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Les énergies renouvelables font partie intégrante de la stratégie énergétique de la plupart des pays. Ce contexte engage à considérer avec attention toutes les solutions qui peuvent contribuer à l’émergence d’un monde décarboné. Parmi ces solutions, le solaire occupe une position de choix avec ses modes de conversion photovoltaïque et thermique, dont le solaire à concentration.
La technologie du solaire à concentration offre une solution originale en complément de l’éolien et du photovoltaïque. Elle présente des solutions de stockage thermique massif à faible coût, des options de conversion hybrides et se décline dans des domaines d’applications connexes à l’électricité comme la chaleur industrielle ou les combustibles de synthèse.
Didactique et complet, Le solaire à concentration expose les notions fondamentales, les applications concrètes et les développements futurs de cette ressource prometteuse.
1. Centrales solaires : état de l’art
2. Mesure, estimation et prévision de la ressource solaire
3. Systèmes optiques de concentration
4. Récepteurs solaires
5. Fluides caloporteurs pour centrales solaires
6. Simulations numériques des écoulements et transferts thermiques des récepteurs solaires
7. Matériaux pour le solaire à concentration
8. Stockage thermique
9. Systèmes hybrides PV-CSP
10. Combustibles de synthèse à partir de ressources hydrocarbonées
11. Production de carburants solaires par dissociation thermochimique de l’eau et du CO2
Gilles Flamant
Gilles Flamant est ingénieur ENSCP (chimie ParisTech), docteur d’État en génie des procédés (INP Toulouse) et directeur de recherche émérite au CNRS. Il développe des recherches dans le domaine du solaire à concentration au sein du laboratoire PROMES au four solaire du CNRS à Font-Romeu-Odeillo-Via.
Chapitre 1
Centrales solaires : état de l’art (pages : 5-51)
Les technologies solaires à concentration permettent la production de chaleur renouvelable à différents niveaux de température. Ce chapitre présente un rapide historique de leur développement au plan national et international, l’architecture des centrales solaires associées aux différents types de concentrateur et les caractéristiques qui déterminent leur rendement, les coûts, les impacts et les perspectives de croissance et d’innovation.
Chapitre 2
Mesure, estimation et prévision de la ressource solaire (pages : 53-94)
La première partie de ce chapitre revient sur l’interaction entre le rayonnement solaire et l’atmosphère, puis décrit les trois composantes de l’éclairement solaire et les instruments de mesure associés. Dans la seconde partie, les principales techniques de prévision de l’éclairement normal direct sont présentées, avec un accent particulier sur la prévision infra-horaire.
Chapitre 3
Systèmes optiques de concentration (pages : 95-138)
La première partie de ce chapitre revient sur l’interaction entre le rayonnement solaire et l’atmosphère, puis décrit les trois composantes de l’éclairement solaire et les instruments de mesure associés. Dans la seconde partie, les principales techniques de prévision de l’éclairement normal direct sont présentées, avec un accent particulier sur la prévision infra-horaire.
Chapitre 4
Récepteurs solaires (pages : 139-165)
Ce chapitre décrit les caractéristiques des tubes absorbeurs utilisés dans les centrales solaires à concentration linéaire. Ensuite, les récepteurs solaires actuels puis les concepts émergents pour centrales à tour sont présentés. Enfin, les différentes pertes thermiques sont détaillées, le rendement thermique est exprimé et un modèle thermique simple et rapide de récepteur solaire est proposé.
Chapitre 5
Fluides caloporteurs pour centrales solaires (pages : 167-184)
Dans une centrale solaire, le fluide caloporteur circule dans le récepteur (absorbeur) et transfère la chaleur vers le système de stockage ou de conversion de la chaleur en électricité (le cycle thermodynamique). Les domaines de température d’utilisation des différents caloporteurs et leurs propriétés thermophysiques sont présentés ainsi que les coefficients d’échange associés en régime turbulent.
Chapitre 6
Simulations numériques des écoulements et transferts thermiques des récepteurs solaires (pages : 185-220)
Ce chapitre traite de la simulation numérique des écoulements turbulents anisothermes qui ont lieu au sein des récepteurs solaires. Plusieurs niveaux de modélisation et de simulation, qui vont des plus complexes aux plus simples, sont abordés. Les résultats essentiels de l’étude du couplage entre les champs turbulents dynamique et thermique sont présentés.
Chapitre 7
Matériaux pour le solaire à concentration (pages : 221-251)
Les composants des champs solaires à concentration font appel à trois types de surfaces optiques : réflectrices, transparentes, absorbantes. Après un rappel d’optique générale, ces trois types sont détaillés dans ce chapitre, abordant les indicateurs de performances optiques, les matériaux et technologies existantes et en développement, ainsi que le vieillissement associé à leurs conditions opératoires spécifiques.
Chapitre 8
Stockage thermique (pages : 253-283)
Ce chapitre est consacré au stockage d'énergie sous forme de chaleur dans les centrales solaires à concentration. Les différentes technologies de stockage y sont décrites (principe de fonctionnement, avantages et inconvénients, matériaux associés ou encore problématique d'intégration). Les technologies de stockage existantes et commercialisées sont présentées tout comme les solutions innovantes au stade de la recherche et du développement.
Chapitre 9
Systèmes hybrides PV-CSP (pages : 285-309)
Ce chapitre est consacré aux technologies hybrides PV/CSP associant des systèmes de conversion thermiques et photovoltaïques. Le principe de fonctionnement des principales approches hybrides est détaillé. Les facteurs limitant susceptibles d’affecter les performances de ces systèmes sont ensuite discutés. Enfin, les nouveaux concepts développés afin d’accroitre la pilotabilité des systèmes de production d’électricité solaire sont passés en revue.
Chapitre 10
Combustibles de synthèse à partir de ressources hydrocarbonées (pages : 311-330)
Ce chapitre fait état des principales voies de production de carburants de synthèse à partir de l’énergie solaire concentrée et des matériaux carbonés. D’une part, il est possible de convertir les hydrocarbures (gaz, liquides) par thermolyse ou reformage. D’autre part, les solides carbonés peuvent être gazéifiés pour produire un gaz de synthèse.
Chapitre 11
Production de carburants solaires par dissociation thermochimique de l’eau et du CO2 (pages : 331-358)
La dissociation de H2O et la conversion du CO2 par voie solaire à partir de cycles thermochimiques à deux étapes est une méthode efficace pour la génération d’hydrogène et de combustibles de synthèse. Ce chapitre décrit les différents cycles redox basés sur des oxydes métalliques avec apport d’énergie solaire concentrée, ainsi que les possibilités d’intégration dans des réacteurs thermochimiques solaires.
