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Thèse présentée à l’Université de Perpignan Pour obtenir le titre de Docteur de

Thèse présentée à l’Université de Perpignan Pour obtenir le titre de Docteur de l’Université de Perpignan Discipline : Sciences Pour l’Ingénieur Spécialité : Energétique et Environnement par Pierre GARCIA Outils d’évaluation technico-économique et d’aide à la conception des centrales solaires thermodynamiques du futur Soutenue publiquement le 4 octobre 2007 devant la commission d’examen Rapporteurs M. P. LE QUERE Directeur de recherche, Orsay M. D. MAYER Directeur de recherche, Sophia Antipolis Examinateurs M. P. COSTERG Ingénieur, Paris La Défense M. A. FERRIERE Chargé de recherche, Odeillo M. B. GAGNEPAIN Ingénieur, Valbonne M. M. ROMERO ALVAREZ Directeur de recherche, Madrid Directeurs de thèse M. J.-J. BEZIAN Ingénieur de recherche, Albi M. G. FLAMANT Directeur de recherche, Odeillo Remerciements Ce travail a été mené au sein du Laboratoire PROcédés, Matériaux, et Energie Solaire (PROMES-CNRS, UPR 8521) et en particulier au sein de l’équipe Vecteurs Energétiques Durables d’Odeillo. Je tiens tout d'abord à remercier mon encadrant Alain Ferrière qui m’a épaulé avec enthousiasme et disponibilité, et Gilles Flamant pour m'avoir accueilli au sein de cet irréductible laboratoire. Je remercie également Jean-Jacques Bézian, pour avoir partagé son expérience et sa curiosité scientifique dans le vaste domaine des centrales solaires. Cette thèse de doctorat était cofinancée par l’ADEME et TOTAL S.A. L’approche industrielle de leurs représentants respectifs Bruno Gagnepain et Philippe Costerg aura été très bénéfique à ce travail. J’ai pu bénéficier avec bonheur de l’aide de Yawei Zong, Olivier Bernade, Stéphane Plays, et David Soussal dont les travaux de stage Master/Ingénieur ont beaucoup apporté à cette étude. Par ailleurs, ce travail n’aurait pas été possible sans le précieux concours de nombreux chercheurs français et étrangers. Ainsi l’étude comparative du chapitre 4 aurait sans aucun doute été moins rigoureuse sans l’apport de Manuel Blanco, Rafaele Bolliger, Reiner Buck, François Hénault, Rafael Monterreal, Marcelino Sanchez, Mark Schmitz, Peter Schwarzbözl, et Lorin Vant-Hull. La venue d’Allan Lewandowski à Odeillo en décembre 2005 et les conseils de Tim Wendelin m’ont beaucoup facilité la prise en main du logiciel SOLTRACE. Enfin à PROMES, merci à François Nepveu pour sa haute connaissance de la thermodynamique, à Antoine Perez pour sa passion et son expérience du site de Thémis, à Mathieu Vrinat pour son dynamisme dans le projet RS-PEGASE, à Patrice Charvin et Pierre Neveu pour leur aide sur l’analyse exergétique. Je remercie également les autres acteurs de ce travail : les membres du jury de soutenance, notamment Didier Mayer et Patrick Le Quéré qui ont aimablement accepté d’être rapporteurs de mon manuscrit, et m’ont fait part de leurs observations constructives. Je suis très reconnaissant à Manuel Romero d’avoir accepté de présider mon jury de thèse. Je tenais aussi à dire un grand merci à tous les agents du Four Solaire, permanents ou non, qui ont rendu ces trois ans en Cerdagne fort agréables. J’espère sincèrement revoir nombre d’entre eux, tout comme les stagiaires des millésimes 2005, 2006, et 2007, les doctorants de Perpignan débordés, les élèves du Master Energie Solaire indulgents, et le passionné Hernando. De même il serait inconvenant, voire sacrilège, d’omettre de citer en bonne place dans ce paragraphe les incontournables garants de la convivialité du Four que sont Renée et Didier. Evidemment, je remercie bien haut tous ceux qui ont marqué ces trois années de ma vie par leur intégrité morale, leur rugosité montagnarde et leur franche camaraderie : Paco, Aleski, Quentin, Kef, Cheval, Audrey, Chticode, Pat, Olive, Seb, Marco, et Carlos. J’adresse à mes amis de Pau, Nantes ou ailleurs mes plus chaleureux remerciements pour leur soutien indéfectible. Enfin, je remercie spécialement mon amie et ma famille pour m'avoir supporté et encouragé pendant ces trois années. 3 Résumé La lutte contre le changement climatique, conjuguée aux récentes augmentations du prix des hydrocarbures, a récemment relancé les efforts de recherche pour produire l’électricité et d’autres vecteurs énergétiques en minimisant les émissions de CO2. Le recours massif aux technologies solaires thermodynamiques (CSP) est envisageable en raison de leurs nombreux avantages spécifiques : souplesse liée au stockage et à l’hybridation, rendements de conversion solaire-électricité élevés, et fort potentiel de réduction des coûts. Dans ce contexte favorable, le sujet de cette thèse présente un double intérêt. Il s’agit premièrement d’estimer le potentiel des systèmes CSP en mettant l’accent sur deux technologies préfigurant les installations de troisième génération : les centrales à tour hybrides solaire – turbine à gaz (HSGT) où l’air pressurisé est chauffé dans le récepteur solaire central avant de recevoir un appoint fossile par combustion puis alimenter la turbine de détente, et les centrales mixtes avec génération directe de vapeur où