Intégration des centrales solaires

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1 Intégration des centrales solaires Cyril Caliot Gilles Flamant

2 Conception La conception d une centrale solaire à concentration et sa stratégie de fonctionnement doivent être pensées pour répondre à un scénario de fourniture d électricité fixé : - Base (7/7 et 24/24) - Semi-base (durées moyennes) - Pointe (pics de consommation) La configuration doit alors être choisie en fixant : - une capacité de production d électricité, - une taille du champ solaire, - et un système de stockage et/ou d hybridation. Enfin, le site d implantation doit permettre une bonne intégration au réseau (services publics).

3 Intégration au réseau Défis de l intégration au réseau électrique 1. Variabilité de la production non contrôlable et tributaire de la ressource solaire : besoin d énergie d appoint, stockage 2. Imprédictibilité partielle : besoin d améliorer les prévisions météorologiques à courts termes (optimiser stratégie du dispatch) 3. Dépendance du lieu de production pour l injection dans le réseau (distance lieu de production/utilisation) : de nouvelles capacités de transmission sont nécessaires

4 Contexte

5 Multiple solaire 1. Taille du champ solaire? 1. Sans stockage : 1. une surface réduite implique que le régime nominal est atteint en de rares occasions (DNI max) 2. une surface étendue permet de fonctionner plus souvent en régime nominal et de produire plus mais coute plus cher La taille du champ résulte donc d un compromis économique. 2. Avec stockage, la taille du champ solaire doit être plus grande pour le remplir. " " = Cycle (génération électrique) é à é SM1 SM2 SM3 SM4 Champ Champ Champ Champ solaire 1 solaire 2 solaire 3 solaire 4 Stockage 1 Stockage 2 Stockage 3

6 Multiple solaire L utilisation (nbre d h) du bloc de génération de puissance augmente (full load hours)

7 Stockage / Hybridation Stockage 1. Lisser les variations courtes de la ressource (passages nuageux) augmente l efficacité de la turbine qui opère à la puissance nominale 2. Générer de l électricité à la demande (dispachabilité, flexibilité) 1. pour les périodes de pointe (si tarification en pointe intéressante) 2. et stabiliser le réseau électrique (devient nécessaire si plus de sources renouvelables fluctuantes) Hybridation 1. Fonctionnement de la turbine en continu (l hybridation évite les arrêts et redémarrages, efficacité de la turbine) 2. Diminution du coût de l investissement (infrastructure partagée) 3. La centrale est plus indépendante de l ensoleillement

8 Le stockage Fonction : Atténuer les effets des variations brusques de d éclairement solaire Adapter la production à la demande (décalage de la production) Source: Technology Roadmap Solar Thermal Electricity, 2014, IEA

9 Le stockage Différents modes de fonctionnement Lisser les variations Décaler la production

10 Le stockage Différents modes de fonctionnement Génération en continue Génération concentré sur un super pic de demande

11 Le stockage Différents modes de fonctionnement Fournir de l électricité durant les pics de demandes est plus rentable Prix (bleu) Production (rouge) Irradiation (jaune) vs. Heure du jour Fonction : Moderate the effects of sudden changes in solar irradiation Adapt the production to the demand

12 Solutions d hybridation

13 Grandes options Amplification (booster) Assistance (backup)

14 Grandes options Options Assistance Amplification Advantages Inconvénients Sécurise la fourniture d énergie avec la même installation de production N utilise pas tout le potentiel énergétique du combustible pour les cycles à BT Accroît le rendement du cycle thermodynamique (environ 10-15%) Ne permet pas la fonction d assistance en cas de nécessité (solidification)

15 Grandeur de mesure La grandeur de référence est la fraction solaire (solar fraction), qui représente la partie de l énergie totale fournie par le soleil au système. Fraction solaire = énergie apportée par le collecteur solaire / énergie totale apportée à la centrale = ΔH sun / (ΔH sun + ΔH fuel ) La fraction solaire peut varier de 5% à 90% en fonction de la technologie choisie.

