Magfin. Energie alternative. Fr

SOLAIRE THERMIQUE À CONCENTRATION POUR LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS

La technologie du solaire thermique à concentration vient de la demande

de l'énergie thermique sans aucun impact pour

les procédés industriels; elle fait partie des énergies renouvelables visant à la production de chaleur. L'utilisation des systèmes de concentration solaire permet de fournir de la chaleur aux procédés industriels qui nécessitent des températures supérieures

à 80 ° C, procédés qui dépendent encore des combustibles fossiles. Le principle physique utilisé est la concentration solaire: on utilise des miroirs paraboliques pour concentrer la radiation solaire dans l’axe focale, où l’on fait circuler un fluide calo-

porteur, qui peut arriver à des temperatures très élévées. Dans notre cas, la chaleur est produite pour réchauffer l’huile dia-

thermique, ensuite on l’échange avec un échangeur indirect de vapeur, afin d’obtenir de la vapeur jusqu’à 12 bar pour les

procédés industriels. Le mȇme fluide porteur, qu’on fait écouler par un absorbeur, permet la production d’eau glacée pour la

climatisation.

APPLICATIONS INDUSTRIELS

Nombreuses sont les applications industrielles qui ont besoin de la vapeur à une température inférieure à 280 degrés. La gé-

nération de la vapeur est remise généralement à des brûleurs et à des centrales alimentées par des sources fossiles, sans

se soucier de la durabilité environnementale et de la pollution. Par conséquent il est évident d’appliquer la technologie solaire

à concentration pour l’exploitation directe de la vapeur générée. La vapeur est le composant du processus de plus des 70

% des productions industrielles. La solution “Process Steam” peut compenser proprement et efficacement plus de 25 % de

l'emploi. L’installation sera mise côté à côté de celui existant contribuant à la production de la vapeur ou dans certains cas

en remplaçant la fonction de la chaudière à combustible, réduisant considérablement les coûts de gestion de l’entreprise.C’est

à partir de là qu’il y aura la véritable optimisation énergétique car il n’y a pas besoin de produire ou de

consommer plus

d’ énergie électrique, mais il suffit de réduire les consommations. C’est dans ces utilisations qu’il est avantageux d’utiliser les

concentrateurs solaires qui permettent de réduire le besoin énergétique grâce à un investissement durable et avantageux

sous un point de vue financier.

RAFRAÎCHISSEMENT SOLAIRE

La technologie du solaire à concentration est bien adaptée pour une utilisation dans le cadre de conditionnement environ-

nemental, dans ce qu'on appelle "rafraîchissement solaire". Le processus pour transformer la chaleur solaire en fluide froid

par le cycle à absorption dans la machine de refroidissement, où le fluide à haute température remplace le compresseur des

normaux cycles de réfrigération. Le bon marché de la demande est donné par le caractère saisonnier de la consommation

: lorsque le rayonnement solaire est plus intense, c'est-à-dire pendant les mois d'été, la consommation d'électricité due au

conditionnement environnemental est au point culminant et peut être facilement réduite ou même éliminée.

AIDE DANS LE CHAUFFAgE ET PRODUCTION

D’EAU CHAUDE

Le solaire à concentration peut également être appliquée dans le domaine du chauffage pendant l'hiver et de la production

d'eau chaude sanitaire, cette application est plus efficace que la chaleur solaire traditionnelle qui ne réussit pas à dépasser

les températures de 40 à 60° C ,cela signifie que cette technologie est prise en charge pour les installations existantes avec

une économie importante de combustible fossile et donc aussi des ressources.

DESCRIPTION DU SySTèME

Déjà dans l'antiquité, on dit qu'Archimède De Syracuse réussit à repousser les Romains, qui tentaient d' assiéger la ville si-

cilienne par la mer, grâce à des concentrateurs rudimentaires, obtenus par des boucliers en bronze lisse. Notamment, entre

la fin du XIX siècle et le début du

XX beaucoup de machines furent réalisées avec des systèmes à concentration solaire.

