Analyse des systèmes de conversion thermodynamique et outils d’évaluation des performances des centrales solaires, systèmes hybrides

Centrales solaires

Dans le cadre général de l’évaluation technico-économique des centrales solaires, le laboratoire PROMES dispose d’outils capables d’évaluer les performances énergétiques et les coûts de production de projets de centrales solaires (coûts d’investissements, coûts de production de l’électricité, …). Le modèle ECOSTAR, développé par le programme européen éponyme (ECOSTAR, 2004-2005), permet d’analyser les performances annuelles et d’estimer le coût de l’électricité des principales technologies : centrales cylindro-paraboliques à huile ou à génération directe de vapeur, systèmes champ-tour à sels fondus, a génération directe de vapeur, à air atmosphérique, ou hybride solaire/fossile à turbine à gaz, et modules parabole-moteur. Les composants sont décrits par leur efficacité de transfert ou de conversion de puissance, exprimée la plupart du temps par un paramètre unique (scalaire) ou par une matrice de valeurs issues de résultats expérimentaux pour décrire les variations de l’efficacité en fonction de la position du soleil, d’une température ou d’un autre paramètre opératoire. La grandeur d’entrée principale est la valeur instantanée de l’ensoleillement, connue ou modélisée dans la plupart des cas sur une période horaire. Ce modèle quasi-statique ne rend pas compte des évolutions transitoires rapides. Les coûts d’investissement et d’exploitation sont estimés à partir de coûts spécifiques actuels pour des systèmes pilotes ou pour des installations de démonstration commerciale.

Afin de simuler le fonctionnement d’une centrale avec des paramètres physiques liés aux fluides circulant, et de viser ainsi une évaluation plus souple et plus précise des performances annuelles, nous avons développé un outil de simulation dynamique basé sur l’utilisation du code TRNSYS avec la bibliothèque de modules « solaires » STEC. Nous avons appliqué cette approche au cas d’une centrale à tour hybride solaire-fossile, afin de fournir des résultats relatifs au projet PEGASE conduit par PROMES. Le tableau 1 montre par exemple que les simulations du fonctionnement de l’installation PEGASE par les modèles ECOSTAR et TRNSYS donnent des résultats similaires. Il indique les performances nominales de PEGASE pour un ensoleillement normal direct de 1000 W/m² avec un récepteur solaire permettant de chauffer l’air jusqu’à 850 °C. La fraction solaire nominale dépasse 70% pour un rendement de conversion de la puissance solaire en électricité de 18,5% (plus de 21% pour le mode hybride).

L’approche de modélisation et d’analyse de systèmes a également été appliquée au cas particulier du système parabole-Stirling Eurodish de 10 kW expérimenté à Odeillo depuis 2004 (thèse de François Nepveu, 2005-2008, cofinancée CNRS-EDF-CREED). La simulation de la cartographie de flux délivrée sur le plan de l’absorbeur de diamètre 30 cm et les observations effectuées indiquent la dynamique importante (400 à 1500 kW/m2 pour un ensoleillement nominal de 900 W/m2) et révèlent quelques pics dus aux imperfections des facettes du miroir parabolique (figure 1 et figure 2).

Les performances évaluées à partir des simulations et les observations effectuées s’accordent et montrent que le rendement instantané de conversion solaire-électricité de 22,5 % obtenu dans les conditions standard d’ensoleillement (1000 W/m2) pour une puissance électrique générée de 10,8 kW résulte du bilan suivant (voir figure 3):

  • Pertes optiques de la parabole (réflectivité miroirs, débordement) : 21 %
  • Pertes du récepteur solaire (conduction, convection, rayonnement) : 14 %
  • Rejets thermiques du cycle moteur (refroidissement) : 38,5 %
  • Pertes par dissipations mécaniques (moteur, génératrice), pertes électriques : 3%
  • Consommation électrique des auxiliaires : 1 %

En moyenne annuelle dans les conditions d’exploitation de Font-Romeu (ressource solaire directe 1950 kWh/m2.an), le rendement de conversion solaire-électricité s’établit à 18,9 %. Avec près de 3000 heures de production cumulée, ce projet a de plus permis d’identifier les principales pannes du système et d’évaluer la fiabilité des composants. La parabole et le récepteur solaire sont fiables. Le moteur Stirling (SOLO V161) exige un entretien fréquent (remplacement du cylindre chaud toute les 1000 heures). Le système de contrôle et de régulation est le composant le moins fiable, il occasionne plus de la moitié des arrêts (56 %).

Nous développons également des modèles d’exploitation de systèmes solaires thermodynamiques appliqués à la polygénération : électricité-eau chaude sanitaire avec la parabole-Stirling, électricité-eau douce avec des centrales de forte puissance couplées à une unité de dessalement par distillation multi-étagée ou par osmose inverse.
Financement : ADEME, EDF, Veolia

Systèmes hybrides

L’un des avantages des systèmes solaires thermiques à concentration est de pouvoir fonctionner en mode hybride. Deux situations se présentent, soit un combustible pallie le manque de disponibilité solaire dans un cycle de conversion thermodynamique, soit la chaleur haute température produite par le rayonnement solaire est utilisée pour valoriser une source de matière carbonée telle que la biomasse ou des déchets. Nous nous intéressons particulièrement à ces applications en mettant l’accent sur le contrôle des émissions de polluants secondaires tels que les métaux lourds.
Collaboration : Argentine (Université de Neuquen) et Chine (HUST, Wuhan)