Opération d’une centrale DSG avec stockage thermique

Le concept de stockage thermique mixte à trois étages

Le palier isotherme de vaporisation/condensation de l’eau dans un champ solaire DSG complexifie la restitution de chaleur de la vapeur à un dispositif de stockage, car la température de condensation constante rend difficile le maintien d’un différentiel de température optimal si un matériau de stockage sensible est utilisé. La solution vient alors de l’utilisation d’un système mixte à trois étages,

composé d’un premier étage dédié à la désurchauffe (ou surchauffe en mode déstockage) de la vapeur et utilisant un matériau de stockage sensible, un second étage utilisant un matériau à changement de phase pour la condensation (vaporisation) de la vapeur (eau), puis un nouvel étage sensible pour le sousrefroidissement (préchauffe) de l’eau. La figure ci-dessous à droite illustre le concept, tandis que celle de gauche illustre un stockage sensible classique.

Les deux modules de stockage sensible

(surchauffe/désurchauffe de la vapeur et sousrefroidissement/préchauffe de l’eau) sont des blocs de béton solide qui stockent la chaleur en élevant leur température, jusqu’à 500°C [1]. Le module de stockage par chaleur latente utilise du sel fondu comme matériau, le plus adapté étant le nitrate de sodium, dont la formule chimique est ܱܰܽܰଷ.

C’est ce matériau qui est considéré dans l’étude conceptuelle citée ici [2]. La température de fusion du nitrate de sodium est de 306°C, ce qui veut dire que dans le sens de la charge, la vapeur saturée provenant du premier étage de stockage doit se condenser à 316°C, car un différentiel de température minimum de 10°C est nécessaire pour assurer le transfert thermique. Le stockage doit donc être opéré à la pression de saturation correspondant à cette température, soit 107 bars.

Dans le sens de la décharge, toujours pour maintenir le différentiel de 10°C, l’eau à saturation doit se vaporiser à 296°C pour assurer le transfert thermique, ce qui correspond à une pression de saturation de 81 bars. On comprend alors que la turbine ne puisse être opérée de la même façon selon que la vapeur provienne du champ solaire, du stockage mixte, ou des deux. 

L’interaction champ solaire/stockage thermique, turbine : points de fonctionnement

L’utilisation du stockage thermique sur l’opération d’une centrale a un impact évident sur son fonctionnement, que ce soit sur les périodes de production électrique, ou sur la façon d’opérer la turbine. On peut théoriser le fonctionnement du champ solaire, du stockage et de la turbine sur un diagramme de puissance turbine/puissance champ solaire. Celui ci-dessous représente les points de fonctionnement théorique d’une centrale sans stockage thermique.

L’hypothèse est faite sur le diagramme que le champ solaire est surdimensionné par rapport à la turbine, c’est-à-dire qu’il ne délivre pas sa puissance maximale pour un fonctionnement nominal de celle-ci. Les points de fonctionnement d’une centrale de ce type se trouvent sur la droite 1-2, et les zones grisées sont celles où il n’y a pas de fonctionnement. La variabilité de l’irradiation incidente et de la température extérieure explique l’évolution du fonctionnement le long de la ligne 1-2. Figure 7-3: Points de fonctionnement théoriques d’une centrale sans stockage thermique, reproduit de [2].

La figure ci-dessous est le même diagramme théorique, mais montrant les zones (blanches) de fonctionnement d’une centrale avec stockage thermique : Figure 7-4: Points de fonctionnement théoriques d’une centrale DSG à stockage thermique, reproduit de [2] 223 Les zones de part et d’autre de la droite 1-2 représentent tous les points de fonctionnement théoriques lorsque la turbine fonctionne avec de la vapeur produite simultanément par le champ solaire et le stockage (gauche) et lorsque la turbine fonctionne grâce au champ solaire en même temps que celui-ci charge le stockage (droite). Pour la raison évoquée précédemment, la turbine ne peut pas fonctionner à son maximum lorsque le stockage est utilisé en mode décharge, d’où la zone grisée au-dessus des points 4 et 5.