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Centrales thermiques à tour

Mis à jour le 16/10/2013

Le principe des centrales thermiques à tour est la concentration avec des miroirs du rayonnement solaire vers une chaudière en haut de la tour.

Centrales thermiques à capteurs cylindro-paraboliques

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Dans ce type de centrale, on utilise de nombreux miroirs qui concentrent le rayonnement solaire sur une chaudière placée en haut d'une tour. Les miroirs ou "héliostats" sont conçus pour tourner avec le soleil et ainsi, réfléchir les rayons du soleil sur le foyer de la chaudière. Le rayonnement solaire doit être dirigé vers le foyer en haut de la tour avec une grande précision afin de concentrer l'énergie thermique pour assurer des températures près de 600°C. 

A la différence d'une centrale cylindro-parabolique, les déperditions d'énergie dans le transfert de chaleur sont minimisées. Cependant, les centrales à tour doivent être très grande pour trouver une rentabilité et le développement industriel est toujours dans les premières phases d'expérimentation.

L'expérimentation a commencé aux États-Unis au laboratoire de SANDRIA à Albuquerque en 1976. La centrale avec une tour de 63 mètres et 222 héliostats contrôlés par ordinateur a permis de fournir une puissance thermique de 5 MW. Depuis la recherche à continué aux États-Unis, en France et en Espagne avec la participation active des laboratoires allemandes.

Stockage de la chaleur produite par une centrale solaire

Un accumulateur de chaleur développé par l'Institut de thermodynamique technique du centre de recherche aérospatial allemand (DLR) peut stocker, sous forme de chaleur latente, une partie de l'énergie solaire produite par une centrale thermoélectrique solaire. Grâce à ce système de stockage, la centrale peut produire de l'électricité la nuit ou par temps nuageux. 

L'accumulateur à sel de nitrate est constitué de plusieurs couches de graphite et de matériaux caractérisés par un changement de phase qui permettent un stockage thermique par chaleur latente. Installé sur la plateforme de recherche solaire d'Almeria en Espagne, l'appareil délivre une puissance de 100 kW avec des températures de vapeur d'eau dépassant les 200 °C. Il est capable de stocker la chaleur pendant 10 heures et d'en restituer jusqu'à 90 %. Les chercheurs du DLR souhaitent appliquer leur concept de stockage à une installation de 1 MW et atteindre des températures de stockage de plus de 300 °C.

Projet THEMIS

THEMIS est l'unique essai français de production d'électricité au moyen d'une centrale solaire à tour. Le projet de recherche et développement a démarré en 1975, autour d'une équipe mixte EDF – CNRS. La centrale a été livrée pour des essais d'exploitation en 1983 et abandonnée en septembre 1986.

 

La centrale Thémis sur le site de Targassonne à 1650 m d'altitude, dans les Pyrénées-Orientales.

Un nouveau projet sur le même site voit le jour en 2006 : sur les 201 héliostats, la moitié recevra des cellules photovoltaïques pour la production d'électricité. L'autre moitié sera consacrée au projet de recherche "Pégase" mené par le laboratoire Promes du CNRS. Pégase est une centrale solaire thermique d'une conception nouvelle. L'originalité du projet est de réchauffer de l'air comprimé (à une pression de l'ordre de 10 atmosphères). Cet air sera ensuite détendu dans une turbine, sur le principe des turbines à gaz. A partir de 2013, Thémis pourrait devenir un prototype de centrale solaire à nouveau.

 


Centrales thermiques à tour SOLAR 1 et SOLAR 2

SOLAR 1, construit à Barstow en Californie, était opérationnel de 1982 à 1988.

  • 1.800 héliostats et une puissance thermique de 10 MW,
  • L'eau dans la chaudière était transformée directement en vapeur et utilisée dans une turbine. 

 

 

 

SOLAR 2, est le résultat d'une rénovation complète de Solar 1 et l'introduction de la technologie de sel fondu comme caloporteur. Cette centrale expérimentale du Département d'Energie et de l'entreprise Edison de Californie du Sud, a démarré en 1996.  Les recherches sur ce site ont démonté que le système de stockage de la chaleur avec du sel de nitrate fondu est opérationnel. Ainsi, une partie de l'énergie thermique peut servir pour produire de l'électricité pendant les périodes nuageuses ou pendant la nuit. C'était une étape essentielle pour la commercialisation de la technologie.

