Blog

May 17, 2023

L'innovation dans son absorbeur volumétrique porte l'efficacité de l'OVR à 90 %

Publié le15 décembre 202215 décembre 2022Auteur Céramique sérigraphiée

Publié le15 décembre 202215 décembre 2022Auteur

Structure absorbante en céramique sérigraphiée réalisée par Exentis Group.

Dans un récent projet de R&D mené par un consortium des sociétés allemandes Kraftanlagen Energies & Services GmbH, Vitesco Emitec et Exentis Group avec le Centre aérospatial allemand, il a été démontré que le potentiel d'efficacité du récepteur volumétrique est loin d'être épuisé avec les structures absorbantes actuellement disponible.

Des géométries structurées en trois dimensions extrêmement fines ont été conçues en fonction des capacités de fabrication des entreprises impliquées. Pour la conception structurelle, une nouvelle méthode d'optimisation basée sur la simulation a été appliquée et des spécialistes des entreprises de fabrication ont été impliqués.

Comme le récepteur de sel fondu actuellement le plus déployé, le récepteur volumétrique à air ouvert (OVR) est la seule technologie de récepteur avancée qui offre un concept de stockage éprouvé, efficace et évolutif.

FIGURE 1 : Schéma d'une centrale solaire avec récepteur volumétrique ouvert (OVR).

De plus, la technologie OVR présente des avantages significatifs en termes de simplicité et de robustesse de fonctionnement par rapport aux installations avec récepteurs à sels fondus. Avec des températures de sortie d'air de 650°C et au-delà, il a la température de procédé supérieure la plus élevée actuellement disponible, ouvrant la possibilité d'utiliser des procédés vapeur modernes à haut rendement de 620°C.

La technologie OVR a été développée à un haut degré de maturité au cours des deux dernières décennies et est en cours de démonstration en tant que système de centrale électrique complet dans la tour solaire allemande de Jülich, une centrale électrique expérimentale exploitée par le Centre aérospatial allemand (FIGURE 2).

FIGURE 2 : Centrale électrique expérimentale Solar Tower Jülich en fonctionnement.

L'absorbeur volumétrique, composant central de la technologie OVR, est une structure poreuse qui permet au rayonnement solaire concentré de pénétrer profondément dans son volume pour être absorbé et transféré sous forme de chaleur au flux de gaz parallèle par la grande surface interne (FIGURE 3).

Les matériaux typiques utilisés comme absorbeurs sont des treillis de fils métalliques à partir d'alliages d'acier résistants à la température, des structures en mousse réticulée en céramique ou des structures en forme de canaux en acier ou en céramique.

FIGURE 3 : Principe de fonctionnement de l'absorbeur volumétrique.

L'absorbeur de pointe actuel, qui est également déployé dans la tour solaire de Jülich, se compose de nids d'abeilles extrudés en céramique de carbure de silicium avec une cellularité d'environ 80 cpsi et 50 % de porosité ouverte (FIGURE 4).

FIGURE 4 : Module absorbant de pointe avec nid d'abeille en céramique

Vitesco Emitec a produit un corps de structures de canaux constituées de paires alternées de tôles ultra-minces planes et ondulées (~ 50 micromètres) d'un alliage d'acier à haute température. Les tôles peuvent varier en longueur et en orientation (FIGURE 5).

FIGURE 5 : Module absorbant de Vitesco Emitec avec structure de canal en feuille métallique.

FIGURE 6 : Module absorbeur du groupe Exentis avec structure frontale en céramique.

Groupe Exentis a produit des structures de canaux avec une technologie de fabrication additive innovante : la sérigraphie avec des céramiques SiC. Leur conception en nid d'abeille se caractérise par des canaux se terminant par des picots très fins vers le front irradié (FIGURE 6).

Dans un processus de conception en deux étapes, les nouvelles structures d'absorbeur ont d'abord été fabriquées et testées dans une taille de sonde de 60 mm x 60 mm avant d'être produites dans une taille de module de 140 mm x 140 mm compatible avec le récepteur de la tour solaire de Jülich.

Les tests des deux tailles ont été effectués sur un banc d'essai dans le simulateur solaire artificiel Synlight ® du DLR pour mesurer l'efficacité thermique par rapport à l'absorbeur à la pointe de la technologie. Ensuite, les nouveaux absorbeurs de la taille d'un module ont été exploités avec un rayonnement solaire concentré dans la tour solaire de Jülich pendant plusieurs jours pour prouver leur stabilité dans un environnement réel avec des transitoires, notamment dus aux nuages.

