WO2016169867A1 - Centrale solaire a concentration (csp) a stockage par voie chimique - Google Patents

Centrale solaire a concentration (csp) a stockage par voie chimique Download PDF

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WO2016169867A1
WO2016169867A1 PCT/EP2016/058460 EP2016058460W WO2016169867A1 WO 2016169867 A1 WO2016169867 A1 WO 2016169867A1 EP 2016058460 W EP2016058460 W EP 2016058460W WO 2016169867 A1 WO2016169867 A1 WO 2016169867A1
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WO
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heat
csp
chemical reactor
reaction
solar power
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/058460
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Inventor
Nathalie Dupassieux
Sylvain RODAT
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/003—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using thermochemical reactions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to the storage of at least a portion of the heat energy (heat) of a solar concentrating plant.
  • the present invention aims at proposing another mode of storage of heat than sensible or latent heat storage implemented to date.
  • Concentrated solar thermal technology consists of concentrating solar radiation using mirrors to heat a heat transfer fluid used as a hot source in a thermodynamic cycle.
  • the concentration makes it possible to reach higher or lower temperatures and thus to benefit from more or less significant thermodynamic conversion efficiencies.
  • the technologies developed are distinguished by their method of concentrating solar rays, transport (and possibly storage) of heat (heat transfer fluids) and thermodynamic conversion (steam turbines, gas turbines, Stirling engines).
  • CSP concentrated solar power plants
  • CSP solar thermal power plants
  • linear parabolic trough collector systems those with Fresnel linear concentrators, central receiver tower systems, and finally, mobile focus parabolic systems.
  • a CSP plant is a plant that concentrates the sun's rays using mirrors to heat a heat transfer material. This material serves as a hot source for an expansion turbine that drives an alternator to produce electricity.
  • the heat transfer material is conventionally a monophasic liquid, organic or inorganic, such as an oil of the type sold under the name Therminol®66, Jaritherm DBT, or molten salts of sodium nitrate (NaN0 3 ), which have a significant heat capacity and a high boiling point.
  • Another conventional heat transfer fluid is pressurized water used in a range of temperature and pressure as it is in liquid form and gaseous with variable steam / liquid ratios at different points of the solar absorber / receiver of the plant.
  • heat-transfer materials such as inorganic materials in the form of divided solids, able to be fluidized according to the classification of Geldart powders, and which are transported in a circuit in an inert gas flow.
  • thermoelectric devices In concentrating solar power plants, these heat transfer materials transport the energy absorbed at the level of the solar absorber / receiver in the form of sensible heat or heat and pressure to devices that consume this heat or transform it into final products that can be used, such as thermoelectric devices for example.
  • the solar flux arriving at the concentrating solar power station is by nature intermittent and the energy absorbed at the absorber / receiver can also be stored in order to be de-stocked when the solar resource runs out (night or cloudy passage).
  • this storage of heat stored during sunshine is carried out exclusively by latent heat, that is to say by phase change of a material, generally solid change / liquid of a material for which the volume variation is low, or by sensible heat, that is to say by changing the temperature of the material, the heat then being stored in the material.
  • Heat transfer materials and their implementations for the absorption and transport of solar heat as well as the materials and their implementations for the storage of absorbed solar energy have drawbacks. Among these can be mentioned the temperature regulation of the heat transfer fluid which can be tricky and cause more or less rapid degradation of the heat transfer fluid. For the storage forms, mention may be made of the large storage volumes generated by the low energy density of the devices.
  • solar concentrating systems are configured with a coupling of heat conversion devices (in electricity for example) and storage devices that can not absorb all the incident solar energy, especially on the sunniest summer days. Indeed, the dimensioning is carried out on basics of a techno-economic optimization leading to a device that will not value all the recoverable energy on the installed reflector surface.
  • the mirrors of a concentrating solar power plant are defocused when the storage is full and the device for converting heat into electricity or other heat consumer is at its peak point of consumption.
  • the patent application EP 1471324 A2 describes an apparatus and a thermal storage method in the form of a reaction in a material.
  • the intended thermal storage material preferably comprises a heat-absorbing substance by a dehydrogenation reaction of O-H bonds or C-H bonds. No application to a thermal power plant is considered in this document.
  • the object of the invention is to respond at least in part to this need.
  • CSP concentrated solar power station
  • At least one solar absorber / receiver adapted to receive concentrated solar radiation
  • thermal device connected to the absorber by a heat transfer fluid circuit, the thermal device being adapted to consume or transform at least a portion of the heat absorbed by the absorber and transmitted by the coolant
  • a first chemical reactor adapted to implement an endothermic reaction, the heat required of which is at least a part of the excess heat absorbed by the absorber and not consumed or not transformed by the thermal device, -
  • a product storage tank of the endothermic reaction connected to the first chemical reactor.
  • the chemical storage of part of the solar energy absorbed by the solar receiver (s) of a CSP plant, which is in excess of that, is carried out in chemical form. consumed or transformed by the thermal device.
  • the endothermic reaction implemented may be a reversible reaction.
  • the coolant can be the reactive fluid.
  • the invention makes it possible, in particular, to absorb non-recoverable solar radiation peaks by a CSP plant.
  • the chemical absorption of solar energy directly into the coolant constitutes an additional storage capacity.
