Solaire thermique à concentration

SOLAIRE THERMIQUE À CONCENTRATION UNE ÉNERGIE RENOUVELABLE ÉBLOUISSANTE

Les centrales à miroirs cylindroparaboliques réfl échissent le rayonnement solaire vers un tube absorbeur rempli de fl uide caloporteur, concentrant ainsi l’énergie par un facteur d’environ 100.

Centrale à miroirs cylindroparaboliques utilisant une huile de synthèse La réduction des émissions de CO2 liées à la production d’énergie est essentielle pour limiter les changements climatiques, et la réalisation des objectifs repose avant tout sur les énergies renouvelables et sur l’effi cacité énergétique. Parmi les technologies des énergies renouvelables, le solaire thermique à concentration est appelé à connaître une croissance considérable dans un proche avenir. Mais il faudra qu’il fournisse de l’énergie pour un coût propre à éclipser la concurrence. Les centrales solaires thermiques à concentration utilisent des miroirs pour refl éter les rayons du soleil en les concentrant vers un récepteur qui collecte l’énergie et la transmet à un fl uide caloporteur. Cela sert à alimenter un réseau de chaleur ou bien des turbines à vapeur produisant de l’électricité. Conjugué au stockage thermique, le solaire à concentration peut fournir de l’énergie sans interruption quand le ciel est couvert ou avant l’aube et après le coucher du soleil. Les centrales solaires à concentration de deuxième génération mises en place à l’heure actuelle intègrent des unités de stockage thermique, contrairement à celles de première génération.

Le nickel dans les centrales solaires à concentration

Les centrales solaires thermiques à concentration ne peuvent maintenir des températures de service assez élevées pour produire de l’électricité que dans les régions très ensoleillées. Il en existe actuellement deux types distincts : celles à miroirs cylindro-paraboliques et celles à tour solaire. Les alliages de nickel et les aciers inoxydables au nickel jouent un rôle clé dans les deux cas, car ils supportent les hautes températures et

Lignes électriques

Turboalternateur

Échangeur de chaleur Condensateur refroidi par air Réservoirs de stockage d’énergie thermique

Miroirs cylindro-paraboliques

Récepteur

la corrosivité des sels fondus, résistent au vent et à l’érosion dans les climats désertiques rigoureux et sont faciles à travailler.

Les centrales à miroirs cylindro-

paraboliques réfl échissent le rayonnement solaire vers un tube absorbeur rempli de fl uide caloporteur, concentrant ainsi l’énergie par un facteur d’environ 100. L’énergie thermique ainsi collectée sert à produire de la vapeur, qui entraîne un turboalternateur pour produire de l’électricité. Le fl uide caloporteur peut être une huile de synthèse ou un sel fondu. Il circule dans des échangeurs de chaleur qui transforment de l’eau en vapeur pour alimenter les turbines. Les miroirs cylindro-paraboliques produisent des températures de service atteignant 393 °C à 550 °C selon le fl uide caloporteur utilisé. Les tubes absorbeurs sont en acier inoxydable au nickel résistant à la chaleur. Ils sont revêtus d’une couche absorbante sélective, puis enfermés dans un tube sous vide étanche en borosilicate. L’acier inoxydable au nickel a, entre autres avantages, celui de se prêter facilement à l’application d’un fi ni bien poli garantissant la stabilité du revêtement. Par ailleurs, il se comporte à merveille face aux températures de service élevées et au risque de corrosion résultant de la condensation que peuvent entraîner les variations de température des zones désertiques.

Les centrales à tour solaire utilisent des héliostats intégrant des miroirs et un mécanisme piloté par ordinateur qui suit la course du soleil selon deux axes de manière à réfl échir son rayonnement vers un récepteur central situé au sommet d’une tour. Le récepteur chauffe un fluide caloporteur servant à produire de la vapeur pour alimenter des turboalternateurs. Les tubes récepteurs doivent répondre à une multitude de conditions telles que résistance mécanique, alternance entre service à haute température et repos à froid (la nuit) et durée de vie prévue de 25 à 35 ans. À l’heure actuelle, seuls les alliages de nickel font l’affaire. L’alliage de nickel 625 (UNS N06625), qui contient environ 61 % de ce métal, est la nuance usuelle pour ce type d’utilisation, tandis que les alliages 800HT (N08811, contenant 30 à 34 % de nickel) et 230 (N06230, contenant 47 à 65 % de nickel) sont des solutions de rechange envisagées.

