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Matin Après-midi Jour 1 1 2a + 2b Jour 2 2c + 3 4 + 5 Jour 3 6 7 1. Principes f

Matin Après-midi Jour 1 1 2a + 2b Jour 2 2c + 3 4 + 5 Jour 3 6 7 1. Principes fondamentaux du CSP 1. Principes et limites des systèmes solaires à concentration 2. Typologie des centrales solaires 3. Sous-systèmes et composants 2. Technologie des concentrateurs cylindro-paraboliques 1. Revue des composants 2. Optique 3. Récepteurs 3. Fluides caloporteurs 1. Les différentes options et les plages de fonctionnement 2. Propriétés thermophysiques 3. Coefficients d’échange 4. Cycles thermodynamiques et ilot de puissance 1. Cycles de Rankine et Hirn 2. Calcul du rendement thermodynamique 3. Source froide 4. Autres cycles 5. Intégration des centrales solaires 1.Définition des critères clés 2.Rôle du stockage et de l’hybridation 6. Stockage thermique 1.Revue des options de stockage 2.Systèmes à 2 réservoirs 3.Système Thermocline 7. Etude de l’efficacité d’une centrale solaire à collecteurs cylindro-paraboliques, logiciels d’analyse et de dimensionnement de centrales solaires 1.Principe du dimensionnement d’une centrale solaire CP 2.Calcul des rendements 3.Outil de simulation Séminaire de Formation CSP destiné aux Enseignants-Chercheurs marocains 25-28 mai 2016, Ouarzazate Gilles Flamant et Cyril Caliot (CNRS-PROMES, France) Répartition du contenu sur la durée de la formation (demi-journée de 3h) Introduction: Le solaire thermique à concentration Cyril Caliot cyril.caliot@promes.cnrs.fr Gilles Flamant gilles.flamant@promes.cnrs.fr Ouarzazate 25-27 mai 2016 Sommaire • Les voies de valorisation du solaire à concentration • Les sous-systèmes composant une centrale solaire Ø Les technologies de concentration Ø Les récepteurs solaires Ø Le stockage Ø La turbine • Les centrales solaires • Coûts Spectre solaire Le rayonnement solaire incident est composé de rayonnement dans le spectre visible et proche infrarouge Cosine Effect Le flux surfacique est maximal lorsque l’incidence est perpendiculaire Potentiel de l’énergie solaire Le rayonnement solaire est gratuit, renouvelable, propre mais aussi intermittent et dilué. Potentiel de l’Energie Solaire Source : IEA « Solar energy perspectives » 2011 6000 fois la consommation d’énergie mondial annuelle Potentiel de l’Energie Solaire Source : IEA « Solar energy perspectives » 2011 Le potentiel de l’énergie solaire dépasse de loin les autres énergies renouvelables Les voies de valorisation du solaire à concentration Système de concentration Electricité (photovoltaïque à concentration) Electricité (conversion thermodynamique) Combustibles de synthèse Chaleur industrielle De la source aux besoins PV sous concentration Record 2016 pour une cellule de laboratoire: 46% Centrales solaires thermiques Système de concentration Récepteur Stockage Cycle thermodynamique Appoint combustible Rayonnement Fluide de transfert Fluide de travail Photovoltaïque/ Thermodynamique Paramètre Thermique à concentration Photovoltaïque Ressource solaire Rayonnement direct Rayonnement total (direct + diffus) Mode de conversion Thermodynamique Electronique Stockage Thermique Electrochimique Hybridation directe Oui Non Effet de taille Oui Non Disponibilité annuelle (grande échelle) 20%-70% 20%-30% Chaleur industrielle Note: Figures based on 2009 data Source: Energy Technology Perspectives 2012 L’industrie emploie massivement et systématiquement les carburants fossiles Besoin mondial en chaleur Les procédés solaires