  • an advantage of the invention is to reduce the storage volumes implemented in a sensible or latent heat storage as in the state of the art.
  • the endothermic reaction may be a non-reversible endothermic reaction which modifies the charge.
  • the products of this conversion such as light gases and degraded charges, can be burned as the heat requirements increase.
  • the conversion products can also be products that can be upgraded to liquid fuels such as those derived from the dehydrogenation reactions of naphthenes or dehydrocyclization of paraffins.
  • One of the conversion products may be hydrogen, which can be sent to a fuel cell for power generation.
  • the coolant is also a reactive fluid of the endothermic reaction, then it can be added as it is withdrawn.
  • the plant further comprises a second chemical reactor, adapted to implement an exothermic reaction which is the reverse reaction of the endothermic reaction implemented in the first chemical reactor, the product storage tank of the reversible endothermic reaction being connected to the first and second chemical reactors respectively to store from the first reactor or to send the reaction product to the second.
  • the endothermic reaction is reversible
  • the stored energy can be destocked by carrying out the inverse exothermic reaction.
  • This mode where the endothermic reaction is reversible is particularly advantageous because it allows to ensure continuous energy production only through a concentrated solar power station.
  • the solar receiver constitutes the first chemical reactor in which the endothermic reaction is carried out, and / or, where appropriate, the second chemical reactor.
  • This variant embodiment makes it possible to limit the rise in temperature of the heat transfer fluid of the plant or the increases in flow rates of the heat transfer fluid necessary for the absorption of solar flux.
  • This variant embodiment allows seasonal storage.
  • the reactive charge is both a coolant and decomposes to form a storable product. There is consumption of the charge or reactive coolant. Cracking can occur during peaks of sunshine, the heat that can not be used by the installation is thus stored and reusable for periods of low sunlight. The endothermic reaction limits temperature rises, thermal losses and solar energy losses that can not be upgraded by a conventional installation during peaks of seasonal sunshine.
  • the chemical storage according to the invention makes it possible to regulate the temperature more easily within a CSP plant.
  • the heat transfer fluid circuit also constitutes the reactive fluid circuit through the first chemical reactor and, if appropriate, the second chemical reactor.
  • the heat transfer fluid can also be the reagent of the endothermic reaction, and therefore it takes place within the same coolant as soon as it has absorbed the energy required for the reaction.
  • the coolant may be of homogeneous composition, that is to say a mono- or heterogeneous charge, that is to say a charge comprising several chemical species of different reactivities.
  • the plant may further comprise a heat exchanger adapted to transfer the heat of the heat transfer fluid circuit to the reactive fluid circuit through the first chemical reactor and, if appropriate, the second chemical reactor, the heat transfer fluid circuit being distinct from the reactive fluid circuit.
  • the excess heat in the coolant is supplied to the reactive fluid circuit by an exchanger.
  • the CSP plant may furthermore comprise a heat storage tank by sensible or latent heat, as a means of storing at least a part of the excess heat absorbed by the absorber and not consumed or not transformed by the device. thermal. In other words, it is possible, depending on the applications, to provide additional storage by sensible or latent heat as in the state of the art.
  • the thermal device may be a heat machine capable of subjecting a working fluid to a thermodynamic cycle called Rankine, the thermal machine comprising a steam turbine of the working fluid.
  • the thermal machine is an organic Rankine Cycle (ORC) machine.
  • ORC organic Rankine Cycle
  • the thermal device envisaged may be provided for the production of desalinated seawater, for the production of cold, or for the production of electricity or directly of heat.
  • the invention also relates to a method of operating the solar concentrating plant which has just been described, according to which the following steps are carried out:
  • the power absorbed by the solar receiver is less than a predetermined threshold value allowing at least the operation of the thermal device, absence of implementation of the endothermic reaction within the first reactor,
  • the solar receiver if the power absorbed by the solar receiver is greater than or equal to the predetermined threshold value, implementing the endothermic reaction in the first reactor, with at least a portion of the surplus power absorbed.
  • a reversible dehydrogenation / hydrogenation reaction is carried out on catalysts, the hydrogen produced / consumed being temporarily stored in the reservoir.
  • the heat transfer fluid may constitute the charge of the reversible dehydrogenation / hydrogenation reaction.
  • the charge of the endothermic reaction is advantageously a hydrocarbon, such as a diesel-type light cut, a paraffin oil or a vegetable oil.
  • an endothermic cracking reaction is used, the gases or light cuts produced being stored in the tank.
  • FIG. 1 is a general schematic view of a CSP solar power plant according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a general schematic view of a CSP solar power plant according to a second embodiment of the invention.
  • thermodynamic solar power plant (CSP) 1 firstly comprises at least one solar receiver / absorber 2 adapted to receive concentrated solar radiation.
  • the solar concentration may for example be made from one or more groups of pluralities of cylindro-parabolic mirrors forming what is usually referred to as solar fields.
  • the solar receiver 2 is connected to a thermal device 3 by a circuit of a heat transfer fluid 4 in a closed loop, the circulation of the heat transfer fluid being ensured by means of a pump 8.
  • the thermal device 3 of the plant 1 may be a thermal conversion machine operating on a cycle thermodynamics called Rankine Organic Cycle (ORC).
