Partie IV : Solaire thermodynamique - CV - Stéphane THIERSthiers.stephane.free.fr/repcours/CoursSolEPF2010.P4.pdf · thermodynamique (CSP : Concentrated Solar Power) ... Sunmachine

L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

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Ensemble des techniques visant à transformer l'énergie solaire en chaleur à hautetempérature puis en énergie mécanique puis en énergie électrique via un cycle thermodynamique (CSP : Concentrated Solar Power)

Beaucoup de recherches et de réalisations expérimentales au début des années 1980

Secteur qui redémarre dans les régions très ensoleillées (USA, Espagne, Israël, etc.)

Réalisations expérimentales...• CRS à Almeria (1981, Espagne)

• SUNSHINE à Nio Town (1981, Japon)

• EURELIOS à Adrano (1981, Italie)

• SOLAR ONE à Barstow (1982, Californie)

• THEMIS à Targassonne (1982, France) →

… et commerciales• Centrales LUZ en Californie

(9 centrales de 1984 à 1990)

• SOLAR TWO à Barstow (10 MW, 1996, Californie)

• etc.

Partie IV : Solaire thermodynamiquePartie IV : Solaire thermodynamique


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1. Concentration solaire2. Récepteur3. Transport et stockage4. Cycles thermodynamiques

Partie IV : Solaire thermodynamiquePartie IV : Solaire thermodynamique


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Pour atteindre des températures élevées, il faut limiter les pertes (équilibre thermique) ⇒ limiter la surface de capteur

Système optique permettant d'accroître le flux incident sur le capteur Théoriquement, il existe deux systèmes :

Lentilles convergentes (convexes) et Miroirs convergents (concaves) transmission réflexion

En pratique on retient toujours le miroir →( )meilleure maîtrise de la surface

Objectif de la concentrationObjectif de la concentrationIV.1 Concentration solaireIV.1 Concentration solaire


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Filière reine car le paraboloïde de révolution est la meilleure surface réfléchissante possible

Tout rayon incident parallèle à l'axe optique atteint le foyer Nécessite de maintenir l'axe du miroir en direction du soleil

⇒ Le miroir doit être mobile autour de deux axes de rotation

⇒ limite technique à quelques centaines de m2

⇒ faible puissance qui doit être exploitée dans une installation compacte

Concentration théorique : supérieure à 10 000. En pratique un peu moins. Solutions techniques

Miroir à facettes planes ou cintrées Miroir métallique (feuille d'aluminium)

Filière paraboliqueFilière paraboliqueIV.1 Concentration solaireIV.1 Concentration solaire


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Très grandes surfaces de miroir Utilisation d'un pseudo-paraboloïde à foyer

fixe constitué de centaines ou milliers de miroirs plans orientables : les héliostats

À chaque instant, les héliostats réfléchissent le rayonnement vers le foyer

Comme les héliostats se trouvent sur le sol, le foyer est en altitude

⇒ une tour permet d'y disposer le récepteur

Pilotage individuel de chaque miroir (calcul de la position du soleil (boucle ouverte)), de la répartition optimisée des miroirs, la position du foyer, la géométrie du récepteur

Concentration théorique : 700 pour un champ d'héliostats au sud de la tour

(cas de Thémis)

250 pour un champ autour de la tour

P. ex. Solar One (Californie) →

Coeff. de réflexion des miroirs : de 80 % (ordinaire 6mm) à 95 % (verre sans fer 1 mm)

Filière des centrales à tourFilière des centrales à tour

Héliostats à système d'axes altazimutal

IV.1 Concentration solaireIV.1 Concentration solaire


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Le foyer est linéaire et non ponctuel Orientation est-ouest (suivi saisonnier) ou

nord-sud (suivi journalier) Un seul axe mobile ⇒ simplification Inconvénient :

Concentration faible (80 au mieux) Rendement cosinus

Concentrateur = un miroir autoportant cintrée à chaud en verre sans fer argenté et vernis en face arrière.

Assemblés en éléments de 99 m de long, 5,80 m d'ouverture, surface frontale 545 m2. (technologie israëlienne LUZ)

Filière cylindro-paraboliqueFilière cylindro-paraboliqueIV.1 Concentration solaireIV.1 Concentration solaire


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Concentrateur constitué de miroirs plans pilotés

Variante : miroirs de FresnelVariante : miroirs de Fresnel

Source : S. Quoilin, Université de Liège



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Source : Solar Power Group


Variante : miroirs de FresnelVariante : miroirs de Fresnel


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Capter le maximum de rayonnement et en transformer la plus grande partie en chaleur

Théoriquement, il existe deux solutions pour capter le rayonnement : Une surface noire (coefficient d'absorption élevé pour la plus grande partie du

spectre solaire) Un volume semi-transparent, noir dans son épaisseur

loi de Bouger-Lambert

ObjectifObjectifIV.2 RéceptionIV.2 Réception

I e =I 0⋅exp−a⋅e


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Essentiellement pour le "Dish/Stirling"

