Microcentrale solaire « MicroSol-R »
Microcentrale solaire à concentration linéaire avec stockage de chaleur
Présentation générale de l’installation
La microcentrale « MicroSol-R » est constituée de quatre sous-ensembles assurant les fonctions suivantes : (1) captation de l’énergie solaire, (2) stockage de la chaleur, (3) production de vapeur et (4) génération d’électricité. L’ensemble est représenté sur la figure 1.
Figure 1: schéma complet de la boucle solaire MicroSol-R.
1.Captation de l’énergie solaire
Le concentrateur solaire est constitué de trois modules cylindro-paraboliques longs de 12 mètres chacun et de 5.7 m d’ouverture (figure 2). Un des modules est orienté Nord-Sud, les deux autres sont orientés Est-Ouest, ceci afin d’avoir une production optimisée en fonction de la saison et donc de la position du soleil dans le ciel. Chaque module est équipé de 3 collecteurs PTR70® Schott (vitre protectrice et tube absorbeur). Le fluide de transfert utilisé est de l’huile thermique Jarytherm® DBT (Arkema). Les températures de fonctionnement visées sont de 220°C en entrée de champ solaire et de 300°C à 330°C en sortie de champ solaire.
Figure 2. Les trois modules concentrateurs cylindro-paraboliques de MicroSol-R
2.Stockage thermique
La boucle solaire MicroSol-R est équipée de deux technologies de stockage thermique distinctes. Un stockage fonctionnant avec deux cuves (une cuve froide et une cuve chaude) et l’autre uniquement avec une cuve de type thermocline dont l’intérêt est de stocker en une même cuve le fluide froid et le fluide chaud (figure 3). L’objectif est de réduire le coût du stockage. De plus, la cuve thermocline est remplie à 50% d’un lit de roche qui sert de matériau de stockage à bas coût.
Figure 3. Livraison de la cuve de stockage thermocline
3.Production de vapeur
Grâce à trois échangeurs (préchauffeur, vaporisateur, surchauffeur) -figure 4- la boucle huile transmet ses calories à un circuit eau/vapeur qui est équipé d’un désurchauffeur venturi dans le but de simuler thermodynamiquement une turbine à vapeur.
Figure 4. Système de conversion thermique de MicroSol-R
4.Génération d’électricité
La production d’électricité est assurée par une microturbine de 15 kW installée sur le circuit vapeur. Cette unité de production met en œuvre un cycle organique de Rankine (ORC) valorisant la chaleur à 160°C.
Zoom sur le stockage thermique
La micro centrale est pourvue d’un système de stockage de l’énergie essentiellement constitué d’une cuve de type thermocline de 4 m3. Cette cuve possède une capacité de stockage d’environ 220 kWh (fonctionnement entre 220 et 300°C) ce qui correspond à environ 1h30 de production à une puissance thermique de 140 kW. Il n’y a pas d’échangeur entre la boucle solaire de captation et le système de stockage : le même fluide est utilisé pour le transfert d’énergie dans la boucle de captation et dans le système de stockage (stockage direct).
La cuve thermocline, haute de 3,2 m et d’un diamètre de 1,28 m, est remplie en partie par un matériau de stockage solide, l’alumine, qui est sous forme de billes de 2 cm de diamètre. La nature de ce matériau sera changée durant les essais car c’est un des objectifs des recherches. La masse totale d’alumine est d’environ 6280 kg. Les billes sont contenues sur une hauteur de 2,64 m grâce à 4 paniers de dimensions identiques. Les paniers permettent également de remplacer aisément le matériau solide (futurs tests de la Cofalit® et d’autres matériaux issus du recyclage de sous-produits industriels). Deux volumes tampons aux extrémités de la cuve cernent le lit d’alumine ainsi créé. Des diffuseurs permettent une homogénéisation du flux d’huile entrant dans la cuve. La porosité (rapport du volume de fluide sur le volume total considéré) du lit d’alumine est d’environ 49 %. L’alumine permet de stocker environ 105 kWh, l’huile dans toute la cuve environ 99 kWh, et le reste de l’énergie est stockée par l’acier (1700 kg d’acier environ).
Lors des opérations de stockage et de déstockage, le fluide de transfert (Jarytherm® DBT) traverse les billes d’alumine et l’échange d’énergie s’effectue entre l’huile et le solide et vice versa selon la phase du procédé mise en œuvre. A tout instant la cuve thermocline est remplie de fluide. Une partie étant à la température haute du circuit, une partie à la température basse du circuit, et le reste étant à une température intermédiaire constituant un front de température. Les phases de charge et décharge sont représentées sur la figure 5 ci-dessous.
Figure 5 : fonctionnement d'une cuve de type thermocline en charge et en décharge.
Afin d’étudier en détail ce front de température, la cuve thermocline est instrumentée en son centre avec 25 thermocouples espacés de 11 cm et latéralement avec quatre jeux de 5 thermocouples espacés de 10 cm qui permettent de mesurer le front de température radial à quatre hauteurs différentes. Enfin, deux thermocouples sont placés dans les volumes tampons, dans le but de connaître la température moyenne d’entrée et sortie.
La cuve thermocline est complétée par un stockage conventionnel de type « deux cuves », constitué d’une cuve chaude et d’une cuve froide, de 1 m3 chacune, assurant une capacité de stockage d’environ 45 kWh (220-300 °C), ce qui correspond à 20 min de production à une puissance thermique de 140 kW.
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