  • ORC Rankine Organic Cycle
  • the thermal device 3 can be used to produce desalinated seawater, to produce cold or to produce electricity or heat that can be recovered in a process.
  • the solar concentrating plant 1 comprises a first chemical reactor 5, adapted to implement an endothermic reaction whose required heat is at least equal to the surplus power (P so -Pm), and a reservoir 6 of product storage of the endothermic reaction, connected to the outlet of the first chemical reactor 5.
  • the operating method of the plant according to the invention comprises the following steps:
  • the power absorbed by the solar receiver 2 is less than a predetermined threshold value allowing at least the operation of the thermal device, absence of implementation of the endothermic reaction within the first reactor 5, if the power absorbed by the solar receiver 2 is greater than or equal to the predetermined threshold value, implementing the endothermic reaction in the first reactor 5, with at least a portion of the surplus power absorbed.
  • the endothermic reaction is reversible.
  • FIGS. 1 and 2 there is further provided a second chemical reactor 7 which implements the inverse exothermic reaction.
  • This second reactor 7 is connected to the outlet of the tank 6.
  • the energy stored in the tank 6 can be removed by implementing the inverse exothermic reaction in the second reactor 7.
  • This configuration allows for continuous energy production only by a solar power plant. concentration, more precisely by its thermal device 3 which can be continuously supplied either by the solar power P so i directly or when it is lower than the power Pm required by the device 3, in whole or in part by the power output of the exothermic reaction in the second reactor 7.
  • Example 1 A Fresnel-type "A" solar power plant of 94,000 m 2 of mirrors is coupled to a thermal device.
  • the unit A operates with a thermal oil as heat transfer fluid, it does not implement the catalytic dehydrogenation.
  • Central A is equipped with a sensitive bed rock heat storage. This storage of 2551m 3 has a density of 241MJ / kg. This plant A operating under a given sunshine is able to collect 317GJ per year of heat.
  • the thermal consumer heat device with a nominal capacity of 20MWth. Given the seasonal variations of the solar resource during the summer period, the completeness potential of the plant can not be exploited. For a summer day the thermal power that can be collected by the A station is 60MW.
  • a power of 20MW is sent to the thermal device according to the invention and the storage by sensible heat is full.
  • the control of the central A implies that the remaining 40MW must be either dissipated or preferentially not be collected by de-focusing the mirrors.
  • These remaining 40 MW of power are not upgraded by the power plant, the existing A power station as configured under a given sunshine will lose 26.5 GJ per year of uncollected and unvalued heat.
  • Example 2 A Fresnel solar plant B of 94,000 m 2 of mirror is coupled to a thermal device.
  • Plant B operates with a paraffinic type petroleum cut centered on hexadecane as a coolant. It is equipped with a device implementing catalytic dehydrogenation.
  • the reactive heat transfer fluid is used in such a way that the catalytic dehydrogenation is slight, ie a dehydrogenation per molecule of paraffins.
  • the energy storage density in the reactive coolant is 492MJ / m 3 .
  • the total volume of coolant used is equivalent to that used for the A plant.
  • the B plant is also equipped with sensible heat storage equivalent to that of the A plant.
  • the plant B operating under a given sunshine is able to collect 317GJ per year of heat.
  • the thermal consumer heat device with a nominal capacity of 20MWth. Given the seasonal variations of the solar resource, during the summer period, the full potential of the plant can be exploited. For a summer day the thermal power that the central B can collect is 60MW, 20MW are sent to the thermal device and the storage is full.
  • the passage of the heat transfer fluid on the catalytic dehydrogenation device makes it possible to store the energy collected by endothermic catalytic dehydrogenation.
  • the remaining 40 MW of power are stored by the plant B in chemical form according to the invention.
  • the reactive coolant is converted into hydrogen and olefins.
  • the coolant constitutes the reactive fluid of the endothermic reaction.
  • the closed loop fluid circuit 4 is then unique and integrates the chemical reactors 5, 7 and the storage tank 6, such as a hydrogen storage tank.
  • a compressor is arranged at the outlet of the reactor 5 to compress H 2 in the tank 6, and a valve is arranged at the outlet of the storage tank 6 to release the flow of H 2 when necessary.
  • the coolant is independent of the reactive fluid of the endothermic reaction.
  • the closed loop reactive fluid circuit 11 which integrates the chemical reactors 5, 7 and the storage tank 6, is then distinct from the heat transfer fluid circuit 4.
  • a sensible heat storage tank 9 is then implanted in the coolant circuit 4.
  • Another variant is to insert the catalyst directly into the sensitive storage tank per bed of rock. This configuration has the advantage of not having to double the sensitive storage volumes and the catalytic reactor volumes.

Abstract

La présente invention concerne une centrale solaire à concentration (CSP) (1), comprenant : au moins un absorbeur/récepteur solaire (2) adapté pour recevoir des rayonnements solaires concentrés, un dispositif thermique (3) relié à l'absorbeur par un circuit de fluide caloporteur (4), le dispositif thermique étant adapté pour consommer ou transformer au moins une partie de la chaleur absorbée par l'absorbeur et transmise par le fluide caloporteur, un premier réacteur chimique (5), adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique dont la chaleur requise est au moins une partie du surplus de chaleur absorbée par l'absorbeur et non consommée ou non transformée par le dispositif thermique, un réservoir (6) de stockage de produit de la réaction endothermique, relié au premier réacteur chimique.