joueront un rôle important durant la transition énergétique Demande mondiale d’énergie Chaleur industrielle Chaleur industrielle Source : IEA « Solar energy perspectives » 2011 Demande de chaleur industrielle en Europe 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 Les sous-systèmes composant une centrale solaire ØLes technologies de concentration ØLes récepteurs solaires ØLe stockage ØLa turbine Ø La source froide (refroidissement) Les pertes optiques peuvent être importantes à cause des réflexions et de l’effet cosinus Rendement de Carnot élevé Fortes pertes thermiques Hauts flux solaires concentrés Hautes températures Optimum (compromis) Concentration & bilan thermique Technologies de concentration Concentration Réception Linéaire (30-100 soleils) Ponctuelle (500-10 000 soleils) Fixe Mobile 300°C-500°C 500°C-1500°C Technologies de concentration Source: Novatec Meilleur rendement optique du cylindro-parabolique mais Fresnel linéaire plus compact et moins consommateur d’énergie parasite pour le suivi solaire et les pompes. Technologies de concentration Technologie Rendement optique annuel Rendement de conversion annuel Stockage Hybrida- tion Potentiel d’améliora- tion technologique Cylindro- parabolique 65%-70% 15%-16% Oui Oui Faible Fresnel linéaire 50% 9%-10% Non si GDV Oui Moyen Tour 60%-65% 15%-18% Oui Oui Elevé Parabole moteur 90% 20%-25% Non Non Faible Les récepteurs solaires Toutes les centrales commerciales actuelles utilisent des récepteurs tubulaires Densités de flux incident: 50 – 1000 kW/m2 Cylindro-parabolique Tour Technologies de concentration Concentration Réception Linéaire (30-100 soleils) Ponctuelle (500-10 000 soleils) Fixe Mobile 300°C-500°C 500°C-1500°C Le stockage Fonction : Ø Atténuer les effets des variations brusques de d’éclairement solaire Ø Adapter la production à la demande (décalage de la production) Source: Technology Roadmap Solar Thermal Electricity, 2014, IEA Fonction : Ø Moderate the effects of sudden changes in solar irradiation Ø Adapt the production to the demand Ø Fournir de l’électricité durant les pics de demandes est plus rentable Prix (bleu) Production (rouge) Irradiation (jaune) vs. Heure du jour Le stockage Différents modes de fonctionnement Hybridation L’hybridation permet Ød’utiliser la turbine en continu (et en régime nominal) Øde stabiliser la fourniture d’électricité sur le réseau ØLisser la production (passages nuageux) Avantage principal Ø Production fiabilisée par le stockage et l’hybridation Facteur de charge 20% 45% 70% 90% Sans stockage 7h stockage 14h stockage Stockage + hybridation facteur de charge = production moyenne attendue capacité installée La turbine Cycle Thermodynamique Rendement de conversion électrique Potentiel d’amélioration Cycles vapeur (Rankine/Hirn) 390°C-565°C 37% - 42% 0 (Technologie actuelle) Vapeur Supercritique ≥ 600°C 48% 17% - 35% CO2 Supercritique (Cycle Brayton) 600°C – 800°C 50% - 55% 22% - 55% Cycle combiné (Brayton/Rankine) 1300°C 60% 45% - 67% La turbine Cycle P (bars) T (°C) Standard 125 535 sc 301 591 u-sc 331 630 Source: Kolb G, Sandia 2011 Le refroidissement Source: C.S. Turchi, NREL, SolarPACES 2010 Refroidissement sec indispensable en région désertique Les centrales solaires thermodynamiques Rendement Rendement de conversion soleil → électricité Puissance électrique net produite = Puissance solaire disponible – Pertes Pertes = Absorption par le système de concentration + Réflexion, émission, convection par le récepteur + Thermique turbine + Consommation parasites (pompes) + Autres (canalisations) Soit Puissance électrique net produite/Puissance solaire disponible = ηG ηG = ηopt .