Chaudière à gaz (hydrogène ou hélium) →

Récepteur à tubes absorbeurs

Possibilité de caloduc au sodium liquide constituant un échangeur intermédiaire →

Filière ParaboliqueFilière ParaboliqueIV.2 RéceptionIV.2 Réception


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Quatre types de récepteurs expérimentés Récepteur eau/vapeur

Tubes à eau haute pression Gestion de la chaleur difficile car changement d'état (et de coeff. d'éch.) La peinture noire se dégrade rapidement aux hautes températures Solution abandonnée

Récepteur à sel fondu Pas de changement d'état ni de pression Vitesse élevée ⇒ fortes pertes de charge ⇒ consommation des pompes élevée Corrosion importante au delà d'une température critique Nécessité de chauffage pour maintien en température (autrement solidification) (140°C à

Thémis, 220°C à Solar One) Récepteur robuste, facile à conduire

Récepteur à sodium fondu Très bon caloporteur Forte inflammabilité Solution abandonnée après incendie d'une centrale expérimentale

Récepteur à air Solution théorique non testée Utilisation de chaudières volumétriques à laine métallique envisagée

Filière Centrale à tourFilière Centrale à tourIV.2 RéceptionIV.2 Réception


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Récepteur linéaire fonctionnant à température modérée (400 °C) Absorbeur placé dans un tube en verre sans fer vidé de son air Revêtement de l'absorbeur en cermet très performant (96% d'absorption,

faible émissivité) Système sophistiqué, maintenant solide et bon marché car développé à

grande échelle (projet d'une centrale de 50 MW dans le Nevada)

Filière Cylindro-paraboliqueFilière Cylindro-paraboliqueIV.2 RéceptionIV.2 Réception


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Vue du récepteur linéaireVue du récepteur linéaireIV.2 RéceptionIV.2 Réception


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Filière parabolique Pas de stockage ni de transport : la transformation en énergie mécanique se fait

directement au foyer

Filière "centrale à tour" Eau/vapeur

Eau = Caloporteur ET fluide thermodynamique Boucle de stockage séparée avec huile de synthèse (caloporteur) et lit de

cailloux (stockage) Solution testée sur Solar One puis abandonnée après l'incendie du bac de

stockage Sel fondu et sodium fondu

Forte capacité calorifique volumique du fluide caloporteur Stockage du sel dans un ou deux bacs Capacité calorifique du sodium vaut la moitié de celle du sel fondu

Filière cylindro-parabolique Huiles de synthèse ou minérales qui restent liquides à toute température Ces huiles sont inflammables, sont visqueuses, coutent cher Pas de stockage. Appoint au gaz naturel.

Dépend de la filièreDépend de la filièreIV.3 Transport et stockageIV.3 Transport et stockage


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Cycle à vapeur (de Rankine) Limité à 565 °C mais excellents rendements

Nombreuses réalisations sur centrales à tour et cylindro-paraboliques :– Thémis : 2,5 MWe, vapeur à 430 °C, 50 bar, rendement 28 % – Solar One : 12,5 MWe, vapeur à 515 °C, 100 bar, rendement 35 %– SEGS VII (Luz) : 30 MWe, vapeur à 371 °C, 100 bar, rendement 37,5 %

Cycle combiné (Brayton + Rankine) Meilleurs rendements mais encore inexpérimenté

Trois cycles envisagésTrois cycles envisagés

Cycle de Stirling Filière parabolique Dish/Stirling Associé au moteur Stirling à source de

température externe : le fluide de travail reste à l'intérieur du moteur

Fonctionne jusqu'à 1200 °C Limité aux petites puissances (5 à 50 kW) Très bons rendements (30 à 45%) Tenue mécanique encore incertaine

Sunmachine

IV.4 Cycles thermodynamiquesIV.4 Cycles thermodynamiques


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Parabolique Dish/Stirling Technique simple mais limitée par le moteur

Stirling encore peu satisfaisant →

Centrale à tour à sel fondu Un grand projet hispano-étatsunien : Solar

Tres (260 000 m2 d'héliostats) →

Cylindro-parabolique Nombreux projets en cours :

– 2 x 50 MWe en Andalousie (510 000 m2 de

collecteurs)

Coût d'investissement : de 3000 €/MW (cyl.-p) à 10000 €/MW (parabole)

Coût cible : 50 à 60 € / MWh Fort développement possible (37 GW en 2025)

Programme SolarPACES de l'Agence Internationale de l'Énergie (www.solarpaces.org)

