Clefs n°61 Printemps 2013
Clefs n°61 Printemps 2013
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de Printemps 2013

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 108

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : les énergies bas carbone.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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44 Production de l’énergie CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 Les promesses du stockage thermique Le stockage de chaleur est un élément indispensable d’une centrale solaire thermodynamique à concentration car il permet de gérer l’efficacité de la production électrique tout au long de la journée et de l’adapter à la demande. Il est également très prometteur pour le stockage massif d’électricité ou la valorisation énergétique des rejets industriels. La centrale solaire thermodynamique à concentration Gemasolar. Située près de Séville (Espagne), Gemasolar est une centrale à tour utilisant un mélange de sels fondus (nitrate de potassium et nitrate de sodium) pour stocker la chaleur. Répartis sur 185 hectares, 2 650 miroirs (des héliostats) suivent la course du soleil. Ils réfléchissent et concentrent les rayons du soleil en les faisant converger vers un récepteur situé au sommet de la tour au niveau duquel circulent les sels fondus qui emmagasinent la chaleur. Le système de stockage correspond aux deux gros réservoirs (l’un de sels froids, l’autre de sels chauds) visibles au pied de la tour. M ettre une pierre à côté du feu puis la déplacer, chaude, vers l’endroit que l’on désire chauffer : le stockage thermique est aussi vieux que la découverte du feu par l’homme. Il n’en est pas moins une technologie d’avenir pour les énergies renouvelables. Il est d’autant plus intéressant que des technologies déjà largement éprouvées sont aujourd’hui disponibles industriellement et que de nouvelles possibilités d’amélioration de la compacité, de l’efficacité ou de la durée des installations sont ouvertes. Les phénomènes physiques Le stockage puis la restitution de la chaleur sont basés sur trois phénomènes physiques. Le premier, la chaleur sensible, consiste à utiliser la chaleur pour augmenter la température d’un solide ou d’un liquide, qui vont à leur tour transférer leur chaleur à un fluide. Tel est le rôle joué par le ballon d’eau chaude couplé à des panneaux solaires thermiques : il stocke de la chaleur qu’il restitue ensuite au travers de l’eau chaude sanitaire ou d’un plancher chauffant. Le deuxième phénomène physique résulte de l’emploi de matériaux de stockage qui ont la propriété de changer de phase, de l’état solide à l’état liquide, sous l’effet de la chaleur, puis de l’état liquide à l’état solide en se refroidissant, d’où leur nom de matériaux à changement de phase (MCP). L’énergie par unité de volume délivrée par un tel système peut être élevée pour certains matériaux particulièrement adaptés comme les paraffines ou les sels. Le dernier phénomène est basé sur l’exploitation de réactions chimiques réversibles qui, dans un sens, ont besoin de chaleur pour se réaliser (endothermiques) et qui, dans l’autre sens, libèrent de la chaleur (exothermiques). L’intérêt de cette technique de stockage de l’énergie est Torresol Energy Investments, S.A. lié non seulement aux densités volumiques d’énergie, qui peuvent atteindre de très hauts niveaux, mais aussi à la durée de stockage lui-même, qui peut être très longue et permet d’envisager un stockage saisonnier. Le stockage de chaleur est déjà intégré dans plusieurs centrales solaires thermodynamiques (CST) à concentration, telle la centrale à miroirs cylindro-paraboliques Andasol en Espagne ou la centrale à tour Solar Two en Californie (États-Unis). Le système de stockage par chaleur sensible utilise un sel fondu circulant entre deux réservoirs, l’un où il est stocké « froid », vers 200 °C, et l’autre « chaud », vers 450 °C. Équipée d’un système de stockage du même type, la centrale à tour Gemasolar, inaugurée en octobre 2011 en Espagne, est capable de produire de l’électricité 24 heures sur 24. De nouveaux développements Avec l’essor prévisible des CST à concentration, de nouveaux systèmes de stockage de chaleur vont devoir être mis au point, mieux adaptés aux niveaux de températures des différentes technologies, plus efficaces, plus compacts et ne nécessitant que de petites quantités de matériaux qui imposent des contraintes de sécurité particulières, comme les sels fondus. Parmi ces systèmes, le stockage de chaleur à partir des rejets thermiques industriels à basse température est appelé à se développer. En effet, lorsqu’il est couplé à des systèmes de rehausse des températures, il permet de valoriser une énergie, qui autrement serait perdue, en décalant son utilisation dans le temps. Le stockage massif d’électricité (de l’ordre du GWh) sous forme thermique à haute température est une autre voie d’avenir. Deux procédés sont actuellement étudiés, le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) et le stockage d’énergie par pompage thermique (SEPT). Le stockage d’énergie par air comprimé consiste à se servir de l’électricité excédentaire pour comprimer de l’air qui est ensuite stocké à haute pression (de l’ordre de 100 bars) dans une cavité souterraine. Par la suite, cet air est détendu dans une turbine pour produire de l’électricité dans les périodes de forte demande. Il est indispensable de stocker la chaleur de compression à haute température, si l’on désire atteindre des rendements satisfaisants. Le stockage d’énergie par pompage thermique a été développé dans le cadre du projet SETHER (1), financé par l’ANR (Agence nationale de la recherche). Ce projet est mené par l’Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) du CEA en partenariat avec la société Saipem, à l’origine du procédé. Dans ce cas, l’électricité, transformée en chaleur, est stockée dans deux enceintes au travers d’un cycle thermodynamique de pompe à chaleur très haute température (800 °C). La chaleur est alors (1) Projet SETHER : Stockage d'Électricité sous forme THERmique à haute température.
