La génération directe de vapeur, généralités et état de l’art

Le cycle de Rankine

Ainsi que pour la plupart des centrales électriques conventionnelles, notamment nucléaires, les centrales CSP utilisent un cycle de Rankine eau/vapeur pour produire un travail mécanique et propulser une génératrice électrique. Les figures ci-dessous illustrent un cycle de Rankine avec surchauffe dans un diagramme P-h et sa mise en œuvre dans une centrale DSG schématisée en Fresnel de manière simplifiée. Une description des processus thermodynamiques sous-jacents est également proposée. 

Gain de chaleur isobare

 L’eau alimentaire est préchauffée jusqu’à la saturation liquide dans le champ solaire (et éventuellement par une préchauffe hors-champ). L’eau est ensuite vaporisée de manière isotherme jusqu’à la saturation vapeur, puis la vapeur est ensuite surchauffée. Selon le mode opératoire de la centrale, la vaporisation et la surchauffe se font dans la même section de champ solaire, ou bien dans deux sections distinctes. Le processus est idéalement isobare, mais le fluide subit une perte de charge dans les tubes absorbeurs et la tuyauterie externe. 4-5 : détente isentropique. La vapeur surchauffée cède de l’énergie spécifique à la turbine sous la forme d’une détente et d’une perte enthalpique. Le processus idéal est isentropique, mais l’entropie réelle du fluide augmente et conduit à un transfert d’énergie moindre sur les aubes de turbine. Selon la configuration de bloc de puissance, la vapeur reste surchauffée après la détente, ou bien repasse dans la zone diphasique sous la saturation. 5-6 : perte de chaleur isobare. La vapeur d’eau est désurchauffée (si besoin), condensée puis sousrefroidie dans le condenseur. Le processus idéal est isobare, mais le fluide subit une perte de charge dans l’échangeur.6-1 : pompage isentropique. L’eau liquide est pompée et sa pression est amenée à pression de fonctionnement du champ solaire. Le processus est au mieux isentropique, mais en pratique les irréversibilités provoquent un léger transfert de travail en chaleur et le fluide gagne en entropie. 

 L’architecture d’un champ solaire linéaire DSG

 La principale contrainte d’un champ solaire est de fournir de la vapeur d’eau à la turbine et au stockage thermique à une température aussi stable que possible dans des conditions de fonctionnement nominales, et ce malgré les transitoires de l’irradiation incidente inhérents à la nature même de la ressource solaire. Le champ solaire doit par conséquent être conçu et dimensionné pour répondre à cette contrainte et de façon à ce que la technologie DSG soit compétitive. La question de la régulation des écoulements en ébullition convective a été abordée dès les prémices du concept, ce qui explique qu’une partie importante des études du programme DISS (dont il est question dans la suite de ce chapitre) ait été dédiée aux méthodes de régulation. La génération de vapeur doit être régulée par un système dépendant fortement de la configuration même du champ solaire. La préchauffe, la vaporisation et la surchauffe mettent en jeu des phénomènes physiques différents, chacun associé à des propriétés thermo hydrauliques différentes. On peut alors comprendre la possibilité d’une architecture prenant en compte ces différences. La préchauffe et la surchauffe sont caractérisées par des transferts thermiques convectifs monophasiques, alors que la vaporisation a lieu avec un transfert de chaleur isotherme dans un écoulement diphasique d’ébullition convective, générant des phénomènes dynamiques rapides parfois difficiles à caractériser et dont la gestion est toujours délicate au niveau du contrôle commande. Les écoulements diphasiques eau/vapeur en configuration horizontale sont abordés dans un autre paragraphe de ce chapitre.

L’architecture en recirculation

En recirculation, l’eau est préchauffée et vaporisée dans une première partie du champ solaire, que l’on nomme alors vaporiseur, puis la vapeur est surchauffée dans une autre partie, le surchauffeur. L’eau sous-refroidie est injectée en entrée du vaporiseur, chauffée jusqu’à saturation liquide, puis vaporisée jusqu’à un titre vapeur inférieur au niveau de saturation. L’écoulement diphasique est recueilli par un ballon qui fait également office de séparateur de phases. L’eau liquide est « recirculée » par une pompe en entrée du vaporiseur où elle est mélangée avec l’eau d’alimentation provenant du bloc de puissance. La vapeur saturée, est quant à elle envoyée à l’admission du surchauffeur. La figure ci-dessous schématise l’architecture. Le titre vapeur en sortie de vaporiseur se situe généralement entre 60% et 80% [2]. Il doit être assez élevé pour assurer un niveau de production de vapeur important et éviter une consommation auxiliaire trop importante de la pompe de recirculation, et assez bas pour avoir une marge par rapport à la saturation vapeur. Le titre vapeur peut se définir par un état thermodynamique, comme décrit dans l’équation ci-dessous. ݔ௧ℎ,௢ est le titre vapeur de sortie, ܲ la pression nominale du vaporiseur, ℎ௜ et ℎ଴ les enthalpies massiques d’entrée et de sortie, ℎ௦௔௧,௟ l’enthalpie massique de saturation liquide, ℎ௦௔௧,௩ celle à saturation vapeur. Ces deux derniers termes dépendent de la pression nominale ܲ, que l’on suppose constante dans le vaporiseur pour les besoins du dimensionnement et des bilans énergétiques.