Toutefois, suite à l'arrivée du pétrole et à la deuxième guerre Mondiale, cette approche positive envers l'utilisation extensive

de l'énergie solaire, s'arrêta, mais pour reprendre son chemin pendant les années '70 à cause de à crise pétrolière de Kippur.

Au niveau mondial, environ 90 installations solaires thermiques pour la production de chaleur de processus ont été recensés, d'une puissance au total de 25MWt (35'000 m2). Les principales installations se trouvent en Autriche, en grèce, en Espagne,

en Allemagne, aux Etats-Unis

et en Italie.

DISTRIbUTION DES INSTALLATIONS PAR SECTEUR INDUSTRIEL Parmi ces installations recensées,

60 environ fournissent de la chaleur à des températures inférieures à 100°C pour les

utilisations de la production d'eau de processus à des températures entre 20 et 90 °C, utilisée pour le préchauffage de l'eau

d'alimentation des générateurs de vapeur et pour le chauffage des locaux. Des températures si limitées permettent l'emploi des

collecteurs solaires à plans vitrés même si pour des installations de grande taille l'emploi de collecteurs à concentration

exemple les paraboles linéaires) se révèle économiquement plus avantageux.

(par

En voulant estimer à quel état se trouve le marché du solaire thermique à température moyenne, on se retrouve en face d'un

12

marché tout à fait dans une phase "embryonnaire" . Son état de conjonction de 8 Technologies solaires à concentration pour

la production de chaleur à température moyenne, conjonction parmi les technologies à vaste diffusion (le solaire thermique à

basse température) et parmi les technologies expérimentales appliquées à niveau de production d’énergie solaire ( le solaire thermodynamique). Le développement des technologies à concentration, employé surtout dans des systèmes à haute température,

peut sans doute s'ouvrir à des applications d'un plus large domaine et à une majeure diffusion commerciale. Le rafraîchissement

solaire et la chaleur de processus pour l’industrie sont les deux secteurs qui peuvent démontrer des progrès importants et

garantir de vastes possibilités de marché.

Le rafraîchissement solaire est la solution meilleure pour le problème énergétique provenant du changement d’habitudes de la

société moderne, qui considère la climatisation d’été une nécessité.

Si l’on utilise l’énergie thermique du soleil pour créer des conditions de bien-ȇtre dans ces milieux

cause de la chaleur, c’est une solution pour le problème du besoin électrique dû

qui sont

inhospitaliers à

aux systèmes de conditionnement.

La production de la chaleur du procédé de l’industrie représente un vaste bassin de marché et de développement pour le solaire thermique. Si l’on prend en considération les intérêts des entreprises qui produisent les systèmes solaires à concentration,

il faut souligner que les installations industrielles ont des puissances particulières qui rendent importante la valeur économique.

En plus, la possibilité d’entrée au marché est très vaste, car il s’agit d’une diversifiée typologie d’activités productives. Si l’on

prend en considération les activités industrielles qui devraient au contraire investir et intégrer cette technologie dans leur système de production, d’abord il faut souligner

l’impact sur l’image de l’entreprise qui produit ces installations. En plus, ces systèmes

s’intègrent avec facilité dans les systèmes existantes car ils n’ont pas besoin de bouleverser les installations. Les actuels systèmes

utilisés pour la production de chaleur deviendraient facilement les systèmes de back up pour les installations solaires, ce qui

ne représenterait une limitation à la capacité de production de l’entreprise, mais un épargne dans les consommations d’énergie.

