Bestiole: un récepteur pilote pour construire les centrales solaires
Publié par Redbran le 08/09/2015 à 12:00
Source et illustration: CNRS
Une campagne d'essais réalisée avec succès au Four solaire d'Odeillo valide pour la première fois un nouveau concept pour les centrales solaires: l'utilisation de particules solides comme fluide de transfert et matériau de stockage. Un récepteur solaire pilote utilisant ce procédé, baptisé Bestiole, a en effet permis d'obtenir des rendements thermiques très satisfaisants, dans les conditions réelles de fonctionnement d'une centrale solaire (Une centrale solaire est un système de production d'électricité qui utilise l'énergie solaire.). Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) européen CSP2, coordonné par le laboratoire PROMES.

À l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en...) de la transition énergétique, la conversion efficace de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du vent. Le règne...) et son stockage constituent un défi et une urgence. Dans une centrale solaire thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première...), le rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées), le Soleil rayonne des ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes...) concentré est utilisé pour chauffer un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui...), en général un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), dans un récepteur. La chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) est ensuite transférée à de la vapeur () puis convertie en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes électriques...) grâce à une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) à vapeur. Pour assurer la production d'électricité en absence de soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...), un stockage thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) est intercalé entre le récepteur et la turbine. Cette architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) permet également d'hybrider les sources d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) primaires (par exemple énergie solaire et bio fuels) pour sécuriser la production d'énergie. La limite de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) de fonctionnement des centrales solaires commerciales est actuellement de 550°C et la durée de stockage à pleine puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) peut atteindre 15h.

Le projet européen CSP2 "Concentrated Solar Power in Particles", coordonné par le laboratoire Procédés, matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), énergie solaire (PROMES, CNRS/Université de Perpignan) et impliquant 7 partenaires industriels et universitaires de 5 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la...), a pour but d'accroître la température de fonctionnement de la centrale afin d'améliorer le rendement thermodynamique tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en maintenant la fonction de stockage du système. Dans ce cadre, des chercheurs du Laboratoire de génie chimique (LGC, CNRS/INP Toulouse/Université Paul Sabatier) et de PROMES se sont associés avec une idée commune: utiliser des particules solides comme fluide de transfert et matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) de stockage (brevet CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) [1]).

Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), il fallait faire circuler les particules dans des tubes et des réservoirs, comme un liquide. Les chercheurs sont parvenus à contraindre des particules fines (de l'ordre de 60 microns de diamètre) en les mettant en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. ...) dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) et à contrôler leur circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) en jouant sur la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) dans les différents composants du système. Le LGC a étudié l'hydrodynamique de ces suspensions et PROMES a développé la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) solaire, d'abord avec un tube unique, puis avec un récepteur solaire pilote de 150 kW comportant 16 tubes et dont l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) a été réalisée par l'entreprise française COMESSA.

Il fallait ensuite expérimenter ce récepteur solaire pilote, surnommé "Bestiole", au foyer du four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de cuire des aliments. Dans un processus de production...) solaire de 1 MW d'Odeillo (France). Réalisée en avril-mai 2015, cette campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne...) d'essais a été un succès ! Les chercheurs ont fait circuler des débits de solide de 0,8 à 1,6 T/h ; chauffé le solide jusqu'à 600°C en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) et 700°C dans certains tubes ; fait fonctionner le pilote des journées entières, et mesuré des rendements thermiques entre 70 et 90%.


Arrivée du récepteur pilote "Bestiole" au four solaire d'Odeillo. © PROMES
Les perspectives de ce projet sont nombreuses: d'une part réaliser un démonstrateur préindustriel à l'échelle de la centrale à tour de Thémis (4 MW -thermique- et 1,5 MW -électrique-), et d'autre part explorer les applications du système dans le domaine du traitement thermique (Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et...) de particules réactives par énergie solaire.

Note:
[1] Brevet CNRS B10028FR, 20 octobre 2010
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