Perspectives du développement de l énergie solaire en U.R.S.S. : conversion thermodynamique en électricité

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1 Perspectives du développement de l énergie solaire en U.R.S.S. : conversion thermodynamique en électricité P.P. Aparissi, I.A. Malevsky, B.V. Tarnijevsky, V.K. Goucev, A.M. Karpenko To cite this version: P.P. Aparissi, I.A. Malevsky, B.V. Tarnijevsky, V.K. Goucev, A.M. Karpenko. Perspectives du développement de l énergie solaire en U.R.S.S. : conversion thermodynamique en électricité. Revue de Physique Appliquee, 1980, 15 (3), pp < /rphysap: >. <jpa > HAL Id: jpa Submitted on 1 Jan 1980 HAL is a multidisciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

2 L examen The Revue Phys. Appl. 15 (1980) MARS 1980, 357 Perspectives du développement de l énergie solaire en U.R.S.S. : conversion thermodynamique en électricité P. P. Aparissi, I. A. Malevsky, B. V. Tarnijevsky, V. K. Goucev (*) et A. M. Karpenko (**) Institut Energétique de G. M. Kryijanovsky (Reçu le 16 novembre 1979, accepté le 19 novembre 1979) 2014 Résumé. des méthodes connues de transformation de l énergie de rayonnement autorise l espoir d une application considérable des centrales solaires. Dès maintenant, l énergie solaire peut devenir un complément manifeste des sources traditionnelles d énergie, surtout dans les régions aménagées récemment, là où de nombreux usagers sont éloignés des réseaux de distribution d énergie et lorsque le prix du combustible importé est élevé. Abstract survey of the wellknown methods on the transformation of radiant energy entitles us to hope for an extensive application of solar power plants. From now on, the solar energy may become undoubtedly a supplementary source of power besides the usual power supplies, especially in areas which have been recently arranged, whereas many users are far away from the distribution networks of energy and when the cost of imported fuel is high. La figure 1 présente les résultats de calcul du coût maximal d une centrale solaire (C.S.) permettant la compétition avec une centrale thermique (C.T.). Il apparaît que la rentabilité économique de la centrale solaire dépend du coût du combustible employé dans la zone considérée et du rendement de la centrale thermique. Par exemple, pour les conditions suivantes : e rendement d une centrale thermique de 0,15 (correspondant à la puissance d une unité de 36 MW), e prix du combustible égal à 70 roubles par tonne, e temps de fonctionnement d une centrale solaire égal à heures par an, l implantation d une C.S. deviendrait rentable si la différence entre le prix global du kilowatt installé dans une C.S. et dans une C.T. ne dépasse pas 650 roubles. Par conséquent, si le prix du kilowatt installé d une C.T. est de 250 roubles, le coût d un kilowatt installé de la C.S. ne doit pas dépasser 900 roubles pour que cette dernière soit compétitive avec la centrale thermique. Les frais d exploitation et d amortissement ont été pris proportionnellement aux investissements pour les deux types de centrale. On remarque donc, que le résultat cidessus laisse une marge de sécurité. La technique moderne rend possible la création des centrales solaires dont la puissance ne paraît pas limitée. Néanmoins, on doit résoudre un certain nombre de problèmes scientifiques et techniques avant que le coût de la conversion de l énergie solaire ne devienne comparable à celui de la production d énergie par les méthodes traditionnelles. Parmi ces problèmes on peut signaler les suivants : e fonctionnement permanent de la C.S. dans des conditions variables du rayonnement solaire, e solidité et coût peu élevé du système optique et du pilotage automatique, e minimisation de la quantité d énergie consommée par les auxiliaires de la centrale, 2022 choix d une filière rationnelle de conversion thermodynamique. Par ailleurs, les solutions de ces problèmes doivent répondre aux conditions d optimisation concernant le niveau de puissance de la centrale, le taux de concentration de l énergie et les caractéristiques du fluide de travail etc. L intérêt, porté pendant les dernières années à l exploitation de l énergie solaire, a favorisé l étude de projets de centrales solaires, de 5 à 10 MW et même de 100 MW, réalisables au cours de la prochaine décennie. La plupart des projets donnent la priorité aux centrales dites de conversion thermodynamique de l énergie. C est avant tout la centrale à tour, dans laquelle un champ des miroirs plans concentre l énergie solaire sur un récepteur placé soit au sommet d une tour spécialement construite, soit sur une élévation naturelle du terrain. La conversion d énergie solaire Article published online by EDP Sciences and available at

