Etude technico-économique d'un champ solaire

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    05-Jan-2017

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<ul><li><p>Revue des Energies Renouvelables Vol. 18 N2 (2015) 315 327 </p><p>315 </p><p>Etude technico-conomique dun champ solaire </p><p>de type stirling dish tissemsilt </p><p>D. Zebbar *, S. Kherris, N. Mohamed Chrif et B. Ghabi </p><p>Institut des Sciences et des Technologies </p><p>Centre Universitaire de Tissemsilt, B.P. 182, Tissemsilt 38000, Algrie </p><p>(reu le 23 Octobre 2014 accept le 30 Juin 2015) </p><p> Rsum - Le prsent travail est consacr ltude technico-conomique dune ventuelle </p><p>implantation de champ solaire de type Stirling-Dish (SD) pour la production dlectricit </p><p>au niveau de la localit de Tissemsilt. Dans une premire tape, lanalyse du potentiel </p><p>solaire de la localit en question a t effectue. Ceci a permis den dduire sur la base de </p><p>donnes sur lensoleillement et de la valeur moyenne de la radiation solaire incidente sur </p><p>la ville de Tissemsilt estime 1944 kWh/m2 sur une dure annuelle de 2999 h que </p><p>lensoleillement au niveau de Tissemsilt est favorable pour limplantation dun champ </p><p>SD. Lvaluation de la viabilit conomique du champ, ralise par la suite a permis den </p><p>dduire que limplantation dun champ solaire SD au niveau de la localit de Tissemsilt </p><p>est possible et est conomiquement viable et rentable pour des prix de revient du kWh </p><p>infrieurs au prix de vente unitaire pratique sur le march mondial. Par ailleurs, ltude a </p><p>fait ressortir que pour un capital dinvestissement allant de 1696 /kWh, le </p><p>remboursement du projet est ralisable au bout de 25 annes dexploitation et avec un prix </p><p>de revient unitaire de 0.114 /kWh, soit lquivalent de 12 dinars algriens. Ceci dit que </p><p>les champs solaires SD sont une alternative relle et une opportunit porte de main </p><p>quil faut saisir. </p><p>Abstract - This work is dedicated to the technical and economic study of a possible </p><p>implementation of Stirling Dish (SD) solar field for the production of electricity at the </p><p>locality of Tissemsilt. In a first step, an analysis of the solar potential of the locality in </p><p>question was performed. This had led to deduce using the sunshine data and the average </p><p>value of the solar radiation incident on the city estimated at 1944 kWh/m2, that Tissemsilt </p><p>is favorable for the implementation of an SD field. The evaluation of the economic </p><p>viability of the field, made later had allowed to deduce that the implementation of a solar </p><p>SD field at the locality of Tissemsilt is possible and economically viable and profitable </p><p>with electricity sale prices per kWh lower than those practiced on the world market. </p><p>Furthermore, the study shows that for the capital investment cost from 1696 /kWh, the </p><p>project is feasible and refundable after 25 years of operation and electricity generation </p><p>cost equal to 0.114 /kWh which is the equivalent of 12 Algerian Dinars. Thus, SD solar </p><p>fields are a real alternative and an opportunity near at hand that must be seized. </p><p>Mots cls: Moteur stirling - Concentrateur solaire - Etude technico-conomique </p><p>Potentiel solaire - Cot dinvestissement - Puissance thermique solaire. </p><p> 1. INTRODUCTION </p><p>Pour un pays comme lAlgrie riche, pas pour longtemps en ptrole et en gaz, </p><p>conscient de limminence du jour aprs-ptrole et, tout la fois, trs attach son </p><p>indpendance nergtique la prparation dune re aprs-ptrole prospre se joue </p><p>maintenant. Cette aubaine ptrolire, deux revers, doit tre un atout pour la promotion </p><p>de lagriculture, de lconomie, de lindustrie et de toutes les technologies </p><p>renouvelables, entre autres, lui permettant de faire face aux futurs dfis nergtiques. </p><p> * djallel.zebbar@gmail.com </p></li><li><p>D. Zebbar et al. </p><p>316 </p><p>Ces derniers peuvent tre rsums en la fourniture dune nergie propre en quantit </p><p>suffisante