Centrales solaires thermiques à tour, systèmes de concentration d'énergie solaire

Le soleil est une source d'énergie extrêmement "propre". Aujourd'hui, partout dans le monde, les travaux sur l'utilisation du Soleil se développent dans de nombreuses directions. Tout d'abord, la soi-disant petite industrie de l'électricité se développe, qui comprend principalement le chauffage des bâtiments et l'approvisionnement en chaleur. Mais des mesures sérieuses ont déjà été prises dans le domaine de l'énergie à grande échelle - des centrales solaires sont créées sur la base de la photoconversion et de la conversion thermique. Dans cet article, nous vous parlerons des perspectives des stations de la deuxième direction.

La technologie de l'énergie solaire concentrée, connue dans le monde entier sous le nom de CSP (énergie solaire concentrée), est un type de centrale solaire qui utilise des miroirs ou des lentilles pour concentrer de grandes quantités de lumière solaire dans une petite zone.

Le CSP ne doit pas être confondu avec le photovoltaïque à concentration - également connu sous le nom de CPV (photovoltaïque à concentration). Dans CSP, la lumière solaire concentrée est convertie en chaleur, et la chaleur est ensuite convertie en électricité.D'autre part, en CPV, la lumière solaire concentrée est convertie directement en électricité via effet photoélectrique.

Utilisation industrielle des concentrateurs solaires

Énergie solaire

Le soleil envoie un puissant flux d'énergie rayonnante en direction de la terre. Même si l'on tient compte du fait que 2/3 de celle-ci est réfléchie et diffusée par l'atmosphère, la surface terrestre reçoit tout de même 1018 kWh d'énergie en 12 mois, soit 20 000 fois plus que la consommation mondiale en un an.

Il est naturel que l'utilisation de cette source d'énergie inépuisable à des fins pratiques ait toujours semblé très tentante. Cependant, le temps a passé, l'homme en quête d'énergie a créé un moteur thermique, bloqué des rivières, fendu un atome et le Soleil a continué à attendre dans les coulisses.

Pourquoi est-il si difficile de contrôler son énergie ? Premièrement, l'intensité du rayonnement solaire change au cours de la journée, ce qui est extrêmement gênant pour la consommation. Cela signifie que la station solaire doit avoir une installation de batterie ou fonctionner avec d'autres sources. Mais ce n'est toujours pas le plus gros inconvénient. Bien pire, la densité du rayonnement solaire à la surface de la terre est très faible.

Ainsi, dans les régions du sud de la Russie, ce n'est que 900 - 1000 W / m2... Cela suffit uniquement pour chauffer l'eau des collecteurs les plus simples à des températures ne dépassant pas 80 - 90 ° C.

Il convient à la production d'eau chaude et en partie au chauffage, mais en aucun cas à la production d'électricité. Des températures beaucoup plus élevées sont nécessaires ici. Pour augmenter la densité de flux, il est nécessaire de le collecter sur une grande surface et de le transformer de dispersé en concentré.

Production d'énergie avec des systèmes de concentration solaire

Les méthodes de concentration de l'énergie solaire sont connues depuis l'Antiquité.Une légende a été conservée sur la façon dont le grand Archimède, à l'aide de miroirs concaves en cuivre poli, a brûlé la flotte romaine qui l'assiégeait au 3ème siècle avant JC. NS. Syracuse. Et bien que cette légende ne soit pas confirmée par des documents historiques, la possibilité même de chauffer au foyer d'un miroir parabolique n'importe quelle substance à des températures de 3500 à 4000 ° C est un fait incontestable.

Les tentatives d'utilisation de miroirs paraboliques pour générer de l'énergie utile ont commencé dans la seconde moitié du XIXe siècle. Des travaux particulièrement intensifs ont été menés aux États-Unis, en Angleterre et en France.

Un miroir parabolique expérimental pour l'utilisation de l'énergie solaire thermique à Los Angeles, USA (vers 1901).

En 1866, Augustin Mouchaud utilise un cylindre parabolique pour générer de la vapeur dans la première machine à vapeur solaire.

La centrale solaire d'A. Mouchaud, présentée à l'Exposition universelle de l'industrie à Paris en 1882, a fait une énorme impression sur les contemporains.

Le premier brevet pour un capteur solaire a été obtenu par l'Italien Alessandro Battaglia à Gênes (Italie) en 1886. Dans les années suivantes, des inventeurs tels que John Erickson et Frank Schumann ont développé des dispositifs qui fonctionnent en concentrant l'énergie solaire pour l'irrigation, le refroidissement et le mouvement.