3 Comparaison thermosolaire est 358 du coût d installation pour une C.S. et une Fig. 1. C.T. en fonction du prix du combustible et du rendement de la C.T. STAC Sc.T. en cap./kwh. h : temps (en heures) du fonctionnement de la C.S. UT : prix du combustible (en roubles/t). 1 : rendement de la C.T. âk différence des prix d un kilowatt (roubles/kw). peut être basée soit sur un cycle à vapeur, soit sur l utilisation d un autre fluide de travail avec des turbines appropriées. L étude théorique du modèle de la centrale à tour a été confiée à l Institut Energétique de Kryijanovsky [2]. Des travaux sur les C.S. ont été développés et sont passés au stade expérimental. La centrale solaire à tour présente de nombreux avantages par rapport aux autres types de centrales solaires, à savoir : 2022 rendement thermodynamique relativement élevé, 2022 universalité du système optique (grâce au pouvoir de concentration) et possibilité de normalisation de ses éléments, e possibilité d utiliser l équipement standard et la technologie des centrales thermiques. Les caractéristiques des centrales solaires à tour permettent la construction de centrales mixtes. La centrale mixte une solution d avenir. Elle assure le coût minimal de la conversion d énergie, résout, en parties, le problème du stockage de l énergie et du combustible, et permet d utiliser avec un bon rendement [3] la vapeur sortant du générateur solaire. Le système de stockage hydraulique est une autre solution des problèmes des C.S. posés par la variabilité de l énergie solaire. Ce mode de stockage fait diminuer le rendement thermodynamique global, il assure, cependant, l indépendance des courbes de consommation et de production [4]. Les centrales solaires de faible puissance peuvent être équipées avec des concentrateurs cylindroparaboliques. Dans ces centrales, la construction et la disposition des éléments optiques ainsi que du récepteur, le mécanisme d entraînement et la commande automatique de l orienteur peuvent être simplifiés d une manière considérable et donner lieu à des solutions originales. La situation énergétique des différentes régions détermine le rôle de l énergie solaire et les solutions à apporter à ses problèmes fondamentaux. Les conditions géographiques et économiques en U.R.S.S. font en sorte que l énergie solaire servira, en priorité, à l amélioration de l approvisionnement en énergie des consommateurs éloignés des réseaux électriques et des réserves de combustible. Ce rôle complémentaire de l énergie solaire et les problèmes de construction des C.S. dans les conditions de rentabilité économique déterminent les solutions techniques particulières. Ainsi, par exemple, la puissance électrique utile des premières centrales solaires hybrides à tour, est de 5 à 10 MW. Le choix d une centrale solaire autonome à stockage thermique implique l utilisation de la vapeur saturante comme fluide de travail, surtout lorsque la C.S. produit à la fois de l énergie électrique et thermique. Ce sont les simplifications introduites au niveau des systèmes d automatisation et de stockage qui, en baissant leur coût, peuvent compenser la diminution du rendement. De nombreux problèmes liés à la construction d un type de C.S. bien déterminé peuvent avoir des solutions différentes. L étude expérimentale joue un rôle décisif dans le choix des composants, du type de montage et des conditions de fonctionnement de la centrale. Dans les années qui viennent, on prévoit en U.R.S.S., la construction de la première centrale solaire expérimentale à tour, de 5 MW. Le projet nécessite une étude approfondie des composants de la centrale. Cette étude concerne, entre autres, la construction de miroirs et leurs propriétés optiques, la conception de la chaudière solaire, la commande automatique de l orienteur, la construction de la tour, les conditions de fonctionnement de la centrale, etc. Dans un premier temps, on a étudié quelques surfaces réfléchissantes de 1 m2 chacune, composées d éléments dont les dimensions variaient entre 50 mm x 50 mm et 750 mm x 750 mm. Ces études portaient sur la fixation et le réglage de l inclinaison des miroirs orientés parallèlement soit à un plan, soit à une surface de rayon de courbure donné. Initialement, on a testé des maquettes comprenant des miroirs de surface incurvée [2].

