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Article | Efficacité énergétique


Optimiser la production grâce au stockage de la chaleur d’origine solaire

Centrales thermodynamiques

Publié le 24 novembre 2015

Vue d'ensemble

L’enjeu des centrales solaires thermodynamiques (CST) à concentration est double : il s’agit de concentrer efficacement la chaleur générée par les rayons du soleil pour produire de l’électricité ou du chauffage, et de stocker la chaleur pour prolonger le fonctionnement de la centrale en dehors des heures d’ensoleillement. Alors que le rendement de production de chaleur d’une centrale photovoltaïque est de l’ordre de 15 %, celui d’une CST à concentration atteint 50 à 60 %. L’investissement de départ est supérieur à celui d’une installation électrique, mais avec une ressource primaire – le soleil – accessible et disponible gratuitement, le retour sur investissement est assuré à long terme. Des arguments de poids dans la course à la baisse du coût du kWh, ce qui explique l’intérêt mondial porté à ces technologies. Le CEA Liten développe depuis sept ans une technologie de CST à concentration basée sur le principe des Miroirs de Fresnel et consacre une partie de ses travaux au stockage thermique de l’énergie afin d’adapter la production électrique à la demande.

Les Miroirs de Fresnel sont un dispositif interférométrique composé de deux miroirs plans légèrement inclinés l’un par rapport à l’autre. Dans une centrale, la solution consiste à positionner sur un même plan des dizaines de miroirs côte à côte, orientés de telle façon à suivre la course du soleil et à rediriger et concentrer de manière optimale les rayons du soleil vers un tube de récupération de chaleur placé au-dessus, sur un axe horizontal. Cette technologie offre l’avantage d’atteindre des rendements élevés pour un coût inférieur au modèle de centrale traditionnel cylindro-parabolique. Le CEA Liten a déjà noué un partenariat avec un industriel pour le développement cette technologie et l’accompagne dans sa recherche de partenaires énergéticiens pour la mise en œuvre de centrales à grande échelle. Il est en outre impliqué dans le projet SFERA, qui regroupe les acteurs européens du secteur solaire.

Les perspectives de cette technologie sont prometteuses dans la mesure où elle permet de compenser en partie les points faibles du solaire photovoltaïque – l’intermittence et les problèmes de stockage – et d’assurer une production en énergie à la demande et suffisante pour des besoins industriels. Si les centrales thermodynamiques ne représentent aujourd’hui qu’une très faible part du solaire total en électricité fournie (moins de 1%), elle connaît toutefois une forte progression.

AVANTAGES

Des solutions de stockage de l’énergie solaire optimisées de façon continue

  • La technologie utilise une ressource accessible et disponible, le soleil. Le retour sur investissement est donc assuré sur le long terme.Les miroirs plats sont bien moins coûteux que des miroirs paraboliques utilisés dans d’autres types de centrales solaires.
  • La production de chaleur offre un rendement de 50 à 60 %, très supérieur à celui d’une centrale photovoltaïque.
  • Le coût de fonctionnement peut être réduit en utilisant de l’eau comme fluide récupérateur de chaleur à la place de l’huile.
  • La récupération de chaleur peut servir à d’autres applications telles que les machines frigorifiques à absorption, ce qui
  • élargit la cible des industriels potentiellement intéressés par le procédé.
  • Le stockage de chaleur améliore la souplesse de production des centrales solaires thermodynamiques. Les industriels disposent ainsi d’une autonomie de fonctionnement adaptée à leur besoin, notamment plusieurs heures après le coucher du soleil.


