Tours solaires, vers une approche modulaire ?
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Présentation sur l'avenir des tours solaires thermiques, qui lève plusieurs incertitudes concernant la conception des centrales solaires à tour en plusieurs petits modules plutôt qu’une seule grande unité. En cours de route, on explore le taux d’actualisation, les biais des algorithmes, la paléo-énergétique, les préjugés sur l’optimisation. Voir aussi en version vidéo sur: https://youtu.be/mxe5nMjqu9I Les Causeries d'Avenir Climatique sont une série de conférences participatives auxquelles chacune et chacun peut assister et participer en tant que conférencier. Plus d'information sur http://avenirclimatique.org/les-causeries-dac/
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- 3. EDITO 3 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Solaire à concentration AIE, + mooc UVED
- 4. EDITO 4 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Une tour solaire ? Reilly, H. E. and Kolb, G. J. (2001) SAND 2001-3674: An Evaluation of Molten-Salt Power Towers Including Results of the Solar Two Project. Livermore: Sandia National Laboratories.
- 5. EDITO 5 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Autres possibilités de fluides Sodium liquide (= incendie) (// Superphénix) Déchets ? (cendres volantes) Sable ? (Masdar Institute) Vapeur (PS10, PS20) Falcone, P. K. (1986) SAND 86-8009: A handbook for solar central receiver design. Livermore: Sandia National Laboratories. Available at: http://www.osti.gov/scitech/biblio/6545992
- 6. EDITO 6 Tours solaires : vers une approche modulaire ? THEMIS (France, Pyrénées orientales) Site de Thémis © S. Burkhardt
- 7. EDITO 7 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Four solaire d’Odeillo (France, Pyrénées orientales) Autre usage : four solaire (Laboratoire CNRS PROMES. UPR 8521)
- 8. EDITO 8 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Liste des projets à travers le monde https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/power_tower.cfm
- 9. EDITO 9 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Projet récent…. https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/power_tower.cfm DEWA CSP Tower Project Annonce: Septembre 2017 (Reuters) Hauteur de la tour : 260 m (plus haut que Montparnasse) Turbine : 100 MW Développeurs : ACWA Power ; Shanghai Electric Tarif : 7.3 US cents par kWh Fluide : sels fondus ; 2 reservoirs ; 15h de stockage ; début en 2020
- 10. EDITO 10 Concevoir un système complet pour une centrale solaire thermique à tours (tour solaire) de 300 MWth, basée sur plusieurs unités modulaires de tours à sels fondus, avec chacun une capacité de 10 à 25 MWth. Tours solaires : vers une approche modulaire ? Scale up ? Turner, P.J. and Sansom, C. (2015) ‘A tubed, volumetric cavity receiver concept for high efficiency, low-cost modular molten salt solar towers’, Energy Procedia, 69, pp. 553-562.
- 11. EDITO 11 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Pourquoi un système modulaire ? Solar field annual efficiency = 72% Solar field annual efficiency = 51% 380 m 4 000 m 17 MWth 565 MWth
- 12. EDITO 12 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Scale-up : Pourquoi un système modulaire ? Avantages d’une grande centrale Inconvénient d’une grande centrale Performance - Conso des auxiliaires plus faible - Meilleure efficacité de conversion chaleur/élec - Pertes optiques élevées - Efficacité du récepteur diminue Cout - Economies d’échelle (cout du récepteur, couts relatifs de structure et d’amélioration) - Cout élevé de la tour - Temps de construction plus long Finance - Risque plus élevé - Nécessite plus grand investissement
- 13. EDITO 13 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Le modulaire, c’est la vie ! DNV GL, Tank Testing of Wave Energy Conversion Systems Test d’un proto d’énergies marines : 10 millions d’euros !! Même le nucléaire s’y met (« SMR », Small Modular Reactor, en Ontario)
- 14. EDITO 14 Concevoir un système complet pour une centrale solaire thermique à tours (tour solaire) de 300 MWth, basée sur plusieurs unités modulaires de tours à sels fondus, avec chacun une capacité de 10 à 25 MWth. Tours solaires : vers une approche modulaire ? D’où l’idée… Turner, P.J. and Sansom, C. (2015) ‘A tubed, volumetric cavity receiver concept for high efficiency, low-cost modular molten salt solar towers’, Energy Procedia, 69, pp. 553-562.
