Présentation thermosolaire

T.Majdoubi T.Majdoubi -- prpréésentation thermosolaire du sentation thermosolaire du 04/02/10 04/02/10 àà l'ENSEMl'ENSEM

ThermosolaireThermosolaire

Le Thermosolaire Le Thermosolaire

LL’é’énergie de demainnergie de demain


ContraintesContraintes

Augmentation croissante du coAugmentation croissante du coûût des combustibles fossiles;t des combustibles fossiles;

ÉÉpuisement des rpuisement des rééserves mondiales des combustibles fossiles;serves mondiales des combustibles fossiles;

Hausse des Hausse des éémissions de CO2;missions de CO2;

DDéépendance pendance éénergnergéétique;tique;

InsInséécuritcuritéé dans les approvisionnements dans les approvisionnements


Demande Demande éénergie primairenergie primaire

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1980 1990 2000 2010 2020 2030

Mte

p

Source: OCDE/IEATaux de croissance: 1,6% par an entre 2006 et 2010


CoCoûût des t des éénergies (en nergies (en €€ /100KWh PCI)/100KWh PCI)


ÉÉvolution des cours du pvolution des cours du péétrole et du fioul TBTStrole et du fioul TBTS


ÉÉvolution des cours du charbon volution des cours du charbon (en US $ par tonne)(en US $ par tonne)

index


Emissions CO2Emissions CO2

0

10

20

30

40

50

1980 1990 2000 2010 2020 2030

Année

Gig

aton

nes



OpportunitOpportunitééss


CoCoûût Electricitt Electricitéé

0

5

10

15

20

25

30

35

COL PAR 200 MW. site 2200KWh/m2/an

COL PAR 200 MW. site 2800KWh/m2/an

Cycle combiné Turbine à gaz Petrole

c€/K

Wh

cout petrole

cout du CO2, 20€/t

capital, EX et M

300$

200$

100$50$

200$

100$

50$

200$

100$

50$COLLECTEURSPARABOLIQUE


A partir de 70 $ la tonne de pA partir de 70 $ la tonne de péétrole, les centrales solaires trole, les centrales solaires deviennent plus compdeviennent plus compéétitives que les centrale brtitives que les centrale brûûlant du fuellant du fuel--oil;oil;

A partir de 130 $ la tonne de pA partir de 130 $ la tonne de péétrole, les centrales solaires trole, les centrales solaires deviennent plus compdeviennent plus compéétitives que les centrales titives que les centrales àà turbine turbine àà gaz en gaz en cycle ouvert.cycle ouvert.

Coût Electricité


CoCoûût t éélectricitlectricitéé

0

5

10

15

20

25

COL PAR 200 MWsite

2200KWh/m2/an

COL PAR 200 MWsite

2800KWh/m2/an

Eolien Hydroelectrique

c€/K

Wh


MarchMarchéé CO2 (CO2 (€€/tonne)/tonne)


PrPréévisions de la baisse des covisions de la baisse des coûûts dts d’é’énergie solairenergie solaire


CAPACITE DES CENTRALES CAPACITE DES CENTRALES THERMOSOLAIRESTHERMOSOLAIRES

CAPACTES DES CENTRALES THERMOSOLAIRES

0

5

10

15

20

25

2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020

GW

Croissance; 36% entre 2006 et 2020


Irradiation solaire moyenneIrradiation solaire moyenne


Technologie ThermosolaireTechnologie Thermosolaire

Energie solaire peu dense: il faut concentrer les rayons pour Energie solaire peu dense: il faut concentrer les rayons pour obtenir des tempobtenir des tempéératures exploitables pour la production ratures exploitables pour la production dd’é’électricitlectricitéé::

Concentration en une ligne;Concentration en une ligne;

Concentration en un point.Concentration en un point.


Concentrateurs en ligne Concentrateurs en ligne

2 syst2 systèème de concentration en ligne sont conme de concentration en ligne sont conççus pour produire de us pour produire de ll’é’électricitlectricitéé àà grande grande ééchelle:chelle:

Collecteurs paraboliques ; Collecteurs paraboliques ; solarsolar MillenniumMillennium

Miroirs plats: FresnelMiroirs plats: Fresnel


Les centrales Les centrales àà capteur cylindrocapteur cylindro--paraboliquesparaboliques

La technologie des capteurs cylindroLa technologie des capteurs cylindro--paraboliques et paraboliques et actuellement la plus actuellement la plus ééprouvprouvéée des techniques de concentration e des techniques de concentration solaire. solaire.

