Activites de recherche et formation doctorale

5.2.2 : Les centrales innovantes [P6, T10]

Les centrales solaires existantes (prototypes construits depuis 30 ans et nouvelles centrales commerciales) sont limitées par l’utilisation de cycles classiques basés sur des composants plus ou moins éprouvés, avec des rendements en électricité dépassant souvent les 25 % au point nominal et les 20 % en moyenne annuelle.

Si l’on veut augmenter les rendements de ces systèmes, une des solutions les plus prometteuses est d’utiliser, dans le cadre des centrales à tour, des cycles combinés (turbine à gaz et turbine à vapeur en série), l’air caloporteur étant chauffé à plus de 1000 °C dans un récepteur au foyer du concentrateur solaire.
Cela pose le problème du nouveau cahier des charges pour le concentrateur, qui doit générer au foyer, avec des puissances de plusieurs dizaines de MW, des densités de flux beaucoup plus importantes, et sans doute beaucoup plus constantes tout au long de l’année. D’où le besoin de nouveaux outils de calculs pour prédire les cartes de flux obtenues, et notre volonté d’adapter nos outils de transfert radiatifs à ce problème. Nous espérons aussi développer les moyens de faire de la conception optimisée de concentrateurs, en fonction des cartes de flux que l’on voudra obtenir au foyer. Les bases de ce travail sont données au chapitre 5.2.4.
Les cycles à turbine à gaz entraînent aussi le développement d’une nouvelle génération de récepteurs solaires, qui vont travailler à plus haute température, et chauffer un gaz plutôt qu’un liquide. C’est ce composant qui demande actuellement le plus de développement technologique, tant au niveau de sa conception thermique que géométrique. Le choix des matériaux à utiliser est aussi très important, surtout pour supporter les cyclages thermiques engendrés par le caractère discontinu de la ressource solaire. Dans ce cadre, nous avons commencé l’étude d’un nouveau type de récepteur, basé sur un lit fluidisé de particules réfractaires directement soumises au rayonnement solaire concentré. L’étude, en cours, est présentée au chapitre suivant.
Enfin, depuis octobre 2004, je participe à l’encadrement d’une thèse dont le titre est : développement d’un outil technico-économique pour la conception optimisée de centrales solaires thermodynamiques. Cette thèse est financée par les départements Energies Renouvelables de l’ADEME et de TOTAL. Elle se déroule à Odeillo, au sein du PROMES. Ma contribution a porté sur les calculs de cycles thermodynamiques et les calculs de champs liés aux performances des champs d’héliostats.
Le premier sujet concerne l’analyse des cycles thermodynamiques (notamment par l’utilisation de l’outil THERMOPTIM, développé par Renaud GICQUEL de l’Ecole des Mines de Paris). L’expérience acquise pendant plusieurs années, notamment par mes enseignements, dans le domaine a pu être mise à contribution, et a permis à Pierre GARCIA d’avoir une approche pragmatique des phénomènes.
L’autre sujet que j’ai plus spécifiquement suivi concerne les calculs de flux, à partir des codes issus de l’expérience THEMIS, et des études menées à l’époque sur le sujet. Cette étude a été très orientée sur les logiciels de calculs des flux solaires concentrés par des champs d’héliostats (avec une application pratique directe sur le champ d’héliostats de THEMIS). Le tableau ci-après reprend les principales caractéristiques des 5 logiciels étudiés.
On retrouve les 2 grandes approches mathématiques de codes de calcul, déjà présentes dans les années 1970, par techniques statistiques de Monte-Carlo ou par approches plus analytiques par convolutions. Ces deux familles, correspondant aux deux types de problèmes rencontrés dans l’étude d’une installation solaire à récepteur central :

- famille 1 : codes de calcul des performances d’un champ pour une installation donnée comme MIRVAL, SOLTRACE ou FIAT LUX,

- famille 2 : codes d’optimisation de la conception d’un projet d’installation comme WINDELSOL ou HFLCAL.

Figure 43 : tableau comparatif des logiciels de calculs de champ d’héliostats disponibles en 2006
Dans le cadre général de nos recherches futures sur la conception de centrales solaires innovantes, il semble intéressant de maîtriser un logiciel de chaque famille. En effet, les logiciels de famille 1 permettraient d’évaluer la distribution de flux disponible en haut d’une tour (comme celle de Thémis) et donc de dimensionner en conséquence un récepteur (comme celui de Pégase, premier projet concret proposé dans le cadre de la réouverture du centre d’essais solaires sur le site de l’ancienne centrale Thémis).
La polyvalence de SOLTRACE le rend intéressant pour d’autres sujets de recherche, comme les fours solaires ou les paraboles Stirling. C’est celui qui a été utilisé pour la modélisation du projet Pégase. Il a servi notamment à l’étude paramétrique des performances du champ en fonction de la précision de pointage et de la stratégie de visée, à la description de la tache focale sur la surface d’un ou plusieurs modules de récepteurs disposés en sommet de tour, et à l’établissement d’une matrice d’efficacité précise.
Les logiciels de famille 2, tels que WINDELSOL, semblent plus pertinents pour l’évaluation technico-économique des diverses filières de centrales à tour. Cependant de nombreuses extensions ou modifications seront sans doute à apporter pour les adapter à l’étude des concepts de centrales de nouvelle génération.
Enfin, nous avons aussi conclu à une inadéquation des codes actuels à faire des calculs assez précis pour la conception de nouveaux systèmes de concentration, à la fois puissants et permettant de collecter l’énergie à très haut niveau de température.