Pour que l'énergie solaire fonctionne vraiment, augmentez la chaleur

Randy Montoya

Une tour de 200 pieds se dresse centrée devant un champ de miroirs rotatifs à la limite sud d'Albuquerque, au Nouveau-Mexique.

Il s'agit de la National Solar Thermal Test Facility, exploitée par Sandia National Laboratories, où les scientifiques travaillent à développer des technologies plus chaudes, moins chères et plus efficaces pour concentrer l'énergie solaire.

Les centaines de miroirs concentrent la lumière du soleil sur un récepteur au sommet de la tour solaire. Dans les systèmes conventionnels, cela chaufferait de l'eau ou d'autres fluides pour générer de la vapeur qui entraînerait une turbine électrique. Mais ici, un rideau de fines particules de céramique tombe continuellement à travers le rayon de soleil concentré. Les particules, qui ressemblent à du sable noir, peuvent facilement atteindre des températures supérieures de 100 ˚C à celles des fluides standards. Cela promet d'augmenter l'énergie disponible, en réduisant les coûts de production et de stockage.

Cette approche est l'une des trois qui, selon les chercheurs fédéraux, pourraient aider l'énergie solaire à concentration à devenir enfin abordable et durable. En janvier dernier, le Laboratoire national des énergies renouvelables publié une feuille de route de démonstration de nouvelle génération qui mettait en évidence la chute des particules, les systèmes de sels fondus à haute température et un fluide caloporteur à base de gaz comme des voies prometteuses pour produire de l'énergie solaire thermique à six cents par kilowattheure d'ici 2020, un objectif fixé par l'initiative SunShot du ministère de l'Énergie en 2011.

Le ministère de l'Énergie a annoncé en septembre qu'il investirait 62 millions de dollars dans une douzaine de projets prometteurs le long de ces voies, suscitant un regain d'enthousiasme dans un domaine qui avait largement disparu de la vue du public (voir Making Sense of Trump's Surprising Investment in Solar).

Des chercheurs de Sandia, du National Renewable Energy Laboratory, du Savannah River National Laboratory et de Brayton Energy ont confirmé Examen de la technologie MIT qu'ils ont demandé les fonds, individuellement ou en équipe. Documents conceptuels étaient dus plus tôt ce mois-ci, et la date limite pour les candidatures complètes est la mi-janvier 2018.

Tout le monde au sein du CSP considère cela comme une excellente opportunité de recherche, déclare Cliff Ho, ingénieur de Sandia et chercheur principal du projet de chute de particules.

Le grand avantage de la concentration de l'énergie solaire par rapport à l'énergie photovoltaïque est que l'énergie thermique peut être stockée plus facilement et à moindre coût que l'électricité. Cela signifie que les usines peuvent augmenter ou réduire la production pour répondre aux demandes en temps réel du réseau, même la nuit, une flexibilité que les panneaux solaires ne peuvent égaler sans de grosses batteries coûteuses ou d'autres formes de stockage restreintes.

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Le problème est que la construction et l'exploitation d'une centrale solaire à concentration coûtent cher. L'usine Ivanpah de 2,2 milliards de dollars et 170 000 miroirs dans le désert de Mojave en Californie, détenue par BrightSource, NRG et Google, n'est que le dernier œil au beurre noir du secteur. Puisque venir en ligne en 2014, le projet a été miné par des coûts élevés, faible production , un feu , et commission des services publics des menaces pour le fermer. Dans les années 1980, Luz International a érigé neuf centrales solaires à concentration de génération précédente dans le même désert, pour voir ces opérations coûteuses s'effondrer à mesure que les politiques gouvernementales de soutien ont expiré. Luz et BrightSource ont été fondés par Arnold Goldman, qui est mort en juin (voir Chasing the Sun ).

Coût actualisé de l'énergie de Lazard Analyse ont constaté en décembre dernier que la production d'énergie d'une tour solaire thermique avec stockage se situait entre 119 $ et 182 $ par mégawattheure, contre 48 $ à 78 $ pour le gaz naturel à cycle combiné. Ces derniers coûtent également environ un huitième du prix à construire sur une base kilowatt, selon chiffres 2015 de NREL.

Les chercheurs du DOE ont précédemment déterminé que la première étape vers l'amélioration de l'efficacité et de l'économie de l'énergie solaire à concentration consiste à passer des cycles traditionnels à vapeur à ce que l'on appelle un cycle de Brayton au dioxyde de carbone supercritique. En plaçant le dioxyde de carbone sous une chaleur et une pression élevées, il prend les propriétés d'un liquide et d'un gaz et augmente considérablement l'efficacité de la conversion d'énergie.

À La science papier en mai conclu qu'un cycle de Brayton au dioxyde de carbone supercritique pourrait être jusqu'à 30 % plus efficace que les turbines à vapeur conventionnelles. Le problème, cependant, est que l'exécution de ce cycle d'alimentation nécessite une source de chaleur d'au moins 700 ˚C pour réaliser son plein potentiel, ainsi qu'un système de transfert de chaleur qui peut fonctionner à des températures aussi élevées.

Les trois voies mises en évidence par NREL sont des efforts pour augmenter la température, bien que chacune ait son propre ensemble de promesses et de défis. Le sel fondu, par exemple, a déjà été fait, mais le passage à des sels alternatifs capables de fonctionner à des températures plus élevées nécessitera des matériaux de confinement, des tuyaux et des pompes plus durables. L'approche du gaz pourrait être poursuivie avec des gaz relativement faciles à gérer comme le dioxyde de carbone ou l'hélium, mais des recherches supplémentaires seront nécessaires pour minimiser la consommation d'énergie due à la circulation des gaz.

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Le récepteur à particules tombantes de Sandia est ce qui se rapproche le plus d'un prototype fonctionnel le long de l'une de ces voies. Les ingénieurs l'ont placé pour la première fois sur la tour du National Solar Thermal Testing Facility en juillet 2015.

Les particules sont constituées principalement d'alumine et d'oxyde de fer. Après être tombés à travers le rayon solaire, ils remontent au sommet par un ascenseur, en boucle. L'équipe a atteint des températures aussi élevées que 900 ˚C, explique l'ingénieur Sandia Ho.

À ce stade, le récepteur n'est attaché à aucun composant supplémentaire. Mais l'équipe a travaillé en partenariat avec des entrepreneurs privés pour développer un échangeur de chaleur qui transférera éventuellement la chaleur des particules au dioxyde de carbone sous pression circulant dans une boucle connectée.

Un groupe distinct chez Sandia a déjà été développement et évaluer les cycles de dioxyde de carbone supercritique. L'équipe de Ho a commencé à travailler sur son propre système spécifiquement pour l'installation d'énergie solaire à concentration. Ils ont l'intention de connecter l'échangeur de chaleur une fois qu'il arrivera en mars et la boucle de dioxyde de carbone supercritique peu de temps après. Ho dit qu'il espère activer le système intégré l'été prochain.

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