Projet DESERTEC

Conclusion : Trois filières prometteusesConclusion : Trois filières prometteuses

Objectif : 100 GW au Maghreb et Moyen-Orient d'ici 2050


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1. Froid solaire2. Stockage de l'énergie solaire3. Capteurs solaires à air4. Architecture solaire5. Cheminée solaire

Partie V : Autres applications solairesPartie V : Autres applications solaires


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Principe intéressant car adéquation entre

besoins de froid et ressources solaires

Applications Climatisation de bâtiments (traitement d'air) Production d'eau glacée

Trois types de cycles thermodynamiques Systèmes à cycle fermé

– Machine à absorption (liquide)

– Machine à adsorption (solide)

Systèmes cycle ouvert– Système à dessiccation (solide)

Du froid avec du chaud !Du froid avec du chaud !V.1 Froid solaireV.1 Froid solaire


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Machine à sorption (cas général) Efficacité : le coefficient de performance (COP)

COP = Qfroid/Qchaud

Systèmes à cycle ferméSystèmes à cycle ferméV.1 Froid solaireV.1 Froid solaire


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Systèmes les plus répandus Couple réfrigérant/liquide absorbant : H2O/ LiBr ou NH

3/H

2O

Machines atteignant jusqu'à quelques centaines de kW froid pour les applications solaires : COP jusqu'à 0,75 et TC = 65 °C Capteurs à tubes sous vide

Machine à Machine à AbAbsorptionsorption

Cave de Banyuls à climatisation solaire (Cellier des Templiers) 50 kW, 130 m2

V.1 Froid solaireV.1 Froid solaire


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Cycle à changement de phase

L'énergie est apportée sous forme de travail mécanique au niveau du compresseur

Rappel : cycle du réfrigérateurRappel : cycle du réfrigérateurV.1 Froid solaireV.1 Froid solaire


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Idem avec cycle à absorption à la place du compresseur

L'énergie est apportée sous forme de chaleur au niveau du désorbeur

V.1 Froid solaireV.1 Froid solaire

Machine à Machine à AbAbsorptionsorption


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Idem avec matériau solide au lieu d'un absorbant liquide (typiquement silica-gel) Machines encore peu répandues

mais robustes et présentant de bonnes performances

Inconvénients : volume, poids, coût élevés

Capteurs solaire plans ou tubes sous-vide

Du travail de R&D est en cours (p. ex. LESBAT, Suisse)

Applications : groupe froid, réfrigérateur solaire transportable

Machine à Machine à AdAdsorptionsorptionV.1 Froid solaireV.1 Froid solaire


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Applicable uniquement pour la climatisation Évaporation directe de l'eau dans l'air de ventilation puis

déshumidification par roue dessiccante au silica-gel (solide) ou LiCl (liquide)

Possibilité d'utiliser des capteurs plans car température de 50 à 60°C requise

Fonctionnement possible en chauffage l'hiver (avec capteur à air) Inadapté aux climats humides Système encore peu courant, testé en Chambéry (Maison des énergies,

ASDER)

Systèmes à cycle ouvert : système à dessiccationSystèmes à cycle ouvert : système à dessiccationV.1 Froid solaireV.1 Froid solaire


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Le stockage :– est nécessaire car l'énergie solaire est intermittente et saisonnière.

– permet d'accorder production et consommation.

Stockage thermique À basse température

Inertie thermique des matériaux Ballon d'eau chaude Matériaux à changement de phase (MCP) (utilisés dans le bâtiment)

V.2 Stockage de l'énergie solaireV.2 Stockage de l'énergie solaire


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À haute température (énergie solaire concentrée) Par dissociation de l'ammoniac (NH3)

2 NH3 + chaleur ↔ N2 + 3 H2

Stockage à température ambiante sous forme chimique : théoriquement pas de pertes

Système étudié en Australie

Stockage chimiqueStockage chimiqueV.2 Stockage de l'énergie solaireV.2 Stockage de l'énergie solaire


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L'hydrogène est parfois évoqué comme le carburant du futur. Projet HySol du CNRS (2002-2003)

Trois techniques étudiées– Craquage d'hydrocarbures (CH4 à 1500-2500 K)

– Reformage non-catalytique d'hydrocarbures à haute température (C3H8 + eau)

– Décomposition de l'eau par cycles thermochimiques

Stockage sous forme de dihydrogèneStockage sous forme de dihydrogèneV.2 Stockage de l'énergie solaireV.2 Stockage de l'énergie solaire


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Capteurs à plaques perforées

Capteur en toiture pour séchage des récoltes

Diverses solutions techniques intégrée au bâtimentDiverses solutions techniques intégrée au bâtimentV.3 Capteurs à airV.3 Capteurs à air


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Rendement global (élec + thermique) d'environ 70 % Le rafraîchissement des panneaux améliore le rendement de conversion

photoélectrique

Cogénération à partir de photovoltaïque (PV/T)Cogénération à partir de photovoltaïque (PV/T)V.3 Capteurs à airV.3 Capteurs à air