ηRec. ηcyc.(1-ηpar) ηopt varie pendant la journée et au cours de l’année Exemple : 0,65x0,85x0,40x0,90 ≈ 0,20 (20%) Développement industriel 5 GW installé fin 2015 Source IEA Technology Roadmap, STE, 2014 Technologies 2 technologies dominent : Cylindro-parabolique avec huile comme fluide de transfert, stockage sel fondu et cycle vapeur (alternative en développement : Fresnel avec génération directe de vapeur) Tour avec génération directe de vapeur (sans stockage) ou sel fondu (fluide de transfert et stockage). Cylindro- parabolique En anglais: parabolic troughs Parabolic- trough SOLAR ELECTRIC GENERATING SYSTEM SEGS 3-7 (NextEra) (KRAMER JUNCTION, USA) Fresnel linéaire En anglais: Linear Fresnel Génération directe de vapeur Source: Novatec Centrales à Tour En anglais: Central Receiver (ou Power Tower) Centrale à tour Planta Solar 10 PS 10 (Abengoa Solar) (Sevilla, Spain) PS 20 Centrales à Tour En anglais: Central Receiver (ou Power Tower) Power Tower Gemasolar Thermosolar Plant Gemasolar 19.9 MWe (Sener) (Sevilla, Spain) Technologies : vers les grandes puissances SOLANA (Californie) 250 MWe net, Abengoa Technologies : vers les grandes puissances Ivanpah (Californie) 370 MWe net, GDV 170 000 heliostats (BrightSource) Modélisation de centrale solaire • SAM (NREL/Sandia Lab, freeware) – System (solar) Advisor Model (Fortran) – Technologies : PT, CR, DS et CPV – Basé sur des modèles américains (Excelergy, Solergy, Delsol, …) – Champ d’héliostat modélisé avec Delsol3 – Cylindro-P: modèle empirique et physique (nouveauté 2010) • GREENIUS (DLR) – Technologies : PT, DS et CR (récepteur atmosphérique, 2010) – Modèles simplifiés utilisés par des professionnels – Capacités limitées avec la version gratuite • TRNSYS (~4600 € HT/cpu) – Environnement de simulation dynamique des systèmes – Librairie STEC développée pour le CSP Software Images : Moondar Casablanca (Masen – Noor II et Noor III, youtube.com) Source data : http://www.nrel.gov/csp/solarpaces/by_project.cfm Projet NOOR Ouarzazate, Maroc NOOR 2 en construction (2015-2017): - Cylindro-parabolique - HTF huile thermique (293-393°C) - Stockage sels fondus 7h - Turbine vapeur 200 MW - 0.14 USD/kWh NOOR 1 (2015): - Cylindro-parabolique - HTF huile thermique (293-393°C) - Stockage sels fondus 3h - Turbine vapeur 160 MW - Investissement 1.042 milliards € - 0.189 USD/kWh NOOR 3 en construction (2015-2017): - Tour (225 m) - HTF sels fondus (290-565 °C) - Stockage sels fondus 8h - Turbine vapeur 150 MW - 0.15 USD/kWh (13 c€/kWh) Emplois Création d’emplois Fabrication / construction Source : Development of local supply chain (India) ESMAP for World Bank, 2013 Avec le temps et l’éducation, la fabrication locale, le savoir-faire et l’expérience grandiront. Création d’emplois Le déploiement des centrales solaires thermiques (thermodynamiques) peut piloter le développement économique par la fabrication locale, l’opération (conduite) et la maintenance. Dans un scénario optimiste de 100 GW de capacité globale installée en 2025 (5 actuellement), il y a un potentiel de création d’emploi de 100 000 à 130 000 nouveaux emplois (1GW ~ 1000 emplois) Parmi eux, 45 000 seront des emplois permanents à temps plein dans la conduite de centrale et la maintenance. Source : ATKEARNEY Solar Thermal Electricity 2025 Coûts Cycle de vie LCOE Pour uploads/Management/ ouarzazate-csp-promes-1a-principes.pdf