Les tours solaires Deux approches pour utiliser l énergie du soleil

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1 Les tours solaires Deux approches pour utiliser l énergie du soleil Énergies renouvelables, ENSTA ParisTech Pablo González Gascón y Marín Guillermo Gómez Fontecha Ole Geisen

2 Index Index des figures... 2 Index des tableaux Introduction La cheminée solaire Le principe Le dimensionnement Les projets... 6 Le prototype de Manzanares... 6 Le projet de Borunga Conclusion La tour solaire thermique Le principe... 8 Les conditions de faisabilité Les composants... 9 Le Champ d héliostats... 9 Le récepteur La tour Système d accumulation de vapeur Turbine à vapeur : Système de refroidissement : Systèmes auxiliaires Les projets Economie /Coûts : Vente de l Énergie De la PS10 à la PS Impact sur l environnement : Idée d opération Délais de construction Avantages L Avenir Conclusion Comparaison Sources

3 Index des figures Fig. 1: Principe d'une cheminée solaire... 4 Fig. 2: Stockage de chaleur (SBP)... 4 Fig. 3: Résultats d'une simulation réalisée par SBP pour une centrale de 200 MW, située loin de l'équateur... 5 Fig. 4: Le prototype de Manzanares ( 6 Fig. 5: La cheminée d'enviromission... 7 Fig. 6: Principe d'une tour solaire thermique... 8 Fig. 7: Le champ d'héliostats... 9 Fig. 8: La tour avec le récepteur Fig. 9: Stockage de la vapeur Fig. 10: Système de refroidissement Fig. 11: Système de nettoyage des miroirs Fig. 12: Construction de la PS Fig. 13: Schéma du projet Solugas Index des tableaux Tableau 1: Données des tours solaires, selon Schlaich Bergemann und Partner... 6 Tableau 2: Données du prototype de Manzanares... 7 Tableau 3: Données du projet de Borunga... 7 Tableau 4: Caractéristiques du projet PS Tableau 5: Comparaison des technologies

4 1 Introduction La plus grande partie de l électricité consommée dans le monde aujourd hui est produite à partir de ressources fossiles. Or, beaucoup d estimations indiquent qu à la consommation actuelle, les réserves de pétrole, de gaz naturel et de charbon vont s épuiser dans le siècle à venir. Il est donc temps de trouver d autres moyens de produire de l électricité. Fig. 1: Réserves en énergie fossile, d'après BP Statistical Review of World Energy 2010 ( De plus, brûler des ressources fossiles pour produire de l énergie a un impact considérable sur l environnement. Le réchauffement climatique (de 2 à 5 C jusqu en 2100, fig. 2) et l épuisement des ressources fossiles sont des réalités qui doivent être prises en compte lors de la production d électricité du futur. Il faut donc développer des moyens d exploiter les énergies renouvelables. De loin la plus grande partie de l énergie terrestre provient du soleil (99,9%). Il rayonne une énergie d environ 5,6x10 24 J par an sur la terre. Ce projet va présenter deux manières innovantes de capturer l énergie thermique du soleil pour la transformer en électricité. Elles ont une architecture similaire mais reposent sur des principes différents. Fig. 2: Le changement climatique ( 3

5 2 La cheminée solaire Personne contactée: Gerhard Weinrebe, Schlaich Bergemann und Partner (SBP), Stuttgart, Allemagne 2.1 Le principe Les cheminées solaires sont des centrales électriques qui utilisent la force d un courant d air ascendant. L air est chauffé par effet de serre dans un collecteur exposé au soleil. Sa masse volumique baisse et l air est accéléré et amené vers le milieu du collecteur, où il monte dans la cheminée en passant par des turbines (fig. 1). Celles ci transforment l énergie de l écoulement en énergie mécanique et actionnent des générateurs pour produire de l électricité. Fig. 1: Principe d'une cheminée solaire Le principe de la cheminée solaire a été développé par l espagnol Isidoro Cabanyes en L allemand Jörg Schlaich a développé et construit la première et unique centrale de ce genre à Manzanares, en Espagne. Le rayonnement du soleil chauffe l air et le sol sous le toit vitré. Pour augmenter l inertie thermique de la centrale, il est possible d installer au sol des tuyaux remplis d eau (fig 2). Ceci permet de produire de l électricité aussi pendant la nuit (fig. 3). Fig. 2: Stockage de chaleur (SBP) 4