Cela, dans un cadre énergétique caractérisé par une forte instabilité avec des implications sur les coûts de l’énergie, il s’agit

sans aucun doute du levier technologique pour augmenter la flexibilité de l’entreprise

Les systèmes solaires de concentration sont utilisés pour la production de chaleur et / ou électricité : grâce à l'utilisation de

plusieurs miroirs qui précisément "concentrent" les rayons solaires, on

peut atteindre des températures de plusieurs centaines

de degrés Celsius. Des températures beaucoup plus élevées que celles obtenues à partir de capteurs plans ne peuvent être at-

teints que si une grande partie du rayonnement solaire est concentrée dans une zone relativement petite de concentration. En

raison du mouvement apparent du soleil dans le ciel, la surface des collecteurs de concentration ne réussit pas à orienter les

rayons directs du soleil vers le système d'absorption au cas où la surface concentration et le système d'absorption sont à l'arrêt. Par conséquent, ces systèmes devraient idéalement suivre le mouvement quotidien du soleil.

Les capteurs à concentration présentent les avantages suivants par rapport aux capteurs plans classiques.

Dans un système de concentration, le fluide de travail peut atteindre des températures plus élevées par rapport à un système

plan avec la même surface de captation de l'énergie solaire, en obtenant ainsi une plus grande efficacité thermodynamique .

Le rendement thermique est plus élevé en raison de la perte thermique réduite sur la surface du récepteur. .

La surface réfléchissante nécessite moins de matériel et elle

a une structure simple par rapport à un capteur plan. Pour un

collecteur à concentration, le coût par unité de surface rayonnée utile est inférieur à celui que pour un collecteur plan .

Compte tenu de la surface limitée de l'absorbeur, les traitements de surface et l'utilisation des systèmes à vide, qui visent à améliorer l'efficacité du système, sont économiquement les plus abordables.

La possibilité de placer le système

de stagnation.

« hors foyer » permet de désactiver le système, en évitant de dangereuses températures

Les concentrateurs paraboliques linéaires peuvent atteindre des températures entre 50 et 400 ° C , en utilisant des structures

relativement légères et à un coût réduit. On les obtient en pliant une feuille de matériel réfléchissant en forme de parabole. Un

tube de métal noir, recouvert par un tube de verre afin de réduire les pertes de chaleur, est positionné le long de la ligne

focale du récepteur et agit comme absorbeur. Lorsque la parabole est pointée vers le soleil, les rayons du soleil, qui entrent

dans l'ouverture de la parabole, sont réfléchis par le récepteur envers l'absorbeur, qui convertit l'énergie en chaleur et la transfère au caloporteur qui circule à l'intérieur.

L'absorbeur des capteurs PTC ( Parabolique à travers le collecteur ) a un diamètre qui dépend de la taille de l' image du soleil réfléchie et de la tolérance de production de la surface réfléchissante. Habituellement, il est revêtu d'une peinture sélective qui

permet une forte absorbance pour le rayonnement solaire et une faible émissivité à réduire les pertes dues au rayonnement.

L'absorbeur est généralement recouvert d’un tube de verre afin de réduire les pertes par convection. Le couvercle en verre, tou-

tefois, implique une quantité réduite de rayonnement absorbé, à cause de son coefficient de transmission, égal à environ 0,9

lorsque le verre est propre. Habituellement, le verre a un revêtement anti-réfléchissant pour en augmenter la transmission. Dans

certains modèles, l'absorbeur est recouvert d'une chemise sous vide

13

afin de réduire les pertes par convection .

SHAPE

\* MERgEFORMAT

La société italienne Soltigua a réalisé et commercialise un collecteur parabolique linéaire appelé PTM. Ce collecteur a une ou-

verture de 2,4 mètres et

il est disponible en 4 tailles avec différentes longueurs: 19,7 m, 26,17 m, 38,62 m 32,16 m. La tem-

pérature de travail déclarée ne dépasse pas 220 ° C. La figure ci-dessous montre une application dans un parking des collecteurs

PTM Soltigua.

Soltigua est la marque exploitée dans le domaine de l'énergie solaire par « Laterizi gambettola srl » -une société active dans

la production de briques – qui travaille dans le domaine de l'énergie solaire. Depuis 2007 Soltigua a concentré ses activités

dans la conception et le développement de capteurs solaires à concentration et les systèmes d’installations qui l'utilisent. Les

activités de développement produit ont conduit à la création d' un catalogue de produits uniques dans le monde, qui comprend soit les concentrateurs paraboliques que

Fresnel qui peut produire de la chaleur jusqu'à 250 ° C.

