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LE SOLAIRE THERMODYNAMIQUE par Bruno Rivoire, responsable du « groupe d’évaluat

LE SOLAIRE THERMODYNAMIQUE par Bruno Rivoire, responsable du « groupe d’évaluation scientifique Thémis » de 1982 à 1987, actuellement ingénieur de recherche à l’IMP, un laboratoire propre du CNRS, site d’Odeillo. Introduction On désigne par « solaire thermodynamique » l'ensemble des techniques qui visent à transformer l'énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée, puis celle-ci en énergie mécanique (et électrique) à travers un cycle thermodynamique. Ces techniques sont encore, pour l’essentiel, dans un état expérimental. Le présent chapitre a pour objet de décrire et de commenter l’importante campagne de travaux de développement qui a été menée sur ces sujets depuis 1980 dans les pays industrialisés. Après un bref historique, nous passerons en revue les techniques explorées, puis nous exposerons rapidement les caractéristiques du gisement à exploiter et les données environnementales concernées. Enfin nous commenterons le résultat des expériences et les perspectives qu’elles offrent. Donc, au début des années 80, dans l'inquiétude générale des pays industrialisés de manquer de pétrole à bon marché, plusieurs projets de centrales électro-solaires voient le jour, lancés par des états ou par des organismes internationaux : q CRS à Almeria en Espagne, centrale à sodium liquide construite par l'AIE (1981, 3700m2 de miroirs[1]), q SUNSHINE à Nio Town, centrale à eau-vapeur, (Japon, 1981, 12900m2 de miroirs), q EURELIOS à Adrano en Sicile, centrale à eau-vapeur, (CEE, 1981, 6200m2 de miroirs), q SOLAR ONE à Barstow, centrale à eau-vapeur, (Californie, USA,1982, 71500m2 de miroirs), q THEMIS à Targasonne, centrale à sel fondu, (France, 1982, 11800m2 de miroirs), q CESA 1 à Alméria, centrale à eau-vapeur, (Espagne, 1983, 11900m2 de miroirs), q SPP-5 à Shchelkino, centrale à eau-vapeur, (Crimée, Ukraine, URSS à l'époque, 1985, 40000m2 de miroirs). Tous ces projets mettent en œuvre des « centrales à tour » (voir ci-dessous) et ont pour objet d'explorer les possibilités technico-économiques de cette filière imaginée depuis longtemps mais jamais expérimentée auparavant. A la même époque (1979) est constituée à l'aide de capitaux israéliens une société privée, Luz, qui se propose de construire et d'exploiter en Californie, à la faveur de règles fiscales avantageuses, plusieurs centrales électro-solaires de grande taille avec appoint de combustible fossile (du gaz en l’occurrence). Celles là seront basées sur la technique des miroirs cylindro-paraboliques d'orientation nord-sud et utiliseront les champs de miroirs les plus importants (de 106000 à 480000m2) . Enfin, divers organismes de recherche des pays industrialisés lancent des actions variées dans le domaine de l'utilisation des miroirs paraboliques (de 50 à 400m2) utilisés individuellement (ou quasi individuellement) pour la génération d'électricité par des unités de faible puissance. Vingt ans plus tard, après que « Solar One » ait été transformée en centrale à sel fondu à l’image de Thémis et ait fonctionné sous le nouveau nom de Solar Two pendant trois ans (1996-1999), il n'existe LE SOLAIRE THERMODYNAMIQUE http://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie/websfp/rivoire.htm 1 sur 21 22/04/2011 16:47 plus de centrale à tour en fonctionnement, tandis que les centrales « Luz » continuent à produire de l'électricité partiellement solaire bien qu'elles aient changé de main après la faillite de la société. Les expériences d'utilisation des paraboles élémentaires continuent (USA, Espagne, Allemagne, Australie), principalement sous la forme de générateurs à moteur « Stirling » , mais restent, comme ce générateur, au stade de rêve d'ingénieur. Toutes ces réalisations ont eu un caractère expérimental prononcé et leur production est restée très modeste (centrales Luz) sinon marginale (centrales à tour). Les aspects techniques Toute installation thermodynamique solaire doit remplir les mêmes fonctions pour transformer l’énergie du rayonnement incident en énergie électrique avec la meilleure efficacité possible. On les examine ci-après dans l’ordre suivant : q la concentration du rayonnement sur l’entrée du récepteur, q son absorption sur les parois du récepteur et la transformation de son énergie en chaleur, q le transport et, éventuellement, le stockage de cette chaleur, q sa délivrance à un cycle thermodynamique associé à un alternateur pour la production d’électricité. A. La concentration Pour transformer le rayonnement solaire en chaleur, il suffit en principe de le réceptionner sur une plaque noire. Mais un tel capteur, même parfaitement absorbant, doit supporter les pertes que son propre échauffement provoque au bénéfice de l'air ambiant. Ces pertes sont, en première approximation, proportionnelles à cet échauffement et à la surface développée. Pour travailler à température élevée, ce qui est nécessaire ici pour alimenter un cycle thermodynamique performant, il faut diminuer fortement la surface de réception pour maintenir, en