6 Fig. 3: Résultats d'une simulation réalisée par SBP pour une centrale de 200 MW, située loin de l'équateur 2.2 Le dimensionnement Les formules utilisées ci contre reposent sur des calculs et des essais réalisés par SBP. La puissance d une tour solaire peut être exprimée en fonction de l énergie solaire et des rendements du collecteur, de la cheminée et des turbines: L énergie solaire Q solaire apportée au système se calcule par le rayonnement solaire par m 2 sur une surface horizontale R hor et la surface totale du collecteur A coll : La tour transforme l énergie thermique gagnée par le collecteur en énergie mécanique. La colonne d air dans la tour est plus légère que l air extérieur. Une différence de pression entre l entrée de la tour et la sortie est ainsi créée: g H ρ e ρ i Gravitation Hauteur de la cheminée Masse volumique de l air extérieur Masse volumique de l air à l intérieur de la tour 5

7 Ainsi la difference de pression Δp dépend de la hauteur de la tour de façon linéaire. La puissance de l écoulement est exprimée en fonction de la difference de pression Δp, de la vitesse moyenne de l air dans la cheminée v chem et de l aire de la cheminée A chem : é La vitesse maximale de l air se calcule en fonction de la différence de température T = T 1 T 0 et de la hauteur de la cheminée : 2 La gravité g et la chaleur spécifique de l air c p sont des facteurs du rendement de la cheminée : Ceci montre une particularité des tours solaires : Le rendement de la cheminée ne dépend que de sa hauteur. Toute solution économique doit donc disposer d une tour d une hauteur importante. La relation entre la puissance fournie et la taille de la centrale est montré dans le tableau 1. Tableau 1: Données des tours solaires, selon Schlaich Bergemann und Partner Puissance nominale MW Hauteur de la tour m Diamètre de la tour m Diamètre du collecteur m Électricité produite A GWh/a Prix de production B /kwh 0,28 0,16 0,11 0,08 A Sur un site avec un rayonnement solaire de 2300 kwh/(m 2 a) B Amortissement linéaire sur 20 ans, avec un taux d intérêt de 6 % 2.3 Les projets Le prototype de Manzanares La tour solaire construite en 1982 à Manzanares, en Espagne, sous la direction de l ingénieur allemand Jörg Schlaich, est jusqu à présent le seul projet réalisé. Elle restait en service jusqu en Sa cheminée consistait en tubes de tôle d une épaisseur de 1,25 mm, rigidifiés tous les 4 m par des poutres en treillis. Elle était tenue par des câbles en acier. Le prototype a démontré la viabilité technologique du projet. Il était utilisé à des fins de recherche et ne parvenait pas à produire de l électricité à un prix compétitif. Il a produit pendant 8,8 heures par jour en moyenne. Fig. 4: Le prototype de Manzanares ( 6

8 Tableau 2: Données du prototype de Manzanares Hauteur de la tour 194,6 m Diamètre de la tour 10,16 m Diamètre du collecteur 244 m Hauteur moyenne du toit 1,85 m Différence de température dans le collecteur T 20 C Puissance électrique nominale 50 kw Surface du collecteur en membrane plastique m 2 Surface du collecteur en verre m 2 Le projet de Borunga Le projet le plus ambitieux aujourd hui est celui de Borunga, en Australie. Il est développé par la société EnviroMission en collaboration avec le bureau d ingénierie civile allemand SBP (Schlaich Bergemann und Partner). La centrale aura une tour de 1000 m de hauteur en béton armé et un diamètre du collecteur de 7000 m. Elle devrait fournir 200 MW de puissance électrique. Les coûts d investissements sont estimés à 400 millions d euros, ce qui correspond à environ 2 euros par Watt installé. Fig. 5: La cheminée d'enviromission Comme l électricité produite par la tour solaire est estimé quatre fois plus chère que celle d une centrale thermique au charbon, les développeurs d EnviroMission comptent sur les revenus du tourisme, attiré par la plus haute structure du monde, pour rendre l énergie produite compétitive. Tableau 3: Données du projet de Borunga Hauteur de la tour 1000 m Diamètre de la tour 120 m Diamètre du collecteur 7000 m Hauteur moyenne du toit 1,85 m Température de l air chauffé 70 C Puissance électrique nominale 200 MW Puissance nominale des 32 turbines 6,25 MW Prix de production de l électricité 0,08 /kwh Prix d investissement 2 /W Il semble à présent peu probable que le Projet de Borunga se réalise. La valeur marchande de l action de l entreprise à l Australian Securities Exchange (ASX) est 0,05$ depuis plus d un an, selon le site officiel d EnviroMission. Les personnes contactées n ont pas répondu à nos mails, les travaux, prévus pour 2010, n ont pas commencés et l entreprise est apparemment toujours à la recherche d investisseurs. 7