- 15. EDITO 15 « Même si c’est beau, même si ça marche ; tant que ce n’est pas simple, c’est faux. » Michel Bonvin, HES-SO Valais Tours solaires : vers une approche modulaire ? Un cahier bien chargé - Un système sûr (risques maitrisés) avec le moins de complications possibles - Quelles sont les redondances nécessaires, et celles superflues ? - Simplifier la maintenance : auto-vidange ? Nettoyage des miroirs ? - Fail-safe : en cas de panne, le système s’arrête sans dommages - Avantage d’un système qui débute la production avant que le chantier soit terminé ?
- 16. EDITO 16 Tours solaires : vers une approche modulaire ? L’expérience de conception Overview of solar receiver design, Alain Ferriere, SFERA II 2014-2017, Summer School, June 25, 2014, Odeillo (France)
- 17. EDITO 17 Tours solaires : vers une approche modulaire ? L’expérience de conception C. Midler (1993) L’auto qui n’existait pas B. Vacher, Les chroniques de l’innovation soutenable (web)
- 18. EDITO 18 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Conception modulaire : quelles questions ? Quelles questions se pose-t-on ? - A quoi ressemble le réseau de canalisations, quelles formes prend-t-il ? Quelle puissance de pompage ? Peut-on avoir de l’auto-vidange ? Quelle isolation du réseau ? Diamètre des tubes ? Pertes de chaleur ? - Quelle puissance de pompage pour amener le liquide en haut de plusieurs tours ? - Quel motif modulaire pour les champs de miroir ? Agencement ? - Un seul ou plusieurs réservoirs de stockage ? Quel impact sur les canalisations ? - Où place-ton la turbine à vapeur, le ou les échangeur(s) de chaleur ? - Quels sont les principaux risques en phase d’opération, à anticiper ? “Artistical view” attribué à eSolar.
- 19. EDITO 19 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: long réseau, c’est pas grave Temperature (°C) Heat loss (W/m) Temperature drop (°C/km) Pumping power (W/m) Pressure drop (bar/km) 300 105 3.2 4.38 3.8 600 177 5.3 4.29 3.3 Le choix du dimensionnement des réseau et de son isolation thermique est un compromis entre les couts des canalisations, son isolation, et la puissance de pompage associée. En pratique, c’est plutôt contraint par exigence de température de surface de 60 °C (protection des travailleurs).
- 20. EDITO 20 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: la tour, plus c’est gros, moins ça passe 0.00% 0.20% 0.40% 0.60% 0.80% 0 10 20 30 40 50 60 Fractionalpumpingloss(%) Receiver nominal thermal power (MWth) Plus la tour est grosse (puissance nominale reçue), plus elle a de pertes de pompage. Et ce, quelque soit le nombre de tours.
- 21. EDITO 21 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: motif modulaire, pourquoi pas une alvéole ? eSolar eSolar (Tyner and Wasyluk, 2014) AORA’s Tulip™ System eSolar (AORA Solar Ltd., 2015)
- 22. EDITO 22 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: motif modulaire, pourquoi pas une alvéole ?
- 23. EDITO 23 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: réseau de canalisations, la réponse dépend de la question Longueur réseau minimale Surface minimale Nb tours par branche équilibré
- 24. EDITO 24 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: une schéma possible
- 25. EDITO 25 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Réponses: avantages sur le financement Financement progressif : on peut commencer par construire quelques modules, faisant ainsi entrer de la rémunération avant la fin de la construction.
- 26. EDITO 26 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Trouvé en chemin… Norris, H. F. (1986) SAND 86-8001: Utilizing spreadsheets for Analyzing Solar Thermal Central Receiver Power Plant Designs. Livermore: Sandia National Laboratories. Déjà envisagé il y a bien longtemps ! (paléo-énergétiaue)
- 27. EDITO 27 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Trouvé en chemin… Allen, N., Guest, P., Riedl, K., and Turner, P. (2013) ‘Development of a levelised cost model for different CSP technologies’, SolarPACES Conference. Las Vegas 17-20 September 2013. Paris: International Energy Agency. Le modulaire serait bien le moins cher, à terme !