l’eau est préchauffée puis évaporée dans un champ de capteurs cylindro-paraboliques avant d’être surchauffée au sommet d’une tour. Deuxièmement, l’installation de démonstration PEGASE, envisagée au sommet de la tour de l’ancienne centrale THEMIS et portée par le laboratoire PROMES-CNRS, a constitué un cas d’application pertinent pour une analyse détaillée des performances énergétiques et exergétiques des systèmes HSGT. Cette étude a notamment permis de chiffrer les performances attendues du concentrateur et d’avancer des pistes pour la conception du récepteur à cavité. Ainsi, outre un état de l’art complet des systèmes de production d’électricité par voie solaire thermodynamique, les résultats de ce travail se traduisent par la création ou l’adaptation d’outils logiciels permettant de modéliser la chaîne de conversion de l’énergie solaire en électricité, et capables d’évaluer les performances et les coûts (investissements, production) de projets de centrales solaires. Enfin une démarche systématique de conception optimisée d’une centrale solaire commerciale est proposée, et les outils logiciels nécessaires sont identifiés. Mots-clés Energie solaire concentrée, Performances technico-économiques des centrales solaires thermodynamiques, Conception et Modélisation des centrales solaires, Concentrateur solaire, Récepteur solaire, Systèmes hybrides, PEGASE à THEMIS. 5 Abstract Growing concern about climate change, combined to the recent increase in hydrocarbons prices, has recently revived research to produce electricity or other energy carriers minimizing CO2 emissions. Massive contribution of solar thermal power technologies (CSP) in the energy production mix is thinkable because of thieir numerous specific advantages: bulk production linked to storage and hybridization, high solar-to-electric conversion ratios, and high potential for cost reduction. In this favourable context, the topic of this thesis shows a double interest. First, the potential of CSP systems is assessed, stressing on two technologies foreshadowing third generation plants: hybrid solar gas turbine systems (HSGT) and mixed systems with direct steam generation in which water is preheated and evaporated in parabolic troughs collectors before being superheated in a central receiver system. Secondly, the demonstration facility PEGASE, envisaged at the top of the former THEMIS power plant and promoted by PROMES-CNRS, formed a relevant case of application for a detailed analysis of exergetic and energetic performances of HSGT systems. This study allowed us to estimate the expected performances of the concentrator and to propose ideas for the design of the cavity receiver. Therefore after a complete overview of CSP systems, this work results in the creation or adaptation of tools allowing to model the whole conversion process from sun rays to electricity, and able to assess performances and costs (investments, power production) of solar plants projects. Finally a methodology to design optimized commercial CSP systems is also suggested, and needed tools are identified. Key words Concentrated Solar Power, Techno-economic performances of Solar Thermal Power Plants, Design and Modelling of solar plants, Solar Concentrator, Solar Receiver, Hybrid Systems, PEGASE at THEMIS. 6 Sommaire Chapitre 1 : Introduction générale 11 1.1 Contexte de l’étude 11 1.1.1 Un peu d’histoire 13 1.1.2 Intérêt de cette filière 14 1.1.3 Contraintes et Barrières 15 1.1.4 Potentiel de la filière 16 1.1.5 Le projet PEGASE à THEMIS 17 1.1.6 Objectifs de la thèse 19 1.2 Définitions 21 1.2.1 Abréviations des termes techniques et scientifiques 21 1.2.2 Institutions, laboratoires et entreprises 23 1.2.3 Nomenclature 24 1.2.4 Indices 25 1.2.5 Lexique 26 Chapitre 2 : Etat de l’art des centrales solaires thermodynamiques 33 2.1 Technologies existantes 33 2.1.1 Les centrales à capteurs linéaires 34 2.1.2 Les centrales à tour 38 2.1.3 Les paraboles-Stirling 44 2.1.4 Systèmes hybrides et systèmes mixtes 46 2.2 Composants spécifiques 53 2.2.1 Les concentrateurs 53 2.2.2 Les récepteurs 56 2.2.3 Les cycles thermodynamiques 60 2.2.4 Le stockage de chaleur 60 2.3 Conclusions et choix des cas d’application de la thèse 68 2.3.1 Conclusions du programme ECOSTAR 68 2.3.2 Choix des cas d’application 70 Chapitre 3 : Evaluation de la ressource solaire 73 3.1 Le gisement solaire en France et dans le monde 73 3.2 Données météorologiques nécessaires à l’évaluation des performances des centrales solaires 74 3.3 Traitement des données de la station météo du Four Solaire d’Odeillo 77 7 3.3.1 Données brutes 77 3.3.2 Traitement et mise en forme des données 77 3.3.3 Discussion des résultats 78 3.3.4 Influence de la périodicité des données météorologiques 82 3.3.5 Bilan et perspectives 83 Chapitre 4 : Calcul du flux solaire concentré d’une centrale à tour 85 4.1 Etude comparative des codes de calcul de flux existants 85 4.1.1 Généralités sur la modélisation des champs d’héliostats 86 4.1.2 Codes de première génération 87 4.1.3 Codes utilisés actuellement 88 4.1.4 Comment choisir un code de calcul adapté ? uploads/Geographie/ these-pierregarcia.pdf