Description

CENTRALE SOLAIRE A CONCENTRATION (CSP) A STOCKAGE PAR VOIE
CHIMIQUE
Domaine technique
La présente invention concerne le stockage d'au moins une partie de l'énergie thermique (chaleur) d'une centrale solaire à concentration.
La présente invention vise à proposer un autre mode de stockage de la chaleur que le stockage par chaleur sensible ou latente mis en œuvre à ce jour.
Etat de la technique
La technologie solaire thermique à concentration consiste à concentrer le rayonnement solaire à l'aide de miroirs pour chauffer un fluide caloporteur servant de source chaude dans un cycle thermodynamique. La concentration permet d'atteindre des températures plus ou moins élevées et ainsi de bénéficier de rendements de conversion thermodynamiques plus ou moins importants.
Les technologies développées se distinguent par leur méthode de concentration des rayons solaires, de transport (et éventuellement de stockage) de la chaleur (fluides caloporteurs) et de conversion thermodynamique (turbines à vapeur, turbines à gaz, moteurs Stirling).
On distingue typiquement quatre grandes familles de centrales solaires thermiques à concentration (encore appelée centrales solaires thermodynamiques à concentration ou centrales héliothermodynamiques, d'acronyme anglais CSP pour « Concentrating Solar Power Plant") : les systèmes à collecteurs de forme cylindro- parabolique à foyer linéaire, ceux à concentrateurs linéaires de Fresnel, les systèmes à tour à récepteur central et enfin, les systèmes à paraboles à foyer mobile.
Une centrale CSP est donc une centrale qui concentre les rayons du soleil à l'aide de miroirs pour chauffer un matériau caloporteur. Ce matériau sert de source chaude à une turbine de détente qui entraine un alternateur afin de produire de l'électricité.
Le matériau caloporteur est conventionnellement un liquide monophasique, organique ou inorganique, telle qu'une huile du type commercialisée sous la dénomination Therminol®66, Jaritherm DBT, ou des sels fondus de nitrate de sodium (NaN03), qui présentent une capacité calorifique importante et un point d'ébullition élevé.
Un autre fluide caloporteur conventionnel est l'eau sous pression mise en œuvre dans une plage de température et pression telle qu'elle se trouve sous forme liquide et gazeuse avec des ratios vapeur/liquide variables aux différents points de l'absorbeur/récepteur solaire de la centrale.
D'autres matériaux caloporteurs ont été envisagés tels que les matériaux inorganiques mis sous la forme de solides divisés, aptes à être fluidisés selon la classification des poudres dite de Geldart, et qui sont transportés dans un circuit dans un flux de gaz inerte.
Dans les centrales solaires à concentration, ces matériaux caloporteurs transportent l'énergie absorbée au niveau de l'absorbeur/récepteur solaire sous forme de chaleur sensible ou de chaleur et de pression vers des dispositifs qui consomment cette chaleur ou la transforment en produits finaux valorisables, tels que des dispositifs thermoélectriques par exemple.
Le flux solaire arrivant à la centrale solaire à concentration est par nature intermittent et l'énergie absorbée au niveau de l'absorbeur/récepteur peut être également stockée afin d'être déstockée quand la ressource solaire vient à manquer (nuit ou passage nuageux).
Jusqu'à ce jour dans une centrale solaire à concentration CSP, ce stockage de chaleur emmagasinée au cours d'ensoleillement est réalisé exclusivement par chaleur latente, c'est-à-dire par changement de phase d'un matériau, généralement changement solide/liquide d'un matériau pour lequel la variation volumique est faible, ou par chaleur sensible, c'est-à-dire par changement de la température du matériau, la chaleur étant alors emmagasinée dans le matériau.
Les matériaux caloporteurs et leurs mises en œuvre pour l'absorption et transport de la chaleur solaire ainsi que les matériaux et leurs mises en œuvre pour le stockage de l'énergie solaire absorbée présentent des inconvénients. Parmi ces derniers on peut citer la régulation en température du fluide caloporteur qui peut s'avérer délicate et engendrer la dégradation plus ou moins rapide du fluide caloporteur. Pour les formes de stockage, on peut citer les volumes de stockage importants engendrés par la faible densité énergétique des dispositifs.
De plus les installations solaires à concentration sont configurées avec un couplage de dispositifs de conversion de chaleur (en électricité par exemple) et de dispositifs de stockage ne pouvant absorber toute l'énergie solaire incidente notamment lors des journées d'été les plus ensoleillées. En effet, le dimensionnement est réalisé sur des bases d'une optimisation technico-économique conduisant à un dispositif qui ne valorisera pas toute l'énergie récupérable sur la surface de réflecteur installée. Pendant les pics d'ensoleillement estivaux, les miroirs d'une centrale solaire à concentration sont défocalisés quand le stockage est plein et que le dispositif de conversion de la chaleur en électricité ou autre consommateur de chaleur est à son point maximal de consommation.
La demande de brevet WO2013/159884 A2 décrit la mise en œuvre de procédés de production d'alcènes par déhydrogénation catalytique, l'apport de chaleur nécessaire étant réalisé par la source solaire. Ce brevet n'aborde pas la question du stockage de l'énergie et prévoit uniquement la chauffe alternative de la charge d'alcanes par la source solaire.