- 28. EDITO 28 TOP 3 messages clés pour élargir la discussion Tours solaires : vers une approche modulaire ? Messages clefs
- 29. EDITO 29 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Premier point : vive le passé ! Norris, H. F. (1986) SAND 86-8001: Utilizing spreadsheets for Analyzing Solar Thermal Central Receiver Power Plant Designs. Livermore: Sandia National Laboratories. L’histoire de l’énergie n’est pas linéaire ! (http://paleo-energetiaue.org )
- 30. EDITO 30 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Deuxième point : les calculs ne sont pas rationnels Le cout actualisé (càd taux d’actualisation) n’est pas politiquement neutre.
- 31. EDITO 31 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Troisième point : optimiser, c’est relatif Dr Maurizio COLLU, “Wind Turbine characteristics (L4-2)”, Cranfield University lecture, 30 oct. 2014 Nouvelle turbine (C1) Production max (E) Turbine standard (0,85 C1) Production plus faible (0,9 E) Meilleur rendement n’est pas toujours meilleur cout € par kWh ! Dépendance au chemin
- 32. EDITO 32 Tours solaires : vers une approche modulaire ? Questions MERCI DE VOTRE ATTENTION
Notes de l'éditeur
- SOURCES : MIT, The futur of solar energy, an interdisplinary study : http://energy.mit.edu/futureofsolar Interview de Koppelaar sur Medium : https://medium.com/insurge-intelligence/solar-is-already-producing-more-energy-than-oil-says-major-scientific-review-873d5f779f03 (elle-même citée sur Techniques de l’ingénieur : https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/solaire-photovoltaique-petrole-38798/ ) The first quote, "about 85% of the world’s population resides in areas that receive a significant degree of sunlight” can be attributed to my book R. Koppelaar, W. Middelkoop (2017). The Tesla Revolution: Why Big Oil is Losing the Energy War. Amsterdam University Press. https://nl.aup.nl/books/9789462982062-the-tesla-revolution.html It is based on a population/solar-PV sunshine analysis summarized in my book as: " Especially solar power is proving to be a game changer, as it is available year round for 85% of the world’s population in nearly all of Asia, Africa, Central, South America, and North America excluding Canada. An imaginary horizontal line drawn on the globe around a latitude of 40 divides countries with plenty of sunshine all year round to those who lack sun in winters. Countries below the line have a sunshine level of 1700 kWh per m2 per year or greater." The detailed analysis on this for Solar-PV and Solar-CSP is in the works together with Elise Dupont from U. Louvain. It will be published this year in a paper similar to our global Wind Energy Availability/EROI analysis (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261917313673).
- On parlera de centrales à tour; une des technologies de solaire à concentration. Il ne s’agit pas non plus de réacteurs météorologiques (dont certains sont appelés cheminées solaires, ou tours solaires) (cf : www.tour-solaire.fr/ ) SOURCES : - AIE
- SOURCES : Reilly, H. E. and Kolb, G. J. (2001) SAND 2001-3674: An Evaluation of Molten-Salt Power Towers Including Results of the Solar Two Project. Livermore: Sandia National Laboratories. Efficacité du stockage : supérieure à 98 % ( Pacheco, J.E, et al. (2002) SAND2002-0120: Final Test and Evaluation Results from the Solar Two Project. Livermore: Sandia National Laboratories. Available at: http://www.osti.gov/scitech/biblio/793226 )
- Finitude des sources de sels fondus: According to Vignarooban et al. (2015), the IEA’s target of the CSP in 2050 would require 30 times the current mine production of nitrate salts from those two countries (Chile qnd Peru). Sels nitrate: leader mondial en terme de production: Chili (0.8 million de tonnes par an). Pour arriver à construire toutes les centrales solaires prévues, il faut 20 million de tonnes par an. Verrou pour le développement à grande échelle. (Xavier Py) SOURCES : Falcone, P. K. (1986) SAND 86-8009: A handbook for solar central receiver design. Livermore: Sandia National Laboratories. Available at: http://www.osti.gov/scitech/biblio/6545992 (On peut le télécharger gratuitement) CVCT Cendres volantes centrales thermiques http://www.franceculture.fr/emission-science-publique-va-t-on-enfin-parvenir-a-stocker-l-energie-solaire-2015-09-11 Image cendres volantes : Receivers for Solar Tower Systems, Prof. Dr. Bernhard Hoffschmidt (June 25-27, 2014) Font Romeu, France Voir aussi Overview of solar receiver design, Alain Ferriere, SFERA II 2014-2017, Summer School, June 25, 2014, Odeillo (France) Sable : http://www.cspfocus.cn/en/market/detail_566.htm
- Dans les Pyrénées Orientales, centrale solaire thermique, 2,5 MWe (8000 foyers) dès les années 1980.
