Les centrales solaires à concentration, une solution pour la production massive d électricité verte?

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1 Les centrales solaires à concentration, une solution pour la production massive d électricité verte? Alain FERRIERE (PROMES-CNRS, Odeillo) 1

2 Nos ressources et nos besoins énergétiques 2

3 Les origines Archimède, 234 av JC, à Syracuse: une légende! A. Mouchot, 1880, Paris «Si dans nos climats l industrie peut se passer de l emploi direct de la chaleur solaire, il arrivera nécessairement un jour où, faute de combustible, elle sera bien forcée de revenir au travail des agents naturels. Les dépôts de houille et de pétrole s épuiseront sans aucun doute. Il est prudent et sage de ne pas s endormir sur une sécurité trompeuse» Augustin Mouchot, centrales de 30 à 80 MWe m2 cylindro-paraboliques Caloporteur huile C, Cycle Rankine Systèmes hybrides 80% solaire / 20% gaz Emprise au sol : 2 ha / MWe 800 GWh_el /an Coût de production électricité solaire: 0,16 /kwhe Shuman, Meadi (Egypte), : Thémis, Solar One, CESA1, Arnold Goldman, créateur de LUZ 1981: SEGS (Californie) SEGS, Kramer Junction 3

4 Principes de fonctionnement Dish Emissions kgco2/mwh_el Appoint fossile Turbine à vapeur (Cycle Rankine) Chaleur HT Electricité Turbine à gaz (Cycle Brayton) Eau potable Stockage thermique Récepteur/ réacteur HT CRS PT Cycle combiné Froid Générateur (Cycle Stirling) Solution Disponibilité Fraction solaire Sans Stockage 25% 100% Stockage et appoint fossile 60% % Appoint solaire % 10-50% CLFR 4

5 Avantages du stockage et de l hybridation: Accroissement de la disponibilité des centrales Production d électricité garantie en toutes saisons 5

6 Des technologies à haut rendement ηsol-elect ~ 24% ηoptique ~ 75% ηthermique ~ 90% ηcycle ~ 35% 6

7 Impact environnemental et social Filière 1 Tep = 11,7 MWh Emission CO2 [kg CO2/MWhe] Charbon 900 Gaz C-C 400 Photovoltaïque 100 Solaire Thermodynamique <20 Nucléaire 6 Hydraulique 4 Temps de retour énergétique: 5 mois Composants recyclables Création d emplois: 1 MWe installé = 2 emplois directs créés 7

8 Une ressource illimitée, mais ciblée 1% de la surface des zones arides et semi-arides est suffisante pour produire l électricité consommée dans le monde annuellement Source: C. Philibert (1991) Emprise au sol: ha/mw_el 8

9 Importance de la ressource 9

10 Importance de la ressource η 16% η 10% Seuil 10

11 Centrales pilotes et expérimentales pour la R&D 11

12 Les centrales solaires commerciales existent! 12

13 11000 MWe en projet dans le monde ( ) (Source: M. Geyer, Abengoa, 2008) 13

14 Les centrales SEGS en Californie: 354 MWe ( ) 9 centrales de 30 à 80 MWe m2 cylindro-paraboliques Huile gilotherm C, Cycle Rankine Systèmes hybrides 80% solaire / 20% gaz Emprise au sol : 2 ha / MWe 800 GWh_el /an Coût de production électricité solaire: 0,16 /kwhe SEGS, Kramer Junction 14

15 Andasol I et II: 2 x 50 MWe ( ) Guadix (Espagne), SolarMillennium A.G. / ACS Cobra, ~300 M m2 collecteurs cylindro-paraboliques 50 MW cycle Rankine Stockage: Sel «solaire», 60% NaNO3-40%KNO3, tonnes 2 bacs: ø 36 m, h 14 m, 290 C C, 1010 MWh_th 182 GWh_el /an (auxiliaires: 16 GWh_el /an) t CO2 évitées 15

16 PS10: première centrale à tour commerciale, 11 MW_el, génération directe de vapeur PS10: Séville (Espagne), Abengoa Solar, ~35 M Tour + vapeur saturée, Cycle Rankine 11 MW_el Champ solaire m2, 23 GWh_el /an PS20 (160 m) Eureca (45 m) PS10 (115 m) 16

17 Principe de fonctionnement d une centrale solaire à capteurs cylindro paraboliques et caloporteur eau/vapeur: Génération directe de vapeur (DSG) Centrale DISS (CIEMAT, Espagne) Technologie: PT-DSG Projet Inditep (CIEMAT, Espagne) Technologie: PT-DSG 4,7 MWe, cycle Rankine 17

18 Principe de fonctionnement d une centrale solaire à tour à caloporteur sels fondus Centrale Solar Two (USA, ) 12 MWe, cycle Rankine Technologie: sels fondus Champ solaire: m2 Stockage: sels fondus, capacité 3 h Récepteur central Projet Solar Tres (Espagne, 2010) 17 MWe, cycle Rankine Technologie: sels fondus Champ solaire: m2 Stockage: sels fondus, capacité 15 h Bac de sels chauds Bac de sels froids Champ solaire Générateur de vapeur Réseau électrique Groupe turboalternateur Condenseur 18

19 Principe de fonctionnement d une centrale solaire à tour à caloporteur air atmosphérique Centrale Jülich 1,5 MWe, cycle Rankine Technologie : air à P =1 atm Tair = 700 C Champ solaire: m2 Modules du récepteur SolAir testés sur la plate-forme solaire d Almeria 19

