Prototypage d’une petite centrale solaire à concentration
La technologie solaire à concentration (Concentrated Solar Power, CSP) s’appuie sur des miroirs ou des lentilles pour concentrer la lumière du soleil dans un récepteur, avant de la convertir en chaleur pour alimenter des moteurs qui produisent de l’électricité. Les centrales CSP à petite échelle, en générant des dizaines ou des centaines de kilowatts d’électricité, pourraient se révéler idéales pour les foyers, les petites entreprises isolées ou même les pays en développement. Cependant, contrairement aux solutions photovoltaïques, en raison des défis techniques et des coûts d’investissement élevés, le CSP est relativement lent à se développer. Le projet POLYPHEM, financé par l’UE, a permis de prototyper la plupart des composants nécessaires à une centrale solaire à petite échelle, certains étant désormais prêts à être commercialisés. Des outils de modélisation numérique permettant d’optimiser la conception de la centrale et d’évaluer ses performances ont également été mis au point. «Nous sommes très fiers de la capacité de notre preuve de concept à générer de l’énergie de manière flexible, en mode solaire uniquement, dans des scénarios d’offre et de demande fluctuantes», déclare Alain Ferrière, coordinateur du projet POLYPHEM.
Cycle thermodynamique hybride
POLYPHEM fonctionne sur la base d’un cycle thermodynamique combiné. Dans le cycle supérieur, un récepteur solaire pressurisé à haute température, situé au sommet d’une tour, capte le rayonnement solaire concentré par des miroirs, ce qui alimente une turbine à gaz pour produire de l’électricité. La chaleur d’échappement est récupérée par une huile thermique et stockée dans un réservoir en béton. L’huile chaude en haut exerce une pression verticale sur la couche thermocline, une zone intermédiaire séparant le liquide chaud du liquide froid situé dessous. Le cycle inférieur s’appuie sur une machine à cycle organique de Rankine pour produire lui aussi de l’électricité. Ici, la chaleur évacuée depuis le réservoir de stockage inverse le flux d’huile, faisant remonter la thermocline. «Un simple réservoir de stockage de la thermocline avec une énergie thermique chaude et froide est beaucoup moins cher qu’un système conventionnel à deux réservoirs, et la solution à deux cycles permet à la centrale de continuer à produire de l’électricité pendant les périodes de faible ensoleillement, ce qui augmente sa capacité», ajoute Alain Ferrière, du CNRS, hôte du projet.
Prototypage et tests
L’équipe a développé la plupart des composants nécessaires à une centrale, notamment une turbine à gaz de 60 kilowatts et une machine à cycle organique de Rankine de 23 kilowatts. L’unité de stockage d’énergie thermique mise au point, capable de délivrer 2 500 kilowattheures, consiste en un seul réservoir contenant 22,8 tonnes de briques de béton et 7 600 kilogrammes d’huile thermique synthétique entre 110 et 330 °C. La conception du récepteur solaire s’appuie sur des matériaux métalliques déjà expérimentés par le CNRS et le CEA. Tous les composants, à l’exception du récepteur solaire et de la turbine à gaz, ont été expédiés en France et installés chez bit.ly/3XvlyW5 (Themis). La micro-turbine à gaz et le générateur ont été testés sur banc d’essai durant six mois, totalisant plus de 40 heures de fonctionnement, et ont atteint une température d’entrée de turbine de 700 °C et une vitesse de turbine de 52 000 tours par minute. Le lit de remplissage du stockage thermique a été testé avec succès dans un réservoir à thermocline contenant de l’huile thermique pendant cinq mois et pour 59 passages. Le matériau en béton, la conception des briques et les motifs du lit de remplissage ont tous été validés, tout comme le comportement de la thermocline dans tous les modes opérationnels. «Pour des raisons techniques, le récepteur solaire n’a pas été livré, par conséquent, nous n’avons pas pu terminer le programme complet de tests de l’usine», explique Alain Ferrière. «Mais les autres composants sont prêts pour le développement commercial, comme l’échangeur de chaleur gaz-liquide, disponible pour une installation en tant que composant compact.»
Mise sur le marché
POLYPHEM pourrait fournir de l’électricité, de la chaleur, de l’eau propre, etc. dans les sites ensoleillés avec une alimentation électrique décentralisée. Et, en effet, le fonctionnement d’une centrale POLYPHEM commerciale a été simulé au Chili et en Namibie. «Le coût de production d’électricité de POLYPHEM était de 35 % à 45 % inférieur à celui des centrales diesel concurrentes. Cependant, pour rivaliser avec la production d’électricité photovoltaïque, qui coûte un tiers de plus, le coût d’investissement dans le CSP doit être encore réduit», conclut Alain Ferrière. L’équipe a maintenant l’intention de construire et d’exploiter un prototype complet de centrale, comprenant un champ solaire et une tour à l’échelle réelle.
Mots‑clés
POLYPHEM, électricité, turbine, générateur, thermocline, huile, solaire, thermodynamique, photovoltaïque
