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Solaire concentré : Enjeux énergétiques, scientifiques et technologiques Gilles Flamant Directeur du laboratoire PROMES du CNRS (Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire) gilles.flamant@promes.cnrs.fr


PROMES Laboratoire du CNRS en lien étroit avec l’université de Perpignan 150 personnes 14 concentrateurs solaires de1 kW à 5 MW Font Romeu DNI = 1900 kWh/m2.a Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Plan • • • • • • • •

Contexte et enjeux Principes du solaire thermodynamique Les concentrateurs Les récepteurs solaires Le stockage Verrous et coûts Centrales : état de l’art Conclusion Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Contexte et enjeux

Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011

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Contexte et enjeux Réduire les émissions de CO2 d’un facteur 2

Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Contexte et enjeux Les renouvelables assurent de 1/2 à 3/4 de la production d’électricité

Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011 7


Contexte et enjeux

Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011 8


Contexte et enjeux

Selon le scénario de l’IEA, le solaire pourrait représenter 20% à 25% de la consommation d’électricité en 2050, soit 9000 TWh par an évitant l’émission de 6 109 tonnes de CO2. Photovoltaïque et solaire concentré contriburaient à 50/50 à cette production

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Contexte et enjeux

Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011 10


Contexte et enjeux

Source: Aringhoff, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011

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Contexte et enjeux Le potentiel ¾ 1 km² de désert peut développer une puissance de 50 MWel électrique ¾ 1 km² de désert peut produire 200 - 300 GWhel / an ¾ 1 km² de désert peut éviter le dégagement de 200,000 tons CO2 / an ¾ Le solaire thermique (thermodynamique) est la technologie la plus efficace pour voloriser cette ressource. Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Contexte et enjeux

Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011 13


Principes du solaire thermodynamique Concentrateurs 250°C - 1000°C

Turbine à vapeur (cycleRankine)

Chaleur

Turbine à gaz (cycle Brayton)

Electricité

cycle combiné

Récepteur solaire

Stockage thermique et/ou chaudière auxiliaire

Moteur (cycle Stirling)

Une filière, de nombreuses options

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Principes, la concentration

Concentration : 100, 500°C

Concentration : 1000, 1000°C (+)

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Principes, la concentration

Concentration : 10 000, 2-3000°C

Concentration : 10 000, 2-3000°C

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Principes, rendement global Pertes radiatives ↑

ET

Rendement de Carnot ↑

Æ Existence d’un optimum à TC et C fixées

η : rendement exergétique TC: température de la source chaude T0: température de l’environnement σ : constante de Stefan-Boltzmann C : concentration solaire I : flux solaire incident (1 kW/m2)

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Principes du solaire thermodynamique Quelques options : cylindro-paraboliques

HTF: Huile Stockage : sel Cycle : vapeur

HTF: eau/vapeur Pas de stockage Cycle : vapeur

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Principes du solaire thermodynamique Quelques options : tour

HTF: sel Stockage : sel Cycle : vapeur

HTF: air sous pression Pas de stockage, appoint GN Cycle : combiné

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Principes du solaire thermodynamique Comparaison des filières

Medium Small

Medium /Small

Large

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Les concentrateurs Recherches • Optimisation des champs d’héliostats (lancer de rayons) • Identification et quantification des défauts de surface • Nouveaux matériaux réflecteurs (polymères/verre) Le 21 mars à 12h, soleil 1 kW/m2 Flux maximum: 1920 kW/m2 Flux moyen: 70 kW/m2

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Les concentrateurs Innovations technologiques • Augmenter la densité au sol : Multitours et petits héliostats • Simplifier les composants : Fresnel linéaire

Concept

Réalisation : e-solar (5 MWe) Réalisation : Bright Source Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Les concentrateurs Innovations technologiques • Fresnel linéaire Concept

Réalisation : Novatech Biosol (1,4 MWe)

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Les récepteurs solaires Fonction Absorber l’énergie solaire concentrée, transférer la chaleur vers le fluide de transfert et limiter les pertes par rayonnement et convection. Organe essentiel car interface entre concentrateur et cycle thermodynamique

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Les récepteurs solaires Recherches • Maîtrise des propriétés optiques des surfaces (spectrales/directionnelles) • Intensification des transferts fluide/parois • Nouveaux fluides de transfert

α/ε = 7,3

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Les récepteurs solaires Recherches