Les résultats de mesure révèlent un avantage significatif dans l'efficacité thermique des nouvelles structures d'absorbeur par rapport à un absorbeur de pointe (FIGURE 7). A la température de référence de 650°C, la structure Vitesco Emitec affiche 91% et la structure Exentis Group 92% d'efficacité thermique, soit +6 respectivement +7%-points par rapport à l'état de l'art.

La grande porosité ouverte à la face irradiée des nouveaux absorbeurs permet au rayonnement de pénétrer profondément dans leur volume et la grande surface interne assure un transfert de chaleur efficace vers l'air. Les broches à l'avant des absorbeurs sérigraphiés du groupe Exentis permettent une pénétration particulièrement profonde indépendamment de la direction du rayonnement entrant, ce qui offre un avantage supplémentaire en termes d'efficacité.

FIGURE 7 : Comparaison de l'efficacité thermique des nouvelles structures d'absorbeur avec l'absorbeur à la pointe de la technologie.

Le projet de R&D a montré que les structures d'absorption avancées réalisées avec des techniques de fabrication modernes peuvent atteindre des rendements thermiques de 90 % et au-delà, réalisant ainsi le potentiel élevé théoriquement prévu de la technologie OVR. Avec une efficacité supérieure à 90%, l'OVR se rapproche également du récepteur à sel fondu actuellement en vigueur.

Une amélioration de l'efficacité du composant central de l'absorbeur a un impact direct sur la rentabilité de l'ensemble de l'usine. Une efficacité supérieure de 8 % signifie environ 8 % d'héliostats en moins nécessaires dans le domaine solaire. Dans un champ d'héliostat de 600.000 m² pour un coût supposé de 100 €/m², cette amélioration de l'efficacité se traduit par des économies d'investissement de plus de 4,5 Mio € !

Les résultats de la structure d'absorbeur sérigraphiée montrent le grand potentiel de cette technologie de fabrication additive et laissent espérer une efficacité élevée également à des températures d'application plus élevées. Néanmoins, ce développement d'absorbeur est encore à un stade précoce en ce qui concerne l'utilisation industrielle à long terme dans un environnement difficile. L'absorbeur à feuille métallique, d'autre part, s'appuie sur des décennies de développement dans le secteur automobile et est pratiquement prêt pour la production de masse et une utilisation immédiate avec la durée de vie requise.

ReconnaissanceCe travail a été soutenu par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Action pour le climat sur la base d'une décision du Bundestag allemand.

Lectures complémentaires

Schwarzbözl, P., Giuliano, St., Noureldin, K., Doerbeck, T., Rossello, A. et Schrüfer, J. (2020) Évaluation annuelle des performances d'une tour solaire commerciale de 50 MWe avec récepteur volumétrique ouvert amélioré. Dans : SOLARPACES 2020 : 26e Conférence internationale sur l'énergie solaire à concentration et les systèmes énergétiques chimiques (2445). Publication AIP. doi : 10.1063/5.0085758.

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., Birkigt, L., Dung, S., Müller, B. et Doerbeck, T. (2021) Structures innovantes en forme de 3D en tant qu'absorbeurs volumétriques. 27e Conférence SolarPACES, 27. Sept. – 01. Okt. 2021.

Birkigt, L., Hennicke, J., Kirchner, R. (2022) Sérigraphie 3D d'absorbeurs solaires en SiSiC, frittés dans un four haute performance efficace. cfi/ber. DKG 99 (2022) n° 2

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., & Hoffschmidt, B. (2022). Un nouveau modèle de continuum LTNE 1D partitionné pour la simulation d'absorbeurs en nid d'abeille en forme de 3D. Énergie solaire, 236, 533-547. doi : 10.1016/j.solener.2022.02.024

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., & Hoffschmidt, B. (2022). Analyse numérique multidimensionnelle des instabilités d'écoulement dans des absorbeurs en nid d'abeille en forme 3D. Énergie solaire, 247, 86-95. doi : 10.1016/j.solener.2022.10.007.

Veuillez vérifier votre boîte de réception ou votre dossier spam pour confirmer votre abonnement.

CatégoriesNouvelles et analyses CSP