De nombreuses installations ont dDe nombreuses installations ont dééjjàà ééttéé testtestéées et es et commercialiscommercialiséées, dont certaines dans les annes, dont certaines dans les annéées 80. es 80.


Configuration typique d'une centraleConfiguration typique d'une centraleàà collecteurs cylindrocollecteurs cylindro--paraboliquesparaboliques


Configuration typique d'une centraleConfiguration typique d'une centraleàà collecteurs cylindrocollecteurs cylindro--paraboliquesparaboliques

L'L'éénergie thermique renergie thermique reççue au collecteur est absorbue au collecteur est absorbéée e par un tuyau mpar un tuyau méétallique tallique àà l'intl'intéérieur d'un tube en verre rieur d'un tube en verre sous vide. sous vide. Le fluide (huile synthLe fluide (huile synthéétique) qui circule tique) qui circule àà l'intl'intéérieur rieur du tuyau, est chauffdu tuyau, est chaufféé àà une tempune tempéérature d'environ rature d'environ 400400°°C. Ce fluide est ensuite pompC. Ce fluide est ensuite pompéé àà travers des travers des ééchangeurs conventionnels afin de produire de la vapeur changeurs conventionnels afin de produire de la vapeur surchauffsurchaufféée qui actionne un turboge qui actionne un turbogéénnéérateur rateur éélectrique.lectrique.


Collecteur paraboliqueCollecteur parabolique



Composant de base du champ solaire, il est composComposant de base du champ solaire, il est composéé ::

d'un rd'un rééflecteur parabolique flecteur parabolique (miroir), en verre pauvre en fer et (miroir), en verre pauvre en fer et recouvert d'une pellicule d'argent en sa partie infrecouvert d'une pellicule d'argent en sa partie inféérieure, et d'un rieure, et d'un enduit spenduit spéécial de protection;cial de protection;

d'une structure md'une structure méétallique, tallique,

d'un tube rd'un tube réécepteur cepteur

du systdu systèème de poursuite solaire.me de poursuite solaire.


SystSystèème de poursuite solaireme de poursuite solaire

Le rôle du mLe rôle du méécanisme de poursuite est d'adapter canisme de poursuite est d'adapter l'inclinaison du capteur de manil'inclinaison du capteur de manièère re àà ce que la ce que la radiation solaire incidente soit toujours perpendiculaire radiation solaire incidente soit toujours perpendiculaire au rau rééflecteur. flecteur. la radiation rla radiation rééflflééchie au foyer de la parabole est chie au foyer de la parabole est concentrconcentréée sur le tube re sur le tube réécepteur dans lequel circule cepteur dans lequel circule le fluide caloporteurle fluide caloporteur. .


SystSystèème de poursuite solaireme de poursuite solaire


Structure mStructure méétalliquetallique

La structure mLa structure méétallique est contallique est conççue pour:ue pour:

rréésister aux importantes contraintes msister aux importantes contraintes méécaniques licaniques liéées au vent. es au vent.

Assurer la compatibilitAssurer la compatibilitéé entre les dilatations thermiques inentre les dilatations thermiques inéégales de gales de l'acier et du verre.l'acier et du verre.



Miroir

Tube absorbant

Fondation

Structuremétallique Système de poursuite solaire



doit avoir les caractdoit avoir les caractééristiques suivantes : ristiques suivantes :

Bonne absorption du rayonnement : son coefficient Bonne absorption du rayonnement : son coefficient

d'absorption doit être aussi d'absorption doit être aussi éélevlevéé que possible afin que possible afin

d'd'ééviter toute rviter toute rééflexion du rayonnement incident. flexion du rayonnement incident.

Pertes thermiques limitPertes thermiques limitéées : La tempes : La tempéérature du tube drature du tube déépassant passant

ggéénnééralement 400ralement 400°°C, C,

les pertes par les pertes par ééchanges convectifs et radiatifs sont trchanges convectifs et radiatifs sont trèès s

importantes. Afin de les limiter, le tube est entourimportantes. Afin de les limiter, le tube est entouréé d'une d'une

enveloppe de verre sous videenveloppe de verre sous vide


Le tube collecteurLe tube collecteur



Le collecteur parabolique permet : Le collecteur parabolique permet :

dd’’atteindre des taux de concentration compris entre 10 et 100atteindre des taux de concentration compris entre 10 et 100

de collecter jusqu'de collecter jusqu'àà 60% du rayonnement solaire incident;60% du rayonnement solaire incident;

dd’’atteindre un rendement de conversion atteindre un rendement de conversion éélectrique de pointe de lectrique de pointe de 20% (production nette d'20% (production nette d'éélectricitlectricitéé àà la radiation solaire la radiation solaire incidente).incidente).