La demande de brevet EP 1471324 A2 décrit un appareil et une méthode de stockage thermique sous forme de réaction dans un matériau. Le matériau de stockage thermique prévu comprend de préférence une substance absorbant la chaleur par une réaction de déhydrogénation de liaisons O-H ou de liaisons C-H. Aucune application à une centrale thermique à concentration n'est envisagée dans ce document.
Il existe ainsi un besoin d'améliorer le stockage thermique dans les centrales solaires thermiques à concentration, notamment afin de rendre la régulation en température plus aisée, de réduire les volumes de stockage requis, et de s'affranchir d'une dégradation non maîtrisée du fluide caloporteur.
Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention a pour objet une centrale solaire à concentration (CSP), comprenant :
- au moins un absorbeur/récepteur solaire adapté pour recevoir des rayonnements solaires concentrés,
- un dispositif thermique relié à l'absorbeur par un circuit de fluide caloporteur, le dispositif thermique étant adapté pour consommer ou transformer au moins une partie de la chaleur absorbée par l'absorbeur et transmise par le fluide caloporteur,
- un premier réacteur chimique, adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique dont la chaleur requise est au moins une partie du surplus de chaleur absorbée par l'absorbeur et non consommée ou non transformée par le dispositif thermique, - un réservoir de stockage de produit de la réaction endothermique, relié au premier réacteur chimique.
Ainsi, selon l'invention, on réalise le stockage sous forme chimique d'une partie de l'énergie solaire absorbée par le(s) récepteur(s) solaire(s) d'une centrale CSP, et qui est en surplus de celle consommée ou transformée par le dispositif thermique.
La réaction endothermique mise en œuvre peut être une réaction réversible.
Le fluide caloporteur peut être le fluide réactif.
L'invention permet d'absorber notamment les pics de rayonnement solaires non valorisables par une centrale CSP. L'absorption sous forme chimique de l'énergie solaire directement dans le fluide caloporteur constitue une capacité supplémentaire de stockage. Ainsi, un avantage de l'invention est de réduire les volumes de stockage mis en œuvre dans un stockage par chaleur sensible ou latente comme selon l'état de l'art.
Selon une variante de mise en œuvre, la réaction endothermique peut être une réaction endothermique non réversible qui modifie la charge. Les produits de cette conversion, tels que des gaz légers et charges dégradées peuvent être brûlés au fur à mesure des besoins de chaleur. Les produits de conversion peuvent également être des produits valorisables en carburants liquides tels que ceux issus des réactions de déhydrogénation des naphtènes ou de déhydrocyclisation des paraffines. Un des produits de conversion peut être l'hydrogène, ce dernier peut être envoyé à une pile à combustible pour la production d'électricité. Lorsque le fluide caloporteur est également un fluide réactif de la réaction endothermique, alors il peut être ajouté au fur à mesure qu'il est soutiré.
Selon un mode de réalisation avantageux, la centrale comprend en outre un deuxième réacteur chimique, adapté pour mettre en œuvre une réaction exothermique qui est la réaction inverse de la réaction endothermique mise en œuvre dans le premier réacteur chimique, le réservoir de stockage de produit de la réaction endothermique réversible, étant relié au premier et au deuxième réacteur chimique pour respectivement stocker depuis le premier réacteur ou envoyer dans le deuxième le produit de réaction. Ainsi, selon ce mode où la réaction endothermique est réversible, alors l'énergie stockée peut être déstockée par mise en œuvre de la réaction exothermique inverse. Ce mode où la réaction endothermique est réversible est particulièrement avantageux, car il permet d'assurer une production continue d'énergie uniquement par une centrale solaire à concentration.
Selon une variante de réalisation avantageuse, le récepteur solaire constitue le premier réacteur chimique dans lequel la réaction endothermique est mise en œuvre, et/ou le cas échéant le deuxième réacteur chimique.
Cette variante de réalisation permet de limiter les montées en température du fluide caloporteur de la centrale ou les augmentations de débits du fluide caloporteur nécessaires à l'absorption de flux solaires.
Cette variante de réalisation permet un stockage saisonnier. La charge réactive est à la fois un caloporteur et se décompose pour constituer un produit stockable. Il y a consommation de la charge ou caloporteur réactif. Le craquage peut intervenir lors des pics d'ensoleillement, la chaleur non utilisable par l'installation est ainsi stockée et réutilisable pour les périodes de faible ensoleillement. La réaction endothermique limite les montées en température, les pertes thermiques et les pertes d'énergie solaire non valorisables par une installation conventionnelle lors des pics d'ensoleillement saisonnier.
Autrement dit, comparativement à un stockage exclusivement par chaleur sensible selon l'état de l'art, le stockage chimique selon l'invention permet de réguler plus aisément la température au sein d'une centrale CSP.
Selon un premier mode de réalisation, le circuit de fluide caloporteur constitue également le circuit de fluide réactif à travers le premier réacteur chimique et le cas échéant le deuxième réacteur chimique. Ainsi, le fluide caloporteur peut également être le réactif de la réaction endothermique, et donc celle-ci a lieu au sein même du caloporteur dès que celui-ci a absorbé l'énergie nécessaire à la réaction. Selon ce premier mode, le fluide caloporteur peut être de composition homogène, c'est-à-dire une charge à mono- composé ou hétérogène, c'est-à-dire une charge comportant plusieurs espèces chimiques de réactivités différentes.