Moteur solaire, 1882

La centrale solaire de Frank Schumann au Caire

En 1912, la première centrale solaire d'une capacité de 45 kW a été construite près du Caire avec des concentrateurs paraboliques-cylindriques d'une superficie totale de 1200 m2 qui ont été utilisés dans le système d'irrigation. Des tubes ont été placés au foyer de chaque miroir. Les rayons du soleil étaient concentrés à leur surface.L'eau dans les tuyaux se transforme en vapeur, qui est collectée dans un collecteur commun et acheminée vers la machine à vapeur.

De manière générale, il convient de noter que c'est une période où la croyance au fantastique pouvoir de focalisation des miroirs s'est emparée de nombreux esprits. Le roman d'A. Tolstoï "L'hyperboloïde de l'ingénieur Garin" est devenu une sorte de preuve de ces espoirs.

En effet, dans un certain nombre d'industries, de tels miroirs sont largement utilisés. Sur ce principe, de nombreux pays ont construit des fours pour fondre des matériaux réfractaires de haute pureté. Par exemple, la France possède le plus grand four du monde avec une capacité de 1 MW.

Et qu'en est-il des installations de production d'énergie électrique ? Ici, les scientifiques ont rencontré un certain nombre de difficultés. Tout d'abord, le coût des systèmes de focalisation avec des surfaces de miroir complexes s'est avéré très élevé. De plus, à mesure que la taille des miroirs augmente, le coût augmente de façon exponentielle.

Créez également un miroir d'une superficie de 500 à 600 m2 techniquement difficile, et vous ne pourrez pas en tirer plus de 50 kW de puissance. Il est clair que dans ces conditions la puissance unitaire du récepteur solaire est fortement limitée.

Et une autre considération importante concernant les systèmes de miroirs incurvés. En principe, des systèmes assez grands peuvent être assemblés à partir de modules individuels.

Pour les installations actuelles de ce type, voir ici : Exemples d'utilisation de concentrateurs solaires

Auge parabolique utilisée à la centrale solaire à concentration de Lockhart près de Harper Lake, Californie (Mojave Solar Project)

Des centrales électriques similaires ont été construites dans de nombreux pays. Cependant, leur travail présente un sérieux inconvénient: la difficulté à collecter de l'énergie.Après tout, chaque miroir a son propre générateur de vapeur au foyer, et ils sont tous répartis sur une grande surface. Cela signifie que la vapeur doit être collectée à partir de nombreux récepteurs solaires, ce qui complique grandement et augmente le coût de la station.

Tour solaire

Même dans les années d'avant-guerre, l'ingénieur N. V. Linitsky a avancé l'idée d'une centrale solaire thermique avec un récepteur solaire central situé sur une haute tour (centrale solaire de type tour).

À la fin des années 1940, des scientifiques de l'Institut national de recherche sur l'énergie (ENIN) nommé d'après V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum et B. A. Garf ont développé un concept scientifique pour la création d'une telle station. Ils ont proposé d'abandonner les miroirs incurvés complexes et coûteux, en les remplaçant par les héliostats plats les plus simples.

Le principe de fonctionnement des centrales solaires à partir d'une tour est assez simple. Les rayons du soleil sont réfléchis par plusieurs héliostats et dirigés vers la surface d'un récepteur central — un générateur de vapeur solaire placé sur la tour.

En fonction de la position du Soleil dans le ciel, l'orientation des héliostats change également automatiquement. Ainsi, tout au long de la journée, un flux solaire concentré, réfléchi par des centaines de miroirs, chauffe le générateur de vapeur.

Différence entre les conceptions SPP utilisant des concentrateurs paraboliques, SPP avec concentrateurs à disque et SPP à partir d'une tour

Cette solution s'est avérée aussi simple qu'originale. Mais le plus important était qu'en principe, il devenait possible de créer de grandes centrales solaires d'une puissance unitaire de centaines de milliers de kW.

Depuis lors, le concept de centrale solaire thermique de type tour a acquis une reconnaissance mondiale. Ce n'est qu'à la fin des années 1970 que de telles centrales d'une capacité de 0,25 à 10 MW ont été construites aux États-Unis, en France, en Espagne, en Italie et au Japon.

Tour solaire SES Themis dans les Pyrénées-Orientales en France

Selon ce projet soviétique, en 1985 en Crimée, près de la ville de Shtelkino, une centrale solaire expérimentale de type tour d'une capacité de 5 MW (SES-5) a été construite.

