introduction au solaire à concentration et ses ... · 150-1500°c. technologies de concentration...

FLAMANT Gilles

PROMES-CNRS

[email protected]

Introduction au solaire à concentration et ses

applications 28 Novembre 2019

ENSIACET Toulouse

Info-Day

Sommaire• La ressource solaire

• Qu’est-ce que le solaire à concentration

• Un peu d’histoire

• Comment ça marche ?

• Les centrales solaires dans le monde

• Exemple de recherche en France

• Evolution des coûts et positionnement par rapport au photovoltaïque

• Quelle contribution à la transition écologique ?

Energies renouvelables

15% de la production d’électricité mondiale en 2016,

22,7% en France en 2018

Toutes sources d’énergie Energies renouvelables

IRENA 2018

La ressource solaire

Potentiel

de l’énergie

solaire

Rayonnement

solaire

Atténuation atmosphérique du rayonnement

-Absorption H2O : 10%

-Absorption autres : 6%

-Diffusion par les molécules et les particules

→ composante directe et diffuse du

rayonnement solaire : EG = Edir + Edif

35%

44%

5%

16%

Ressources DNI

Les centrales solaires à

concentration ne valorisent que

le rayonnement solaire direct

Qu’est-ce que le solairethermique à concentration?

De la source aux besoins

Système de

concentration

Electricité (conversion thermodynamique)

Combustibles de synthèse

Chaleur industrielle

Chaleur

150-1500°C

Technologies de concentration

Concentration

Réception

Linéaire (30-100 soleils) Ponctuelle (500-10 000 soleils)

Fixe

Mobile

300°C-500°C 500°C-2000°C

Un peu d’histoire

Histoire(France)

Félix Trombe

Marc Foex

19621969

2003 - 2018

(Mont Louis,1949)

1959

1973 - 1985 1986 - 2003

Les pionniers

Enthousiasme Désenchantement

Histoire(France/Cerdagne)

Félix Trombe

Dates clés :

• Fin de la construction du Four solaire de Mont Louis: 1952

• Mise en service du Four solaire d’Odeillo: 1969

• Démarrage de la centrale solaire Thémis à Targasonne: 1983 (arrêt en 1986)

• Centrale solaire à Llo : 2010 / 2019

Mont Louis

1952

Odeillo

1968

Targasonne

1983

Llo

2019

Félix Trombe

Thémis (Centrale à tour)

Développement pilote

Odeillo (Four solaire)

Recherche labo

Llo (Fresnel linéaire)

Production d’électricité

Histoire(Cerdagne)

Félix Trombe

Thémis 1983-1986

450°C

200°C

Themis: première centrale

solaire à sel fondu au monde

Thémis 1983-1986

Histoire(Cerdagne)

Félix Trombe

Histoire(Premières

applications)

Mouchot 1882

Imprimerie à vapeur

solaire

1870-1886, John Ericsson

(1889) :

1er cylindro-parabolique pour

chauffer de l’air et actionner un

moteur Stirling (2.24 kW) de

pompage d’eau (2273 L/min).

1906-1911, 1912, Frank Shuman : 1ere

grande surface de collecteur, 62*4 = 1240

m², pour fournir de la vapeur à des

moteurs (45 kW) de pompage d’eau

(27000 L/min) pour irriguer des fermes à

Meadi, Egypte (brevet 1917).

Après 1 an d’opération, le prix du pétrole

baisse et l’exploitation est stoppée (ainsi

que les projets clones).

1907 : Wilhelm Maier of Aalen

, Adolf Remshardt (Allemand) :

brevet sur la production de

vapeur grâce à la technologie

à collecteurs cylindro-

paraboliques

1936 : C.G. Abbot chauffe un

fluide (noirs de fumée) dans un

tube sous vide (tubes Pyrex

concentriques) pour produire

de la vapeur et alimenter un

moteur.

Le Présent: La

Centrale solaire de Llo

Puissance 9 MWel

4h de stockage thermique à pleine puissance ≈ consommation électrique de

la Cerdagne (hors période touristique)

Le Présent: La


Principe de fonctionnement

Le Présent: La


Collecteurs solaires

Cuves de stockage (9)

Comment ça marche ?

