Etude d’un système de conversion solaire thermoélectrique de faible puissance pour site isolé

Le solaire thermoélectrique

Présentation du solaire thermodynamique 

On désigne par solaire thermodynamique ou solaire à concentration ou héliothermodynamique (Concentrated Solar Power (CSP)), 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 puis électrique à travers un cycle thermodynamique couplé à une génératrice électrique. Les composants optiques des centrales solaires thermodynamiques, appelés concentrateurs ou collecteurs permettent de capter le rayonnement solaire direct (DNI) et de le concentrer sur le récepteur qui transmet l’énergie captée à un uide caloporteur sous forme de chaleur. L’ensemble composé du concentrateur et du récepteur s’appelle le capteur solaire, qui convertit l’énergie rayonnée en énergie thermique. Cette énergie thermique est ensuite transformée en électricité à l’aide d’un cycle conventionnel de production d’électricité (turbine à gaz, turbine à vapeur, moteur Ericsson, moteur Stirling, …) nommé bloc 3 Chapitre 1. Le solaire thermo-électrique électrique par la suite [4]. Cette chaîne de conversion est représentée par la (Figure 1.1). Figure 

 Principe des systèmes solaires thermodynamiques 

Historique

 La ambée des prix lors du choc pétrolier au milieu des années 1970 avait lancé les pays industrialisés dans la course aux énergies alternatives. Basés sur les travaux de pionniers comme Giovanni Francia en Italie [5], les concepts de centrales solaires thermodynamiques commencent à éveiller l’întérêt de centres de recherches et des industriels jusqu’à aboutir dans les années 1980, à des plates-formes expérimentales :  aux Etats-Unis (Albuquerque, NM, Barstow, CA)  en Espagne (Plateforme Solaire d’Alméria (PSA) utilisée de nos jours par l’Agence Aérospatiale Allemande (DLR) et le Centre Espagnol de Recherche sur l’Energie et l’Environnement (CIEMAT))  et en France (centrale Thermo-Hélio-Electrique-Mégawatt (Thémis) à Targassonne).  Après le deuxième choc pétrolier vers 1982, le gouvernement américain orit des crédits d’impôts aux investisseurs sur des projets de centrales solaires et imposa des tarifs d’achat incitatifs et garantis à long terme. Ceci a permis à la société Luz de construire 9 centrales cylindro-paraboliques commerciales en Californie (Solar Energy Generating Systems (SEGS)), toujours exploitées actuellement en démarrant par un prototype de 14 MWelec en 1984 et en continuant par deux centrales de 80 MWelec en 1990 et 1991. Cependant au début des années 90, la chute du prix des énergies fossiles et de nouvelles politiques énergétiques dans les pays industrialisés ont entraîné la faillite de la société Luz et une longue traversée du désert pour les technologies de production d’électricité par voie solaire concentré. Après 15 années sans nouveaux projets, une centrale solaire thermodynamique commerciale, nommée PS10 (Figure 1.2), a été inaugurée en 2006 à Sanlucar la Mayor, près de Séville en Espagne, suivie de près par l’installation Nevada Solar One aux USA en 2007. De nombreux projets sont en train de voir ou revoir le jour en Espagne, en France et aux USA, et dans des pays en développement tels que l’Egypte, l’Algérie, le Maroc. Partout où l’ensoleillement direct atteint un niveau susant, les programmes de recherche concernant ces technologies sont relancés . Figure 1.2  Vue aérienne de la centrale à tour PS10 près de Séville (Espagne) [6] Mais, en ce début de siècle, l’inquiétude croissante sur les conséquences des dérèglements climatiques (traduite par les accords de l’Après-Kyoto Copenhague 2009 !), l’accident nucléaire du 11 mars 2011 de Fukushima, et de grandes incertitudes sur l’approvisionnement en énergie fossile ont récemment relancé les eorts de recherche pour élargir le mix énergétique et produire l’électricité en minimisant les émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le recours aux technologies solaires à concentration est donc sérieusement envisagé par la communauté scientique en raison de quelques caractéristiques spéciques remarquables (stockage thermique, dessalement, rendement élevé, 5 De plus les eorts de recherche de quelques pays comme l’Allemagne, l’Espagne et les Etats-Unis pendant les précédents chocs pétroliers permettent, de nos jours, aux centrales solaires thermodynamiques, d’être au seuil de la rentabilité économique dans des régions géographiques favorables comme le Sénégal. L’objectif est de rendre les centrales solaires thermodynamiques économiquement compétitives en abaissant le coût de production de l’électricité [7]. Au niveau international, la recherche sur l’énergie solaire concentrée est fédérée par le programme Solar Power And Chemical Energy Systems (SolarPACES) de l’Agence Internationale de l’Energie dont le but est de permettre une contribution énergétique signicative du solaire concentré. Au Sénégal, un essai d’introduction des centrales solaires thermodynamiques s’est soldé par un échec. Une centrale de production d’électricité d’une puissance de 25 kW, utilisant la technologie, a été réalisée par la Société Nationale d’Electricité du Sénégal (SENELEC), à Diakhao (fait partie maintenant de la région de Fatick) [8]. Mise en fonctionnement en 1981, cette centrale, d’un coût de 375 millions FCFA, – nancée sur prêt de la Caisse Française de Coopération (devenue Agence Française de Développement (AFD)) a cessé de fonctionner depuis 1983. L’échec de ce projet qui avait un objectif de démonstration a provoqué à l’époque, un débat sur l’opportunité de nancer de telles réalisations par un prêt. Dans les années 80 aussi, le Centre d’Etudes et de Recherches sur les Energies Renouvelables (CERER) t l’expérience du solaire concentré avec l’étude d’un concentrateur parabolique Thermo-Hélio-Electrique-Kilowatt (THEK). Il permit de produire de l’eau chaude et de la vapeur saturante. En eet la production d’eau chaude pour des besoins autres que celui du chauage des locaux représente une part importante des consommations énergétiques (surtout pour les hôtels, restaurants, hopitaux, etc.). Outre la consommation dite d’eau chaude sanitaire, les consommations de plusieurs usages ou appareils (blanchisserie, nettoyage, machines à café, cuisson, etc.) pourraient être réduites si une source d’eau chaude était accessible. Avec le THEK, des études sur les champs de températures ont été faites, mais les principaux problèmes rencontrés étaient liés au fait qu’à la base, ce concentrateur était réglé pour fonctionner dans les conditions de longitude et de latitude du sud de la France (Provence)

