiques solaires paraboliques, y compris, récepteur cylindro-parabolique et cylindro-parabolique sterling. L’ISCCS a été légèrement mis en évidence. L'examen comprend une évaluation économique des centrales CSP sous le climat tropical indien. Il a été montré que pour 50MW CSP, la technologie des capteurs parabolique sterling offre une énergie inférieure que les deux autres technologies solaires qui envisagent une durée de vie de 30 ans et un taux d'intérêt de 10% sur l'investissement.

Pour le Maroc et l'Egypte, Brakmann [38] a présenté l'état et les données de deux conceptions de base Benimathar et Kuraymat ISCCS. Il a également présenté les performances de ce dernier en fonction de la température ambiante et de l'intensité du rayonnement solaire pour les trois modes de fonctionnement, à savoir (1) la puissance en mode de renforcement qui exige une turbine à vapeur surdimensionné et conduit donc à un coût plus élevé et de plus grandes pertes de charge partielle, (2) le mode turbine à gaz d'étranglement lorsque le rayonnement solaire est élevé et entraînant ainsi moins de chaleur

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d'échappement vers le HRSG, et (3) l'excès de chaleur solaire en mode à vide a cause de la décentralisation de certains collecteurs et permettant ainsi aux turbine à gaz et à vapeur de travailler à pleine charge.

Brakmann et al. [39] ont rapporté les données techniques de Benimathar ISCCS. La conception, l'emplacement géographique du site, la carte d'index du site, la carte topographique et la disposition de la centrale ont été brièvement décrites. Ils ont également présenté un résumé des paramètres techniques de la centrale électrique.

Brakmann et al. [40] ont rapporté les données de conception et les progrès de la construction Kuraymat ISCCS y compris le domaine solaire et la centrale à cycle combiné. Pour le domaine solaire, ils ont décrit le processus de construction. Pour le cycle combiné, ils ont mis en évidence le progrès des travaux de construction de l'unité de turbine à gaz, le HRSG, le HSSG, la turbine à vapeur, le système de refroidissement et le système d'alimentation électrique. Le rapport comprend des informations techniques importantes.

Figure .I.15. Conception d’ISCCS Kuraymat [40].

Aux États-Unis, Antoñanzas-Torres et al. [41] ont étudié l'impact du DNI, la taille du champ solaire et de la température ambiante sur les performances de HTF-ISCCS fonctionnant en mode renforcement de puissance. Pour ce faire, ils ont sélectionné deux endroits, à savoir, Las Vegas (Etats-Unis) avec DNI très élevé et Ciudad Real (Espagne) caractérisé avec DNI moins élevé. Les conditions météorologiques de chaque site ont été

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définies par leurs TMY utilisant Météo norme qui fournissent un an de valeurs horaires de DNI, la vitesse du vent et la température de l'air. Le cycle combiné a été composé d’une turbine à gaz de 270MWe et une turbine à vapeur de 130MWe. En utilisant un nouveau modèle implanté dans le logiciel SAM, la simulation a montré une meilleure performance des ISCCS pendant les jours chauds, lorsque le rayonnement solaire est élevé, l’exécution est meilleur par rapport à ceux d'une centrale électrique à cycle combiné. En d'autres termes, la centrale électrique à cycle combiné à Las Vegas a une performance inférieure à celle de Ciudad Real, en raison des températures plus élevées, alors que l’ISCCS offre de meilleures performances à Las Vegas que dans Ciudad Real en raison des valeurs très élevés de DNI.

Turchi et al [42] ont comparé la performance de HTF-ISCCS avec et sans stockage (TES) à ceux de SEGS Comme le montre la (figure I-16). Dans l’ISCCS proposé, l'échappement de turbine à gaz est employé pour chauffer le HTF dans l'ISCCS sans stockage tandis qu'il est employé pour réchauffer le sel-HTF dans celui avec stockage. Le logiciel de traitement IPSEpro a été appliqué pour simuler les ISCCS tandis que SAM a été utilisé pour simuler les SEGS et un code implanté dans Excel pour simuler la performance de la turbine à gaz. Les résultats ont montré que le coût de production d'électricité est le plus faible dans ISCCS sans stockage suivie par celui avec stockage, sous le climat américain. Il a également été constaté que la fraction solaire dans le nouveau schéma d'intégration peut dépasser de loin toutes les autres configurations d’ISCCS et atteindre jusqu'à 64%. Les auteurs ont signalé que les conceptions hybrides de turbines à gaz/solaires dites de Co-localisation introduites dans cette étude évitent une mauvaise efficacité d'utilisation de gaz et une contribution solaire limitée associée à l'implantation d'une conception ISCCS largement opérationnelle. Cependant, ils on observé que le rendement thermique de la conception proposée est d'environ 48%, bien inférieur à celui de la conception antérieure qui peut atteindre la limite de 68%.

Dersch et al. [43] ont fait une étude comparative entre l’ISCCS, SEGS et les centrales électriques à cycle combiné pour diverses configurations illustré dans la figure (I-17). Ils ont