Les centrales solaires dans le monde

Stockage 1,1 GWh

Puissance installée

(Chiffres 2016)

Le solaire thermique à concentration,

un bébé dans le monde des énergies

renouvelables:

Photovoltaïque + Eolien : 1013 GW

(54% éolien et 46% PV)

Solaire à concentration: 5,2 GW

Puissance installée

Source: SolarPACES (IEA)

Env. 5 GW

Principes et Technologies

Système de concentration

Récepteur

Stockage

Cycle thermodynamique

Appoint combustible

Rayonnement

Fluide de transfert Fluide de travail

Le stockage thermique

Fonction :

Atténuer les effets des variations brusques

de d’éclairement solaire

Adapter la production à la demande

Technologies de stockage

Seulement 2 technologies sont disponibles industriellement:

Les accumulateurs de vapeur

Les sels fondus avec 2 réservoirs de stockage (chaud et froid)


Accumulateur de vapeur

Steam Discharging

Isolated Pressure Vessel

Liquid Phase

Steam

Steam Charging

Liquid water Charging / Discharging

Avantages : simple et prouvé à l’échelle industrielle

Inconvénients : Coût élevé et décharge à T et P décroissant


Sel fondu, 2 réservoirs

Exemple: Andasol (50 MW)

Capacité de stockage :

1010 MWh (7.7h)

Facteur de charge ≈ 45%

Nitrate

(60% NaNO3 + 40% KNO3)

Poids de sel : 28.500 t

Volume des réservoirs : 14.000 m³

6 échangeurs HTF/sel

Chaud : 385°C / Froid 294°C

Remarque: pour les centrales a tour:

530°C / 290°C → 3 fois moins de sel

pour stocker 1 kWh

Stockage et hybridation

Production fiabilisée par le stockage et l’hybridation

Facteur de charge

20% 45% 70% 90%

Sans stockage (1800h)

7h stockage (3600h)

14h stockage ((5700h)

Stockage

+ hybridation

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

Centrale à Tour

En anglais: Central Receiver

(ou Power Tower)

Technologies : vers les grandes

puissances

SOLANA (Californie), 250 MWe net, 6h stockage, Abengoa


puissances

Crescent Dunes – Tonapah, Nevada,

Solar Reserve, 110 MWel, 10h stockage


puissances

Complexe NOOR 510 MW

Ouarzazate, Maroc

3 centrales :

160 MW, CP, 3h stockage

200 MW, CP, 8h stockage

150 MW, tour, 8h stockage

La recherche(Exemples)

Centrales solaires à tour de 3ème génération

Critères (parmi d’autres)

Fonctionner à des températures supérieures à

560°C (limite de la technologie à sels fondus)

Intégrer la fonction stockage

Convertir la chaleur avec un cycle

thermodynamique à haut rendement (50% et

plus)

FUTUR

Objectif : Accroitre le rendement pour

diminuer le coût de l’électricité

Centrales solaires à tour de 3ème génération

FUTUR

Rendement

Année

2019 2030

42%

50%

20%

25%

Turbine

Centrale

Exemple 1 :Particules

Héliostats

Utilisation des particules pour

transporter et stocker l’énergieRécepteur

particulaire

Sockagefroid

Stockagechaud

~

Turbine à gazCirculation

des particles

Echangeur

de chaleur Air

Chambre de

combustion

Turbine à vapeur

~

Projet de recherche européen à Thémis

Hot Storage

Rotary Valve

Solar Receiver

aeration

FluidizationDispenser

Bucket Elevator

Fluidization

aeration Air Heater

« On Sun » operation

Cold Storage

aeration

Hot pressurized air to Gas Turbine

Hot Storage

Rotary Valve

Solar Receiver

Dispenser

Bucket Elevator

Fluidization

aeration Air HeaterCold Storage

« Off Sun » operation

aeration

Hot pressurized air to Gas Turbine

Exemple 2 :Stockage thermique

Matériaux recyclés et naturels comme batterie thermique

Source: X Py, UPVD/PROMES

Opération de désamiantageCoulée

Vitrification

Plasma torche

à 1400°C

En France

250 000

tonnes/an

8 euros/tonne

Cofalit (inerte)

Céramiques

Matériaux Céramiques HT Sels fondus Cofalit

r×Cp

[kJ/(m3×K)]

3 030 1 300 à 3 900 2 680

l [W/(m×K)] 1.35 0.2 2

prix

[euros/tonne]

4500 500-700 8

Evolution des coûts et positionnement du solaire à

concentration (CSP) par rapport au photovoltaïque (PV)

Quelle reference de coût?

