Solaire concentré :
Enjeux énergétiques, scientifiques et technologiques
Gilles Flamant
Directeur du laboratoire PROMES du CNRS
(Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire)
gilles.flamant@promes.cnrs.fr
PROMES
Laboratoire du CNRS en lien étroit avec
l’université de Perpignan
150 personnes 14 concentrateurs solaires de1 kW à 5 MW
Font Romeu
DNI = 1900 kWh/m 2 .a
Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011
Plan
• Contexte et enjeux
• Principes du solaire thermodynamique
• Les concentrateurs
• Les récepteurs solaires
• Le stockage
• Verrous et coûts
• Centrales : état de l’art
• Conclusion
Contexte et enjeux
Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010
Contexte et enjeux
Réduire les émissions de CO2 d’un facteur 2
Contexte et enjeux
Les renouvelables assurent de 1/2 à 3/4 de la production d’électricité
Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010
Contexte et enjeux
Contexte et enjeux
Selon le scénario de l’IEA, le solaire pourrait représenter 20% à 25% de la consommation d’électricité en 2050, soit 9000 TWh par an évitant l’émission de 6 10 9 tonnes de CO 2 . Photovoltaïque et solaire concentré
contriburaient à 50/50 à cette production
Contexte et enjeux
Contexte et enjeux
Source: Aringhoff, SolarPACES 2010
Le potentiel
¾ 1 km² de désert peut développer une
puissance de 50 MW el électrique
¾ 1 km² de désert peut produire 200 - 300 GWh el / an
¾ 1 km² de désert peut éviter le dégagement de 200,000 tons CO 2 / an
¾ Le solaire thermique (thermodynamique) est la technologie la plus efficace pour voloriser cette ressource.
Contexte et enjeux
Contexte et enjeux
Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010
Principes du solaire thermodynamique
Electricité cycle combiné
Moteur (cycle Stirling)
Turbine à gaz (cycle Brayton) Turbine à vapeur
(cycleRankine)
Stockage thermique
et/ou chaudière
auxiliaire Chaleur
Récepteur solaire
250°C - 1000°C Concentrateurs
Une filière,
de nombreuses options
Concentration : 100, 500°C Concentration : 1000, 1000°C (+)
Principes, la concentration
Concentration : 10 000, 2-3000°C Concentration : 10 000, 2-3000°C
Principes, la concentration
Principes, rendement global
Pertes radiatives ↑ ET Rendement de Carnot ↑
η : rendement exergétique
T
C: température de la source chaude T
0: température de l’environnement σ : constante de Stefan-Boltzmann C : concentration solaire
I : flux solaire incident (1 kW/m
2)
Æ Existence d’un optimum à T
Cet C fixées
Principes du solaire thermodynamique
Quelques options : cylindro-paraboliques
HTF: Huile Stockage : sel Cycle : vapeur
HTF: eau/vapeur
Pas de stockage
Cycle : vapeur
Principes du solaire thermodynamique
Quelques options : tour
HTF: sel
Stockage : sel Cycle : vapeur
HTF: air sous pression
Pas de stockage, appoint GN
Cycle : combiné
Principes du solaire thermodynamique
Comparaison des filières
Medium
Medium /Small Small
Large
Les concentrateurs
Recherches
• Optimisation des champs d’héliostats (lancer de rayons)
• Identification et quantification des défauts de surface
• Nouveaux matériaux réflecteurs (polymères/verre)
Le 21 mars à 12h, soleil 1 kW/m
2Flux maximum: 1920 kW/m
2Flux moyen: 70 kW/m
2Les concentrateurs
Innovations technologiques
• Augmenter la densité au sol : Multitours et petits héliostats
• Simplifier les composants : Fresnel linéaire
Concept
Réalisation : e-solar (5 MW
e)
Les concentrateurs
Innovations technologiques
• Fresnel linéaire
Concept
Réalisation : Novatech Biosol (1,4 MW
e)
Les récepteurs solaires
Fonction
Absorber l’énergie solaire concentrée, transférer la chaleur vers le fluide de transfert et limiter les pertes par
rayonnement et convection.