Alternativement, selon un deuxième mode de réalisation, la centrale peut comprendre en outre un échangeur de chaleur adapté pour transférer la chaleur du circuit de fluide caloporteur au circuit de fluide réactif à travers le premier réacteur chimique et le cas échéant le deuxième réacteur chimique, le circuit de fluide caloporteur étant distinct du circuit de fluide réactif. Ainsi, selon ce deuxième mode, la chaleur en excès dans le fluide caloporteur est apportée au circuit de fluide réactif par un échangeur. Avantageusement, la centrale CSP peut comprendre en outre un réservoir de stockage thermique par chaleur sensible ou latente, en tant que moyen de stockage d'au moins une partie du surplus de chaleur absorbée par l'absorbeur et non consommée ou non transformée par le dispositif thermique. Autrement dit, on peut prévoir, en fonction des applications, un stockage supplémentaire par chaleur sensible ou latente comme selon l'état de l'art.
Selon une application avantageuse, le dispositif thermique peut être une machine thermique apte à faire subir à un fluide de travail un cycle thermodynamique dit de Rankine, la machine thermique comprenant une turbine de détente de vapeur du fluide de travail. De préférence, la machine thermique est une machine à cycle organique de Rankine (ORC). De manière plus générale, le dispositif thermique envisagé peut être prévu pour la production d'eau de mer dessalée, pour la production du froid, ou pour la production d'électricité ou directement de chaleur.
L'invention concerne également un procédé de fonctionnement de la centrale solaire à concentration qui vient d'être décrite, selon lequel on réalise les étapes suivantes :
il si la puissance absorbée par le récepteur solaire est inférieure à une valeur seuil prédéterminée permettant au moins le fonctionnement du dispositif thermique, absence de mise en œuvre de la réaction endothermique au sein du premier réacteur,
Figure imgf000008_0001
si la puissance absorbée par le récepteur solaire est supérieur ou égale à la valeur seuil prédéterminée, mise en œuvre de la réaction endothermique au sein du premier réacteur, avec au moins une partie du surplus de puissance absorbée.
Selon une variante avantageuse, on met en œuvre une réaction réversible de déhydrogénation/hydrogénation sur catalyseurs, l'hydrogène produit/consommé étant stocké temporairement dans le réservoir. Selon cette variante, le fluide caloporteur peut constituer la charge de la réaction réversible de déhydrogénation/hydrogénation.
La charge de la réaction endothermique est avantageusement un hydrocarbure, tel qu'une coupe légère du type diesel, une huile de paraffine ou une huile végétale.
Selon une autre variante avantageuse, on met en œuvre une réaction endothermique de craquage, les gaz ou coupes légères produits étant stockés dans le réservoir. Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique générale d'une centrale solaire CSP selon un premier mode de réalisation de l'invention;
la figure 2 est une vue schématique générale d'une centrale solaire CSP selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Dans la description qui va suivre les termes « entrée », « sortie » « amont », « aval », sont utilisés par référence avec la direction de circulation des fluides au sein de la centrale selon l'invention.
La centrale solaire thermodynamique (CSP) 1 selon l'invention comprend tout d'abord au moins un récepteur/absorbeur solaire 2 adapté pour recevoir des rayonnements solaires concentrés. La concentration solaire peut par exemple être réalisée à partir d'un ou plusieurs groupes de pluralités de miroirs cylindro-paraboliques formant ce que l'on désigne usuellement des champs solaires.
Le récepteur solaire 2 est relié à un dispositif thermique 3 par un circuit d'un fluide caloporteur 4 en boucle fermée, la circulation du fluide caloporteur étant assurée au moyen d'une pompe 8.
Nous ne décrirons pas ici en détail le dispositif thermique 3 de la centrale 1 dont le fonctionnement nécessite une puissance Pm fournie par le circuit du fluide caloporteur 4. Plus précisément, le dispositif thermique 3 peut être une machine thermique de conversion électrique fonctionnant selon un cycle thermodynamique dit Cycle Organique de Rankine (acronyme anglais ORC). De manière générale, le dispositif thermique 3 peut servir à produire de l'eau de mer dessalée, produire du froid ou à produire de l'électricité ou de la chaleur valorisable dans un process.
Selon l'invention, lorsque la puissance Psoi fournie par le récepteur solaire 2 est supérieure à la puissance Pm nécessaire au fonctionnement du dispositif thermique 3, alors on réalise un stockage par voie chimique du surplus de puissance (Psoi-Pm).
Pour ce faire, la centrale solaire à concentration 1 comprend un premier réacteur chimique 5, adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique dont la chaleur requise est au moins égale au surplus de puissance (Psoi-Pm), et un réservoir 6 de stockage de produit de la réaction endothermique, relié à la sortie du premier réacteur chimique 5.
Ainsi, le procédé de fonctionnement de la centrale selon l'invention comporte les étapes suivantes :
il si la puissance absorbée par le récepteur solaire 2 est inférieure à une valeur seuil prédéterminée permettant au moins le fonctionnement du dispositif thermique, absence de mise en œuvre de la réaction endothermique au sein du premier réacteur 5,
Figure imgf000010_0001
si la puissance absorbée par le récepteur solaire 2 est supérieure ou égale à la valeur seuil prédéterminée, mise en œuvre de la réaction endothermique au sein du premier réacteur 5, avec au moins une partie du surplus de puissance absorbée.