et un bon prix. </p><p>Par ailleurs, la filire des nergies renouvelables ne peut tre associe seulement </p><p>celle du photovoltaque comme cest souvent le cas en Algrie. Par contre, elles existent </p><p>bien dautres filires avec des rendements nergtiques beaucoup plus suprieurs ceux </p><p>atteints par les systmes photovoltaques. Il sagit plus prcisment de la filire </p><p>thermique. Cette dernire sous entend, si on part du domaine dapplication, des </p><p>systmes de chauffage solaire pour la prparation de leau chaude sanitaire et le </p><p>chauffage dappoint, au moyen de capteurs et dinstallations solaires, les systmes de </p><p>production de puissance thermo-solaires et enfin les systmes solaires de production de </p><p>froid. Une autre classification existe, il sagit du solaire thermique de basse et de haute </p><p>temprature. </p><p>Les systmes de la deuxime catgorie comprennent des centrales solaires pouvant </p><p>tre divises selon les technologies utilises en centrales solaires concentrateurs </p><p>paraboliques (Point focusing parabolic-dish plants), tour (Point-focusing central </p><p>receiver plants ('solar tower')) et capteurs cylindro-paraboliques (Line-focusing </p><p>parabolic-trough plants). La premire station hybride solaires-gaz de production </p><p>dlectricit est construite Hassi Rmel par la socit espagnole Abener actionnaire </p><p>majoritaire. Elle fournit au rseau national une puissance de 150 MW dont 25 MW </p><p>solaires partir de capteurs cylindro-paraboliques. Cette dernire, daprs les ingnieurs </p><p>sur place, peut atteindre les 33 MW par temps clair. </p><p>Un nombre important de travaux de recherche est ddi ltude et lexamen des </p><p>diffrentes technologies de centrales solaires thermiques de production de puissance [1-</p><p>8]. Plus encore, une grande partie de ces tudes est consacre ltat de lart de la filire </p><p>solaire thermique pour la production de puissance. </p><p>Helmut et al. [1] avait discut ltat de lart du dveloppement technologique et </p><p>conomique de la filire thermique solaire pour la production de puissance (parabolic </p><p>trough, central receiver and dish systems). Il est arriv en conclure que limplantation </p><p>de systmes solaires thermiques au voisinage des centrales conventionnelles de </p><p>production de puissance est dune grande importance pour le dveloppement de la </p><p>filire solaire. Plus encore, et dans le mme contexte, les travaux [9-13] prconisent </p><p>dans lhybridation des installations nergtiques conventionnelles existantes, une autre </p><p>voie bien tablie pour la rduction de la pollution et la compensation du prix croissant </p><p>du fuel. </p><p>Tomislav et al. [2] ont effectu une description dtaille des technologies utilises </p><p>dans les diverses centrales thermiques solaires pour la production de puissance </p><p>(cylindro-paraboliques, tour, avec capteurs paraboliques et centrales base de </p><p>rflecteurs de type Fresnel) de leurs principes de fonctionnement. Plus encore, une </p><p>estimation du de leur utilisation potentielle en Serbie a t effectue avec les </p><p>recommandations y affrentes. </p><p>Behar et al. [3] avaient russi faire le tour des tudes les plus importantes sur les </p><p>centrales thermiques de concentration utilises pour la conversion dnergie. </p><p>Ferreiro Garcia [4] a effectu une valuation des rendements thermiques pouvant </p><p>tre atteints par les diffrents cycles thermodynamiques (Rankin, Brayton, Brayton avec </p><p>rgnration, ..) pour les diffrents schmas de centrales solaires thermiques implants </p><p>sur la lune et utilisant les diffrents fluides de travail pouvant tre produits dans les </p><p>conditions de la lune comme Ar, He et H2. Dans le mme contexte, une autre tude [14] </p><p>comparative entre le cycle de Kalina et celui de l'ORC avait fait rvler que le premier </p></li><li><p>Etude technico-conomique dun champ solaire de type stirling dish Tissemsilt </p><p>317 </p><p>pourra savrer plus performant pour des tempratures basses de la source et avec une </p><p>composition dtermine