Vous vous souvenez quand un moniteur de camp vous a montré comment utiliser une loupe pour graver votre nom sur un morceau de bois ? C’est essentiellement ce que fait l’énergie solaire concentrée ou CSP. Un réseau de miroirs répartis sur une vaste zone concentre la lumière du soleil sur un seul point. Là où la lumière du soleil converge, les températures peuvent atteindre 800º C ou plus. Cette chaleur peut ensuite être utilisée pour créer des gaz surchauffés – de la vapeur ou du dioxyde de carbone, généralement – pour faire tourner des générateurs qui produisent de l’électricité.
C’est si le soleil brille. Mais que se passe-t-il lorsque le soleil se couche ? Existe-t-il un moyen de stocker cette chaleur gratuite afin qu’elle puisse être utilisée plus tard ? C’est une question à laquelle les chercheurs du Sandia National Laboratory s’efforcent de répondre depuis 2017. Cela semble simple – chauffez quelque chose maintenant, puis utilisez cette chaleur plus tard. Mais c’est quoi ce quelque chose ? Et quels défis doivent être surmontés pour stocker ce quelque chose à des températures aussi élevées en toute sécurité ?
Recherche sur l’énergie solaire concentrée de Sandia
En 2018, Sandia a créé trois équipes de recherche et les a libérées pour trouver les réponses. Leur mission était de déterminer si les matériaux liquides, solides ou gazeux étaient les meilleurs pour le stockage de la chaleur à des températures de 700 ° C ou plus, tant du point de vue de l’efficacité que de la sécurité. Les températures de fonctionnement des centrales CSP supérieures à 700 ° Celsius ont le potentiel de réduire le coût des systèmes CSP en augmentant l’efficacité de l’installation. En mars 2021, le ministère de l’Énergie a annoncé que les particules solides constituaient la voie la plus prometteuse pour atteindre des températures plus élevées dans les centrales CSP afin de réduire le coût de l’énergie solaire concentrée à 5 cents par kWh d’ici 2030.
Cette semaine, le ministère de l’Énergie a organisé une cérémonie d’inauguration à Sandia Labs pour une installation de démonstration CSP qui utilisera sa dernière technologie Gen 3. L’objectif de conception de la centrale est de 1 gigawattheure (GWh) de stockage d’énergie. « Le CSP de nouvelle génération a le potentiel de changer la donne », a déclaré Alejandro Moreno, secrétaire adjoint par intérim pour l’efficacité énergétique et les énergies renouvelables. «Cette installation pilote démontrera comment les systèmes CSP peuvent relever les défis de fournir un stockage d’énergie de longue durée tout en réduisant les coûts et la complexité de la technologie solaire thermique. En même temps, cela ouvre également la voie à la commercialisation de la chaleur industrielle. »
Aujourd’hui, la plupart des centrales solaires à concentration utilisent du sel fondu comme moyen de stockage de la chaleur et fonctionnent à environ 560 °C. Les installations qui fonctionnent à des températures plus élevées sont plus efficaces, ce qui se traduit par une baisse des prix de l’électricité. Selon un communiqué de presse de Sandia Labs, la nouvelle installation utilisera un matériau semblable à du sable composé de particules de bauxite céramique. Ils seront libérés au sommet d’un système de tour, où la gravité les tire à travers un récepteur de particules tombantes (FPR). Sur leur chemin vers le sol, ils traversent un faisceau de lumière solaire concentrée qui les chauffe.
Les particules chauffées peuvent être stockées pour une utilisation future lorsque le soleil ne brille pas ou être utilisées immédiatement en conjonction avec un cycle Brayton au CO2 supercritique très efficace pour générer de l’électricité. Les particules sont ensuite soulevées au sommet de la tour pour être déposées dans le FPR pour être réchauffées. Le plus grand avantage de ces particules est qu’elles peuvent atteindre des températures très élevées (> 800 ° C), contrairement aux fluides caloporteurs CSP traditionnels. Cela permet d’utiliser le cycle CO2 supercritique efficace, ce qui rend la production d’électricité beaucoup moins chère.