4 La 359 L utilisation des miroirs de ce type augmente la concentration, mais elle est à l origine de nombreux inconvénients, entre autres : e impossibilité de faire varier le rayon de courbure en fonction de la distance du récepteur, e complexité du système d alignement, etc. Cela rend difficile la production en série de ces miroirs. Par conséquent, on poursuit l étude des C.S. avec des miroirs plans. En même temps on a entrepris l étude de la commande automatique des orienteurs. A cet effet, l élément réfléchissant, composé de deux miroirs de 750 x 720 mm chacun, a été muni d un système photoélectrique de commande. Ce système assure la précision de pointage de 3 à 7 min angulaires. L étude expérimentale d un héliostat s est déroulée en Arménie. On a examiné l alignement des miroirs, au moyen de taches correspondantes formées sur les carrés d un écran. Les détails de cette technique ont déjà été publiés [5]. Ces études expérimentales ont permis d ajuster les valeurs des paramètres relatifs au système optique de la centrale. Les résultats détenus ont confirmé les hypothèses théoriques, le modèle d héliostat répond bien aux exigences du problème posé et son fonctionnement assure une bonne précision dans la transmission de l énergie solaire à distance. Selon l étude préliminaire, le système optique de la C.S. sera composé d héliostats de 5 m x 5 m chacun, équipés d un système de commande automatique et de mécanismes de nettoyage de miroirs. Ces héliostats concentrent le rayonnement solaire sur un générateur de vapeur placé au sommet d une tour de 70 m. La distance entre la tour et les miroirs les plus proches est choisie de manière à utiliser un générateur de vapeur de surface minimale. Il faut construire ce générateur solaire et établir un schéma de circulation du fluide caloporteur afin d atteindre la pression de vapeur de 29 atm. Dans l application à vapeur de travail la vapeur sortant du générateur passe dans l accumulateur sectionné, ce dernier joue le rôle de régulateur pendant les courtes interruptions de radiation. De là une partie du fluide de travail passant par la turbopompe (à la sortie de laquelle la pression est de 2,53 atm) sert aux applications thermiques : saturant comme fluide e distillation d eau salée,. alimentation en eau chaude, climatisation, etc... Le turbopompe remonte l eau de mer dans une piscine accumulateur et selon le besoin d énergie électrique cette eau est mise à la disposition du générateur hydraulique. Les études concernent le fonctionnement d une C.S. autonome, mais aussi d une C.S. travaillant avec un appoint fossile. Le projet de la centrale à tour est sensible à,l effet d échelle. Ainsi la version actuelle de la centrale expérimentale n est pas optimale mais n est qu une étape sur la voie des investigations futures. La puissance de la centrale expérimentale prévue est suffisante pour tester le principe du fonctionnement, la construction et l interaction des éléments. Les résultats pourront être adaptés pour les centrales de puissance beaucoup plus grande. 1. Aspects techniques et économiques de l application des centrales solaires sur l exemple du Kazakstan. résolution rapide du problème de l exploitation de l énergie solaire est conditionnée par les estimations économiques et énergétiques précises en ce qui concerne les centrales solaires déjà existantes et actuellement étudiées. L Institut Projet d Energie Rurale a procédé à l analyse technicoéconomique de l implantation, dans les régions rurales du Kazakstan, des centrales solaires étudiées par l Institut de Kryijanovsky. En fonction des besoins d énergie, on peut adopter l une des solutions suivantes :. centrale thermique avec production combinée d énergie électrique et de vapeur, e centrale électrique avec condenseur, 2022 production de vapeur pour les besoins thermiques (dessalement d eau, production de froid, chauffage, alimentation en eau chaude). L étude fait apparaître un créneau de puissance pour des centrales de 1,5 à 5 MW. Un examen du domaine d implantation des centrales