L'attention sur l'intégration des installations est basée sur la tradition industrielle de « Laterizi gambettola srl » et sur l’expérience

de Soltigua dans la création et la gestion du système

Italie - en 2009 et

de rafraîchissement solaire à double qui a été installé - le premier en

qui a été installé avec succès jusqu'à aujourd'hui. Des

reconnaissances de la qualité du travail effectué

par Soltigua ont été le Prix de l'innovation gagné par le concentrateur parabolique PTM

Foire Expocomfort

2010 à Milan, le

plus grand salon du monde pour la climatisation.

Le concentrateur FTM a été nommé l'une des meilleures technologies pré-

stèmes solaires paraboliques linéaires PTM de la

Soltigua qui permettront de produire de l'énergie thermique utile pour la

sentées au salon Intersolar Monaco, la plus grande foire au monde pour l'énergie solaire. Dans notre cas on utilisera des sy-

production d'eau chaude sanitaire, de chauffage et de rafraîchissement solaire à travers l’implémentation dans la centrale ther-

mique d’un absorbeur à effet simple avec une tour d’évaporation

de refroidissement, ce système permettra de réduire consi-

dérablement les absorptions électriques d’été dues à la climatisation En plus on pourra réduire la consommation de gaz naturel

pour la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage en hiver tout en abaissant les indices de la performance énergétique

du bâtiment en l'amenant aux les conditions prévues par la loi PRINCIPLE DE FONCTIONNEMENT:

Un concentrateur parabolique est constitué de miroirs courbes de forme parabolique,

journée. Les miroirs reflètent

la lumière du soleil

qui suivent le soleil pendant toute

la

et, grâce à leur forme parabolique,la concentrent là où il y a le tube

récepteur. Le fluide qui circule à l'intérieur du tube récepteur est ainsi chauffé à la température désirée. Le fluide circule dans

un circuit fermé, et produit de la chaleur pour l'application souhaitée, normalement transféré à travers un échangeur de chaleur

grâce au système de poursuite solaire. Les concentrateurs solaires sont toujours pointés vers le l'énergie captée.

soleil et maximisent ainsi

PTM caractéristiques principales

Les concentrateurs paraboliques PTMx se composent de: tubes récepteurs, en acier inoxydable, avec sterne de verre creux et

traitement sélectif; miroirs, en verre trempé de 4 mm, anti-grêle; structure portante en acier, avec traitement de galvanisation à chaud; système de déplacement et de poursuite solaire; capteurs pour un fonctionnement entièrement automatique, avec la me-

sure de position angulaire, la température du fluide et la vitesse du vent; panneau de commande électrique avec PLC industriel

avec les caractéristiques suivantes: fonctionnement automatique / manuel; poursuite solaire selon des formules astronomiques;

procédures de surveillance à distance via Ethernet; procédures de sécurité contre le vent fort, un surchauffe ou manque de flux.

Le nouveau système est identifié comme un concentrateur parabolique linéaire. Le concentrateur est le résultat d'années d'ex-

périmentation et de perfectionnement que l'ENEA a conduit avec l'usine qui produit actuellement ces modules. Dans ce cas, ce

type de technologie peut fournir de l'énergie thermique pour: chauffage, eau chaude sanitaire et la climatisation en été.