Gratuit ne signifie pas facile
Vous pensez que tout cela est facile ? Détrompez-vous, Sandia a passé des dizaines de milliers d’heures sur les simulations informatiques nécessaires pour comprendre le fonctionnement du FPR et tenir compte de facteurs variables tels que la météo. Ces informations ont été compilées pour créer une vue détaillée des performances annuelles des récepteurs et pour développer des points de données clés pour évaluer la faisabilité.
« Les simulations nous aident à maximiser la quantité de lumière solaire absorbée par les particules là où de petits changements dans la géométrie, les conditions de fonctionnement ou l’environnement peuvent affecter cette absorption », explique le chercheur Brantley Mills. « Moins les particules absorbent d’énergie, plus l’efficacité est faible et plus il est coûteux de produire de l’électricité. Ces modèles nous aident à identifier et à minimiser toutes les pertes thermiques qui peuvent contribuer à réduire l’efficacité. »
Toutes ces modélisations et simulations ont abouti à une conception de récepteur qui sera intégrée dans la tour de l’usine pilote de particules de génération 3 (G3P3), qui devrait devenir opérationnelle en 2024. L’installation achevée sera une usine pilote de particules entièrement intégrée qui peut aider répondre aux questions sur l’intégration et la mise à l’échelle de cette technologie. En cas de succès, la technologie sera étendue à des tailles d’usine aussi grandes que 100 MW avec la capacité de stocker de l’énergie pour une utilisation ultérieure lorsque la lumière du soleil n’est pas disponible.
L’énergie solaire concentrée à haute température crée des défis d’ingénierie
Comme nous l’avons signalé en 2018, les températures élevées associées aux installations CSP peuvent entraîner des difficultés en aval. Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur du milieu de stockage au dioxyde de carbone surchauffé qui fait tourner les générateurs. Actuellement, ces échangeurs de chaleur sont en acier inoxydable ou en alliages à base de nickel, mais ils deviennent trop mous à des températures plus élevées et à la pression élevée du dioxyde de carbone supercritique. Des chercheurs du Georgia Institute of Technology, de l’Université du Wisconsin à Madison et du Laboratoire national d’Oak Ridge ont développé de nouveaux matériaux pouvant être utilisés pour fabriquer des échangeurs de chaleur fonctionnant de manière fiable à ces températures et pressions plus élevées.
Les chercheurs ont examiné les matériaux utilisés pour fabriquer les buses des moteurs-fusées à combustible solide et ont créé de nouveaux échangeurs de chaleur en carbure de zirconium et en tungstène capables de résister aux conditions de haute température et de haute pression dont le dioxyde de carbone supercritique a besoin pour produire de l’électricité plus efficacement. Une analyse économique réalisée par les chercheurs de Georgia Tech et de Purdue a également montré que la fabrication à grande échelle de ces échangeurs de chaleur pouvait être réalisée à un coût comparable ou inférieur à celui des unités à base d’acier inoxydable ou d’alliage de nickel.
Les plats à emporter
L’énergie du soleil est gratuite. Tout ce que nous avons à faire est de trouver comment l’exploiter efficacement. Cette deuxième partie n’est pas aussi facile que la première, comme le montrent clairement les travaux de Sandia Lab sur l’énergie solaire concentrée. Le CSP peut faire partie de la boîte à outils des ressources énergétiques renouvelables dont le monde aura besoin pour briser notre dépendance aux combustibles fossiles pour produire l’électricité sur laquelle nous comptons pour alimenter tous les appareils sur lesquels nous comptons.
Sandia Labs affirme que si l’installation de démonstration réussit, elle pourrait ouvrir la voie à des centrales solaires à concentration capables de fournir 100 mégawatts d’électricité en continu, 24 heures sur 24, à très faible coût. Les centrales CSP pourraient être particulièrement utiles pour amener l’électricité dans des zones reculées non desservies par un réseau électrique traditionnel. Ce serait une bonne nouvelle pour l’humanité et l’environnement.
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