 L’énergie solaire 

Sur Terre, l’énergie solaire est à l’origine du cycle de l’eau, du vent et de la photosynthèse créée par le règne végétal dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. L’énergie solaire est donc à l’origine de toutes les énergies sur Terre à l’exception de l’énergie nucléaire, de la géothermie et de l’énergie marémotrice. L’homme utilise l’énergie solaire pour la transformer en d’autres formes d’énergies : énergie alimentaire, énergie cinétique, énergie thermique, électricité ou biomasse. Par extension, l’expression  énergie

 L’énergie solaire

 solaire  est souvent employée pour désigner l’électricité ou l’énergie thermique obtenue à partir de cette dernière [10]. Il existe pourtant de nombreuses technologies résumées dans le schéma de la (Figure 1.3) permettant de produire de la chaleur ou de l’électricité en utilisant directement l’énergie solaire. La première distinction à faire entre ces diérentes technologies est celle entre le solaire passif, le solaire thermique et thermodynamique, et le solaire photovoltaïque [7]. Figure 

 Utilisation directe de l’énergie solaire

 La plus ancienne et certainement la plus importante, quoique discrète, l’utilisation de l’énergie solaire consiste à bénécier de l’apport direct du rayonnement solaire, c’est-à-dire l’énergie solaire passive. Pour qu’un bâtiment bénécie au mieux des rayons du soleil, on doit tenir compte de l’énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, orienté vers le sud, surfaces vitrées, etc.). L’isolation thermique joue un rôle important pour optimiser la proportion de l’apport solaire passif dans le chauage ou la climatisation et l’éclairage d’un bâtiment. Dans une maison solaire passive, l’apport solaire passif permet de faire des économies d’énergie importantes [11]. Dans les bâtiments dont la conception est dite bioclimatique, l’énergie solaire passive permet aussi de chauer tout ou une partie d’un bâtiment pour un coût proportionnel quasi nul. L’énergie solaire photovoltaïque est l’électricité produite par transformation d’une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle 7 Chapitre 1. Le solaire thermo-électrique fonctionne sur le principe de l’eet photoélectrique. L’énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire pour chauer un uide plus ou moins à haute température plutôt que le rayonnement luimême. Si la température du uide est assez élevée, on peut alors actionner un cycle thermodynamique pour produire de l’électricité (et de la chaleur). Cette lière est celle des centrales solaires thermodynamiques.

