Production d'énergie solaire concentrée

Tandis que l'Allemagne exclut le nucléaire, que le Japon s'attaque à Fukushima et que les gouvernements nord-américains instituent des réglementations environnementales rendant la production d'électricité au charbon plus coûteuse, l'intérêt d'exploiter les sources d'énergie de substitution naturelles devient encore plus grand.

La production d’énergie solaire est une méthode privilégiée sous des latitudes très ensoleillées. Ce n’est certes pas une technologie nouvelle, mais le défi de la technologie photovoltaïque réside dans le stockage. C’est bien d’avoir toute cette énergie lorsque le soleil se lève, mais que se passe-t-il quand le soleil se couche? Le stockage dans des batteries et d'autres appareils est très coûteux et inefficace.

Avec l’énergie thermique solaire concentrée, le stockage n’est pas un problème aussi important, car la technologie est fondamentalement la même que celle de toute production d’énergie produite à la vapeur et il existe des méthodes éprouvées de stockage de l’énergie thermique. Plutôt que d'utiliser le rayonnement solaire pour générer de l'énergie électrique en convertissant directement le rayonnement solaire en courant électrique à l'aide de semi-conducteurs, le solaire thermique concentré concentre l'énergie du rayonnement solaire pour chauffer l'eau en vapeur, ce qui exploite une turbine pour générer de l'énergie.

Il existe deux catégories différentes de centrales thermiques solaires concentrées. Les centrales thermiques à focalisation linéaire génèrent de la chaleur à partir de la lumière solaire concentrée en utilisant des surfaces réfléchissantes sur des tuyaux acheminant le fluide caloporteur vers des échangeurs de chaleur. Les systèmes de mise au point ponctuelle, ou pylônes électriques, captent la lumière du soleil d'un ensemble de miroirs dirigés vers un collecteur situé dans une tour électrique. Le collecteur peut utiliser du sel fondu qui est ensuite utilisé pour chauffer l'eau afin de faire tourner les turbines ou avoir de l'eau directement chauffée et transformée en vapeur.

Défis techniques et solutions

Même si cela semble assez simple pour les centrales électriques, il existe encore des problèmes techniques que les fabricants de vannes et de régulateurs doivent surmonter lorsqu'ils traitent les sels fondus et autres fluides caloporteurs utilisés dans le processus. Les variations de pression et de température dues à la quantité de lumière solaire capturée et focalisée sur les capteurs constituent d'autres défis.

Dans le cas des systèmes de focalisation ponctuelle, le sel fondu est surchauffé dans la tour de contrôle. Il est ensuite envoyé par gravité dans un réservoir de stockage, où il est envoyé pour être utilisé pour créer de la vapeur, ou peut être stocké dans le réservoir. Le sel fondu constitue un excellent moyen de concentration et de stockage de l'énergie thermique. Qu'il soit utilisé immédiatement ou stocké, le sel fondu est contrôlé par l'utilisation de vannes.

Nous nous sommes entretenus avec Bradford Haines, chef de projet principal et expert en thermique solaire à Flowserve, pour lui poser des questions sur les exigences particulières de ce service. «Les vannes utilisées dans les applications de sel fondu subissent fréquemment des fluctuations de température extrêmes, qu’elles s’ouvrent de la fermeture et de l’ouverture à des heures indéterminées ou en raison de changements dans les conditions de fonctionnement de jour à nuit. En raison des contraintes extrêmes imposées à la vanne lors du cyclage thermique, il est essentiel de choisir les matériaux de construction de la vanne appropriés. Chacun des composants de la vanne doit présenter des taux de croissance similaires pendant le cycle thermique pour que la vanne fonctionne correctement lors de l'excursion thermique. ”

Bill D’Andrea, directeur régional de l’Ouest de DFT Inc., a ajouté. «Dans les tours électriques, avec du sel fondu, l’acier inoxydable ordinaire ne le fera pas. Quand il fait très chaud, vous obtenez également des sécrétions sulfuriques, il y a donc des réactions avec la chaleur. Vous devez monter. Dans notre cas, nous utilisons un clapet antiretour sans ressort, en alliage 20 ou en Hastelloy C-276. ”

                  Copyright de l'image et courtoisie Flowserve

Haines a poursuivi: «Un défi supplémentaire est que le sel fondu a tendance à se solidifier lorsque la température du sel tombe en dessous du point de fusion du sel. Cela pourrait endommager les composants d'étanchéité, les systèmes d'emballage et les tiges, en particulier dans le capot et les zones d'emballage. Une solution à ce problème consiste à utiliser un joint métallique à soufflet pour isoler le fluide de traitement dans le corps de la vanne où il reste chaud, l'empêchant d'atteindre la zone de garnissage. De plus, des systèmes de traçage thermique sont installés sur la vanne pour maintenir la température du corps de la vanne au-dessus du point de fusion du sel, afin d’éliminer le risque de "gel" et de verrouillage de la vanne. "

Dans le cas des installations à focalisation linéaire, le processus de collecte utilise un fluide caloporteur (HTF). Le HTF lui-même représente un défi de taille car, même s’il excelle en matière de captage de la chaleur, il est également une substance très pénétrante. Haines a expliqué: «En raison de la nature des solutions d'emballage HTF standard ne conviennent pas, nous avons conçu des ensembles d'emballage spéciaux pour fluides caloporteurs offrant une étanchéité plus fiable, même face aux défis des environnements sur le terrain et du cyclage thermique."

Bien que le captage de chaleur représente un défi considérable pour la centrale solaire thermique, les vannes utilisées dans la partie vapeur et eau d'alimentation de la centrale ressemblent à celles utilisées dans la plupart des centrales et doivent répondre aux mêmes exigences en matière de pression et de température élevées. .

Avec la construction de centrales solaires thermiques dans le monde entier, cette méthode de production d’électricité pourrait être très importante pour la croissance des énergies renouvelables. Des améliorations et des innovations technologiques contribueront à rendre l’énergie solaire compétitive par rapport aux autres technologies de production.