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Des particules fluidisées font monter la température dans une nouvelle conception de l’énergie solaire

Une énergie solaire propre avec stockage peut aider l’Europe à réduire ses émissions et à assurer un approvisionnement en électricité sûr et rentable. Des recherches financées par l’UE suggèrent que les particules de cristaux fluidisés constituent une alternative plus avantageuse que les sels fondus en tant que moyen de transfert et de stockage de la chaleur.

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Les centrales à énergie solaire concentrée (CSP) de pointe actuelles utilisent des récepteurs centraux avec plusieurs options concernant les fluides de transfert de chaleur (HTF pour heat transfer fluids) et les moyens de stockage. Habituellement, ces matériaux et procédés sont envisagés séparément, chacun avec ses contraintes spécifiques. Les sels fondus ont cependant été occasionnellement utilisés à la fois comme HTF et comme moyen de stockage de l’énergie thermique. La stabilité chimique des sels fixe la limite supérieure de la température de travail à 565 °C, limitant le rendement de conversion de la chaleur en électricité à environ 42 %. Le projet NEXT-CSP, financé par l’UE, utilise des particules réfractaires fluidisées (résistantes à la décomposition thermique) à la fois comme HTF et comme moyen de stockage. Elles font monter la température de fonctionnement jusqu’à 750 °C et devraient augmenter considérablement l’efficacité des installations de CSP.

Une tour au-dessus du lot

NEXT-CSP a choisi l’olivine (la source du péridot), un silicate naturel de magnésium et l’un des minéraux les plus courants sur Terre, pour créer les particules des HTF. Une utilisation efficace des particules a cependant nécessité des innovations techniques importantes, notamment le développement d’une technologie de récepteur solaire adaptée et d’un nouvel échangeur thermique composé de 1 300 tubes dans lesquels circule l’air comprimé du compresseur de la turbine à gaz, ainsi qu’un cycle combiné avancé. La technologie est intégrée dans un système de tour à CSP comprenant le récepteur solaire, l’accumulateur de chaleur, l’échangeur thermique, la turbine à gaz et l’accumulateur de froid. Le coordinateur du projet, Gilles Flamant, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) français, explique: «Au sommet de la tour, les fluides HTF de l’accumulateur de froid sont chauffés par la lumière du soleil réfléchie sur le récepteur multitubulaire nouvellement conçu. Ils se déplacent vers le réservoir chaud où ils peuvent être stockés jusqu’à leur utilisation. À ce stade, ils passent par l’échangeur thermique où la chaleur est transférée des particules à l’air comprimé pour alimenter la turbine.» Surmontant les défis liés aux limitations d’espace et de poids au sommet de la tour, tous les composants ont été installés et approuvés au sommet de la tour solaire de 5 MW THEMIS en France.

Ajouter des tours et augmenter la puissance de la future installation commerciale

Pour la centrale électrique à l’échelle commerciale (150 MW), les scientifiques ont adopté un concept de multi-tours destiné à faire passer le rendement global du cycle des centrales solaires typiques de 42 % à 48,8 %. La tour peut également fonctionner comme une centrale solaire de «pics», stockant la chaleur absorbée pendant la journée pour la restituer le soir lors des pics de demande d’électricité, lorsque le coût de l’électricité est également le plus élevé. Gilles Flamant conclut: «Dans ces conditions, nous prévoyons que le rendement nominal de la centrale solaire à particules fluidisées sera supérieur d’environ 20 % à celui des tours de sel fondu de pointe actuelles. La conception devrait également permettre de réduire les coûts d’électricité d’environ 25 % et de diminuer considérablement le coût lié au moyen de stockage. Nous avons démontré avec succès que les particules solides peuvent présenter une alternative importante et rentable aux liquides pour la collecte et le stockage de l’énergie solaire dans les centrales héliothermoélectriques.» La technologie innovante de NEXT-CSP a obtenu un brevet mondial. Sa commercialisation devrait débuter dans la décennie à venir, en approvisionnant les consommateurs avec une électricité solaire propre et sûre, un stockage de l’énergie thermique plus écologique pour l’environnement que les batteries électrochimiques, et un avantage concurrentiel dans l’industrie des CSP.

Mots‑clés

NEXT-CSP, solaire, chaleur, puissance, électricité, CSP, tour, particules, fluidifié, sels fondus, milieu de stockage, échangeur thermique, centrale solaire de pic, énergie solaire concentrée

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