 L’intérêt de la concentration 

Les propriétés physiques font que lorsqu’une surface d’un matériau est éclairée, une partie du rayonnement solaire est rééchie, une autre est transmise et le reste est absorbé. La part du rayonnement absorbé est alors convertie en chaleur qui augmente la température du matériau recepteur jusqu’à atteindre un équilibre dépendant de l’intensité du rayonnement solaire, de l’absorptivité du matériau et des pertes thermiques occasionnées [12]. Considérons l’exemple simplié d’un capteur constitué d’une surface S d’un corps noir de 4 m2 éclairée par un ux solaire ϕ de 799 W.m−2 . On atteindra la température d’équilibre, Tr telle que : ϕ × S = σSBS(T 4 r − T 4 0 ) + hS(Tr − T0) (1.1) En prenant le coecient de convection h = 10 W.m−2 .K−1 et une température ambiante T0 = 300 K (27 C), σSB étant la constante de Stefan Boltzman, nous trouvons une température d’équilibre Tr de 345 K (72C). Avec cette basse température, il n’est donc pas possible d’actionner un cycle thermodynamique à une grande performance. Les capteurs solaires thermiques plans, sont donc destinés à la production d’eau chaude ou à la climatisation de l’habitat [7]. En eet, un tel capteur, même parfaitement absorbant, doit supporter les pertes que son propre échauement provoque avec l’air ambiant. Ces pertes sont, en première approximation, proportionnelles à cette élévation de température et à la surface du capteur. Pour arriver à des températures élevées, il reste à 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. L’énergie solaire étant peu dense, il est nécessaire de la concentrer pour obtenir des températures exploitables pour la production d’électricité. La réception à concentration fait appel à des technologies décrites (Ÿ 2.2). Nous dénissons le nombre adimensionnel αconc comme étant le taux de concentration géométrique et il est égal au rapport de la surface utile du concentrateur sur la surface réceptrice. Ainsi, nous allons obtenir (les calculs seront détaillés dans le Chapitre 4) : αconc × ϕ × S = σSBS(T 4 r − T 4 0 ) + hS(Tr − T0) (1.2) 

 Avantages de la lière solaire thermodynamique 

Pour un taux de concentration αconc de 20, nous obtenons une température d’équilibre Tr de 686 K (413C), pour αconc = 80, la température d’équilibre atteint alors 1002 K (729C). 1.5 Avantages de la lière solaire thermodynamique Le principal avantage de la lière héliothermodynamique est le stockage d’énergie thermique (Thermal Energy Storage (TES)) du fait du passage par la chaleur dans la chaîne de conversion à la diérence d’autres ressources renouvelables comme le PV ou l’éolien et aussi l’hybridation en utilisant une ressource énergétique solaire-biomasse par exemple. Il est aussi possible d’envisager des systèmes à polygénération (électricité, chaleur, froid, hydrogène), voire d’associer la production d’électricité à d’autres enjeux essentiels des pays très ensoleillés comme le dessalement des eaux de mers. Ces deux concepts, le stockage et l’hybridation permettent d’augmenter la qualité (car prévisible) et la quantité d’électricité produite et ainsi dans certaines conditions permettent de diminuer le coût de production. Comme toute énergie renouvelable, le CSP est une source de sécurité dans les domaines économiques, sociaux et environnementaux. D’un point de vue économique, le CSP permet de s’aranchir des uctuations du prix du pétrole et de limiter les émissions de CO2 dans l’atmosphère et de tout autre polluant pendant le fonctionnement. De plus, les premières analyses de cycle de vie sont excellentes avec un taux d’émission de 13,4 g de CO2 par kW.helec pour une centrale cylindro-parabolique. Ces chires sont comparables à ceux de l’électricité d’origine hydraulique ou éolienne (∼ 10 g.kW.h−1 elec), inférieurs à ceux annoncés pour l’électricité photovoltaïque (99 g.kW.h−1 elec) et bien entendu sans comparaison avec l’électricité issue de combustion de pétrole ou de charbon (> 700 g.kW.h−1 elec) [13]. En outre seulement 50 % à 60 % du coût d’investissement concerne les composants solaires donc innovants ; le reste de la conversion d’énergie se faisant selon des technologies éprouvées (cycles de Rankine, de Brayton, …). D’autres atouts du point de vue environnemental comme le temps de retour énergétique, une longue durée de vie ou encore des composants pour la plupart recyclables (acier, verre) sont également importants et représentent des avantages non négligeables par rapport aux autres types de production d’électricité [7]. Les surfaces au sol nécessaires pour l’électricité solaire sont des dizaines de fois inférieures à celles requises par la biomasse ou l’hydroélectricité. Le dernier grand intérêt des centrales solaires à concentration est leur rendement énergétique particulièrement élevé. En 2008, un rendement record à 31,25 % de la conversion solaire-électricité instantanée a été établi par le système Parabole/Stirling Suncatcher, du Sandia National Laboratories à Albuquerque au New Mexico . Des rendements énergétiques élevés, ainsi que de grandes perspectives d’améliorations technologiques permettraient de placer le solaire thermodynamique en tête des énergies renouvelables dans les années à venir .