Champ solaireChamp solaire

Les collecteurs sont connectLes collecteurs sont connectéés en ss en séérie pour former de longues files rie pour former de longues files connectconnectéées en paralles en parallèèle. le.

La taille du champ solaire dLa taille du champ solaire déépend de la puissance dpend de la puissance déésirsiréée. e.

Les collecteurs sont alignLes collecteurs sont alignéés dans la direction nords dans la direction nord--sud, et sud, et disposent d'un systdisposent d'un systèème me monoaxialmonoaxial de poursuite du soleil dans la de poursuite du soleil dans la direction estdirection est--ouest. ouest.

Un senseur permet de contrôler la position du soleil par rapportUn senseur permet de contrôler la position du soleil par rapport àà la la rangrangéée de collecteurs. Cette information est transmise au syste de collecteurs. Cette information est transmise au systèème me de contrôle central qui ajuste l'angle d'inclinaison.de contrôle central qui ajuste l'angle d'inclinaison.


Champ solaireChamp solaire


Champ solaire Ain Beni Champ solaire Ain Beni MatharMathar


Champ solaire Ain Beni Champ solaire Ain Beni MatharMathar


Miroirs de FresnelMiroirs de Fresnel

collecteurs collecteurs àà focalisation linfocalisation linééaire;aire;

Approximer la forme parabolique du collecteur par une Approximer la forme parabolique du collecteur par une

succession de miroirs planssuccession de miroirs plans


Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnementdes miroirs de Fresneldes miroirs de Fresnel


Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement des miroirs de Fresneldes miroirs de Fresnel

Un premier Un premier éétage de rtage de rééflecteur est installflecteur est installéé sur le sol. Le sur le sol. Le rayonnement est rrayonnement est rééflflééchi au foyer de la parabole approximchi au foyer de la parabole approximéée e par le jeu de miroirs. par le jeu de miroirs.

Un deuxiUn deuxièème me éétage de rtage de rééflecteurs redirige le rayonnement vers le flecteurs redirige le rayonnement vers le tube rtube réécepteur. cepteur.

Ce second Ce second éétage de rtage de rééflecteurs, joue aussi le rôle d'isolant pour le flecteurs, joue aussi le rôle d'isolant pour le tube rtube réécepteur. Il est recouvert d'une importante couche cepteur. Il est recouvert d'une importante couche d'isolation en sa partie supd'isolation en sa partie supéérieure. La partie infrieure. La partie inféérieure est quant rieure est quant ààelle isolelle isoléée par une vitre.e par une vitre.


Avantages des miroirs de FresnelAvantages des miroirs de Fresnel

CoCoûût inft inféérieur des miroirs;rieur des miroirs;pas de vide pas de vide àà l'intl'intéérieur du tube rrieur du tube réécepteur, ce qui facilite cepteur, ce qui facilite sa conception et sa durabilitsa conception et sa durabilitéé;;les contraintes mles contraintes méécaniques dus caniques dus àà la poussla pousséée du vent e du vent sont rsont rééduites par la disposition plane des miroirsduites par la disposition plane des miroirs..


Prototype miroirs de Fresnel de 2500 mPrototype miroirs de Fresnel de 2500 m²²


SystSystèèmes de conversion de lmes de conversion de l’é’énergie solairenergie solaire

2 syst2 systèèmes de conversion de lmes de conversion de l’é’énergie en nergie en éélectricitlectricitéé sont adoptsont adoptéés:s:CYCLE DE Rankine;CYCLE DE Rankine;cycle Combincycle Combinéé intintéégrgréé


Cycle de RankineCycle de Rankine


Cycle de RankineCycle de Rankine

Le cycle de RankineLe cycle de Rankine des centrales thermosolaires est un cycle des centrales thermosolaires est un cycle thermodynamique dont lthermodynamique dont l’é’énergie solaire constitue la source chaude;nergie solaire constitue la source chaude;

Le rayonnement solaire chauffe, Le rayonnement solaire chauffe, àà travers le tube absorbant, une huile travers le tube absorbant, une huile thermique thermique àà 400 400 °°C environ.;C environ.;

LL’’huile thermique ghuile thermique géénnèère de la vapeur qui actionne un turboalternateur.re de la vapeur qui actionne un turboalternateur.


