Simulation conjointe du champ d’héliostats et du système de réception dans leur environnement météorologique
Les centrales solaires à tour sont actuellement parmi les dispositifs de concentration solaires assurant les rendements les plus élevés. Cependant, les investissements correspondants sont très importants et nécessitent une évaluation fiable du potentiel de production énergétique à l’échelle de la vie de la centrale. Cette évaluation reste aujourd’hui une question de recherche ouverte, ne serait-ce que du fait de la difficulté a rendre compte des détails de la météorologie locale à toutes ses échelles de temps, et éventuellement de son évolution à long terme du fait du changement climatique global.
Dans ce contexte, nous travaillons au développement de formulations en espaces de chemins permettant
- la simulation numérique de la concentration du rayonnement solaire incident par le champ d’héliostats : évaluation de la tâche de concentration en fonction de la position du soleil, de la densité et du type d’aérosols présents près de la surface (e.g. pour l’atténuation du rayonnement entre un miroir et la tour), et des nuages de couche limite (ombrage sur une partie du champ d’héliostats) ;
- l’évaluation conjointe de la thermique du récepteur et de la conversion électrique (exploitation de la tâche solaire au sommet de la tour pour élever la température d’un gaz qui est ensuite injecté à l’entrée d’une turbine).
A chaque étape de ce travail de recherche, nous dialoguons étroitement avec une communauté de météorologistes et climatologues de façon à anticiper l’exploitation, dans ces simulations, de données issues de modèles de circulation générale, notamment pour l’intégration de la statistique climatique et éventuellement la prévision des effets du changement climatique sur la durée d’exploitation de la centrale. Cette question n’a pu être ouverte que très récemment, du fait des améliorations très significatives des modèles de climat en ce qui concerne la prédiction des nuages de couche limite. Bien sûr, un modèle de climat ne prévoit en aucun cas la disposition exacte des nuages à une date et un lieu donné sur la planète, mais procure aujourd’hui des informations très fiables sur ces nuages, de sorte qu’il est envisageable de synthétiser un champ nuageux réaliste à partir de ces informations. Cette synthèse nuageuse est donc intégrée à notre réflexion formelle sur les espace de chemins en vue de l’évaluation de la performance intégrée d’une centrale.
Évaluation des performances intégrées sur la durée de vie
Les tests de faisabilité que nous avons réalisés sont déjà très convaincants. Ils prouvent notamment tout le bénéfice que l’on peut attendre d’une approche statistique dans un tel contexte d’ingénierie énergétique. Nous avons par exemple simulé sans difficulté l’énergie collectée au sommet de la tour de la centrale PS10 intégrée sur 50 années d’exploitation en tenant compte de la fluctuation de l’ensoleillement prise dans une base de donnée résolue à l’échelle de la minute.
L’immensité de ce rapport d’échelle temporelle n’implique aucune augmentation majeure des temps de calcul. Il s’avère même qu’il est plus facile (toujours en termes de temps de calcul) d’évaluer l’énergie collectée sur l’ensemble des 50 années d’exploitation que d’évaluer la puissance à une date défavorable, par exemple à 18h un 21 mars ou le soleil est rasant et la disposition des miroirs loin de son optimum, avec des effets de masquage et d’ombrage que l’échantillonnage des chemins a de la peine à représenter précisément (besoin d’un plus grand nombre de chemins).