Les centrales solaires à concentration (pdf 20,9 Mo) - Ecole ...

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanLes centrales solaires à concentration, une solutionpour la production massive d’électricité verte ?Alain FERRIERE (PROMES-CNRS, Odeillo)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 1

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanNos ressources et nos besoins énergétiquesA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 2

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanLes origines…• Archimède, 234 av JC, à Syracuse:une légende!• A. Mouchot, 1880, Paris« Si dans nos climats l’industrie peut se passer del’emploi direct de la chaleur solaire, il arriveranécessairement un jour où, faute de combustible, ellesera bien forcée de revenir au travail des agentsnaturels. Les dépôts de houille et de pétroles’épuiseront sans aucun doute. Il est prudent et sagede ne pas s’endormir sur une sécurité trompeuse »Augustin Mouchot, 18699 centrales de 30 à 80 MW e• 2000000 m 2 cylindro-paraboliques• Caloporteur huile 250-390°C, Cycle Rankine• Systèmes hybrides 80% solaire / 20% gaz• Emprise au sol : 2 ha / MW e• 800 GWh_el /an• Coût de production électricité solaire: 0,16 €/kWh e• Shuman, Meadi (Egypte), 1914• 1974-1980: Thémis, Solar One,CESA1,…• Arnold Goldman, créateur de LUZ• 1981: SEGS (Californie)SEGS, Kramer JunctionA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 3

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Principes de fonctionnementDishCRSAppointfossileRécepteur/réacteurHTChaleurHTStockagethermiqueOdeillo et PerpignanTurbine à vapeur(Cycle Rankine)Turbine à gaz(Cycle Brayton)Cycle combinéGénérateur(Cycle Stirling)SolutionEmissions10-20 kgCO 2 /MWh_elDisponibilitéElectricitéEau potableFroidFractionsolaireSans Stockage 25% 100%Stockage etappoint fossile60% 75 - 100%Appoint solaire 60 - 100% 10 - 50%PTCLFRA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 4

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanImpact environnemental et social1 Tep = 11,7 MWhFilière Emission CO 2[kg CO 2 /MWhe]Charbon 900Gaz C-C 400Photovoltaïque 100SolaireThermodynamique

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanImportance de la ressourceA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 9

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanImportance de la ressourceη 16%η 10%SeuilA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 10

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanCentrales pilotes et expérimentales pour la R&DA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 11

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanLes centrales solaires commerciales existent !A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 12

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et Perpignan11000 MW e en projet dans le monde (2009-2015)(Source: M. Geyer, Abengoa, 2008)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 13

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanAndasol I et II: 2 x 50 MWe (2008-2009)Guadix (Espagne), SolarMillennium A.G. / ACS Cobra, ~300 M€510000 m 2 collecteurs cylindro-paraboliques50 MW cycle RankineStockage: Sel « solaire », 60% NaNO 3 - 40%KNO 3 , 28500 tonnes2 bacs: ø 36 m, h 14 m, 290 °C - 384°C, 1010 MWh_th182 GWh_el /an (auxiliaires: 16 GWh_el /an)150000 t CO 2 évitéesA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 15

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPS10: première centrale à tour commerciale, 11 MW_el,génération directe de vapeurPS10: Séville (Espagne), Abengoa Solar, ~35 M€Tour + vapeur saturée, Cycle Rankine 11 MW_elChamp solaire 75 000 m 2 , 23 GWh_el /anPS20 (160 m) Eureca (45 m)PS10 (115 m)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 16

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPrincipe de fonctionnement d’une centrale solaire à tour à caloporteur airatmosphériqueCentrale Jülich1,5 MW e , cycle RankineTechnologie : air à P =1 atmT air = 700°CChamp solaire: 20 000 m 2Modules du récepteur SolAir testéssur la plate-forme solaire d’AlmeriaA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 19

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPrincipe de fonctionnement d’une centrale solaire à tour à caloporteur airpressurisé: système hybride solaire/fossile (ou biomasse)Projet PEGASE à ThémisProduction d’Electricité par turbine à Gaz et énergie SolaireInfos en ligne sur http://www.promes.cnrs.fr/pegaseA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 20

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPrincipe de fonctionnement d’une centrale solaire à capteurs linéaires deFresnel et caloporteur eau/vapeur: Génération directe de vapeur (DSG)FresdemoSPG / Man Ferrostal500 kW(PSA Espagne)Novatec Biosol(Espagne)2 MW_elAusraUSAA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 21

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPrincipe de fonctionnement d’une centrale solaire à technologie mixte :• cylindro-parabolique pour la production directe de vapeur saturée• hybride centrale à tour/fossile pour la production directe de vapeur surchaufféeProjet EURECAAbengoa Solar(Espagne)Génération devapeursurchaufféeHéliostatsVapeurStockage de vapeursaturéeChaudièreTurbineàvapeurChamp de miroirscylindro-paraboliquesA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 22

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPrincipe de fonctionnement d’un convertisseur parabole-Stirling : productiondécentralisée d’électricité (et de chaleur)Infinia Corp (USA)3 kWeStirling Energy System (USA)25 kWeSBP (Europe)10 kWeSunMachine (All)2,5 kWeA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 23