Performance cycle de RankinePerformance cycle de Rankine

Utilisation annuelle moyenne : 2400 h (variations des Utilisation annuelle moyenne : 2400 h (variations des radiations solaires en fonction de la journradiations solaires en fonction de la journéée et des saisons);e et des saisons);

nnéécessitcessitéé de rajouter un rde rajouter un rééchauffeur avec combustible chauffeur avec combustible fossile pour assurer la continuitfossile pour assurer la continuitéé de production de production lorlor de la de la baisse de radiation ;baisse de radiation ;

Rendement Rendement rankinerankine simple: 40% ;simple: 40% ;

Rendement y compris rRendement y compris rééchauffeur avec combustible fossile : chauffeur avec combustible fossile : 35% 35%


Cycle combinCycle combinéé intintéégrgréé


Cycle combinCycle combinéé intintéégrgréé

Le cycle combinLe cycle combinéé utilise:utilise:

Une turbine Une turbine àà gaz dans un premier stade pour la gaz dans un premier stade pour la production dproduction d’é’électricitlectricitéé::

LL’’enthalpie des gaz denthalpie des gaz d’é’échappement dans une chaudichappement dans une chaudièère re dans un deuxidans un deuxièème stade, pour gme stade, pour géénnéérer de la vapeur et rer de la vapeur et produire de lproduire de l’é’électricitlectricitéé àà travers une turbine travers une turbine àà vapeur.vapeur.

Les gaz dLes gaz d’é’échappement constituent la source chaude au chappement constituent la source chaude au cycle vapeur classique.cycle vapeur classique.

LL’é’énergie solaire est intnergie solaire est intéégrgréée au cycle combine au cycle combinéé classique, classique, et ne constitue et ne constitue àà la diffla difféérence avec le cycle de Rankine, rence avec le cycle de Rankine, qq’’une source dune source d’’appoint.appoint.


Performances Cycle combinPerformances Cycle combinéé

La puissance dLa puissance d’’appoint du solaire atteint 20 appoint du solaire atteint 20 àà 30% de la puissance 30% de la puissance

du cycle combindu cycle combinéé;;

Le systLe systèème solaire compense la baisse de puissance du cycle me solaire compense la baisse de puissance du cycle

combincombinéé lorsque la templorsque la tempéérature du site augmente;rature du site augmente;

Le systLe systèème solaire augmente la rentabilitme solaire augmente la rentabilitéé du cycle combindu cycle combinéé en en

amamééliorant lliorant l’’utilisation des turbines.utilisation des turbines.

Rendement cycle combinRendement cycle combinéé: 55 %: 55 %


Concentrateurs ponctuelsConcentrateurs ponctuels

2 syst2 systèèmes principaux:mes principaux:

Tour centrale;Tour centrale;

Capteur parabolique.Capteur parabolique.


Tour centraleTour centrale





Ce type de centrale est constituCe type de centrale est constituéé par de nombreux par de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudimiroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudièère re situsituéée au sommet d'une tour;e au sommet d'une tour;

L'avantage de la tour solaire par rapport aux capteurs L'avantage de la tour solaire par rapport aux capteurs cylindroparaboliques : les pertes cylindroparaboliques : les pertes àà l'ambiance sont infl'ambiance sont inféérieurs rieurs car la surface exposcar la surface exposéée est limite est limitéée. e.



Les miroirs uniformLes miroirs uniforméément rment réépartis sont appelpartis sont appeléés hs hééliostats;liostats;

Chaque hChaque hééliostat traque le soleil individuellement et le rliostat traque le soleil individuellement et le rééflflééchit chit en direction d'un receveur au sommet de la tour solaire;en direction d'un receveur au sommet de la tour solaire;

Le facteur de concentration varie de 600 Le facteur de concentration varie de 600 àà plusieurs milliers, ce qui plusieurs milliers, ce qui permet d'atteindre des temppermet d'atteindre des tempéératures de 800 ratures de 800 °°C C àà 10001000°°C. C.



La tour permet de :La tour permet de :

collecter jusqu'collecter jusqu'àà 60% du rayonnement solaire incident;60% du rayonnement solaire incident;

atteindre un rendement de conversion atteindre un rendement de conversion éélectrique de pointe de lectrique de pointe de 23% (production nette d'23% (production nette d'éélectricitlectricitéé àà la radiation solaire la radiation solaire incidente).incidente).


un Capteur parabolique avec moteur un Capteur parabolique avec moteur stirlingstirling


Capteur paraboliqueCapteur parabolique

Le capteur parabolique fonctionne d'une maniLe capteur parabolique fonctionne d'une manièère autonome. re autonome.