16 Grands scénarios Trois scenarios principaux : 1. Faible fraction solaire (5-15%): l installation solaire est associée à une centrale classique (cycle combiné ou centrale à charbon) 2. Grande fraction solaire (50%et plus): le combustible est utilisé pour accroitre le facteur de charge et l opérabilité de la centrale 3. Centrale entièrement renouvelable : énergie solaire et biomasse alimentent le même système thermodynamique

17 Faibles fractions solaires Centrales «ISCC» (Integrated Solar Combined Cycle) : l énergie solaire est injectée dans le cycle vapeur d un cycle combiné (fraction solaire, 10% max pourrait atteindre 20% avec un stockage thermique)

18 Faibles fractions solaires Centrales ISCC en opération Centrale Pays Puissance totale Puissance solaire Kuraymat Egypte 140 MW e 20 MW e Hassi R Mel Algérie 130 MW e 25 MW e Ain Beni Mathar Maroc 472 MW e 20 MW e Martin (FPL) USA 1150 MW e 75 MW e

19 Faibles fractions solaires Injection de chaleur solaire dans une centrale à charbon, fraction solaire de 5 à 10% After F Siros et al., EDF, SolarPACES 2012

20 Faibles fractions solaires Injection de chaleur solaire dans une centrale à charbon, fraction solaire de 5 à 10% After Zhao Y et al. 2013, JSEE 135,

21 Faibles fractions solaires Injection de chaleur solaire dans une centrale à charbon, fraction solaire de 5 à 10% Vue aérienne du projet Kogan Creek. Source: CSEnergy After F Siros et al., EDF, SolarPACES 2012

22 Fortes fractions solaires Amplification : Centrale SHAM1 (100 MW), fraction solaire : 82% 380 C 540 C After O Gobel et al., SolarPACES 2012

23 Fortes fractions solaires Booster de la centrale SHAMS 1 (18% gaz) After O Gobel et al., SolarPACES 2012

24 Fortes fractions solaires Centrale solaire à cycle combiné (concept)

25 Fortes fractions solaires La fraction solaire d une centrale solaire à cycle combiné peut varier de 20 à 90% en fonction du mode opératoire Etude de cas : Centrale de 30 MW produisant 6200 h/an Mode opératoire Indicateurs Fraction solaire (%) kwh (c ) kwh solaire (c ) Sans stockage Stockage 7.5h Stockage 15h La fraction solaire croit avec la réduction de la durée de fonctionnement After Giuliano et al. (2011) JSEE, Vol. 133,

26 Scénarios innovants d hybridation Injection de vapeur solaire dans une turbine à gaz conventionnelle, Steam injection gas turbine (STIG) STIG conventionnelle STIG solaire After Livshits and Kribus (2012) Solar Energy,86, 190

27 Scénarios innovants d hybridation Synergie récupération / énergie solaire dans un cycle combiné After Turchi and Ma (2014) Renewable Energy

28 Scénarios innovants d hybridation Synergie récupération / énergie solaire dans un cycle combiné Fraction solaire de 40 à 65% After Turchi and Ma (2014) Renewable Energy

29 Scénarios innovants d hybridation 40% Solaire 50 % Biomasse 10 % Gaz 22.5 MWe Borges Thermosolar

30 Scénarios innovants d hybridation Production de combustibles à partir d énergie solaire (thermochimie) Energie solaire Electricité Gazéification Gaz de synthèse (= Stockage) Cycle combiné ou synthèse FT Matériau carbonés (biomasse, déchets) Combustibles liquides Fraction solaire : 30%-35%

31 Conclusion Il existe des solutions de stockage thermique massif pour le solaire thermodynamique mais elles sont très peu nombreuses Des alternatives sont au stade du développement L hybridation du solaire thermique avec d autres sources d énergie primaire peut être réalisée par de nombreuses options technologiques qui diffèrent par la fraction solaire obtenue

32 Merci de votre attention

33 Faibles fractions solaires After Zhao Y et al. 2013, JSEE 135,

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