de lammoniac dans le fluide de travail. </p><p>Vlez et al. [15] donnent un aperu dtaill sur les aspects technique et conomique </p><p>ainsi que sur l'volution du march turbine fonctionnant suivant le cycle organique de </p><p>Rankine utilis bien videment pour la conversion des puits de chaleur de bas potentiel </p><p>et plus eux particulirement ceux issus du solaire thermique. </p><p>Avila-Marin et al. [5] avaient prsent dans leur travail une analyse dtaille des </p><p>centrales tour solaires de moyenne et de grande puissance (290 500 MWh), des </p><p>puissances et des technologies utilises dans les diffrents endroits, limpact des moyen </p><p>de stockage sur la puissance produite et enfin la conduite dune tude technico </p><p>conomique. Cette dernire a fait rvler quau jour actuel ces systmes ne sont pas </p><p>comptitifs avec les centrales conventionnelles. Par ailleurs, ces auteurs soulignent </p><p>quils le seront pour les pays dites ensoleills, comme lEspagne dans un futur proche </p><p>grce aux avances technologiques et progrs apports au processus de fabrication des </p><p>diffrents composants. </p><p>Wagner et al. [16] avaient dmontr dans une tude limportance des systmes de </p><p>stockage. Lutilisation des systmes de stockage thermique fait crotre le cot total du </p><p>capital dinvestissement et fait diminuer les cots dus lexploitation et la </p><p>maintenance. Nanmoins, selon les mmes auteurs, lintroduction des moyens de </p><p>stockage dans les centrales thermo-solaires permet de faire crotre leurs capacits </p><p>annuelles de production de 30 % jusqu 55%. Cette dernire valeur est rapporte pour </p><p>les systmes pouvant garantir plus de 12 h de stockage. </p><p>Aste et al. [17] proposent un outil graphique simple pour loptimisation des </p><p>dimensions et des performances dun systme solaire hybride partir des informations </p><p>sur les prix de revient unitaires et les prix du carburant. </p><p>Abbas et al. [18-20] ont effectu une tude technico-conomique dune ventuelle </p><p>implantation de centrale solaire de 100 MW base sur la technologie Stirling-Dish </p><p>utilisant de lhydrogne en qualit de fluide de travail. Les tudes [18, 19] ont t </p><p>effectues pour trois et quatre rgions diffrentes du pays conscutivement et avaient </p><p>permis den dduire que le site de Tamanrasset est favorable pour cette implantation </p><p>avec un prix de revient de 11.5 c$/kWh pour une production annuelle de 221 GWh. </p><p>Il y a lieu de mentionner que ces rsultats sont loin de ceux obtenus par Zaaraoui et </p><p>al. [21] pour quatre sites choisis pour une ventuelle implantation dune centrale solaire </p><p> Bchar, Timimoun, El-Menia et Ghardaa. Le prix de revient (LEC) sur le site de </p><p>Bchar est de lordre de 19 c$/kWh pour un capital cot total de 3.008 $/kWe et une </p><p>dure damortissement de 30 annes. </p><p>Une autre tude technico-conomique tait ralise par Frangoua et al. [22] pour des </p><p>centrales solaires de 20, 30, 40 et 50 MW. Elle a fait rvler que limplantation de tels </p><p>systmes solaires sur lle de Crte en Mditerrane nest pas conomiquement rentable </p><p>en absence des subventions. Pire encore, une centrale de 20 MW reste toujours non </p><p>rentable mme avec des subventions. </p><p>Par ailleurs, Bravo et al. [23] rappellent que de tous les systmes solaires, le Dish-</p><p>Stirling possde un rendement de conversion totale de prs de 30% et reconnaissent de </p><p>mme quau jour daujourd'hui la technologie du Dish-Stirling est considre comme </p><p>tant une filire prometteuse en phase de dveloppement avec un impact </p><p>environnemental similaire celui des systmes photovoltaques. </p><p>Enfin les technologies du Dish-Stirling selon Bakos et al. [24] ont le potentiel de </p><p>devenir la technologie la moins coteuse parmi tant dautres renouvelables. Ce dernier </p><p>avait effectu une tude technico-conomique dune ventuelle implantation </p></li><li><p>D. Zebbar et al. </p><p>318 </p><p>d'installation solaire de type Dish-Stirling sur l'ile de Crte de 10MW de puissance </p><p>lissue