La centrale SOLAR 2 avec 1926 héliostats autour de la tour.

 


Vue d'un héliostat de la centrale Solar 2.
La puissance thermique de 35,5 MW a générée une puissance électrique de 10 MW.


Stockage de chaleur à SOLAR 2. Ces 2 réservoirs de sel fondu permettent une production électrique de pleine puissance pendant 3 heures sans soleil.

 


Projet thermique Solar TRES

SOLAR TRES est un projet espagnol qui sera réalisé en partenariat avec des industriels américains et allemands, suite aux expériences menées à Solar 2 et à Alméria . Il doit utiliser la technologie de sel fondu afin d'assurer 16 heures de stockage, et de permettre une turbine de 15 MW à fonctionner jusqu'à 24 heures par jour.

PS 10 - La première centrale solaire à tour commerciale 

L’Espagne a démarré la production au plus grand complexe de centrales solaires thermo-électriques d’Europe sur le site de Sanlùcar La Mayor, près de Séville. PS 10 a été constuit par la société Abengoa pour un investissement de 35 millions d'euros. Elle se présente sous la forme d’un vaste champ de près de 70 hectares, planté de 624 héliostats (miroirs orientables), d’une surface de 121 mètres carrés chacun, fixés sur des piliers de métal et disposés au pied d’une tour de 115 mètres.

 

Vue de la première centrale du projet et photo d'un héliostat.

Ces miroirs permettent de concentrer les rayons du soleil sur une chaudière en haut de la tour, afin d’obtenir une température entre 600°C et 1 000°C pour chauffer un fluide et produire de la vapeur qui actionne un système de turbines générant de l’électricité.

La première centrale d'une capacité de 11 MW a été inaugurée en mars 2007, elle doit produire 23 GWh d'électricité par an. Mais d’ici 2013, il est prévu de construire huit centrales à Sanlùcar La Mayor, pour porter la capacité du complexe à 302 MW. 

A terme, cet ensemble sera capable d’approvisionner en électricité 180 000 foyers, l’équivalent d’une ville comme Séville.

Projet IVANPAH

La compagnie californienne BrightSource Energy va lancer la construction, en 2010, de 3 centrales thermiques solaires dans le désert du Mojave sous le nom de Ivanpah . Ce projet avec une capacité solaire d'environ 400 MW sera réalisé sans terrassement en béton, car les héliostats seront montés sur des socles individuels qui seront enterrés directement dans le sol. De plus, afin de préserver au maximum l'eau précieuse du désert, le projet Ivanpah emploiera un système de refroidissement en circuit fermé permettant de transformer la vapeur en eau.
En utilisant ce système de refroidissement à sec, le projet consommera  25 fois moins d'eau qu'un projet solaire thermique conventionnel.

Centrale solaire GEMASOLAR est le projet phare de Torresol Energy

La centrale "Gemasolar" à Séville  a été inaugurée en octobre 2011. La capacité de 19,9 MW est suffisant pour approvisionner en électricité quelque 27 500 ménages du sud de l'Espagne. 

2600 héliostats sur 185 hectares réflechissent le rayonnement solaire sur la tour centrale.La température atteint en haut de la tour dépasse les 500 °C, afin de produire une vapeur pressurisée, qui assure une mise en mouvement plus efficace des turbines. Grâce à la capacité de stockage du sel fondu, la centrale est à même d'injecter de l'électricité dans le réseau jusqu'à 15 heures sans qu'il y ait de soleil (pendant la nuit et les périodes nuageuses).

1 milliard de dollars pour 250 MW en Australie

 

Le projet de la société Cobra Energy comprendra pour moitié des panneaux solaires photovoltaïques et l'autre moitié une technologie solaire thermique avec stockage aux sels fondus pour la nuit. 

Le projet n'est pas encore finalisé et la société espagnole doit sélectionner un endroit parmi un certain nombre de sites potentiels sur le territoire australien.

Air comprimé en Australie

La construction d'une centrale solaire à tour expérimentale a démarré (mai 2010) à Newcastle, dans les Nouvelles-Galles du Sud. La centrale sera constituée d'environ 450 héliostats qui dirigera la chaleur solaire sur une tour de 30 mètres de haut afin de générer de l'air comprimé surchauffée à destination d'une turbine de 200 kW. L'air comprimé pourra également être chauffée avec du gaz naturel, afin de surmonter les variations de températures.

Article mis à jour le 16/10/2013

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