9 2.4 Conclusion Bien que les cheminées solaires partent d un principe très simple et reposent sur des technologies bien maîtrisées (serre, turbines, cheminée), la taille d un projet économiquement intéressant est énorme, ce qui présente des risques considérables pour les investisseurs. Car la tour d 1 km de hauteur serait la structure autoportante la plus haute jamais construite (la plus haute cheminée du monde mesure 419,7 m). Sans la construction d une centrale de taille moyenne de quelques mégawatts, qui pourrait rassurer les investisseurs, le financement d un grand projet comme celui de Borunga semble impossible. 3 La tour solaire thermique Personnes contactées : Rodolfo Prados Carlos Aresti Visite du site d Abengoa Solar à Sanluca la Mayor, Espagne 3.1 Le principe Une tour solaire thermique est une centrale électrique qui concentre le rayonnement du soleil à l aide de miroirs réglables, pour ainsi chauffer de l eau qui se vaporise. La vapeur d eau va ensuite actionner une turbine. Fig. 6: Principe d'une tour solaire thermique 8

10 Les conditions de faisabilité Une irradiation solaire minimale (2000 kw/(m 2 a)) Une surface plane pour éviter les ombres Accès facile au réseau électrique 3.2 Les composants Le Champ d héliostats Les héliostats permettent de capturer la radiation solaire et de la diriger vers le récepteur. Ils sont orientés vers la tour selon sa distance et la position dans le champ d héliostats pour optimiser la concentration de la radiation solaire. Le mouvement des héliostats est automatisé et il dépend du calendrier solaire. De cette manière les héliostats restent toujours orientés vers le récepteur qui est situé dans le haut de la tour. Il y a une machine pour déplacer les miroirs qui a une capacité de 60 miroirs par jour. Comme ils doivent s orienter très souvent on peut utiliser seulement le 80% des héliostats pour générer la puissance nominale (Donc, l autre 20% peut être en lavage ou en révision). Chaque héliostat a un miroir courbé avec une surface de 121 m² qui est placé sur une structure en acier. Ils sont construits en acier et verre donc ils sont 100% recyclables. Fig. 7: Le champ d'héliostats 9

11 A Séville il y a du soleil pendant 2100 heures par an avec une irradiation de 2120 kwh/(m 2 a) (Dans le désert d Atacama il y a 4200 heures /an et dans le Sahara il y a 3600 heures/an). On peut travailler 300 jours/an à pleine puissance, 60 jours par an à plus basse puissance (30% environ) et 5 jours/an à puissance nulle. S il pleut trop fortement, ou s il grêle (c est très rare) les miroirs se positionnent en vertical. Par contre, si le vent est trop fort, les miroirs se positionnent en horizontal. Le récepteur Il est placé dans le haut de la tour et il transmet la chaleur provenant du champ d héliostats à un fluide de travail (normalement eau ou sels fondus). En fait, le récepteur fonctionne comme une chaudière qui génère la vapeur d eau directement à 250 C et 40 bars. Cette vapeur fait tourner la turbine. Pendant l opération à pleine puissance le récepteur reçoit 55 MWt d irradiation solaire (PS10). Il est constitué de quatre panneaux verticaux 12x5,4 m² qui forment un cylindre avec une surface d échange de chaleur 260 m² Fig. 8: La tour avec le récepteur La tour Elle a 100 m de haut pour éviter les ombres et les blocages. Elle est construite en béton. Là haut est placé le récepteur qui est isolé thermiquement pour protéger la structure de la tour car il atteint de très hautes températures. Au bout de la tour est placé le système de balisage avec trois lumières clignotantes. A l'intérieur de la tour sont situées les tuyauteries. Pour monter la vapeur de la branche froide il faut une pompe. 10