de laquelle il est parvenu conclure quune telle installation est amortissable au </p><p>bout de 16 ans et permet de 25.5 millions deuros de profits au bout de 25 ans. </p><p>Toutes les tudes technico-conomiques relatives aux systmes de centrales solaires </p><p>laissent entendre que le site ou plus prcisment le potentiel solaire du site a un impact </p><p>majeur sur le cout de puissance produite. Particulirement, celles ralises pour le cas </p><p>algrien [20] affirment que le systme Dish-Stirling est techniquement et </p><p>conomiquement viable au sud de lAlgrie. Plus encore, il y a lieu de noter que la </p><p>production en grande srie rduit considrablement le cot unitaire du systme. Par </p><p>ailleurs, selon [18], le cot rel de lunit euro Dish-Stirling de 10 kWe, sans compter </p><p>les frais de transport et dinstallation est gal environ 14.000 kW, mais dans le cas </p><p>de production de 500 5000 units par an, les cots sont gaux 1875 kW et 1125 </p><p>kW respectivement. </p><p>Dans ce mme contexte, une tude europenne ralise par Pitz-Paal et al. [25] </p><p>affirment que la production de prs 3000 units de Dish-Stirling de 50 MWe permet de </p><p>rduire jusqu 40 % du cot du systme pour atteindre des cots spcifiques infrieurs </p><p> 4700 kWe. Ceci permet damliorer le cot de lexploitation et rduire ceux lis la </p><p>maintenance et promouvoir la commercialisation. Par ailleurs, une taille plus grande du </p><p>concentrateur plat permettrait de rduire encore davantage le cot du systme. </p><p>Andres et al. [22] concluent aprs des analyses paramtriques dinstallations de </p><p>systmes Dish-Stirling dans les rgions de la mditerrane que linstallation de centrales </p><p>solaires Chypre est conomiquement possible dans certains cas seulement pour le </p><p>potentiel solaire disponible. Par ailleurs, il est vident que la taille et le cot capital du </p><p>systme Dish-Stirling sont des paramtres critiques pouvant affecter considrablement </p><p>la viabilit conomique du projet. Par consquent, les installations de 50 MWe ou 100 </p><p>MWe de puissance sont conomiquement plus viables que celle de 25 MWe. Plus </p><p>encore, les installations ayant un cot capital infrieur 3000 /kWe sont </p><p>conomiquement viables et sont amorties en moins de 15 ans. La prise en considration </p><p>de la taxe dmission du CO2 value 30 /tCO2 permettra davoir davantage de </p><p>bnfice conomique allant jusqu 2.4 c/kWh. </p><p>Par ailleurs, une tude ralise par Theocharis et al. [12] avait montr que les </p><p>systmes Dish-Stirling peuvent constituer une solution long terme rentable. </p><p>Lvaluation technico-conomique reprsente dans le mme travail montre que la </p><p>technologie de Stirling Dish offre une solution technique ralisable et conomiquement </p><p>viable pour les conditions suivantes: le prix unitaire dachat du systme est de lordre de </p><p>550 /kW; rayonnement solaire 1700 kWh/m2; production annuelle dlectricit prs de </p><p>69711 MWh avec un prix de vente de llectricit suprieur 0.073 pour le kWh. </p><p>Dans ce qui suit, une description gnrale des systmes solaires de type Stirling-</p><p>Dish (SD) est prsente suivie dune valuation du potentiel solaire en Algrie et au </p><p>niveau de la localit de Tissemsilt et de ltude technico-conomique dune ventuelle </p><p>implantation dun champ solaire SD avec une production annuelle de 10 % du total de </p><p>la consommation annuelle de la localit en question, soit une puissance du champs de </p><p>15,8 MW. </p><p>2. DESCRIPTION DU SYSTEME STIRLING-DISH (DS). </p><p>Le systme SD, objet de la prsente tude, est constitu dun concentrateur solaire </p><p>de forme parabolique. Ce type de systme est capable de sorienter automatiquement </p><p>tout en suivant le soleil suivant deux axes afin de rflchir et de concentrer les rayons du </p></li><li><p>Etude technico-conomique dun champ solaire de type stirling dish Tissemsilt </p><p>319 </p><p>soleil vers un point de convergence appel foyer et identifi comme tant le rcepteur </p><p>du systme. Lnergie thermique collecte au nivea...</p></li></ul>