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Le solaire thermique à concentration : Principes Formation CSP Ouarzazate Mai 2

Le solaire thermique à concentration : Principes Formation CSP Ouarzazate Mai 2016 Gilles Flamant et Cyril Caliot PROMES-CNRS Gilles.flamant@promes.cnrs.fr Cyril.caliot@promes.cnrs.fr Sommaire • Chaleur industrielle • Combustibles solaires 1 Système de concentration Electricité (photovoltaïque à concentration) Electricité (conversion thermodynamique) Combustibles de synthèse Chaleur industrielle De la source aux besoins 2 Chaleur industrielle 3 Chaleur industrielle Figures, données 2009 Source: Energy Technology Perspectives 2012 Demande d’énergie mondiale : Environ 50% est de la chaleur Répartition de la demande mondiale de chaleur Un potentiel énorme d’applications pour le solaire à concentration 4 Chaleur industrielle 5 Chaleur industrielle Source : IEA « Solar energy perspectives » 2011 6 Chaleur industrielle Cottret N., E. Menichetti (2010) “Solar heat for industrial processes” Technical Report, OME, Ref SSFA/2010/GFL 5070-4A54-2647-2101 La chaleur à T>400°C représente 1/3 de la consommation finale d’énergie dans l’industries des pays du sud de la Méditerranée 7 Chaleur industrielle Métaux et minerais sont localisés principalement dans les zones très ensoleillées 8 Chaleur industrielle Technologies IEA Roadmap on solar heating & cooling, 2012 9 Chaleur industrielle Technologies IEA Roadmap on solar heating & cooling, 2012 10 Chaleur industrielle Technologies I I I I 150°C 400°C 600°C 1000°C 1600°C Cylindro-parabolique et Fresnel (x50) Concentrateur à tour standard(x500) Concentrateur à tour performant (x1000) Concentrateurs à tour avec sur-concentrateur et paraboloïde(x3000-5000) 11 Exemples 12 Usine pharmaceutique El Nasr (Egypte) 144 collecteurs CP Longueur 6 m, ouverture 2,3 m Soit 1900 m2 Production de 1,3 tonnes/h de vapeur saturée à 175°C Soit 0,9 MWth Installation hybride, 30% solaire 13 Utilisation potentielle dans l’industrie chaux-ciment Source : IEA « Solar energy perspectives » 2011 Calcination 900°C Clinkering 1450°C La décomposition de CaCO3 représente 60% de la consommation d’énergie des cimenteries L’industrie du ciment émet plus de 5% du CO2 total mondial CaCO3 = CaO + CO2 ∆H = 3030 kJ.kg-1 de CaO 14 Utilisation potentielle dans l’industrie chaux-ciment 15 Utilisation potentielle dans l’industrie chaux-ciment CaCO3 Fuel CaCO3 CaO + CO2 CxHy NOx + SOx + CO2 Calcination 900°C 60% 40% Gaz de combustion enrichi en CO2 Calcination classique Energie solaire CaCO3 Calcination 900°C CaCO3 CaO +CO2 Air ou CO2 Stockage CO2 Calcination solaire 16 Utilisation potentielle dans l’industrie chaux-ciment GONZALES R. and FLAMANT G. ASME Journal of Solar Energy Engineering (2014), vol. 136, pp. 025001-1/12. Parameter Value Taux de substitution par l’énergie solaire (%) 100, 80, 60, 40 Taux de pertes (%) 15, 30, 45 Enthalpie de réaction (kJ/kg of CaO) 3182 Nombre de jours de fonctionnement 365 Production journalière de clinker 3000 t/j Characteristic 100% solar calcination 60% solar calcination Puissance nécessaire (MWth) 285 171 Investissement (MUS$) 150 90 Rendement de conversion (%) 56 56 Evaluation technico-économique 17 Utilisation potentielle dans l’industrie chaux-ciment GONZALES R. and FLAMANT G. ASME Journal of Solar Energy Engineering (2014), vol. 136, pp. 025001-1/12. Evaluation technico-économique 18 Utilisation potentielle dans l’industrie chaux-ciment SOLPART European Project (2016 – 2019) High Temperature