12 Système d accumulation de vapeur Cette tour est conçue pour produire un excès d énergie pendant les heures avec un maximum d irradiation solaire (au matin). Une part de la vapeur se dévie vers un réservoir où se stocke à 40 bars et 300 C. Il y a aussi des réservoirs de sels fondus qui se stockent à 300 C et 400 C. Avec une combinaison des réservoirs de la vapeur et des réservoirs de sels fondus ils peuvent faire tourner la turbine pendant 6 7 heures dans la nuit ou apporter une part de l énergie pendant les heures avec un minimum d irradiation solaire (nuages aussi) ou pendant opérations stratégiques spéciales. Fig. 9: Stockage de la vapeur Turbine à vapeur : La turbine est placée dans le rez de chaussée et elle a une puissance de 11 MW (PS10). La radiation solaire qui arrive au récepteur est 55 MW donc le rendement de la centrale est 20% environ. Système de refroidissement : On utilise une tour de refroidissement pour refroidir la vapeur qui sort de la turbine. Il est un cycle de refroidissement fermé. Systèmes auxiliaires La chaudière auxiliaire aide à maintenir stable le système d accumulation. Elle s utilise aussi pour le démarrage et l arrêt de la centrale. Cette chaudière peut brûler le 12 15% de gaz naturel à cause de la loi actuelle. La station de traitement d eau industrielle déminéralise l eau nécessaire pour le cycle de puissance de la centrale. Cette eau s utilise aussi pour nettoyer les héliostats pendant la période de lavage ou révision. Fig. 10: Système de refroidissement Le système de contrôle est celui qui permet déplacer les héliostats selon la position du soleil. Est constitué par 1281 régulateurs qui sont interconnectés avec Km de fibre optique. Le but des régulateurs est de s orienter Fig. 11: Système de nettoyage des miroirs de la façon le plus précise possible. Il y a une salle de contrôle où on supervise le fonctionnement de la centrale. 11

13 3.3 Les projets La société Abengoa a construit deux tours solaires thermiques, la PS 10 avec une puissance de 11kMW et la PS20 avec une puissance de 22 MW. Tableau 4: Caractéristiques du projet PS10 Endroit Sanlúcar M. (Sevilla), Lat 37.4º, Long 6.23º Puissance nominale 11.2 MW Hauteur de la tour m Technologie du récepteur Vapeur Saturée Géométrie du récepteur Cavité 180º, 4 Panneaux 5,40m x 12,00m Héliostats (miroirs) 624 Surface : 121m 2 Technologie de Stockage Eau/Vapeur Capacité de stockage 20MWh, 50min Cycle de vapeur 40bar 250ºC, 2Pressions Génération électrique 6,3KV, 50Hz > 66kV, 50Hz Surface 55 Hectares Production annuelle d électricité 23.0 GWh Economie /Coûts : PS 10 Le coût d investissement total est de 35 millions d euros. Dû à ses caractéristiques innovantes, le projet a reçu de diverses subventions : La Commission Européenne a donné 5 million via DG TREN (Directorate General for Transport and Energy). Le gouvernement régional («Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa») a donné 1.2 millions d euros. Pour l amortissement total de la tour, c est nécessaire que le prix de l énergie soit de 0.18 /Kwh. Finalement, Abengoa Solar a prévu un temps d amortissement de 7ans. PS 20 L investissement de la PS20 a été fait par un syndicat de différentes banques : «Caja Madrid», «Natixis», «le Banque Européenne d Investissements» et «la Caisse des Économies de la Méditerranée». Le coût d investissement est confidentiel. Vente de l Énergie Abengoa vend de l Énergie a l entreprise Endesa. Pour le faire, ils doivent annoncer la quantité exacte et le régime auquel ils vont produire cette énergie. S ils produisent plus ou moins que cette annonce, ils doivent payer une pénalité. C est pour ça qu Ils ont une station météo pour estimer le 12