DESCRIPTION DU gROUPE FRIFORIFIQUE À AbSORPTION À EFFET SIMPLE ALIMENTÉ À CHAUDE

Le groupe frigorifique prévu dans l’installation de rafraîchissement solaire est celui à absorption à effet simple, la définition à

effet simple indique que ce type d'absorbeur ne peut produire que de la réfrigération du fluide porteur et pas le chauffage, en

fait, dans le projet il y a un

échangeur à tuyaux capillaires

pour le chauffage des locaux et la production d'eau chaude

sanitaire. Dans le groupe frigorifique on utilise de l'eau distillée comme réfrigérant et le mélange de bromure de lithium comme

l'élément absorbant. Il ya aussi, comme éléments caractéristiques

de l'alcool ( nom commercial N- octyl) pour faciliter le

mouillage des surfaces et des inhibiteurs de corrosion non toxiques nitrate de lithium (LiNO3). Les sections et les principaux

composants de la machine sont les suivantes: évaporateur; absorbeur; échangeur de chaleur pour la solution; condensateur; gé-

nérateur; pompe de la solution diluée;

pompe de la solution concentrée; pompe du réfrigérant; système de purge gaz non condensable et la rétention de vide; pompe

à vide de la machine; liquides du premier remplissage; valve 3 voies motorisée côté de l'eau chaude; supports antivibrants; pan-

neau de contrôle automatique avec le PLC et petit panneau interface à écran tactile dispositif d'interface universelle (Modbus,

série, Ethernet). Le réfrigérateur a une configuration géométrique particulière (balance de cycle ) qui, avec la machine en mou-

vement, empêche physiquement la cristallisation : dans le cas où la concentration de la solution augmente, l'abaissement de la

solution correspond à l'absorbeur, dans l'évaporateur, il y a la mȇme augmentation de volume de réfrigérant qui va directement

14

dans l’absorbeur en empêchant la cristallisation . Dans le générateur et l'absorbeur il n’y a pas une simple chute à pluie de la

solution mais une fine brume à travers des buses anti-colmatage qui donnent un mouvement hélicoïdal au fluide. Cela permet

un transfert de chaleur efficace depuis le début et une plus grande flexibilité d’exercice même à la variation de la température

d’alimentation de l'eau chaude.

Pour la même raison, les tuyaux du générateur ne sont jamais immergés dans la solution et,

par conséquent, ne sont pas impliqués dans son ébullition et

dans les dommages dus aux vibrations et aux implosions. Pour

permettre une plus grande souplesse de fonctionnement, outre les pompes de circulation du réfrigérant et de la solution diluée il y a aussi une pompe de circulation pour la solution concentrée. Toutes les pompes sont équipées de vannes d'arrêt en amont et en aval pour éviter le déchargement des liquides en cas de maintenance et pour

faciliter les opérations de régulation. Les

moteurs fonctionnent à 400 V + 10 % , 3 phases , 50 Hz ;Les pompes de rafraîchissement, de la solution diluée et concentrée,

sont lubrifiées et refroidies respectivement par le fluide réfrigérant et la solution elle-même. Le panneau de contrôle automatique, gère indépendamment tous les paramètres internes au réfrigérateur à absorption ( comme par exemple

liquide du réfrigérant

la température du

de la solution concentrée, etc .) et, sur la base de ceux-ci, les différentes étapes de marché, l'arrêt au-

tomatique, la dilution de la solution, le contrôle des pompes externes, la modulation du groupe, etc. En particulier, le dispositif de commande élabore le signal détecté par le capteur de température placé dans la sortie de l'eau glacée et, en interagissant

sur la vanne à trois voies (dans l'approvisionnement) met sur la conduite d'alimentation de l’eau chaude, travaille dans une ma-

nière proportionnelle en maintenant pratiquement inchangée l'exécution d'une réfrigération par absorption à différentes charges

partielles. Le microprocesseur dispose d'un système de surveillance et de correction automatique des paramètres ( notamment

la pression et la température ) qui affectent la concentration plus ou moins importante de la solution. Dépassés les valeurs de

seuil, le dispositif de commande agit directement sur la vanne de commande à trois voies de l' eau chaude afin de réduire le

chauffage de la solution. Il commence alors un processus automatique de dilution de la solution . Cela comprend les fonctions

standard suivantes: contacts de commande à distance; sectionneur de l'alimentation; interrupteur de marche et d’ arrêt; interrupteur pompe de purge; dispositif d'alarme fonctionnel avec signal sonore; bouton d'arrêt d'urgence; transformateur de courant