Il suit le soleil sur 2 axes afin de concentrer le rayonnement sIl suit le soleil sur 2 axes afin de concentrer le rayonnement solaire olaire sur le foyer de la parabole rsur le foyer de la parabole rééflflééchissante. Le rapport de chissante. Le rapport de concentration est souvent supconcentration est souvent supéérieur rieur àà 2000 avec une temp2000 avec une tempéérature rature de 750de 750°°C.C.

De toutes les technologies solaires, le capteur parabolique a De toutes les technologies solaires, le capteur parabolique a ddéémontrmontréé les meilleurs rendements solaireles meilleurs rendements solaire--éélectricitlectricitéé (29.4%).(29.4%).

Un de leur principaux avantages est la modularitUn de leur principaux avantages est la modularitéé : ils peuvent en : ils peuvent en effet être installeffet être installéés dans des endroits isols dans des endroits isoléés, non raccords, non raccordéés au s au rrééseau seau éélectrique.lectrique.


Capteur paraboliqueCapteur parabolique

le rle réécepteur, installcepteur, installéé sur le foyer du capteur parabolique, rsur le foyer du capteur parabolique, réécupcupèère re la chaleur du soleil;la chaleur du soleil;

Le rLe réécepteur transfcepteur transfèère la chaleur rere la chaleur reççue ue àà un fluide de puissance un fluide de puissance (hydrog(hydrogèène ou hne ou héélium);lium);

Le fluide de puissance gLe fluide de puissance géénnèère lre l’é’électricitlectricitéé selon le cycle sterling selon le cycle sterling (moteur sterling)(moteur sterling)


Cycle de StirlingCycle de Stirling



CoCoûûts et performancests et performances


Estimated Current Cost of Parabolic Trough STPP Estimated Current Cost of Parabolic Trough STPP (in $/kW total plant output)(in $/kW total plant output)

(préparation site, bâtiments Clôture…)

(Champ solaire)

(Système huile HTF)

(production elec)(auxiliaires)

(terrain)

(imprévus)

(Exp et Main)

(ingénierie, support)



Evaluation des coEvaluation des coûûtsts


Evaluation des coEvaluation des coûûtsts

Pour Pour éévaluer le covaluer le coûût du KWh du projet de lt du KWh du projet de l’’ouvrage de production ouvrage de production dd’é’énergie nergie éélectrique lors de llectrique lors de l’é’étude de faisabilittude de faisabilitéé, on , on éévalue le covalue le coûût t moyen actualismoyen actualiséé de lde l’é’électricitlectricitéé. A cet effet, prend en compte:. A cet effet, prend en compte:

Le coLe coûût d'investissement;t d'investissement;

Le coLe coûût dt d‘‘exploitation et de maintenance;exploitation et de maintenance;

le cole coûût du combustible;t du combustible;

La durLa duréée de vie de le de vie de l’’ouvrage;ouvrage;

Le taux dLe taux d’’intintéérêt du financement tenant compte de lrêt du financement tenant compte de l’’inflation;inflation;

Le taux dLe taux d’’assurance. assurance.


Evaluation du coEvaluation du coûût actualist actualiséé de lde l’é’électricitlectricitéé



InconvInconvéénients des centrales solairesnients des centrales solaires


Consommation dConsommation d’’eau des centrales solaireseau des centrales solaires

les centrales thermosolaires (CSP) censles centrales thermosolaires (CSP) censéées être construites es être construites dans des rdans des réégions dgions déésertiques qui manquent dsertiques qui manquent d’’eau, requieau, requièèrent rent beaucoup dbeaucoup d’’eau douce pour le refroidissement du cycle et le eau douce pour le refroidissement du cycle et le nettoyage des miroirs : nettoyage des miroirs :

quatre fois plus que les centrales au gaz, quatre fois plus que les centrales au gaz,

deux fois plus que les centrales charbon ou nucldeux fois plus que les centrales charbon ou nuclééairesaires



Pour faire face au problPour faire face au problèème de la consommation dme de la consommation d’’eau, on a eau, on a recours au systrecours au systèème de refroidissement me de refroidissement àà sec, aux dsec, aux déépens de la pens de la puissance et du copuissance et du coûût.t.



les centrales thermosolaires les centrales thermosolaires ééquipquipéées d'un systes d'un systèème de me de refroidissement refroidissement àà air; air;

cocoûûtent 10% plus cher que les centralestent 10% plus cher que les centrales àà refroidissement refroidissement ààeau.eau.

produisent 5% de moins d'produisent 5% de moins d'éélectricitlectricitéé




Merci de votre attentionMerci de votre attention

Documents

Présentation thermosolaire