- Grand Four Solaire d'Odeillo à Font Romeu. Laboratoire CNRS PROMES. UPR 8521.
- https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/power_tower.cfm
- DEWA CSP Tower Project https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/power_tower.cfm Surface : 43 km² A peu près la taille de l’éolienne offshore de 12MW prévue par GE, 260m de haut au dessus de l’eau, un rotor de 220m de diamètre. Par comparaison, énergie éolienne environ 5.4 US cents par kWh (Scientific American) aux Etats-Unis (16 cents pour éolien en mer), et 5 à 6 cents pour solaire photovoltaïque (13 à 16 cents si c’est sur le toit d’un particulier) (NREL). Pas forcément dédiés à etre installés dans des déserts : PS10 et PS20 sont situés près de Séville, par exemple, et il y aurait de quoi près de la gare TGV d’Aix en Provence !
- Diseconomies of scale : plus on construit de grandes surfaces, moins c’est performant.
- Norris, H. F. (1986) SAND 86-8001: Utilizing spreadsheets for Analyzing Solar Thermal Central Receiver Power Plant Designs. Livermore: Sandia National Laboratories.
- On pense au projet téléphone modulaire Google. Photovoltaïque : modulaire de référence. Pour un système énergie marine : un prototype peut couter 10 millions d’euros ! (DNV GL, « Tank Testing of Wave Energy Conversion Systems”) Et à l’inverse, éolienne peu modulaire car puissance proportionnel au carré de la surface . Et si un module tombe en panne, le reste peut continuer à fonctionner : plus résilient. James Conca, Canada Aims For A Fleet Of Small Modular Nukes, Forbes (26 avril 2017)
- D’où l’idée…
- Contrainte de simplifier le design au maximum. Examiner aussi possibilité de faire un maximum les tours en série en usine; et faire un assemblage très simple sur place : réduction des couts ! Exemple : en photovoltaïque, un angle d’inclinaison de 15° est suffisant pour que les panneaux soient nettoyés par les intempéries.
- Source : - Overview of solar receiver design, Alain Ferriere, SFERA II 2014-2017, Summer School, June 25, 2014, Odeillo (France)
- Au début, on ne sait pas grand-chose, mais beaucoup de possibles. L’expérience de conception est toujours un peu frustrante, à la première itération, car on a trop de degré de liberté pour prendre des décisions, et peu de connaissances sur l’objet. Au fur et à mesure, on comprend mieux les contraintes, mais c’est plus difficile de revenir en arrière. B. Vacher : http://www.mines-albi.fr/initiatives-pedagogiques
- Alors on va se clarifier l’esprit en se posant les bonnes questions. Par rapport à une conception « gros champ solaire + grande tour », quelles particularités, qu’est-ce qui risque de poser problème, à examiner ? Quels indéterminés ? Plusieurs tours = gros réseau ? Est-ce que ça coute cher ? Grosse puissance de pompage, beaucoup de pertes de chaleur ? Plusieurs réservoirs = grosses pertes de chaleur ? Plusieurs tours = grosse puissance de pompage ?