solaires, en ce qui concerne les besoins d énergie dans les régions rurales, a été effectué. On a démontré qu en général, il faut développer le secteur des petites installations solaires (chauffeeau, cuisinières solaires, appareils de distillation). Ces installations ne sont pas toujours plus avantageuses pour les consommateurs que les installations analogues fonctionnant soit à l énergie électrique, soit au combustible minéral. La centrale solaire peut satisfaire les consommateurs d énergie thermique et électrique en contribuant ainsi à l équilibrage du bilan énergétique ; c est une étape dans l optimalisation du système énergétique agricole. Les études menées par les chercheurs russes V. A. Krylyn, A. A. Makazoff, L. A. Mielentiev, ont prouvé la nécessité d une approche systématique du problème d optimalisation. Il faut traiter le problème d utilisation de l énergie solaire en fonction des rapports entre le système énergétique et le système économique global, c estàdire prendre en considération des relations extérieures et intérieures. Les relations extérieures sont fonction des besoins d énergie de diverses branches de l économie nationale. Les relations intérieures sont conditionnées par les facteurs suivants : e conversion des différentes formes d énergie, e diminution du prix de l énergie, 2022 concentration de la production de la distribution d énergie. et centralisation

5 Structure On 360 Le système énergétique forme ainsi un bloc : productiondistributionexploitation des sources naturelles. Si l on considère les conditions naturelles du Kazakstan, l énergie solaire peut être utilisée dans les régions qui se trouvent au sud du 50e parallèle, leur surface étant supérieure à la moitié de celle de la république. Dans cette zone, on observe une concentration de terrains désertiques de pâturage qui nécessitent un arrosage artificiel. Il s y trouve tous les et des réserves grands lacs saumâtres de la république d eau souterraine fortement minéralisée. Les consommateurs dispersés de ces régions d élevage de moutons ont de faibles besoins en énergie électrique et thermique. La répartition des besoins énergétiques futurs dans l économie rurale de cette zone est donnée par le tableau I. Tableau I. de besoins d énergie des consommateurs ruraux. Nature de besoins % e Force motrice (parc de machines mobiles) et transport Force motrice parc de machines stationnaires (entraînement électrique) Eclairage Energie thermique moyennes et faibles températures 60 Total 100 L utilisation des produits pétroliers (huiles, essence) doit satisfaire le besoin énergétique de la première catégorie. L électricité est la forme d énergie utilisée pour l éclairage et le fonctionnement des machines fixes. L énergie thermique à faibles et moyennes températures est fournie au moyen d installations électriques ou de combustible. D après les données du tableau I, on conclut que l énergie solaire devrait être appliquée pour satisfaire les besoins d énergie thermique. Le fonctionnement d une C.S. est irrégulier dans le temps, la production quotidienne et annuelle varient. Par conséquent, l autonomie de la centrale solaire est possible dans les deux situations suivantes : e de nombreux consommateurs périodiques peuvent utiliser toute la production instantanée de la centrale, même si la quantité d énergie est variable ; 2022 au fur et à mesure, on stocke soit l énergie soit le produit obtenu en utilisant cette énergie (glace, eau distillée...). Dans d autres circonstances, il est nécessaire que la C.S. soit associée à une autre centrale (centrale dieselélectrique, centrale thermique à combustible). On peut stocker l énergie thermique destinée à l alimentation en eau chaude et au chauffage, soit dans la centrale même soit directement chez le consommateur. Dans la république du Kazakstan on a achevé la centralisation du système d alimentation en énergie électrique. Des réseaux électriques de kv constituent la jonction entre les consommateurs ruraux et le système énergétique national. Pour cette raison, les C.S. doivent travailler en accord avec les réseaux électriques. 