Organe essentiel car interface entre concentrateur et cycle
thermodynamique
Les récepteurs solaires
Recherches
• Maîtrise des propriétés optiques des surfaces (spectrales/directionnelles)
• Intensification des transferts fluide/parois
• Nouveaux fluides de transfert
α/ε = 7,3
Les récepteurs solaires
Recherches Intensification des transferts fluide/parois
Microcanaux
Inlet air
Outlet air
Inlet air
Outlet air Inlet air
Outlet air
635 mm 90 mm
100 – 400 kW.m-2
T
airInlet [°C] 20 - 335 T
airOutlet [°C] 142 - 780
ΔT
air[°C] 110 - 460
T
wallmax [°C] 884
Heat power transferred [kW
th] 5,3 – 21,5 Heat flux transferred [kW
th.m
-²] 101 à 408
H
global[W.m
-2.K
-1] 1600 - 2500
Le stockage
Une spécificité du solaire concentré
avec l’hybridation
Le stockage
Les modes de gestion possibles
Le stockage
Les modes de gestion possibles
Le stockage
Le stockage
Source: F Morse, Abengoa Solar, SolarPACES 2010
Le stockage
Recherches • Stockage à haute température (chaleur sensible)
• Matériaux à changement de phase
• Architecture stockage
L’existant : (1) vapeur sous pression = stockage de protection
Le stockage
L’existant : (2) Bétons et céramiques = stockage de production En cours de démonstration
Béton haute T Céramique (Al2O3 + Ox Fer)
70 kWh/m
3(ΔT= 100°C)
~ 30 €/kWh
Le stockage
L’existant : (3) sel fondu = stockage de production Thémis, Solar 2, ANDASOL
ANDASOL Guadix Espagne, 2009 50MW e , 7.5 h stockage
60% NaNO 3 /40% KNO 3
28 500 t
Le stockage
Recherches
Matériaux à changement de phase : Répondent aux besoins de la GDV
L ≈ 100-500 J/g
Water Cp = 4.18 J/g.K Î ΔT≈ «100 K »
Problèmes : conductivité, stabilité
220°C
objectif
sel seul
Verrous (Exemples)
Scientifiques
Maitrise des propriétés optiques des surfaces Fluides de transferts
Transferts de chaleur (récepteurs, stockage) Matériaux (récepteurs, stockage …)
Technologiques
Matériaux et structures concentrateurs Turbines
Changement d’échelle
Environnementaux
Eau, espace
Economiques
Verrous : Changement d’échelle/Coût
50 MW → 250 MW
Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010
Verrous : Changement d’échelle/Coût
50 MW → 200 MW
Verrous : Economie
Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010
Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010
Verrous : Environnement, eau
Consommation d’eau par filière de production d’électricité
Verrous : Environnement, eau
Consommation d’eau par option de refroidissement
Source: C.S. Turchi, NREL, SolarPACES 2010
Verrous : Environnement, eau
Economie de 92% de la consommation d’eau par
refroidissement sec, mais impact sur le coût
Centrales : état de l’art
L’âge du développement industriel
PS 10 et PS20
Rendement nominal : 20%
Annuel : 16%
Centrales : état de l’art
Andasol 1 et 2 50 MW
7,5h stockage
Centrales : état de l’art
Gemasolar
17 MW e , 12 h de stockage (récepteur 120 MW th )
Centrales : état de l’art
Espagne: 2,5 GW en 2013
Centrales : état de l’art
USA: 10 GW en 2015
Source: F Morse, Abengoa Solar, SolarPACES 2010
Rappel : 10% prod. Mondiale électricité en 2050 = 9 000 TWh
Problèmes à résoudre:
¾ Réduire la consommation d’eau : cycles à gaz
¾ Augmenter les rendements : cycles combinés (20% → 30%)
¾ Réduire les coûts de production : hybridation
Chambre de combustion Récepteur
pressurisé
Récupérateur Turbine à gaz
Héliostats
Tour
