Développement d'un récepteur solaire à gaz à haute température pour la production d'électricité par turbine à gaz et énergie solaire – RS-PEGASE

Le projet RS-PEGASE vise à développer des recherches de base afin de maîtriser le récepteur solaire à air pressurisé et à haute température qui est le composant central du futur démonstrateur PEGASE à Thémis. Au plan fondamental, l'objectif est de mieux comprendre et de simuler les transferts pariétaux en écoulement turbulent avec de forts gradients de température. Au plan applicatif, l'objectif est de développer un récepteur solaire métallique, dérivé de la technologie des échangeurs compacts à tubes ou à plaques, capable de fonctionner à une température de sortie d'air supérieure à 800°C (maximum 950°C). La source solaire impose des contraintes sévères : densité très élevée de flux radiatif incident (maximum 700 kW/m2), répartition du flux non uniforme sur la surface réceptrice, coupure et admission brutales de la puissance lors des passages nuageux. Le projet vise à développer deux prototypes de récepteurs solaires à l'échelle 10 kW puis à mesurer leurs performances. Le projet débouchera sur la fabrication d'un module de récepteur de 150 kW. Installé au foyer de la tour de la centrale Thémis et couplé avec la chambre de combustion en aval, le récepteur solaire permettra d'atteindre les caractéristiques du gaz à l'entrée de l'étage de détente (1000°C, 7bars). Le projet PEGASE à Thémis a été labellisé en 2006 par le Pôle de Compétitivité DERBI (Développement des Energies Renouvelables dans le Bâtiment et l'Industrie). Le programme de travail proposé comporte un volet central et deux volets complémentaires : 1. Le volet central est la conception et la qualification des prototypes de récepteurs. La conception sera fondée sur les principes mis en œuvre pour développer les échangeurs compacts à haute température. La tenue aux très hautes températures et le comportement au cyclage thermique seront les critères essentiels de sélection des matériaux métalliques. Les premiers essais thermiques seront effectués sur la boucle en air à haute température CLAIRE du CEA/GRETh-LETH à Grenoble. La validation des performances des prototypes sous flux solaire sera effectuée au four solaire d'Odeillo. Les mesures des performances globales (bilans thermiques et massiques) seront complétées par des observations locales de déformations et de ruptures le cas échéant. Le savoir-faire acquis au cours du projet aura une grande valeur scientifique et technique permettant le dépôt de brevets. Les résultats des essais de validation et des simulations numériques permettront de concevoir le prototype de récepteur à l'échelle 150 kW. 2. L'écoulement de gaz dans le récepteur est soumis à de fortes contraintes thermiques. Les interactions entre les champs de vitesse et de température seront étudiées par des modélisations fines (Simulations des Grandes Echelles Thermiques et Simulations Numériques Directes). La prise en compte de cette situation particulière dans les modèles existants demandera de nouveaux développements. Les travaux porteront particulièrement sur l'influence des hautes températures et des forts gradients thermiques sur la turbulence. On déduira également de ces résultats les lois de variation du coefficient d'échange fluide-paroi qui permettront d'optimiser le dimensionnement du récepteur solaire pour PEGASE. 3 En aval, l'étude de l'intégration du récepteur dans la boucle constituera la base du dimensionnement du futur prototype PEGASE. On analysera les régimes transitoires et les situations de charge partielle. L'originalité de l'étude est le couplage du récepteur solaire avec la chambre de combustion de la turbine à gaz. On développera un modèle dynamique afin de simuler le fonctionnement du cycle en veillant à la sécurité du récepteur et de la turbine. Ces résultats seront utilisés pour affiner l'évaluation des performances de la filière HSGT en fonction des données d'ensoleillement et de la contrainte de production. Ce travail débouchera sur le cahier des charges pour la modification nécessaire de la chambre de combustion afin de pren