Avantageusement, la réaction endothermique est réversible.
Ainsi, comme représenté en figures 1 et 2, on prévoit en outre un deuxième réacteur chimique 7 qui met en œuvre la réaction exothermique inverse. Ce deuxième réacteur 7 est relié à la sortie du réservoir 6.
Ainsi, dans cette configuration alors l'énergie stockée dans le réservoir 6 peut être déstockée par mise en œuvre de la réaction exothermique inverse au sein du deuxième réacteur 7. Cette configuration permet de réaliser une production continue d'énergie uniquement par une centrale solaire à concentration, plus exactement par son dispositif thermique 3 qui peut être alimenté en permanence soit par la puissance solaire Psoi directement ou lorsque celle-ci est inférieure à la puissance Pm requise par le dispositif 3, en tout ou partie par la puissance dégagée de la réaction exothermique dans le deuxième réacteur 7.
On donne ci-après un exemple 1 de centrale solaire existante, et un exemple 2 de centrale dans laquelle l'invention pourrait être mise en œuvre avantageusement.
Exemple 1 : Une centrale solaire « A » de type Fresnel de 94 000 m2 de miroirs est couplé à un dispositif thermique. La centrale A fonctionne avec une huile thermique comme fluide caloporteur, elle ne met pas en œuvre la déhydrogénation catalytique. La centrale A est équipée d'un stockage de chaleur sensible de type lit de roche. Ce stockage de 2551m3 présente une densité de 241MJ/kg. Cette centrale A fonctionnant sous un ensoleillement donné est en capacité de collecter 317GJ par an de chaleur. Le dispositif thermique consommateur de chaleur à une capacité nominale de 20MWth. Compte tenu des variations saisonnières de la ressource solaire, pendant la période estivale, l'intégralité du potentiel de la centrale ne peut être exploitée. Pour une journée d'été la puissance thermique qui peut être collectée par la centrale A est de 60MW. Une puissance de 20MW est envoyée vers le dispositif thermique selon l'invention et le stockage par chaleur sensible est plein. Dans cette configuration, le pilotage de la centrale A implique que les 40MW restants doivent être, soit dissipés soit préférentiellement ne pas être collectés en dé focalisant les miroirs. Ces 40MW de puissance restants ne sont pas valorisés par la centrale, a centrale A existante telle que configurée sous un ensoleillement donné perdra 26,5GJ par an de chaleur non collectée et non valorisée.
Exemple 2: Une centrale solaire B de type Fresnel de 94 000 m2 de miroir est couplée à un dispositif thermique. La centrale B fonctionne avec une coupe pétrolière type paraffïnique centrée sur l'héxadécane comme fluide caloporteur. Elle est équipée d'un dispositif mettant en œuvre la déhydrogénation catalytique. Le fluide caloporteur réactif est mis en œuvre de telle manière que la déhydrogénation catalytique soit légère, soit une déhydrogénation par molécule de paraffines. Dans cette configuration la densité de stockage d'énergie dans le fluide caloporteur réactif est de 492MJ/m3. Le volume total de caloporteur mis en œuvre est équivalent à celui mis en œuvre pour la centrale A . La centrale B est également équipée d'un stockage de chaleur sensible équivalent à celui de la centrale A. La centrale B fonctionnant sous un ensoleillement donné est en capacité de collecter de 317GJ par an de chaleur. Le dispositif thermique consommateur de chaleur à une capacité nominale de 20MWth. Compte tenu des variations saisonnières de la ressource solaire, pendant la période estivale, l'intégralité du potentiel de la centrale peut être exploitée. Pour une journée d'été la puissance thermique que la centrale B peut collecter est de 60MW, 20MW sont envoyés vers le dispositif thermique et le stockage est plein. Le passage du fluide caloporteur sur le dispositif catalytique de déhydrogénation permet de stoker l'énergie collectée par déhydrogénation catalytique endothermique. Les 40MW restants de puissance sont stockés par la centrale B sous forme chimique conformément à l'invention. Le caloporteur réactif est transformé en hydrogène et en oléfmes. Pendant une heure sous cet ensoleillement, 1176 mol d'hexadécane sont déhydrogénées. La centrale B telle que configurée conformément à l'invention ne perdra pas de chaleur, l'intégralité de la ressource solaire sera stockée par déhydrogénation du fluide hexadécane caloporteur, 317GJ de chaleur par an sont collectées et valorisées par la centrale B conforme à l'invention. Une réaction réversible qui peut être avantageuse à mettre en œuvre est la déhydrogénation/hydrogénation d'hydrocarbures sur catalyseurs, l'hydrogène produit/consommé étant stocké temporairement dans le réservoir 6.
Deux modes distincts illustrés respectivement en figure 1 et en figure 2 peuvent être envisagés pour une production en continu à partir de réactions réversibles.