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanL’Espagne: un exemple pour l’Europe11 MWePlateforme Abengoa Solar à Seville20 MWeA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 24

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPlateformes Européennes d’expérimentationPlateforme Solaire d’Almeria (Espagne, CIEMAT)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 25

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPlateformes Européennes d’expérimentationPlateforme Solaire THEMIS (France, Pyrénées-Orientales)Centrale solaire Thémis, 1982-19862008Projet PEGASE à ThémisCycle à gaz, T>700°C, 2 MWe19851 ère centrale expérimentale àtour et sel fondu, 450°C2,5 MWeA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 26

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanPlateformes Européennes d’expérimentationPlateforme Solaire THEMIS (France, Pyrénées-Orientales)Pilotes/démonstrateurs desystèmes avec poursuitedu soleilApplications:PV, PVC, CSP, Solar fuelsA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 27

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanRéduction des coûts du CSP(50→400 MW e )(+600 MW e /an)Source: ECOSTAR, 2005A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 28

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanQuelles innovations? Quelles compétences scientifiques?Collecteurs: miroirs, structures, héliostats• Matériaux réfléchissants ⇒ réflectivité accrue (>94%)• Revêtements protecteurs ⇒ durée de vie accrue (>20 ans)• Mécanismes et motorisations ⇒ robustesse, fiabilité, diagnostic• Concepts de nouveaux dispositifs optiques ⇒ efficacité optique• Coût visé: < 150 €/m 2Heliostat SenerMulti-toursBrightSource (USA) / Luz II (IL)E-solar (USA)Beam-downSener (E), WIS (IL)PCHA (PSA CIEMAT)EurotroughHeliostat Luz IIWISGanged heliostats(Source: BrigthSource)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 29

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanQuelles innovations? Quelles compétences scientifiques?Stockage (thermique, chimique) et fluides de transfert• Matériaux: PCM, verres, céramiques, liquides ioniques• Systèmes: 1 réservoir, 2 réservoirs, stratification, renforcement• Concepts: échangeur-stockeur, réaction renversables• Coût visé pour le stockage: 40 b15 MWh_thSource: Abengoa SolarAndasol1020 MWh_th, 31000 tonnesde sel fondu (290°C - 384°C)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 30

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanQuelles innovations? Quelles compétences scientifiques?Récepteurs (absorbeurs)• Matériaux HT: SiC ⇒ T > 800 °C• Revêtements sélectifs, anti-réflecteurs ⇒ α sol > 96%, ε < 6%• Concepts: volumétriques, plaques, canaux ⇒ rendement accru (η > 90 %)Source: HeatricSource: SCHOTTSource: ENEASource: DLRA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 31

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanQuelles innovations? Quelles compétences scientifiques?Systèmes• Intégration des composants Stockage Hybridation CSP + dessalement CSP + chaleur ou froid• Analyse des systèmes évaluation des performances refroidissement à air Polygénération• Conduite des systèmes aide à l’exploitation optimisation énergétique optimisation économique• Analyse de cycle de vieCouplage usine dedessalement et centraleélectrique à Fujeirah (EmiratsArabes Unis) (MSF – RO:378500 m 3 /jour)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 32

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanConversion photovoltaïque sous haute et très hauteconcentration du flux solaireIntérêt: Réduction significative du coût de l’électricité produite Possibilité d’utiliser des cellules très performantes(très chères) dans la mesure ou la surface requise esttrès petite Amélioration du rendement de conversion sousconcentration du flux solaireMais: Pertes résistives Hystérésis des jonctions Tunnel (III-V multi-jonctions) Température du système Précision de suivi du soleilA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 33

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanProduction mondiale d’énergie primaireThe AIE SD-Vision scenario: World Total Primary Energy1000 EJ = 23,7 Gtep = 278000 TWhUne vision de ShellEnergy to 2050: scenario for a sustainable future (2007)www.aie.orgUne vision de l’AIEShell Energy scenarios to 2050 (2008)www.shell.comA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 34

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanDéveloppement des énergies renouvelables:Scénario Blue Map de (AIE)Source :L’électricité solaire thermodynamique(CSP) en 2050 :Energy Technology Perspective 2008, AIE - Synthèse disponible sur : http://www.iea.org 2500 TWh de production par an 13 % de la production ENR mondiale 1250 GW installé (disponibilité 2000 h par an)A. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 35

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanLe point de vue des industries CSP EuropéennesSource: ESTELAA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 36

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanEtude MED-CSP: zones d’exclusion du CSPA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 37

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanEtude MED-CSP: potentiel de productiond’électricité dans le bassin MéditerranéenA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 38

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanEtude MED-CSP: production d’électricité en Afriquedu Nord et Proche OrientA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 39

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et PerpignanUn scénario « vert » pourl’Europe:Desertec et TRANS-CSPA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 40

Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521alain.ferriere@promes.cnrs.frOdeillo et Perpignanhttp://www.promes.cnrs.fr« Si le rayonnement solaireconstitue une partie duproblème, il doit pouvoircontribuer à sa solution »C. Philibert, AIEA. Ferriere Ecole Polytechnique - 30 janvier 2009 41