Dans SES-5, un générateur de vapeur solaire circulaire ouvert est utilisé, dont les surfaces, comme on dit, sont ouvertes à tous les vents. Par conséquent, à des températures ambiantes basses et à des vitesses de vent élevées, les pertes convectives augmentent fortement et l'efficacité diminue considérablement.

On pense maintenant que les récepteurs de type cavité sont beaucoup plus efficaces. Ici, toutes les surfaces du générateur de vapeur sont fermées, grâce à quoi les pertes par convection et par rayonnement sont fortement réduites.

En raison des faibles paramètres de vapeur (250 °C et 4 MPa), l'efficacité thermique de SES-5 n'est que de 0,32.

Après 10 ans de fonctionnement en 1995, SES-5 en Crimée a été fermée et en 2005, la tour a été remise à la ferraille.

Modèle SES-5 au Musée polytechnique

Les centrales solaires à tour actuellement en service utilisent de nouvelles conceptions et de nouveaux systèmes qui utilisent des sels fondus (40 % de nitrate de potassium, 60 % de nitrate de sodium) comme fluides de travail. Ces fluides de travail ont une capacité thermique plus élevée que l'eau de mer, qui était utilisée dans les premières installations expérimentales.

Schéma technologique d'une centrale solaire thermique moderne

Centrale solaire à tour moderne

Bien sûr, les centrales solaires sont une activité nouvelle et compliquée et ont naturellement suffisamment d'adversaires. Beaucoup des doutes qu'ils expriment ont d'assez bonnes raisons, mais on peut difficilement être d'accord avec les autres.

Par exemple, on dit souvent que de grandes surfaces sont nécessaires pour construire des centrales solaires à tour. Cependant, les zones où le combustible est produit pour le fonctionnement des centrales électriques traditionnelles ne peuvent pas être exclues.

Il existe un autre cas plus convaincant en faveur des centrales solaires à tour. La superficie spécifique des terres inondées par les réservoirs artificiels des centrales hydroélectriques est de 169 hectares / MW, ce qui est plusieurs fois supérieur aux indicateurs de ces centrales solaires. De plus, lors de la construction de centrales hydroélectriques, des terres fertiles très précieuses sont souvent inondées et les SPP à tour sont censées être construites dans des zones désertiques - sur des terres qui ne conviennent ni à l'agriculture ni à la construction d'installations industrielles.

Une autre raison de critiquer les SPP des tours est leur forte consommation de matériaux. Il est même douteux que SES soit en mesure de restituer l'énergie dépensée pour la production des équipements et l'obtention des matériaux utilisés pour leur construction pendant la durée d'exploitation estimée.

En effet, de telles installations sont gourmandes en matériaux, mais il est essentiel que pratiquement tous les matériaux à partir desquels les centrales solaires modernes sont construites ne soient pas en pénurie.Les calculs économiques effectués après le lancement des premières centrales solaires à tour modernes ont montré leur rendement élevé et des périodes de récupération assez favorables (voir ci-dessous des exemples de projets économiquement réussis).

Une autre réserve pour augmenter l'efficacité des centrales solaires à tour est la création de centrales hybrides, dans lesquelles les centrales solaires fonctionneront avec des centrales thermiques conventionnelles à combustible traditionnel.Dans la centrale combinée, pendant les heures de rayonnement solaire intense, le combustible la centrale réduit sa puissance et « accélère » par temps nuageux et aux pointes de charge.

Exemples de centrales solaires modernes

En juin 2008, Bright Source Energy a ouvert un centre de développement d'énergie solaire dans le désert du Néguev en Israël.

Sur le site il se trouve dans le parc industriel de Rotema, plus de 1 600 héliostats ont été installés qui suivent le soleil et réfléchissent la lumière sur une tour solaire de 60 mètres. L'énergie concentrée est ensuite utilisée pour chauffer la chaudière au sommet de la tour à 550°C, générant de la vapeur qui est envoyée à une turbine où l'électricité est générée. Capacité de la centrale 5 MW.

En 2019, la même entreprise a construit une nouvelle centrale électrique dans le désert du Néguev —Ashalim… Toya Constituée de trois sections de trois technologies différentes, la centrale combine trois types d'énergie : le solaire thermique, le photovoltaïque et le gaz naturel (centrale électrique hybride). La capacité installée de la tour solaire est de 121 MW.

La station comprend 50 600 héliostats contrôlés par ordinateur, assez pour alimenter 120 000 foyers. La hauteur de la tour est de 260 mètres.C'était la plus haute du monde, mais elle a récemment été dépassée par la tour solaire de 262,44 mètres du parc solaire Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Une centrale électrique dans le désert du Néguev en Israël

À l'été 2009, la société américaine eSolar a construit une tour solaire Tour solaire Sierra pour une centrale électrique de 5 MW située à Lancaster, en Californie, à environ 80 km au nord de Los Angeles.La centrale couvre une superficie d'environ 8 hectares dans une vallée sèche à l'ouest du désert de Mojave à 35° de latitude nord.