En figure 1, le fluide caloporteur constitue le fluide réactif de la réaction endothermique. Le circuit de fluide 4 en boucle fermée est alors unique et intègre les réacteurs chimiques 5, 7 et le réservoir de stockage 6, tel qu'un réservoir de stockage d'hydrogène. Bien que non représenté, un compresseur est agencé en sortie du réacteur 5 pour compresser H2 dans le réservoir 6, et une vanne est agencée en sortie du réservoir de stockage 6 pour libérer le flux d'H2 quand nécessaire.
En figure 2, le fluide caloporteur est indépendant du fluide réactif de la réaction endothermique. Le circuit de fluide réactif 11 en boucle fermée, qui intègre les réacteurs chimiques 5, 7 et le réservoir de stockage 6, est alors distinct du circuit de fluide caloporteur 4.
L'échange de chaleur entre ces deux circuits 4, 11 est alors réalisé au moyen d'un échangeur 10. Pour assurer la circulation des fluides, une pompe non représentée est agencée en amont du réacteur 5, un compresseur en aval du réacteur 5, et une soupape en aval du réservoir de stockage 6.
A titre de variante avantageuse, on peut prévoir de conserver un stockage par chaleur sensible et/ou latente. Un réservoir de stockage par chaleur sensible 9 est alors implanté dans le circuit de fluide caloporteur 4.
Une autre variante consiste à insérer le catalyseur directement dans le réservoir de stockage sensible par lit de roche. Cette configuration présente l'intérêt de ne pas avoir à doubler les volumes de stockage sensible et les volumes de réacteur catalytique.
D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Centrale solaire à concentration (CSP) (1), comprenant :
- au moins un absorbeur/récepteur solaire (2) adapté pour recevoir des rayonnements solaires concentrés,
- un dispositif thermique (3) relié à l'absorbeur par un circuit de fluide caloporteur (4), le dispositif thermique étant adapté pour consommer ou transformer au moins une partie de la chaleur absorbée par l'absorbeur et transmise par le fluide caloporteur,
- un premier réacteur chimique (5), adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique dont la chaleur requise est au moins une partie du surplus de chaleur absorbée par l'absorbeur et non consommée ou non transformée par le dispositif thermique, le premier réacteur chimique (7) étant relié à un circuit de fluide réactif.
- un réservoir (6) de stockage de produit de la réaction endothermique, relié au premier réacteur chimique,
2. Centrale dans laquelle le circuit de fluide caloporteur constituant également le circuit de fluide réactif à travers le premier réacteur chimique. Centrale solaire à concentration (CSP) selon la revendication 1, comprenant en outre un deuxième réacteur chimique (7), adapté pour mettre en œuvre une réaction exothermique qui est la réaction inverse de la réaction endothermique mise en œuvre dans le premier réacteur chimique, le réservoir de stockage de produit de la réaction endothermique réversible, étant relié au premier et au deuxième réacteur chimique pour respectivement stocker depuis le premier réacteur ou envoyer dans le deuxième le produit de réaction.
3. Centrale solaire à concentration (CSP) selon la revendication 1 ou 2, le récepteur solaire constituant le premier réacteur chimique et/ou le cas échéant le deuxième réacteur chimique.
4. Centrale solaire à concentration (CSP) selon la revendication 2, le circuit de fluide caloporteur constituant également le circuit de fluide réactif à travers le deuxième réacteur chimique. Centrale solaire à concentration (CSP) selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un réservoir de stockage thermique par chaleur sensible ou latente, en tant que moyen de stockage d'au moins une partie du surplus de chaleur absorbée par l'absorbeur et non consommée ou non transformée par le dispositif thermique.
5. Centrale solaire à concentration (CSP) selon l'une des revendications précédentes, le dispositif thermique étant une machine thermique (3) apte à faire subir à un fluide de travail un cycle thermodynamique dit de Rankine, la machine thermique comprenant une turbine (30) de détente de vapeur du fluide de travail.
6. Centrale solaire à concentration (CSP) selon la revendication 5, la machine thermique étant une machine à cycle organique de Rankine (ORC).
7. Procédé de fonctionnement de la centrale solaire à concentration (CSP) (1) selon l'une des revendications 1 à 6, selon lequel on réalise les étapes suivantes :
il si la puissance absorbée par le récepteur solaire (2) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée permettant au moins le fonctionnement du dispositif thermique, absence de mise en œuvre de la réaction endothermique au sein du premier réacteur (5), ii/ si la puissance absorbée par le récepteur solaire (2) est supérieure ou égale à la valeur seuil prédéterminée, mise en œuvre de la réaction endothermique au sein du premier réacteur (5), avec au moins une partie du surplus de puissance absorbée.
8. Procédé de fonctionnement selon la revendication 7, selon lequel on met en œuvre une réaction réversible de déhydrogénation/hydrogénation sur catalyseurs, l'hydrogène produit/consommé étant stocké temporairement dans le réservoir.
9. Procédé de fonctionnement selon la revendication 8, selon lequel le fluide caloporteur constitue la charge de la réaction réversible de déhydrogénation/hydrogénation.
10. Procédé de fonctionnement selon la revendication 9, selon lequel la charge est un hydrocarbure, tel qu'une coupe légère du type diesel, une huile de paraffine ou une huile végétale.
11. Procédé de fonctionnement selon la revendication 10, selon lequel on met en œuvre une réaction endothermique de craquage, les gaz ou coupes légères produits étant stockés dans le réservoir.
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