2. Régime d une Centrale Solaire produisant de l énergie thermique et électrique. constate (cf. Tableau I) que la plus grande quantité de l énergie est destinée à la production thermique : l eau chaude ; le chauffage. A l heure actuelle, les consommateurs ruraux utilisent des chaudières individuelles et des poêles. Du charbon de mauvaise qualité sert, en général (80 % des cas), comme combustible. Il existe des pertes pendant le transport, le stockage et la consommation du charbon, ainsi que les déperditions de chaleur dans les logements, dues à la mauvaise régulation thermique. Le rendement global du combustible, dans les conditions d exploitation est de 0,30,4. Par conséquent, la rationalisation du système d alimentation en énergie thermique des consommateurs ruraux s impose. On envisage le remplacement du charbon de basse qualité et du bois, par un combustible de bonne qualité, et progressivement, par l énergie électrique. La centralisation d alimentation en énergie thermique permettra d améliorer les conditions de vie et de travail de la population rurale de l U.R.S.S. Comme l ont montré les recherches menées par l Institut Projet d Energie Rurale la capacité des réseaux électriques de kv des zones considérées, n est pas pleinement utilisée. Cela provient de la faible demande des industries et de l éparpillement géographique des consommateurs particuliers. Le coût du chauffage et de l alimentation en eau chaude par l électricité est inférieur ou égal au coût entraîné par l utilisation des chauffeeau consommant du combustible solide ou liquide. Il en est ainsi, car les frais du transport automobile sur des distances séparant les consommateurs des stations de chemin de fer sont très élevés. Par ailleurs, dans ces régions se dessine la prédominance du maximum journalier estival sur l hivernal. Tout cela favorise le fonctionnement de C.S. associées aux réseaux électriques. Il existe deux solutions comparables pour le fonctionnement d une C.S. produisant de l énergie thermique et de l électricité : 1) Chaudière à combustible avec les installations appropriées ; 2) Centrale solaire électrique munie d installations du stockage thermoélectrique.

6 Dans Coût Coût 361 On prévoit le fonctionnement des C.S. selon le schéma suivant : Pendant la période du faible rayonnement solaire et de consommation maximale de l énergie thermique (novembrejanvier) la centrale travaille pour fournir de l énergie thermique exclusivement. Pendant le reste du temps, elle assure la production mixte de la chaleur et de l électricité. On a adopté les trois systèmes suivants du transfert de chaleur : 1) C.S.vapeureau chaude. 2) C.S.vapeurénergie électriqueair. 3) C.S.vapeurénergie électriqueeau chaudeair. Dans le premier système, on peut directement transmettre la chaleur au réseau thermique dans un rayon inférieur à 1 km. L accumulation est prévue au sein de la centrale grâce à un système de stockage à double boucle. Le fluide caloporteur organique à haute température est utilisé dans la première boucle, dans la seconde on emploie l eau ou la vapeur surchauffées comme fluide colporteur. Dans les systèmes 2 et 3, il est nécessaire d introduire les sources thermiques d énergie électrique et de stocker la chaleur chez le consommateur. en eau chaude on utilise Pour l approvisionnement les chauffeeau électriques à accumulation travaillant de 1 à 8 h. Pour le système de chauffage on peut employer les chauffeeau à accumulation sur corps solides. Pendant les périodes d absence de rayonnement solaire, les systèmes décrits cidessus fonctionnent avec l énergie fournie par le réseau électrique. Le tableau II présente les résultats de calcul concernant deux modes de la production thermique. Tableau II. livrée chez le gigacalorie. d une unité d énergie thermique consommateur rural en roubles par Il en résulte la nécessité du dessalement de l eau. Plusieurs méthodes sont élaborées pour obtenir de l eau douce, la plus connue étant la vaporisation et l électrolyse. On a été amené à choisir parmi les solutions suivantes : 1) L électrodialyse. 