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Encore quelques solutionsEncore quelques solutions

Capteur vitré intégré au bâtiment (façade double-peau) →Forme une zone tampon entre le bâtiment et

l'extérieur : isolation thermique et acoustique, préchauffage de l'air de ventilation

Mur Trombe ↓

V.3 Capteurs à airV.3 Capteurs à air


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À chaque capteur, son usageÀ chaque capteur, son usage

Typ e de cap teur

Chauffage de l 'air de venti lation

Chauffage des locaux

Séchage des récoltes

À p laques p erforées sans

vitrage Très bon Faib le Très bonPlan vitré Bon Faib le Bon

Mur Trombe Mauvais Bon Mauvais

V.3 Capteurs à airV.3 Capteurs à air


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Objectifs Maximiser les apports solaires passifs en hiver Minimiser les apportes solaires passifs en été Gérer localement les apports de lumière naturelle

Mise en œuvre Dépend du site Orientation du bâtiment, organisation intérieure Disposition d'ouvertures (vitrages) et de puits (ou guides) de lumière Usage de protections solaires actives (stores, vitrage thermochrome, etc.) ou

passives (végétation, casquettes, etc.) Associé généralement à un stockage passif de chaleur (inertie thermique des

parois) et une ventilation naturelle ou semi-passive (puits canadien) Avantages

Réduction des besoins de chaleur, de rafraîchissement et d'éclairage, ⇒ réduction de l'usage de systèmes actifs, consommateurs d'énergie

Indispensable pour la conception de bâtiments passifs Complémentaire des systèmes solaires actifs

Le solaire « passif », une solution incontournableLe solaire « passif », une solution incontournableV.4 Architecture solaire et conception bio-climatiqueV.4 Architecture solaire et conception bio-climatique


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Deux réalisations hyper-innovantesDeux réalisations hyper-innovantes

Maison Hölken, Freibug-im-Breisgau, AllemagneSource : Fraunhofer ISE

Solarsiedlung, Freibug-im-Breisgau, AllemagneSource : Rolf Disch

V.4 Architecture solaire et conception bio-climatiqueV.4 Architecture solaire et conception bio-climatique


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Capteur solaire sans concentrateur Création d'une gradient thermique entre

l'atmosphère et l'air au niveau du sol. Mise en mouvement de l'air vers le haut

et mise en rotation d'une turbine située à la base de la tour.

Réalisation expérimentale à Manzanares (Espagne) ⇒ Production d'électricité de juillet 1986 à février 1989 (P maxi : 50 kW). Collecteur de 240 m de diamètre (46 000 m2). Dimensions de la cheminée : diamètre : 10 m, hauteur : 195 m.

Projet australien Enviromission : centrale de 200 MW avec cheminée de… 1 000 m de haut !

(URL : http://www.enviromission.com.au/)

Projet espagnol Campo3 : 40 MW, 750 m de haut, 250 M€

De la science-fiction ?De la science-fiction ?V.5 Cheminée solaireV.5 Cheminée solaire


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Le soleil, une source d'énergie à valoriser Elle est disponible partout. Il suffit de la capter.

Quelques limites Intermittence

Besoin de stockage Couplage nécessaire avec d'autres ressources énergétiques pour

assurer l'appoint

Quelques techniques déjà bien maîtrisées Solaire thermique à eau, à air, chauffe-eau solaire, photovoltaïque

Quelques techniques à améliorer ou à explorer Recherche photovoltaïque, solaire thermodynamique, stockage

solaire pour améliorer les rendements et réduire les coûts Intégration au bâtiment

À vous de jouer !

Conclusion du coursConclusion du cours


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Duffie J. et Beckman W. Solar engineering of thermal processes, Wiley, New-York, 1980

W.B. Stine and R.W. Harrigan. Solar Energy Systems Design. 1985 (http://www.powerfromthesun.net)

Dessus B. et Pharabod F. L'énergie solaire, Collection Que sais-je ? P.U.F. Equer B. Energie solaire photovoltaïque, Ellipses, 1993 Ricaud A. Photopiles solaires, PPUR, 1997 Antony F. et al. Le photovoltaïque pour tous, Observ'ER, 2006 Site internet « PV ressources » (http://www.pvresources.com) Rivoire B. Le solaire thermodynamique

(http://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie/websfp/rivoire.htm)

Revue Systèmes solaires : nombreux numéros, donc qq hors-série Encyclopédie "Techniques de l'ingénieur" Energies renouvelables, développement et environnement, Les cahiers de

Global Chance, No 23, Avril 2007 (http://www.global-chance.org/IMG/pdf/GC23.pdf)

Photovoltaïque - L'électricité solaire au service du développement durable, ouvrage collectif, Ed. Systèmes solaires, 2002.

Bibliographie succincteBibliographie succincte

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