Système de refroidissement sec et de production d'eau pour centrale électrosolaire thermodynamique à cycle de Rankine – DryRSP

Le projet DryRSP (Dry Rankine Solar Power) concerne les centrales électrosolaires thermodynamiques à cycle Rankine. Il s’agit d’une part des centrales électriques industrielles à champ de concentrateurs solaires (CSP) à cycles vapeur. Elles bénéficient d’un retour d’expérience industriel de plus de 30 ans et sont depuis une dizaine d’année l’objet d’un fort déploiement mondial. A plus basses températures et pour des puissances destinées au tertiaire ou au collectif, il s’agit des systèmes à cycles organiques ORC en plein développement préindustriel en France et en Europe depuis quelques années.
Le système de refroidissement du condenseur du cycle CSP est identifié depuis 3 ans comme un verrou technologique majeur. Pour chaque MW électrique produit, 2 MW thermiques doivent être évacués à 55°C dans l’environnement.
Actuellement, cette chaleur fatale est évacuée à l’aide d’une tour humide responsable d’une forte consommation d’eau (3.7 m3/MWh) ou à l’aide d’aérothermes responsables d’une baisse de rendement du cycle et d’une forte consommation électrique, soit à l’aide d’un système hybride. Ces procédés étant destinés aux régions arides pauvres en eau, la voie humide conduit à un conflit d’usage majeur et à des surcouts importants. Les augmentations de température estimées dans les prochaines décennies pénalisent d’autant la voie sèche actuelle.
Dans le cas des systèmes ORC, le niveau de température haute étant bien inférieur, l’influence de l’efficacité du refroidissement au condenseur est encore plus importante. Ainsi, actuellement le refroidissement par aérotherme d’un cycle ORC consomme environ 60% de la production ! Pour ces ORC, outre leur consommation d’eau, les tours de refroidissement humides induisent des surcouts d’exploitation importants liés au développement possible de salmonelles.
Des nouveaux procédés de refroidissement secs performants sont donc nécessaires au développement concurrentiel des procédés solaires thermodynamiques.
La finalité du projet DryRSP est de concevoir et de valider un système innovant de refroidissement sec de cycles Rankine en mesure d’évacuer la chaleur de condensation sans consommation d’eau, de sous refroidir le cycle en dessous de la température sèche et le cas échéant de produire de l’eau par condensation nocturne de l’humidité de l’air.
L’approche consiste à utiliser le champ solaire de la centrale comme macro-échangeur de chaleur. On bénéficie ainsi d’une surface d’échange considérable disponible de jour comme de nuit pour des échanges thermiques couplés avec l’air ambiant (convection mixte pour le refroidissement) et avec l’espace extra-atmosphérique à 3K (effet radiatif pour le sous-refroidissement). Ainsi, le champ solaire qui représente actuellement 50% du cout d’investissement d’une centrale, profite d’une nouvelle fonctionnalité au bénéfice de son amortissement.
De nuit, lorsque le champ solaire n’est pas exploité par le cycle, le froid produit est stocké pour être utilisé en journée ou (si les conditions climatiques le permettent) est exploité pour condenser l’humidité de l’air ambiant et produire de l’eau douce.
Le projet bénéficie des compétences complémentaires de quatre partenaires nationaux reconnus dans les domaines concernés : le laboratoire PROMES (Procédés Matériaux et Energie Solaire UPR 8521 Perpignan/Odeillo) spécialisé dans les matériaux et procédés solaires à concentration, le laboratoire SPE (Sciences Pour l’Environnement UMR 6134 Vignola/Corte) spécialiste des systèmes physiques environnementaux et en particulier des échanges radiatifs nocturnes, la société EXOSUN maîtrisant toute la chaine de vie d’une centrale solaire CSP, la société EXOES spécialiste des centrales ORC. Ce consortium est complété par la participation du laboratoire LESEE (Laboratoire Energie Solaire et Economie d’Energie) de l’Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement du Burkina Faso, permettant d’adapter l’approche aux conditions sub-sahéliennes.