14 rayonnement. Ils font l estimation en bas. Donc, s ils produisent finalement plus, ils arrêtent la centrale pendant un certain temps. L énergie est vendue à 0.41 /kwh. Le prix de vente entre Abengoa et Endesa est de 0.23 /kwh, mais ils ont une prime de 0.18 /kwh que donne l État. L électricité produite par les deux tours est vendue au même prix. Le coût de production du kwh est confidentiel. De la PS10 à la PS20 La nouvelle tour solaire PS20 utilise le même principe de fonctionnement que la PS10. Après la réussite de la PS10, la nouvelle tour a une capacité supérieure (22MW). Sa hauteur est de 165 mètres et il dispose d un champ solaire de 1255 héliostats. Chaque héliostat a 120 m 2 de surface. La surface totale est de m 2 et le champ solaire occupe 85 hectares. En plus, la PS20 n a pas seulement augmenté sa puissance, mais ellle a aussi incorporé de nouveaux aspects techniques : Le récepteur a un nouveau design de circulation naturelle. Ainsi, il y a une meilleure exploitation du rayonnement incident, et une réduction de l autoconsommation. Le contrôle des héliostats a été amélioré. Si on augmente la distance miroir récepteur, on a besoin d une précision exceptionnelle. Abengoa a fait un traitement spécial pour obtenir le rayon de courbure nécessaire pour les derniers miroirs. Impact sur l environnement : Ils ont reçu deux visites de Greenpeace. L impact sur l environnement est zéro. Idée d opération La tour solaire est une technologie développée pour couvrir les piques de demande énergétique. Pendant les dernières années, la consommation a augmenté en été, et maintenant elle est plus grande qu en hiver. Si on analyse la demande électrique en cette saison, on réalise que les piques se produisent quand il fait chaud et le ciel est dégagé, à cause d une forte utilisation de la climatisation. C est en ce moment que la tour fonctionne à pleine puissance. Délais de construction PS20 : Début de la construction : Novembre 2006 Adjudication du contrat : Fournisseur et mise en œuvre du turbogroupe. Décembre 2006 Mise en œuvre du récepteur solaire : Novembre 2008 Mise en œuvre du turbogroupe : Janvier 2009 Fin de la construction : Avril

15 Fig. 12: Construction de la PS20 Avantages 1) Amélioration de l efficacité due à l augmentation de la concentration. La concentration est supérieure à la technologie photovoltaïque à cause car elle se fait en trois dimensions (toute le rayonnement solaire reçoit est concentrée en un seul point). 2) On peut stocker de l énergie avec les réservoirs de la vapeur. 3.4 L Avenir Abengoa a construit une troisième tour solaire de 2MW pour la R&D. Dans cette tour, ils testent la faisabilité d augmenter le rendement de la centrale par l utilisation de la vapeur réchauffée à 500ºC et 100 bars. C est clair que cette technologie est encore très chère, et qu elle a besoin d aide de l État pour être faisable. Cependant, un nouveau projet d Abengoa, appelé «Solugas», prévoit la combinaison de la tour solaire avec d autres technologies énergétiques. Son principal objectif est l introduction de la tour solaire dans le cycle Brayton. On utilise la concentration du rayonnement solaire pour chauffer un gaz qui est ensuite amené vers une turbine à gaz. Ceci augmente le rendement du cycle combiné. 14

16 Fig. 13: Schéma du projet Solugas 3.4 Conclusion La technologie de la tour solaire thermique présente un moyen d exploiter la chaleur du soleil. Les investissements de départs sont importants mais prévisibles, et ils permettent de produire une électricité propre et renouvelable. Pour amortir les coûts de construction de la centrale, des subventions de l État sont nécessaires, pour vendre l électricité à un prix compétitif. C est une bonne alternative à d autres formes d énergies renouvelables, mais elle est limitée par les conditions climatiques nécessaires à son fonctionnement. 4 Comparaison Le photovoltaïque est le moyen le plus répandu et le plus mature d utiliser l énergie solaire. Il a le grand avantage de pouvoir transformer l énergie du soleil directement en électricité, ce qui permet son installation sur de petites surfaces comme par exemple sur des toits de maisons. Les tours solaires sont des centrales thermiques, dont le rendement dépend de la taille. Une production à petite échelle n est pas envisageable. Les centrales utilisant l énergie thermique sont capables de la stocker et donc de produire à pleine puissance quand il y a des nuages pendant quelques heures. Mais dans des régions chaudes avec un rayonnement solaire puissant, les centrales solaires thermiques ont un meilleur rendement que le photovoltaïque et permettent de produire plus d électricité. Toutes les techniques d exploitation directe de l énergie solaire produisent encore à un prix non compétitif comparé aux méthodes traditionnelles et doivent être subventionnées. Tableau 5: Comparaison des technologies Cheminée solaire Tour solaire à concentration PS20 Photovoltaïque Puissance nominale 5 W/m2 26 W/m W/m 2 Prix d installation (puissance de pointe) 2 /W 3,2 /W 3 /W 15

17 5 Sources Gerhard Weinrebe, Schlaich Bergemann und Partner, Stuttgart Erneuerbare Energien, Thomas Bührke, Wiley VCH, 2007 Rodolfo Prados et Carlos Aresti, Abengoa Solar Hervé le Treut, Semaine Athens sur le changement climatique 16

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