Des mélanges de fluides innovants renforcent le potentiel des centrales solaires
Le solaire à concentration utilise des miroirs ou des lentilles pour concentrer la lumière du soleil sur une petite surface, convertissant l’énergie solaire en chaleur qui est ensuite utilisée pour produire de l’électricité. Malgré son potentiel, le solaire à concentration a longtemps été confronté à des défis économiques par rapport aux technologies photovoltaïques, principalement en raison de son coût plus élevé et de son intensité capitalistique. Toutefois, la mise au point de cycles de production d’énergie innovants, plus performants et moins coûteux, pourrait en faire une option plus compétitive et plus viable.
Les percées en matière de conversion d’énergie augmentent l’efficacité des centrales solaires à concentration
Le projet SCARABEUS, financé par l’UE, a cherché à résoudre ce problème en concevant un bloc d’alimentation avancé pensé pour améliorer la conversion de la chaleur en électricité, tout en réduisant les coûts associés. L’aspect innovant de SCARABEUS a été l’utilisation d’un nouveau fluide de travail, composé de dioxyde de carbone mélangé à des additifs spécifiques. Cette formule permet au fluide de se condenser à des températures allant jusqu’à 60 degrés Celsius, tout en supportant les températures de cycle maximales requises, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications solaires à concentration. Le projet s’est concentré sur la conception de composants de cycle de puissance compatibles avec ce fluide innovant et sur la validation des composants et du concept global sur banc d’essai. Ses activités ont d’abord consisté à identifier les dopants les plus prometteurs pour améliorer les performances du cycle de puissance. Plusieurs fluides, dont le C6F6 (hexafluorobenzène), le TiCl4 (tétrachlorure de titane), le SiCl4 (tétrachlorure de silicium) et le SO2, ont été identifiés comme des candidats sérieux. Une caractérisation approfondie a ensuite été menée pour comprendre leurs propriétés thermodynamiques et leurs températures maximales de fonctionnement. Ces résultats expérimentaux ont été essentiels pour prédire la performance des fluides et déterminer la conception des composants du cycle de puissance.
Validation sur banc d’essai de la technologie solaire à concentration
Après la caractérisation et l’essai des fluides, les chercheurs ont conçu et optimisé l’intégration des composants du cycle d’énergie dans les centrales solaires commerciales. «À Séville, une centrale solaire à concentration a permis de démontrer qu’il était possible d’avoir un coût nivelé de l’électricité inférieur à 90 euros par MWh, ce qui représente une amélioration significative par rapport aux 120 euros par MWh associés aux technologies commercialisées», note le coordinateur du projet, Giampaolo Manzolini. Cette avancée a été attribuée à plusieurs facteurs clés, notamment l’amélioration de l’efficacité du cycle, les condenseurs à air innovants, les échangeurs de chaleur à récupération avec des performances accrues et des coûts réduits de 25 %, ainsi qu’une efficacité de la turbine supérieure à 92 %. La phase a consisté à valider le concept sur banc d’essai avec un débit massique de fluide de 0,6 kg/s et un apport thermique de 200 kWth. Le fluide CO2-C6F6 a été soumis à des essais rigoureux pendant 150 heures sur le banc d’essai de l’université de Vienne, atteignant des températures maximales de 500 °C. Ces tests ont confirmé l’amélioration des performances des échangeurs de chaleur et la condensation du fluide au-dessus de 50 °C, validant ainsi le concept de SCARABEUS.
Les mélanges à haute température transforment la technologie solaire à concentration
SCARABEUS a fait progresser la technologie solaire à concentration, jetant les bases d’innovations futures susceptibles de réduire encore les coûts et d’améliorer l’efficacité de la production d’énergie renouvelable. La plupart des activités de recherche sur la conversion thermique-mécanique dans le cadre du solaire à concentration se sont concentrées sur les cycles du dioxyde de carbone supercritique. Cependant, ces cycles souffrent souvent de températures ambiantes élevées, ce qui peut réduire l’efficacité globale. Conscient de cette limitation, SCARABEUS a été le premier à valider des mélanges de CO2 innovants pour des applications à haute température. «Nous avons été les premiers à adopter les mélanges de CO2 pour les cycles de condensation à haute température (température maximale de 550 °C et plus), établissant ainsi une nouvelle norme dans ce domaine. La caractérisation des fluides, qui comprenait l’évaluation de la compatibilité des matériaux, a apporté des améliorations significatives tout à fait exceptionnelles dans la littérature existante», conclut Giampaolo Manzolini.
Mots‑clés
SCARABEUS, solaire à concentration, énergie solaire concentrée, cycle énergétique, hautes températures, fluide de travail, dioxyde de carbone supercritique