PROJETS

- Un premier projet de centrale, Alsolen, développé pour le groupe Alcen, a abouti en 2012. La petite centrale de démonstration, construite sur le site de Cadarache, dispose de 1 000 m² de miroirs pour une production de 50 kWh électrique au plus fort de l’ensoleillement. Cette première centrale utilise de l’huile thermique comme fluide caloporteur et comporte un système de stockage de chaleur de plusieurs heures. Une machine de production de froid a été couplée à la centrale pour valoriser les rejets de chaleur.
- Une deuxième technologie est en cours de développement : elle consiste à substituer l’eau à l’huile pour produire directement de la vapeur d’eau dans le tube de récupération de chaleur. Plusieurs verrous doivent toutefois être levés car la montée en température doit être supérieure (450 °C au lieu de 300 °C avec l’huile) et l’écoulement de l’eau puis sa transformation en vapeur dans un même tube entrainent de nouvelles difficultés techniques. Une deuxième centrale de démonstration de 1500 m2 de miroirs Alsolen Sup, est en construction à Cadarache pour valider la maitrise de cette technologie, adaptée aux centrales de forte puissance (50 MWe et au-delà).
- Parallèlement, les recherches se concentrent sur le stockage de la chaleur dans les centrales solaires thermodynamiques.  Elles explorent trois pistes de stockage :
. Le stockage sensible, c’est-à-dire le stockage dans des réservoirs remplis de matériaux solides chauffés de manière progressive par le principe de la thermocline. Une installation expérimentale de 3 m3 a été réalisée à Grenoble en 2010 et un réservoir de 35 m3 a été installé à Cadarache avec la première centrale de démonstration Alsolen. Ce prototype sert aussi de source chaude à la plateforme Prohytech afin de démontrer la valorisation de l’énergie thermique solaire pour le dessalement, la production de froid et la fabrication d’hydrogène par électrolyse.
. Le stockage par changement de phase d’un matériau, qui consiste à utiliser des matériaux qui passent d’un état solide à liquide lors d’un apport de chaleur. Depuis 2009, plusieurs installations expérimentales, de plus en plus grandes (1 litre à 5 tonnes), ont été mises au point. Un réservoir de près de 6 m3 est en construction à Cadarache aux côtés d’Alsolen Sup, utilisant le nitrate de sodium adapté au niveau de température d’évaporation de l’eau (300°C).
. Le stockage par réaction chimique réversible, ou thermochimie, qui présente l’avantage de ne rien perdre de la chaleur pendant la durée de stockage. Cette technologie est intéressante pour les centrales solaires mais également pour le stockage inter-saisonnier dans l’habitat.  Une réalisation sur une maison test a été effectuée à l’Ines, à Chambéry, pour évaluer la performance d’un tel système.

- En 2014, le CEA Liten a été lauréat, avec la société IDEX, du Concours national d’innovation de BPI France pour un projet de  stockage thermique avec des matériaux à changement de phase pour les réseaux de chaleur. Il est en outre soutenu par l’ADEME dans le cadre d’Appels à manifestation d’intérêt. Il intervient enfin dans le cadre des discussions sur la normalisation des méthodes d’évaluation.

REPERES
  • une cinquantaine de chercheurs
  • 34 brevets sur le solaire concentré
  • 19 brevets sur le stockage thermique
  • -Publications :
Science Direct, International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems, SolarPACES 2014 : « Critical constraints responsible to solar glass mirror degradation », R. Girard, C. Delord, A. Disdier, O. Raccurt, Univ. Grenoble Alpes, INES, F-73375 , 50 avenue du Lac Léman, Le Bourget du Lac 73375,France. CEA, LITEN, DTBH, SBRT, LSHT, F-38054 Grenoble, France
Science Direct, International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems, SolarPACES 2014 : « Unique Fresnel demonstrator including ORC and thermocline direct thermal storage: operating experience », S. Rodata, A. Bruchb, N. Dupassieuxa, N. El Mourchidc , aUniv. Grenoble Alpes, INES, F-73375 Le-Bourget-du-lac, France CEA, LITEN, Laboratoire Systèmes Solaires Haute Température (LSHT), F-38054 Grenoble France, bUniv. Grenoble Alpes, F-38000 Grenoble, France CEA, LITEN, Laboratoire Stockage Thermique (LST), F-38054 Grenoble, France, cALSOLEN, 9 avenue du Marais, 95100 Argenteuil, France
Science Direct, International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems, SolarPACES 2014 : « Experimental and numerical investigation of a pilot scale latent heat thermal energy storage for CSP power plant », P. Garciaa, M. Olceseb, S. Rougéa, aCEA/LITEN/DTBH, Thermal Storage Laboratory, 17 avenue des Martyrs 38054 Grenoble Cedex 9, France, bCEA/LITEN/DTS, Thermal Systems for Buildings Laboratory, 50 avenue du Lac Léman, 73375 Le Bourget-du-Lac, France
Science Direct, « Experimental and numerical investigation of a pilot-scale thermal oil packed bed thermal storage system for CSP power plant », A. Bruch, J.F. Fourmigue, R. Couturier, CEA/DRT/LITEN/DTBH, Avenue des Martyrs, 38054 Cedex 9, France.


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AVANTAGES

  • Une cinquantaine de chercheurs
  • 34 brevets sur le solaire concentré
  • 19 brevets sur le stockage thermique
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