Comment les Récepteurs Solaires à Particules Tombantes et les Systèmes de Stockage Thermique Modifient-ils les Performances des Centrales Solaires à Concentration ?

Les récepteurs solaires à concentration (CRS) sont au cœur des technologies de production d'énergie solaire concentrée (CSP), permettant de capter et de concentrer la lumière solaire pour produire de l'énergie thermique. L’une des innovations récentes dans ce domaine est l'utilisation de particules solides comme moyen de stockage et de transfert thermique. Ce concept, qui remonte aux années 1980, a le potentiel de repousser les limites des technologies traditionnelles en matière de rendement énergétique et de stockage thermique.

Pour améliorer l'efficacité thermique, les technologies basées sur les particules tombantes (falling particle receivers) ont émergé comme une solution alternative. Le principe fondamental est que les particules solides, comme des céramiques hautement absorbantes (par exemple des particules de bauxite frittées), absorbent directement l'énergie solaire concentrée. Ces particules, d'un diamètre moyen de 100 microns, tombent sous l'effet de la gravité à travers un faisceau solaire concentré. Cette approche offre un avantage thermodynamique significatif en permettant d'atteindre des températures de fonctionnement beaucoup plus élevées que les systèmes traditionnels utilisant de la vapeur ou des sels fondus.

L'une des caractéristiques intéressantes des récepteurs à particules tombantes est leur capacité à fonctionner à des températures de travail beaucoup plus élevées. En utilisant des cycles de CO2 supercritique (sCO2), ces systèmes peuvent théoriquement atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) allant de 700°C à 715°C, permettant ainsi des rendements thermiques supérieurs. Cette capacité à travailler à des températures plus élevées est cruciale pour l'amélioration de l'efficacité du cycle thermodynamique et pour la réduction de la taille des composants de la centrale, tels que les turbines.

L’efficacité thermique des particules utilisées dans ces systèmes est mesurée par leur capacité à absorber et à transférer la chaleur. Par exemple, les particules de type CARBOBEAD, fabriquées à partir de céramique d’aluminosilicate, ont une densité d'environ 3 500 kg/m3 et une porosité d'environ 40 %, ce qui leur confère une capacité thermique spécifique entre 950 et 1 100 J/kg-K entre 200 et 800°C. Cette densité et cette capacité thermique permettent de maintenir une température stable dans le système et d’optimiser la production d’énergie.

Une autre approche intéressante pour le stockage thermique est l'utilisation de récepteurs volumétriques à air pressurisé. Bien que cette technologie ne soit pas encore utilisée dans des centrales commerciales, elle fait l'objet de recherches actives, notamment en Europe. Ces récepteurs permettent d'atteindre des températures d’air de 800°C ou plus, ce qui ouvre la voie à l'utilisation de cycles de travail à CO2 supercritique avec une TIT de 750°C. Cependant, bien que l'air soit une option prometteuse en tant que fluide caloporteur, il n'est pas idéal pour le stockage thermique à long terme. C'est pourquoi des systèmes de stockage en lit fixe, utilisant des matériaux à haute capacité thermique tels que des pierres volcaniques ou des briques céramiques, sont utilisés pour emmagasiner la chaleur excédentaire produite pendant la journée.

Lors de la phase de charge, l'air chaud provenant du récepteur est dirigé vers un échangeur de chaleur pour alimenter la centrale à CO2 supercritique ou est stocké dans un réservoir thermique. Lorsque la centrale fonctionne pendant la nuit, l’air refroidi est renvoyé au récepteur pour être à nouveau chauffé et utilisé dans le cycle de production d'énergie. Ce système de stockage thermique à lit fixe permet ainsi de maintenir une production d'énergie stable, même en l'absence de lumière solaire directe.

Pour le lecteur, il est essentiel de comprendre que bien que les récepteurs à particules tombantes et les réservoirs thermiques volumétriques à air offrent des avantages indéniables en termes de rendement thermique, leur mise en œuvre nécessite une gestion méticuleuse des matériaux et une conception précise des systèmes de stockage. De plus, la température de fonctionnement élevée de ces technologies ouvre la voie à de nouvelles possibilités dans les cycles de conversion d'énergie, mais cela implique également un investissement supplémentaire dans les matériaux de construction et les composants de la centrale.

Comment la configuration d'une turbine à vapeur influence l'efficacité thermique et la performance globale d'un cycle combiné ?

La configuration d'une turbine à vapeur est un facteur clé dans l'optimisation de l'efficacité thermique des centrales électriques, en particulier lorsqu'elles sont couplées à des turbines à gaz dans des cycles combinés. Le principe fondamental réside dans l’adaptation de la turbine à vapeur à la taille et à la puissance de la turbine à gaz, ainsi qu'aux exigences thermodynamiques spécifiques du cycle combiné. Ce processus de conception doit prendre en compte plusieurs éléments cruciaux, notamment la configuration des différentes sections de la turbine, les pertes d’exhaustion et la gestion des volumes de vapeur dans la turbine basse pression (LP).

Pour les turbines de petites capacités, notamment celles utilisant des turbines à gaz de classe E ou F, un système à flux unique dans la section LP est souvent suffisant. Cependant, pour les centrales à grande échelle, telles que celles équipées de turbines à gaz de classe J ou H, il est nécessaire d’avoir deux turbines LP à double flux, ce qui permet de fournir l'annulus nécessaire pour un débit de vapeur élevé.

L'adaptation de la taille de l'annulus d’échappement, un espace qui permet à la vapeur de s'échapper de la turbine, est essentielle pour maintenir une vitesse de vapeur optimale. Lorsque la pression d’échappement du condenseur est faible, la densité de la vapeur diminue, augmentant ainsi le volume de vapeur qui doit circuler à travers la turbine. Cette augmentation du débit volumétrique nécessite un annulus d'échappement plus grand, afin de maintenir la vitesse de la vapeur à des niveaux subsoniques, minimisant ainsi les pertes et l’usure des composants.

Le concept clé ici est de maintenir un équilibre entre le volume de vapeur et la taille de l'annulus d’échappement, tout en évitant que la longueur des derniers seaux de la turbine LP n'atteigne des niveaux où la résistance matérielle pourrait être compromise. Pour ce faire, il est souvent nécessaire d’ajouter plusieurs chemins de flux de vapeur dans la section LP, ce qui permet de répartir le débit volumétrique sur une surface plus large, réduisant ainsi la contrainte sur les seaux.

Enfin, les pertes d'échappement jouent un rôle central dans l'efficacité globale du système. Ces pertes, qui résultent des déperditions thermiques au niveau de l’échappement de la turbine, peuvent être réduites en optimisant la configuration de la turbine et la gestion des volumes de vapeur. Pour déterminer l’impact des pertes d'échappement sur l'efficacité, il est nécessaire de comprendre comment ces pertes varient en fonction de la pression de condenseur et de la vitesse de la vapeur à l’échappement. En pratique, une pression de condenseur faible et une vitesse de vapeur optimisée autour de 600-700 pieds par seconde garantissent un compromis entre efficacité thermique et pertes d'énergie.

La conception et l’optimisation d'une turbine à vapeur ne sont pas seulement des questions de performance technique, mais aussi de compromis entre différents paramètres thermodynamiques, mécaniques et économiques. Les ingénieurs doivent jongler avec ces variables pour garantir que chaque turbine fonctionne à son rendement maximal tout en répondant aux exigences du cycle combiné dans son ensemble. Une mauvaise gestion de l’espace d’échappement ou des pertes d'exhaustion peut entraîner des inefficacités notables, augmentant la consommation d'énergie et réduisant la rentabilité de l'installation.