Intensification des transferts fluide/parois 100 – 400 kW.m-2

Inlet air

Inlet air

Inlet air

90 mm

Outlet air Outlet air

Outlet air

Microcanaux

635 mm

Tair Inlet [°C]

20 - 335

Tair Outlet [°C]

142 - 780

ΔTair [°C]

110 - 460

Twall max [°C]

884

Heat power transferred [kWth]

5,3 – 21,5

Heat flux transferred [kWth .m-²]

101 à 408

Hglobal [W.m-2.K-1]

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1600 - 2500

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Le stockage Une spécificité du solaire concentré avec l’hybridation

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Le stockage Les modes de gestion possibles

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Le stockage Les modes de gestion possibles

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Le stockage

Source: F Morse, Abengoa Solar, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011

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Le stockage

Source: F Morse, Abengoa Solar, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011

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Le stockage Recherches • Stockage à haute température (chaleur sensible) • Matériaux à changement de phase • Architecture stockage L’existant : (1) vapeur sous pression = stockage de protection

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Le stockage L’existant : (2) Bétons et céramiques = stockage de production En cours de démonstration

Béton haute T

Céramique (Al2O3 + Ox Fer)

70 kWh/m3 (ΔT= 100°C) ~ 30 €/kWh

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Le stockage L’existant : (3) sel fondu = stockage de production Thémis, Solar 2, ANDASOL

ANDASOL Guadix Espagne, 2009 50MWe, 7.5 h stockage 60% NaNO3/40% KNO3 28 500 t

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Le stockage Recherches Matériaux à changement de phase : Répondent aux besoins de la GDV L ≈ 100-500 J/g Water Cp = 4.18 J/g.K Î ΔT≈ «100 K »

Problèmes : conductivité, stabilité 220°C

objectif sel seul

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Verrous (Exemples) Scientifiques Maitrise des propriétés optiques des surfaces Fluides de transferts Transferts de chaleur (récepteurs, stockage) Matériaux (récepteurs, stockage …)

Technologiques Matériaux et structures concentrateurs Turbines Changement d’échelle

Environnementaux Eau, espace

Economiques Investissement Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Verrous : Changement d’échelle/Coût 50 MW → 250 MW

Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Verrous : Changement d’échelle/Coût 50 MW → 200 MW

Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Verrous : Economie

Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010 Source: C Philibert,, IEA, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentrĂŠ - UPMC - 18 Jan. 2011

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Verrous : Environnement, eau Consommation d’eau par filière de production d’électricité

Source: C.S. Turchi, NREL, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Verrous : Environnement, eau Consommation d’eau par option de refroidissement

Source: C.S. Turchi, NREL, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Verrous : Environnement, eau Economie de 92% de la consommation d’eau par refroidissement sec, mais impact sur le coût

Source: C.S. Turchi, NREL, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Centrales : état de l’art L’âge du développement industriel PS 10 et PS20

Rendement nominal : 20% Annuel : 16% Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Centrales : état de l’art Andasol 1 et 2 50 MW 7,5h stockage

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Centrales : état de l’art Gemasolar

17 MWe, 12 h de stockage (récepteur 120 MWth) Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Centrales : état de l’art Espagne: 2,5 GW en 2013

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Centrales : état de l’art USA: 10 GW en 2015 Rappel : 10% prod. Mondiale électricité en 2050 = 9 000 TWh

Source: F Morse, Abengoa Solar, SolarPACES 2010 Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Centrales : Nos recherches Problèmes à résoudre: ¾ Réduire la consommation d’eau : cycles à gaz

¾ Augmenter les rendements : cycles combinés (20% → 30%) ¾ Réduire les coûts de production : hybridation Le projet PEGASE Tour

Turbine à gaz

Récepteur pressurisé

Héliostats

Chambre de combustion

cycle à vapeur Récupérateur

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Centrales : Nos recherches Le projet PEGASE 7,2 m

3,6 m

Rouv: 1,7 m Profondeur: 3 m Surface absorbante: 20 m² Paroi latérale diffusante: 41 m² Rendement: 81,9 % Pertes par débordement 2,4 % Rayonnement IR 8,1 % Conducto-convection 7.6 % Gilles Flamant - Solaire concentré - UPMC - 18 Jan. 2011

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Conclusion Les défis scientifiques et technologiques posés par le développement de l’énergie solaire concentrée sont à la hauteur des problèmes énergétiques du monde.

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Solar concentrada: las cuestiones de energía, la ciencia y la tecnología