- Pour dire si les pertes dues à un long réseau sont significatives, il faut d’abord définir sous quelles conditions. On définit tout d’abord une optimisation multi-énergie, technico-économique, sur une longueur unitaire d’un réseau, à différentes conditions de température du fluide. On définit ensuite des indicateurs qui permettent de juger les pertes. Les 60°C : (Zavoico, 2001) ou Thesis page 40.
- Graphique avec le pourcentage de puissance perdue par le pompage, par rapport à la puissance nominale du récepteur de chaleur. Pour le pompage, il vaut mieux plusieurs petites tours qu’une seule grosse. Par exemple, pour une centrale de 300 MWth, une trentaine de tours de 10 MWth consomment moins de pompage que six tours de 50 MWth chacunes. C’est principalement du à l’augmentation de la hauteur de la tour et du débit de fluide, lorsque la puissance nominale augmente.
- Différents motifs possibles. Champs entourant la tour versus champs au nord de la tour.
- On part de motifs déterminés à partir de HFLCAL software. On propose de l’encadrer dans un motif d’hexagone. Bien adapté au modulaire. Biomimétisme.
- D’abord, les modules sont placés les un par rapport aux autres, en partant du Power Block, puis en allant à la « tour » la plus proche. Montrer les 3 possibilités d’optimisation des réseaux. La plus pertinente est probablement celle qui prend en compte la complexité du réseau (nb de tours par branche). Si trop de tours attachées à différentes distances, pb de diamètre des réseaux, tubes différents donc pas d’effets d’échelle (pas de palais; pas de palais)
- On a plus intérêt à mettre des champs vers le nord (via position des tours au Sud) : algorithme position des tours. Prend en compte aussi le chemin facilité pour la washing machine (pas de champs « entouré » par du réseau). Ici 12 champs de 25 MWth.
- Permet d’attirer ce qui constitue le nerf de la guerre : la confiance des investisseurs !
- L’idée n’est en fait pas neuve : format modulaire envisage dès les années 80 ! Norris, H. F. (1986) SAND 86-8001: Utilizing spreadsheets for Analyzing Solar Thermal Central Receiver Power Plant Designs. Livermore: Sandia National Laboratories. Trouvé aussi en chemin : erreurs dans la littérature, conditions de validité (lambda de l’isolant)
- Allen, N., Guest, P., Riedl, K., and Turner, P. (2013) ‘Development of a levelised cost model for different CSP technologies’, SolarPACES Conference. Las Vegas 17-20 September 2013. Paris: International Energy Agency Trouvé aussi en chemin : erreurs dans la littérature, conditions de validité (lambda de l’isolant)
- « Retour en arrière »; c’est parfois aller de l’avant : tout dépend du contexte et/ou de notre perception du contexte ! Exemple : Dans les années 40, 1 cal fossile = 2,4 calories alimentaire. Aujourd’hui, 7 à 10 calories fossiles pour 1 calorie alimentaire. Efficacité énergétique divisée par 25 ! (Maxime de Rostolan)
- Le couts actualisé, càd le taux d’actualisation, n’est pas politiquement neutre. D’ailleurs, tendance préférence au présent remis en cause par le test du marshmallow. Ceux qui savent attendre, « devenus adolescents puis adultes, ils décrochent de meilleurs diplômes, de meilleures rémunérations, échappent davantage à l’obésité, à la drogue. » (Le Monde, Chez le chimpanzé comme chez l’homme, le « selfcontrol » prédit l’intelligence, Nathaniel Herzberg, 12 février 2018) Livret blanc du REFEDD préconise de supprimer ce taux d’actualisation.
- On optimise par rapport à une fonction cout. Eolienne : sur un site, une nouvelle éolienne avec un profil de vent (uR) optimisé, et cut-in speed optimisé. Mais plus cher ! A l’heure des algo, cette fonction cout devient un enjeu politique. Exemple de l’éolienne et exemple des burger MacDo. Ou des camions de grande distribution, trajet étudié mais grosse puissance frigo de conservation, et usine de « maturation des fruits » ! Economistes qui pensaient que les entreprises réduiraient « naturellement » leur déchets, car valeur financière. « Dans les grandes boites, tout est déjà optimisé ». Se méfier de ce qu’on considère comme « optimisé ».