→ Avec stockage longue durée à pleinepuissance (plusieurs heures)

Quelle évolution des prix

→ “Courbe d’apprentissage” (le coût diminue avec l’accroissement du nombre d’installation)

Stocker l’énergie

Stockage hydraulique (98% actuellement)

Stockage thermique

Stockage électrochimique

Stocker l’énergie

PV versus CSP

PV

Champ solaire Régulateur Batteries Onduleur

CSP

Champ solaire RécepteurProcess

thermiqueTurbine

Stockage thermique

Position du CSP par rapport au PV avec stockage batteries

3h de stockage

Source: Feldman et al, NREL Report, 2016

Source: Feldman et al, NREL Report, 2016

9h de stockage

Position du CSP par rapport au PV avec stockage batteries

Source IRENA 01/2018

Le prix de

l’électricité solaire

thermique baisse

aussi vite que celui

du photovoltaïque

avec un marché

beaucoup plus

faible

Le prix de


thermique avec

stockage longue

durée sera compris

entre 10 et 6

c$/kWh à partir de

2020

Evolution des prix de


thermique

Prix ou service ?

Remarque: produire de l’énergie quand personne n’en a besoin

n’offre aucun service au consommateur donc le prix d’achat est

nul (voir négatif). La notion de VALEUR est donc plus pertinente

que celle de PRIX pour les énergies renouvelables

intermittentes,

Critères de valeur:

Facteur de charge (« capacity factor ») = nb équivalent

d’heures de fonctionnement à pleine charge / 8670

Capacité à répondre à la demande (stockage)

Capacité à produire en cas de besoin (sécurité

d’approvisionnement)

Emplois locaux (impact social)

Impact environnemental

Facteur de charge

Source: IRENA 2016

CSP 7h de stockage: 41% (3560h), 12h de stockage: 55% (4770h)

Photovoltaïque (18% / 1560h)Eolien (27% / 2340h)

Valeur :PV & CSP

complémentaires

SolarReserve &

ACWA’spower

Redstone

project

Quelle contribution à la transition écologique ?

(Impact environnemental)

• Emission de gaz à effet de serre

28 g CO2eq/kWh (950 pour charbon, 350 pour gaz et 60-150 pour photovoltaïque –en fonction du lieu de production-)

• Temps de retour énergétique: 1 an

• Consommation d’eau

0,25 l/kWh pour refroidissement sec (50% pour lavage des miroirs)

• Utilisation des ressources minérales

Pas d’utilisation de métaux rares sauf argent et matériaux entièrement recyclables


Source : John J. Burkhardt et al. Env Sci & Tech (2011)

• Utilisation de matériaux


Source : Olivier Vidal, CEF, 2019

• Les différents types de matériaux utilisés par les technologies de production d’énergie renouvelable


Source : ADEME CEF, 2019

• Utilisation de matériaux de structure


Source : Olivier Vidal, CEF, 2019

Ciment Acier

• Utilisation de matériaux technologiques et rares


Source : ADEME, CEF, 2019

La mise en œuvre d’un stockage thermique et d’un alternateur (CSP)

permet d’éviter l’utilisation de matériaux rares et critiques peu (ou pas)

recyclés

Batteries Lithium Eoliennes

Il n’existe pas de technologie de recyclage du cobalt aujourd’hui

• Réduction des émissions de CO2


Source : IEA, 2014

Le solaire globalement

devrait contribuer à

réduire de 30% les

émission de CO2 en

2050, dont 9% pour le

solaire à concentration

Conclusion (1/2)

• Avec une puissance installée de 5,2 GW le CSP est le parent pauvre des EnR par rapport à l’éolien le au PV (+1000 GW).

• Pourtant le CSP permet de produire de l’électricité en phase avec la demande grâce au stockage thermique de masse et d’assurer la sécurité d’approvisionnement grâce à l’hybridation.

• Le coût de l’électricité CSP avec stockage longue durée sera inférieur à 10 c€/kWh en 2020 dans les zones à fort ensoleillement.

Conclusion (2/2)

• Malgré la baisse annoncée des coûts du stockage sur batteries associé au PV, le CSP devrait rester concurrentiel pour les durées longues de stockage (supérieures ou égales à 6h) à l’horizon 2030.

• Le problème de la durée de vie et du recyclage des batteries sera un point clé pour l’application de cette technologie au stockage massif d’électricité.

• Plus globalement, il est indispensable de faire les choix stratégiques liés à la transition énergétique pas uniquement sur des critères de coût mais sur des critères intégrant les coûts environnementaux (impact environnemental, ACV) et sociaux (emplois, appropriation des technologies , etc).

Remerciements

This project has received funding from the

European Union’s Horizon 2020 research and

innovation programme under grant agreement No

654663, SOLPART project

Merci de votre attention

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