Tour solaire Sierra

Au 9 septembre 2009, sur la base de l'exemple des centrales électriques existantes, il a été estimé que le coût de construction d'une centrale solaire à tour (CSP) est de 2,5 à 4 dollars américains par watt, tandis que le carburant (rayonnement solaire) est gratuit. . Ainsi, la construction d'une telle centrale électrique d'une capacité de 250 MW coûte de 600 à 1000 millions de dollars américains. Cela signifie de 0,12 à 0,18 dollars / kWh.

Il a également été constaté que les nouvelles centrales CSP peuvent être économiquement compétitives avec les combustibles fossiles.

Nathaniel Bullard, analyste chez Bloomberg New Energy Finance, a estimé que le coût de l'électricité produite par la centrale solaire d'Iwanpa, lancée en 2014, est inférieur à celui de l'électricité produite par Centrale photovoltaïque, et est presque identique à l'électricité d'une centrale électrique au gaz naturel.

La plus célèbre des centrales solaires à l'heure actuelle est la centrale électrique Gemasolaire d'une capacité de 19,9 MW, située à l'ouest de la ville d'Esia en Andalousie (Espagne). La centrale a été inaugurée par le roi Juan Carlos d'Espagne le 4 octobre 2011.

Centrale électrique Gemsolar

Ce projet, qui a reçu une subvention de 5 millions d'euros de la Commission européenne, utilise une technologie testée par la société américaine Solar Two :

• 2 493 héliostats d'une surface totale de 298 000 m2 utilisent du verre à meilleure réflectivité, dont la conception simplifiée réduit les coûts de production de 45 %.

• Un plus grand système de stockage d'énergie thermique d'une capacité de 8 500 tonnes de sels fondus (nitrates), offrant une autonomie de 15 heures (environ 250 MWh) en l'absence de soleil.

• Conception de pompe améliorée qui permet de pomper les sels directement des réservoirs de stockage sans avoir besoin d'un puisard.

• Système de génération de vapeur avec recirculation forcée de la vapeur.

• Turbine à vapeur avec une pression plus élevée et un rendement plus élevé.

• Circuit simplifié de circulation du sel fondu, divisant par deux le nombre de vannes nécessaires.

La centrale (tour et héliostats) couvre une superficie totale de 190 hectares.

Tour solaire SPP Gemasolar

Abengoa a construit Hé ensoleillé en Afrique du Sud — une centrale électrique d'une hauteur de 205 mètres et d'une capacité de 50 MW. La cérémonie d'ouverture a eu lieu le 27 août 2013.

Hé ensoleillé

Système de production d'électricité solaire Ivanpah — une centrale solaire de 392 mégawatts (MW) dans le désert de Mojave en Californie, à 40 miles au sud-ouest de Las Vegas. La centrale a été mise en service le 13 février 2014.

Système de production d'électricité solaire Ivanpah

La production annuelle de ce SPP couvre la consommation de 140 000 ménages. Installation de 173 500 miroirs héliostatiques concentrant l'énergie solaire sur des générateurs de vapeur situés sur trois tours solaires centrales.

En mars 2013, un accord a été signé avec Bright Source Energy pour construire une centrale électrique Brûlé en Californie, constitué de deux tours de 230 m (250 MW chacune), mise en service prévue en 2021.

Autres centrales électriques à tour solaire opérationnelles : Solar Park (Dubaï, 2013), Nur III (Maroc, 2014), Crescent Dunes (Nevada, États-Unis, 2016), SUPCON Delingha et Shouhang Dunhuang (Kathai, toutes deux 2018.), Gonghe, Luneng Haixi et Hami (Chine, tous 2019), Cerro Dominador (Chili, avril 2021).

Une solution innovante pour l'énergie solaire

Étant donné que cette technologie fonctionne mieux dans les zones à forte insolation (rayonnement solaire), les experts prédisent que la plus forte croissance du nombre de centrales solaires à tour se produira dans des endroits comme l'Afrique, le Mexique et le sud-ouest des États-Unis.

On pense également que l'énergie solaire concentrée a de sérieuses perspectives et qu'elle peut fournir jusqu'à 25% des besoins énergétiques mondiaux d'ici 2050. Actuellement, plus de 50 nouveaux projets de ce type de centrales électriques sont en cours de développement dans le monde.