proportion, ces pertes à un niveau raisonnable. C'est ce que l'on fait en disposant devant le récepteur une optique qui concentre sur celui-ci le rayonnement capté sur une surface bien supérieure. On caractérise la performance du système par le chiffre de sa « concentration » qui est le rapport de la surface de collecte sur la surface du capteur. Dans la pratique cette optique est systématiquement constituée de miroirs. C'est la nature géométrique des surfaces réfléchissantes mises en œuvre qui va définir la « filière » utilisée. LE SOLAIRE THERMODYNAMIQUE http://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie/websfp/rivoire.htm 2 sur 21 22/04/2011 16:47 A 1. La filière parabolique Les principes Cette filière est un peu la référence en ce sens qu'elle met en œuvre la meilleure surface réfléchissante possible : une parabole de révolution. Avec ce miroir, tout rayon incident parallèle à l’axe optique passe, après réflexion, par un même point. On appelle ce point le « foyer ». Pour fonctionner correctement, un tel miroir doit viser en permanence le soleil (dont l’image se forme alors au foyer). On y parvient en animant son axe d'une double rotation. Mais ceci implique, on s'en doute, une limitation de taille, la surface de collecte ne pouvant guère dépasser ici quelques centaines de mètres carrés dans des conditions économiques raisonnables. C'est là que réside la spécificité de la filière qui n'a d’intérêt que si l'on parvient à utiliser le faible débit de chaleur récolté dans une installation compacte, mobile avec le miroir (et si possible sans liaison avec l'extérieur autre qu'électrique) et installée dans une position voisine du foyer. L'optique peut ici, théoriquement, délivrer des concentrations supérieures à 10000, ce qui est énorme. Dans la pratique, on réalise éventuellement des miroirs moins performants (en s'autorisant des marges d'erreur sur la qualité géométrique des surfaces mises en œuvre). Ils peuvent alors être économiques tout en délivrant des concentrations d'un excellent niveau. Plusieurs réalisations récentes de qualité délivrent ainsi des concentrations de l’ordre de 4000. La technologie Il y a de tout dans les réalisations de ces vingt dernières années en matière de surface réfléchissante, de structure, ou de contrôle-commande. Nous ne parlerons pas de ces deux derniers points qui seront traités au titre des héliostats des centrales à tour (la problématique est la même dans ce dernier cas). Par contre, la réalisation de surfaces réfléchissantes paraboliques de révolution pose des problèmes particuliers auxquels il est possible d’apporter des réponses variées. Presque toutes sont aujourd’hui basées sur la mise en œuvre de verre argenté en face arrière comme surface réfléchissante. C’est de loin celle qui présente le meilleur rapport qualité-prix : excellent coefficient de réflexion, bonne tenue aux intempéries, prix modéré d’un produit industriel d’utilisation massive et ancienne. La mise en œuvre de ce matériau en vue de réaliser une parabole de révolution peut être effectuée selon deux voies principales : q juxtaposition de nombreux trapèzes plans pour approcher au mieux la surface parabolique théorique, q utilisation de verre mince cintré en double courbure qui permet, théoriquement, d’obtenir une parabole parfaite. La première solution n’est valable que si elle est plus économique car elle est obligatoirement moins performante. Dans les deux cas, un problème central sera le collage des miroirs élémentaires sur la surface support qui leur imposera la géométrie et le positionnement adéquat. En effet, il y a de difficiles problèmes de compatibilité chimique entre les colles et les vernis qui protègent l’argenture des miroirs. Une alternative apparemment séduisante et bon marché à cette solution a souvent été étudiée. Il s’agit de mettre en œuvre comme matériau réfléchissant une feuille ultra mince de mylar aluminisé. Il est aisé de la mettre en forme de parabole en la tendant sur un tambour et en la soumettant à un vide partiel sur sa face arrière. On tient là une solution ultra légère, très bon marché, et en principe performante dans la mesure ou la géométrie obtenue est très proche de l’idéal théorique. Le prix dont il faut malheureusement payer ces qualités est une fragilité telle qu’elle en devient rédhibitoire. LE SOLAIRE THERMODYNAMIQUE http://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie/websfp/rivoire.htm 3 sur 21 22/04/2011 16:47 Une variante intéressante de cette technique a toutefois été développée plus récemment : on met en forme parabolique par dépression arrière (ou par surpression avant) une tôle mince d’acier inoxydable et on la recouvre de miroirs minces cintrés et collés. On bénéficie ainsi d’une mise en forme précise obtenue par des moyens simples et de la bonne tenue aux intempéries des miroirs en verre. Les recherches technologiques en la matière, encore foisonnantes aujourd’hui, en sont toutes restées au stade expérimental et il n’est pas facile de projeter le type de solution qui serait optimal en uploads/Ingenierie_Lourd/ le-solaire-thermodynamique.pdf