utilisable pour la production d’électricité via un cycle de moteur thermique classique. L’efficacité du stockage thermique est un élément-clé du dimensionnement et du coût d’une telle installation. Les axes de recherche Le Liten est très impliqué dans l’étude des différentes solutions technologiques de stockage. Les travaux portent sur plusieurs aspects. Concernant les matériaux, l’accent est mis sur la détermination de leurs propriétés physiques thermiques, leur compatibilité avec les fluides caloporteurs et la réalisation de tests sur leur tenue dans le temps. Les aspects relatifs au transfert de chaleur sont particulièrement étudiés. En effet, l’énergie solaire est toujours absorbée par un fluide qui doit la céder à un solide pour qu’elle soit stockée. Les capacités de stockage ou le temps de réponse du système sont conditionnés par la qualité des échanges thermiques. Le Liten travaille donc à leur intensification, par l’optimisation des formes géométriques des systèmes à chaleur sensible ou par l’utilisation concrète des MCP, qu’il convient de « doper » par des structures de type échangeur de chaleur afin d’améliorer leur taux naturel de transfert de chaleur. Des installations expérimentales adaptées Le Liten dispose d’installations expérimentales, uniques en leur genre, dédiées à l’étude de solutions de systèmes de stockage de chaleur, depuis l’installation simple d’étude phénoménologique jusqu’à la boucle de tests à échelle semi-industrielle. Parmi les installations d’étude phénoménologique, celle consacrée à la mise en œuvre des MCP a une section d’essais constituée d’un tube de 4 cm de diamètre et de 40 cm de long, transparent et avec 40 mesures de température pour permettre le suivi précis du front de fusion et la validation des simulations. La boucle de tests CLAIRE, qui s’adresse aux hautes températures (supérieures à 500 °C), permet les études sur le stockage thermique par chaleur sensible. Utilisant l’air comme fluide caloporteur, elle est à une échelle semi-industrielle, avec des volumes de stockage (10 m 3) et des puissances thermiques (1 MW) significatifs. L’installation STONE est dédiée à l’étude du stockage thermique des CST à concentration à miroirs de Fresnel et avec de l’huile comme fluide caloporteur (voir Concentrer l’énergie du soleil, p.40). Elle autorise le suivi détaillé du fonctionnement d’un lit de roche grâce à une instrumentation fine (220 mesures de température Fusion progressive d’un matériau à changement de phase (MCP) autour d’un tube à ailettes transverses. CEA CEA Vue globale de la boucle STONE (à gauche), avec remplissage de type lit de roche (à droite). Dans une centrale solaire thermodynamique à concentration, le fluide caloporteur chaud peut être envoyé vers le réservoir de stockage où il cède sa chaleur au lit de roche, en le chauffant progressivement depuis le haut vers le bas, et ressort froid. Quand le soleil n’est plus suffisant pour apporter l’énergie nécessaire à la centrale, le fluide caloporteur, injecté froid en bas du réservoir de stockage, se réchauffe au contact du lit de roche et ressort chaud par le haut. Il sert ensuite à produire de l’électricité. Au fur et à mesure de son utilisation, le lit de roche se refroidit progressivement du bas vers le haut. L’intérêt du lit de roche est son coût très raisonnable et la disponibilité du matériau naturel de stockage. 300 289 278 267 256 245 234 223 212 201 190 179 168 157 146 135 124 113 102 91 80 X température (°C) Z Y pour 3 m 3 de stockage). En complément, la simulation numérique du stockage thermique permet de visualiser la progression du front de chaleur dans ce lit (figure). Les simulations sont validées par comparaison avec les mesures de température de l’installation STONE. Pour fixer les ordres de grandeur, il est intéressant de préciser que le volume de stockage d’une installation industrielle devrait varier de quelques dizaines à quelques centaines de m 3. Alors que la conservation de l’énergie pour une utilisation ultérieure va rapidement devenir indispensable pour une gestion efficace des ressources énergétiques, classiques et renouvelables, le stockage thermique est une solution particulièrement adaptée pour répondre à ce besoin. Le Liten a l’expérience et les outils nécessaires pour accompagner son développement, par la mise en œuvre de solutions éprouvées ou très innovantes. > Jean-François Fourmigué Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) Direction de la recherche technologique CEA Centre de Grenoble Figure. Simulation de la progression du front de chaleur dans un lit de roche. Le fluide caloporteur (huile) cède progressivement sa chaleur au lit de roche du haut vers le bas. Il ressort froid. CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 CEA 45



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