2) La distillation avec du combustible. 3) La distillation par l énergie solaire. On prévoit des réserves pour stocker l eau douce afin d assurer une alimentation régulière indépendante du fonctionnement de la C.S. Les coûts correspondant à chaque type d installation sont présentés dans le tableau III. Tableau III. spécifique du dessalement de l eau (en roubles par m 3). On voit (Tableau III) que pour une production annuelle supérieure à m 3, le coût de production obtenu avec une centrale solaire est égal à celui de production par l électrodialyse et inférieur de 25 % à celui de production d une installation à combustible. Disposant de grandes réserves d eau saumâtre on peut également utiliser la centrale solaire pour la production d eau douce pour l irrigation, alors qu avec d autres systèmes la production d eau douce pour cet usage n est pas économique, car elle entraîne la consommation de combustible. 3. (Régime de fonctionnement de la) C.S. à production multiple d eau douce, d électricité et de chaleur. la zone où l exploitation de l énergie solaire est possible, beaucoup d habitants font venir l eau potable. Cependant il existe de vastes réserves d eau souterraine fortement minéralisée dont l utilisation même pour l irrigation de la terre est impossible. 4. C.S. munie d une turbine à condensation. On a constaté que ce type de centrale est surtout applicable pour les stations d irrigation travaillant dans l,e Kazakstan de mai à septembre. Les consommateurs dits de 3e catégorie acceptent les interruptions dans l alimentation en énergie électrique. En préparant des réserves quotidiennes d eau on peut assurer la régularité de l irrigation. L analyse des données concernant les perspectives du développement de l arrosage mécanique dans le Kazakstan a montré la tendance à regrouper les terrains à irriguer (oasis) éloignés des points d alimentation électrique. La puissance nécessaire aux stations de pompage est de kw. Comme l ont

7 362 montré les calculs dans ce cas, l utilisation de l énergie fournie par les réseaux électriques de kv et d exploitation de l énergie solaire entraînent des frais identiques. Les centrales dieselélectriques ne sont pas compétitives, vu les frais d exploitation et le prix du combustible élevés. D après les études de rentabilité faites à ce jour, les centrales solaires peuvent être appliquées à la production de l eau douce, au pompage de l eau pour l irrigation, ainsi qu à l approvisionnement des consommateurs ruraux du Kazakstan en énergie électrique et thermique. Pour une puissance de C.S. inférieure à 5 MW, l investissement global par unité de puissance devrait être de roubles/kw si le prix des miroirs ne dépasse pas 35 roubles/m. En conclusion, pour que l application des centrales solaires puisse devenir rentable, il est nécessaire d améliorer le système de stockage de l énergie et d augmenter la puissance des installations. Bibliographie [1] IBRATIMOFF, D. I., FILATOFF, A. I., Rentabilité économique des stations solaires. Héliotechnique n 2, éd. Académie des Sciences de la République d Ouzbékie Tachkent, [2] APARISSI, R. R., BAHOUM, V. A., GARF, B. A., Centrales solaires Thermiques de puissance élevée. Ed. Académie des Sciences, Moscou, [3] ALADIEV, I. T., GARF, B. A., KOZLOFF, V. B., MALEVSKY, I. N., Papier présenté à la Conférence Internationale Energie solaire. 15 mars 1976 à Toulouse, France. [4] APARISSI, R. R., TIEPLAKOFF, D. I., Héliotechnique n 1, éd. Académie des Sciences de la République d Ouzbékie Tachkent, [5] APPARISSI, R. R., KOLOS, Ia. G., Orientation des Systèmes optiques des installations solaires à haute température dans les Installations solaires thermiques, éd. Science Moscou, [6] SOUMIN, G. F., DJARDANOFF, A. K., KARPÉNKO, A. M., AKSIE NOFF, B. V., Etude technicoéconomique pour l implantation des centrales solaires à tour dans les régions rurales du Kazakstan. Papier présenté au 3e séminaire américorusse sur l énergie solaire U.R.S.S. Achkabad, 214 septembre 1977.