Soutenance mémoire
En 1990, le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (G.I.E.C.) publia sa première étude, nommée F.A.R. (First Assessment Report) [1], qui fut le tout premier consensus scientifique sur l’impact des activités humaines sur le climat. Le G.I.E.C. établit quatre scénarios différents en fonction des mesures prises par notre société pour réduire ses émissions de gaz à effet de serre (G.E.S.). Ils démontrèrent ainsi que si rien n’était fait pour réduire ces dernières, l’effet de serre entraînerait alors un réchauffement climatique irréversible et sans précédent.
Les énergies renouvelables sont très diverses : exploitation du vent (éolien), de la biomasse (chauffage au bois, méthanisation des déchets végétaux, carburants végétaux), de la chaleur de la Terre (géothermie), de l’eau (barrages, usines marémotrices et houlomotrices) et du soleil (solaire thermique ou photovoltaïque). Ces sources d’énergie étant inégalement réparties sur la planète [5], le choix d’une technologie dépend de critères géographiques, géopolitiques et bien sûr économiques. Globalement, nombreuses sont les études scientifiques sur l’intégration des énergies renouvelables qui concluent à un mix énergétique, c’est-à-dire à une utilisation simultanée de plusieurs technologies sur un même territoire [3, 6].
Pour des raisons de disponibilité de la ressource et de décroissance des prix, deux technologies se développent de manière exponentielle : l’éolien et le solaire photovoltaïque [7]. Toutefois, l’intégration de ces énergies fortement intermittentes sur les réseaux électriques n’est pas sans problématique. Plus la part de l’électricité produite sera renouvelable, et plus la nécessité de systèmes de stockage de l’énergie sera nécessaire pour éviter des défaillances du réseau [8]. Ce problème est encore plus important pour la création de nouveaux réseaux électriques, comme dans les pays en voie de développement ou les territoires insulaires.
La technologie dite du solaire à concentration (C.S.P. pour Concentrated Solar Power) possède l’avantage de pouvoir pallier la variabilité de la ressource solaire par un système de stockage thermique intégré. Il est ainsi théoriquement possible de produire de l’électricité ou de la chaleur de façon constante et continue [9]. Alors que la technologie du solaire photovoltaïque transforme directement les photons en courant électrique, le C.S.P. utilise des miroirs pour concentrer la lumière sur des petites surfaces afin de produire de la chaleur à haute température (entre 200 °C et jusqu’à plus de 1000 °C). Cette chaleur est ensuite utilisée dans un cycle thermodynamique pour produire de l’électricité.
Cette technologie possède donc plusieurs avantages :
– elle repose sur le principe maîtrisé des centrales thermiques conventionnelles (charbon, nucléaire), hormis le fait que la chaleur n’est pas apportée par un combustible fossile ou fissile, mais par une ressource renouvelable : le soleil ;
– la centrale peut être utilisée pour produire de la chaleur pour un site industriel, ou de l’électricité pour un réseau ;
– puisque la centrale produit en premier lieu de la chaleur, il est aisé de la stocker dans le but de lisser ou de décaler la production.
Généralités sur les centrales solaires thermodynamiques
Une centrale solaire à concentration est caractérisée par un ensemble d’éléments possédant chacun une fonction précise [12] :
– un système de collection des rayons du soleil et de concentration de ces derniers sur un élément absorbant ;
– un élément absorbant pour transformer l’énergie lumineuse en énergie thermique qui est récupérée par un fluide caloporteur ;
– un moyen de transport de l’énergie vers les utilisations (fluide caloporteur) que peuvent être le cycle thermodynamique, le stockage de l’énergie et/ou un procédé industriel ;
– un système de stockage de l’énergie (optionnel) pour lisser ou décaler la production d’énergie ;
– un cycle thermodynamique pour produire de l’électricité (si l’objectif est d’en produire) ;
– un appoint fossile (optionnel) pour compenser le manque ponctuel d’énergie solaire.
La plupart des centrales solaires à concentration actuellement en service possèdent des caractéristiques très similaires [13] :
– des collecteurs cylindro-paraboliques ;
– une puissance électrique de 50 MW ;
– un stockage de type double-cuve de 7,5 h ;
– de l’huile synthétique comme fluide de transfert de la boucle solaire ;
– des sels fondus comme fluide de stockage thermique ;
– une boucle eau/vapeur pour la production d’électricité.
Le stockage thermique dans les centrales C.S.P
Prérequis d’un stockage thermique performant
L’utilisation d’un système de stockage de l’énergie permet d’avoir un contrôle de la production de chaleur et/ou d’électricité, en dépit de la variabilité de la ressource. Le système de stockage peut ainsi diminuer le LCOE de la centrale, mais il est pour cela nécessaire qu’il remplisse un certain nombre de critères communément admis :
1. une grande densité énergétique du matériau utilisé (qu’il soit liquide ou solide) ;
2. un bon échange thermique entre le fluide de transfert thermique et le stockage ;
3. une stabilité mécanique et chimique des matériaux de stockage ;
4. une compatibilité chimique entre le fluide de transfert, l’échangeur et les matériaux de stockage ;
5. une réversibilité totale du procédé, pour un grand nombre de cycles de charges et de décharges successives ;
6. peu de pertes thermiques ;
7. un coût bas ;
8. un impact environnemental minimisé.
En ce qui concerne le stockage thermique, il existe actuellement trois grandes familles de stockage d’énergie, que sont le stockage sensible, le stockage latent et le stockage thermochimique , elles-mêmes divisibles en plusieurs catégories [22, 23] :
– le stockage de l’énergie par voie sensible consiste à accumuler l’énergie sous la forme d’une élévation de température d’un ou de plusieurs media, liquides ou solides. Le déstockage s’effectue par refroidissement du matériau utilisé ;
– le stockage latent consiste à stocker l’énergie grâce au changement d’état d’un corps : le passage de l’état solide à l’état liquide est un processus endothermique. L’opération opposée consiste à revenir à la phase initiale du matériau et est exothermique.
– le stockage thermochimique consiste à emmagasiner de l’énergie en dissociant deux corps ou en forçant la désorption d’un corps piégé par un autre (réactions endothermiques). L’énergie peut ensuite être restituée par mise en contact des deux corps, donnant respectivement une recombinaison et une sorption (absorption si un fluide pénètre dans un corps, ou adsorption si le fluide se fixe sur la surface d’un solide).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I – État de l’art et présentation de la centrale MicroSol-R
I.1. Généralités sur les centrales solaires thermodynamiques
I.2. Le stockage thermocline
I.3. La centrale MicroSol-R
I.4. Problématique du travail de thèse
Chapitre II – Étude des performances générales du stockage thermocline de MicroSol-R
II.1. Compatibilité entre le fluide de transfert et les matériaux de stockage solides1
II.2. Étude expérimentale et numérique d’un stockage thermocline
II.3. Conclusion du chapitre
Chapitre III – Collecteurs cylindro-paraboliques et générateur de vapeur
III.1. Collecteurs cylindro-paraboliques : modélisation, qualification1
III.2. Générateur de vapeur
III.3. Conclusion du chapitre
Chapitre IV – Étude du comportement d’une cuve de type thermocline dans une centrale solaire à concentration
IV.1. Étude dynamique de la thermocline de MicroSol-R et notion de seuil dynamique1
IV.2. Étude numérique d’une centrale solaire de taille industrielle (50 MWe) incluant un stockage
thermocline
IV.3. Conclusion du chapitre
Conclusion générale
Références bibliographiques
Nomenclatures
Table des matières
Table des Figures
Table des Tableaux
Annexes
Communications scientifiques liées à la thèse
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