20 Principe de fonctionnement d une centrale solaire à tour à caloporteur air pressurisé: système hybride solaire/fossile (ou biomasse) Infos en ligne sur Projet PEGASE à Thémis Production d Electricité par turbine à Gaz et énergie Solaire 20

21 Principe de fonctionnement d une centrale solaire à capteurs linéaires de Fresnel et caloporteur eau/vapeur: Génération directe de vapeur (DSG) Fresdemo SPG / Man Ferrostal 500 kw (PSA Espagne) Novatec Biosol (Espagne) 2 MW_el Ausra USA 21

22 Principe de fonctionnement d une centrale solaire à technologie mixte : cylindro-parabolique pour la production directe de vapeur saturée hybride centrale à tour/fossile pour la production directe de vapeur surchauffée Projet EURECA Abengoa Solar (Espagne) Génération de vapeur surchauffée Héliostats Vapeur Stockage de vapeur saturée Chaudière Turbine à vapeur Champ de miroirs cylindro-paraboliques 22

23 Principe de fonctionnement d un convertisseur parabole-stirling : production décentralisée d électricité (et de chaleur) Infinia Corp (USA) 3 kwe Stirling Energy System (USA) 25 kwe SBP (Europe) 10 kwe SunMachine (All) 2,5 kwe 23

24 L Espagne: un exemple pour l Europe 11 MWe Plateforme Abengoa Solar à Seville 20 MWe 24

25 Plateformes Européennes d expérimentation Plateforme Solaire d Almeria (Espagne, CIEMAT) 25

26 Plateformes Européennes d expérimentation Plateforme Solaire THEMIS (France, Pyrénées-Orientales) Centrale solaire Thémis, Projet PEGASE à Thémis Cycle à gaz, T>700 C, 2 MWe 1ère centrale expérimentale à tour et sel fondu, 450 C 2,5 MWe 26

27 Plateformes Européennes d expérimentation Plateforme Solaire THEMIS (France, Pyrénées-Orientales) Pilotes/démonstrateurs de systèmes avec poursuite du soleil Applications: PV, PVC, CSP, Solar fuels 27

28 Réduction des coûts du CSP ( MWe) (+600 MWe/an) Source: ECOSTAR,

29 Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques? Collecteurs: miroirs, structures, héliostats Matériaux réfléchissants réflectivité accrue (>94%) Revêtements protecteurs durée de vie accrue (>20 ans) Mécanismes et motorisations robustesse, fiabilité, diagnostic Concepts de nouveaux dispositifs optiques efficacité optique Beam-down Coût visé: < 150 /m2 Sener (E), WIS (IL) Multi-tours Heliostat Sener BrightSource (USA) / Luz II (IL) E-solar (USA) Heliostat Luz II WIS PCHA (PSA CIEMAT) Eurotrough Ganged heliostats (Source: BrigthSource) 29

30 Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques? Stockage (thermique, chimique) et fluides de transfert Matériaux: PCM, verres, céramiques, liquides ioniques Systèmes: 1 réservoir, 2 réservoirs, stratification, renforcement Concepts: échangeur-stockeur, réaction renversables Coût visé pour le stockage: <20 /kwh_th PS10 Réservoirs d eau pressurisée 250 C, >40 b 15 MWh_th Andasol Source: Abengoa Solar 1020 MWh_th, tonnes de sel fondu (290 C C) 30

31 Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques? Récepteurs (absorbeurs) Matériaux HT: SiC T > 800 C Revêtements sélectifs, anti-réflecteurs αsol > 96%, ε < 6% Concepts: volumétriques, plaques, canaux rendement accru (η > 90 %) Source: Heatric Source: SCHOTT Source: ENEA Source: DLR 31

32 Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques? Systèmes Intégration des composants Stockage Hybridation CSP + dessalement CSP + chaleur ou froid Analyse des systèmes évaluation des performances refroidissement à air Polygénération Conduite des systèmes aide à l exploitation optimisation énergétique optimisation économique Analyse de cycle de vie Couplage usine de dessalement et centrale électrique à Fujeirah (Emirats Arabes Unis) (MSF RO: m3/jour) 32

33 Conversion photovoltaïque sous haute et très haute concentration du flux solaire Intérêt: Réduction significative du coût de l électricité produite Possibilité d utiliser des cellules très performantes (très chères) dans la mesure ou la surface requise est très petite Amélioration du rendement de conversion sous concentration du flux solaire Mais: Pertes résistives Hystérésis des jonctions Tunnel (III-V multi-jonctions) Température du système Précision de suivi du soleil 33

34 Production mondiale d énergie primaire The AIE SD-Vision scenario: World Total Primary Energy 1000 EJ = 23,7 Gtep = TWh Une vision de Shell Energy to 2050: scenario for a sustainable future (2007) Une vision de l AIE Shell Energy scenarios to 2050 (2008) 34

35 Développement des énergies renouvelables: Scénario Blue Map de (AIE) Source : Energy Technology Perspective 2008, AIE - Synthèse disponible sur : L électricité solaire thermodynamique (CSP) en 2050 : 2500 TWh de production par an 13 % de la production ENR mondiale 1250 GW installé (disponibilité 2000 h par an) 35

36 Le point de vue des industries CSP Européennes Source: ESTELA 36

37 Etude MED-CSP: zones d exclusion du CSP 37

38 Etude MED-CSP: potentiel de production d électricité dans le bassin Méditerranéen 38

39 Etude MED-CSP: production d électricité en Afrique du Nord et Proche Orient 39

40 Un scénario «vert» pour l Europe: Desertec et TRANS-CSP 40

41 «Si le rayonnement solaire constitue une partie du problème, il doit pouvoir contribuer à sa solution» C. Philibert, AIE 41