Solar-Heated Reactors for Industrial Production of Reactive Particulates 19 Calcination CaCO3 et phosphates naturels également prévue Combustibles solaires 20 Combustibles solaires Les combustibles de synthèse : produire des combustibles (liquides) grâce au solaire concentré (1000°C – 1600°C) via H2 + CO, gaz de synthèse Voie 1 Matériaux carbonés (biomasse, déchets …) Gaz de synthèse Voie 2 Eau et dioxyde de carbone Gaz de synthèse Comb. Liq. 20%-40% Soleil 100% Soleil 21 Combustibles solaires Voies possibles Trainham at al. (2012) Current Opinion in Chem Eng. 1, 1-7 22 Combustibles solaires Réactions 1- A partir de matériaux carbonés C + H2O  CO + H2 CH4 + H2O  CO + 3H2 CH1.4O0.6 + 0.4 H2O  CO + 1.1 H2 CO + H2O  CO2 + H2 2- A partir d’eau et de dioxyde de carbone (cycles Redox ) Etape solaire (endothermique): MxOy  MxOy-1+ ½ O2 Etape non solaire (exothermique): MxOy-1 + H2O/CO2  MxOy + H2/CO Réaction globale: xCO2 + (1-x)H2O + Solar Energy  xCO + (1-x)H2 + ½O2 3- Combustibles liquides à partir de gaz de synthèse (H2/CO) nCO + (2n+1)H2  CnH2n+2 + nH2O 23 Combustibles solaires Dispositif expérimental Li R., Zeng K., Soria J., Mazza G., Gauthier D., Rodriguez R., Flamant G. « Product distribution from solar pyrolysis of agricultural and forestry residues” Renewable Energy (2016), 89, pp. 27-35. 24 Combustibles solaires Pyrolyse de déchets agricoles Li R., Zeng K., Soria J., Mazza G., Gauthier D., Rodriguez R., Flamant G. « Product distribution from solar pyrolysis of agricultural and forestry residues” Renewable Energy (2016), 89, pp. 27-35. 25 Combustibles solaires Cycles thermochimiques 26 Combustibles solaires Cycles thermochimiques 27 ZnO Réduction : ZnO = Zn(g) + 0.5O2 Gaz inerte Gaz inerte, O2, Zn(g) Condensation /nucléation : Zn(g) = Zn(l,s) Ré-oxydation : Zn + CO2 = ZnO + CO Zn + H2O = ZnO + H2 T>1600°C T<T condensation Gaz inerte, CO2, H2O Gaz inerte, CO, H2 Recombinaison Zn +0.5 O2 ZnO Zn, ZnO Gaz inerte, O2 Combustibles solaires Cycles thermochimiques Chambon M., Abanades S., Flamant G. (2009), Int. J. Hydrogen Energy, 34(13), 5326-5336 SnO → Sn2O3 ZnO → Zn Très grande réactivité des nanopoudres de Zn/ZnO avec la vapeur d’eau (prod. H2) Hydrolyse (production H2) Etape solaire (M = Zn or Sn): MxOy  MxOy-1+ ½ O2 Réduction (production O2) → 28 Combustibles solaires Cycles thermochimiques Chueh W.C. et al. (2010) Science, 330, 1797 CexOy  CexOy-1+ ½ O2 Oxydation (production H2 et CO2) Réduction (production O2) 29 Combustibles solaires Cycles thermochimiques  Famille 1 (chimie stœchiométrique) oxydes simples): ZnO/Zn, Fe3O4/FeO …  Famille 2 ((chimie stœchiométrique), oxydes mixtes: Ferrites MFe2O4 with M= Ni, Co …  Famille 3 (chimie sous-stœchiométrique): CeO2 et Ce1-xMxO2 with M= Zr, Hf … avec quelquefois un dopant (terres rares)  Famille 4: Perovskites, ABO3. LaxSr1-xMnO3 (SLM), LaxSr1-xMnyAl1-yO3 (SLMA), BaxSr1-xCoyFe1-yO3 … Demont et al. (2014) Journal Phys Chem C, 118, 12682 Objectif: réduire la température de réduction 30 Combustibles solaires Rendements → Indicateur 1, rendement du réacteur: ηrec = mproduitsPCIproduits / Qsolaire → Indicateur 2, rendement thermochimique: ηtc = mproduitsPCIproduits / (Qsolaire + mréactifPCIréactif) → Indicateur 3, Taux d’accroissement énergétique U = mproduitsPCIproduits / mréactifPCIréactif 31 Combustibles solaires Rendements Pitz-Paal, R., Bolero, N.B., Steinfeld, (2011) Solar Energy, 85, 334-343 32 Merci de votre attention uploads/Industriel/ ouarzazate-csp-promes-1b-introduction-chaleur-et-combustibles-solaires.pdf