Principe de fonctionnement d’une centrale à tour solaire

Dans cette technologie, le fl uide caloporteur peut être une huile de synthèse ou un sel fondu. Le sel retient mieux l’énergie que les substances liquides à température ambiante, et le sel fondu facilite et rend plus effi cace l’intégration d’équipements de stockage permettant de produire de l’électricité 24 h sur 24. La verticalité du système à tour centrale facilite la gestion des fl ux de sel fondu par rapport à la quasi-horizontalité d’un système à miroirs cylindro-paraboliques. Les centrales à tour solaire actuelles intègrent deux unités de stockage des sels fondus : une

Lignes électriques

Turboalternateur Condensateur refroidi par air

Générateur de vapeur Récepteur

Tour

Héliostats

Réservoirs de stockage d’énergie thermique Les centrales solaires thermiques à concentration utilisent des miroirs pour refl éter les rayons du soleil en les concentrant vers un récepteur qui collecte l’énergie et la transmet à un fl uide caloporteur.

Les centrales à tour solaire peuvent atteindre des températures plus élevées allant de 500 °C à 1 000 °C et ainsi des rendements supérieurs à ceux des centrales à miroirs cylindro-paraboliques.

L’extension Noor 1 de la centrale solaire Mohammed ben Rachid Al Maktoum, aux Émirats arabes unis, utilise environ 800 kg de nickel par MW dans les tubes absorbeurs de sa tranche à miroirs cylindroparaboliques et plus de 1300 kg de nickel par MW dans le récepteur et les réservoirs de sel fondu de sa tour solaire.

«Les récents investissements dans la capacité solaire thermique à concentration sont néanmoins insuffisants pour atteindre la capacité prévue d’ici 2050. Il est donc nécessaire de fournir beaucoup plus d’efforts pour soutenir les travaux de recherche et développement, mettre en valeur les capacités de stockage et d’adaptabilité du solaire thermique à concentration, réduire ses coûts et accroître l’échelle du secteur.[Traduction de l’anglais]» Agence internationale de l’énergie. Concentrated Solar Power (CSP), rapport de suivi sur le solaire thermique à concentration (novembre 2021) chaude (565 °C) et une « froide » (290 °C). Pour mieux résister aux températures élevées et à la corrosion, la première est en acier inoxydable au nickel, tandis que la seconde est en acier au carbone.

Vers la troisième génération

D’ici 2030, le coût moyen actualisé de l’électricité (CMAE) des centrales solaires thermiques à concentration dans les pays du G20 devrait baisser de 35 % pour atteindre 8,6 cents US par kilowattheure (kWh) contre une valeur estimée à 13,2 cents US par kilowatt-heure en 2018. Le passage de la première à la deuxième génération a fait baisser le CMAE de 21 à 9 cents US par kilowatt-heure tandis que l’utilisation de nickel a augmenté. C’est à partir d’un seuil de 5 cents US par kilowatt-heure que le solaire commence à concurrencer les sources d’énergie traditionnelles selon la définition du Département de l’Énergie des États-Unis. L’analyse des dépenses d’investissement, des rendements énergétiques et des limites de l’intégration des systèmes solaires thermiques à concentration indique que les deux premières générations ont peu de chances d’atteindre ce seuil de CMAE de 5 cents US par kilowattheure. C’est celui-ci que les systèmes de troisième génération actuellement à l’étude cherchent à franchir. La clé réside dans l’efficacité du cycle thermodynamique, qui peut être maximisée en augmentant la température de ce dernier. La recherche sur les systèmes de troisième génération pointe, entre autres options, vers l’emploi de CO2 saturé pour alimenter le cycle thermodynamique. Par conséquent, la mise au point d’un système plus rentable nécessite d’augmenter dans une mesure similaire les températures maximum du fluide caloporteur, du système de stockage thermique et du récepteur. Vu l’accroissement des températures et des contraintes que nécessite un tel gain d’efficacité, il est peu probable que cela se fasse sans faire appel aux propriétés inégalées des alliages de nickel. Il semble même qu’aucun gain d’efficacité n’est possible sans recourir à des matériaux plus fortement alliés. Par ailleurs, les taxes carbone vont plomber le CMAE des énergies à forte empreinte carbone dans une certaine mesure alors qu’elles épargnent le solaire, ce qui devrait améliorer la marge de manœuvre de ce dernier. Il faudra aussi attendre environ deux ans avant de pouvoir vraiment évaluer les performances des systèmes expérimentaux de troisième génération. Tout cela fait que le nickel devrait continuer de briller au cours des années à venir en jouant un rôle important dans la lutte contre les changements climatiques.