pour les auxiliaires; microprocesseur

de contrôle de la température de l'eau glacée; Il y a aussi

accessoires suivants de

sécurité standard: manostat différentiel d'eau glacée; capteur basse température réfrigérante; capteur haute température solution;

capteur de dilution de la solution; capteur de température anti-cristallisation de la solution; disjoncteurs pour les pompes solution

concentrée et diluée, réfrigérante et purge; Le système de purge est nécessaire pour éliminer la présence de substances condensables dans la solution et maintenir le niveau approprié de dépression dans le groupe frigorifique. Les substances non con-

densables sont automatiquement transférées dans un réservoir spécial. À partir d'ici elles devront être purgées périodiquement

manuellement à l'aide de la pompe à vide (montée sur la machine). Les principaux composants du système de purge / vide sont: Pompe à vide montée sur la machine;

Réservoir pour recueillir les gaz non-condensables; Piège

de collecte pétrole et

de liquides; Vanne de non-retour et contrôle; Manomètre pour mesurer le niveau de vide; Système de purge automatique (éjec-

teur, séparateur);

CyCLE DE FONCTIONNEMENT:

Evaporateur: Le fluide réfrigérant est pompé et pulvérisé sur les tubes de l'évaporateur à travers les buses à haute efficacité .

Étant donné qu’on est en présence d' une valeur de basse pression (environ 6,5 mm de Hg ), et comme la température de l'eau

des usagers qui s'écoule à travers les tubes de l' évaporateur est supérieure à celle du fluide réfrigérant, le transfert de chaleur

résultant implique ( sur la surface des tuyaux ) l'évaporation du fluide réfrigérant et le rafraîchissement de l'eau des usagers.

Absorbeur: L'affinité élevée de sels de bromure de lithium pour le réfrigérant implique l' invocation et le passage de la vapeur de réfrigérant à partir de la section de l'évaporateur à celle de l'absorbeur. Afin d'augmenter la surface d'exposition à la vapeur

du liquide réfrigérant, la solution de bromure de lithium (concentré) est pulvérisée à travers les buses . Il en résulte une solution

diluée de bromure de lithium qui est envoyée ( par la pompe de la solution) à la section du générateur. La réaction de l' ab-

sorption de la vapeur de réfrigérant est une réaction exothermique . Afin de maintenir inaltérées les conditions physiques dans

la section de l'absorbeur , il est nécessaire d'éliminer cette chaleur. C'est la raison pour laquelle il est traversé par le faisceau

de tubes contenant de l'eau provenant de la tour de rafraîchissement.

Échangeur de chaleur: Il est interposé entre l'absorbeur et le générateur afin de chauffer la solution diluée de l'absorbeur et

le rafraîchir la solution concentrée provenant du générateur. Ce faisant, on réduit la quantité de chaleur devant être fournie à

l'alternateur pour amener la solution diluée à l'ébullition et, au même temps, on réduit la quantité de chaleur à évacuer provenant de l'absorbeur. L'efficacité de l'échangeur de chaleur est extrêmement importante pour maintenir élevée la totalité du cycle fri-

gorifique.

générateur:

Dans le générateur, l' énergie provenante de l'eau chaude est utilisée pour faire bouillir la solution diluée de

bromure de lithium.

Le résultat est la formation de vapeur de réfrigérant et une solution de bromure de lithium concentrée.

Celle-ci est pompée à l'absorbeur ( pompe de pulvérisation ) passant d'abord à travers l'échangeur de chaleur.

Condenseur: La vapeur de réfrigérant produite dans le générateur est conduite au condenseur. Ici, l'eau de la tour de rafraî-

chissement,

refroidit la vapeur et la condense ultérieurement. Le condensé est ensuite renvoyé à la section de l'évaporateur

Le Magfin se réserve le droit de modifier les systèmes technologiques dans ce catalogue sans préavis. Les photos et les textes sont purement explicatifs.

15