Les alliages à base de nickel et les aciers inoxydables contenant du nickel jouent un rôle clé dans un nouveau type d'énergie renouvelable appelée énergie solaire thermique ou énergie solaire à concentration (CSP).
L'utilisation de ces matériaux a permis à l'industrie de surmonter les défis de la technologie de transfert et de stockage de chaleur et, pour les projets d'une durée de vie de 40 ans ou plus, peut aider à réduire la dégradation des matériaux ou les coûts de remplacement.
Selon l'Agence internationale de l'énergie (IEO 2017), entre 2015 et 2040, la consommation d'énergie renouvelable (y compris CSP) augmentera à un taux annuel de 2,3 % . Il existe actuellement plus de 40 centrales solaires thermiques dans le monde, et plus de 20 de ces centrales sont en phase de planification ou de construction. Ils ont tendance à être situés dans des zones à fort rayonnement solaire, telles que l'Espagne, l'Inde, l'Afrique du Sud, la Chine, le Chili, l'Australie, le Moyen-Orient et l'Afrique du Nord (MENA) et le sud des États-Unis.
Des centrales électriques CSP de démonstration étaient en service dès les années 1980. Depuis lors, de nombreux progrès ont été réalisés dans la récupération et le stockage de l'énergie. La tour solaire est une technologie de concentration nouvellement développée dans laquelle le sel fondu est utilisé comme fluide caloporteur. La température de fusion du mélange de nitrate est généralement de 130 degrés (268 degrés F) ou plus. Ils restent sous forme liquide dans des réservoirs de stockage isolés à des températures de 288 degrés (550 degrés F). Le sel liquide est ensuite pompé à travers un tuyau dans un récepteur solaire et chauffé par rayonnement concentré à des températures aussi élevées que 566 degrés (1 050 degrés F). Le liquide à haute température est ensuite introduit dans un réservoir de stockage à haute température. Le réservoir de stockage à haute température est également isolé et peut stocker l'énergie thermique pendant une longue période.
Le stockage thermique de l'électricité (TES) est utilisé pour compenser les changements de la demande et des conditions environnementales. Le sel fondu est pompé dans un générateur de vapeur selon les besoins pour générer de la vapeur pour entraîner des turbines et des générateurs conventionnels. Le TES présente des avantages uniques par rapport aux autres sources d'énergie renouvelables à grande échelle et, dans certains cas, ne nécessite même pas de carburant de production d'énergie de secours. À l'été 2013, un système de tours de sel fondu en Espagne a produit de l'électricité en continu 24 heures sur 24 pendant 36 jours - la toute première fois.
Crescent Dunes est l'une de ces centrales électriques en activité. Situé à Tonopah, Nevada, dans le désert au nord de Las Vegas, il a une capacité de production nette de 110 mégawatts et un temps TES de 10 heures. Cela signifie que la centrale électrique peut produire de l'électricité à pleine capacité jusqu'à 10 heures pendant les périodes de pointe. Plus de 10 000 héliostats reflètent la lumière du soleil et concentrent l'énergie sur un récepteur au sommet d'une tour de 200- mètres (640- pieds). Chaque héliostat se compose de petits miroirs d'une superficie totale de 115,7 mètres carrés (1 245 pieds carrés). La zone totale de collecte de lumière dépasse 1,2 million de mètres carrés (12 millions de pieds carrés). Depuis son lancement commercial en 2015, Crescent Dunes a généré plus de 173 gigawatts d'électricité, suffisamment pour répondre à la demande de pointe en électricité d'environ 75 000 foyers. Les tours solaires et les CSP à sel fondu constituent la base de conception des nouveaux projets prévus en Afrique du Sud, en Australie et au Nevada. Le projet Redstone de 100 MW en Afrique du Sud répondra à la demande d'électricité de pointe d'environ 200 000 foyers avec une durée TES de 12 heures. Un nouveau projet massif au Nevada compte 10 tours solaires d'une capacité de production de 2 gigawatts (2 000 mégawatts).
L'utilisation deacier inoxydableetalliages de nickela rendu possibles les systèmes à haute température, là où la manipulation des sels fondus était auparavant un défi. Les concepteurs et les ingénieurs ont commencé à fabriquer des tubes récepteurs à partir d'alliages à base de nickel tels que UNS N06617, N06625 et N06230 car ils devaient maintenir une résistance à haute température pendant de longues périodes -- une propriété connue sous le nom de résistance au fluage. Ces alliages sont stables aux températures de fonctionnement principalement en raison de leur forte teneur en nickel et de leur résistance à l'oxydation.
L'acier inoxydable de type 347H (S34709) est utilisé pour les réservoirs de stockage à haute température.
En 2016, la capacité totale installée des CSP dans le monde atteignait 4 815 MW. En 2017, l'Espagne disposait de 2 300 MW de capacité installée en exploitation, soit près de la moitié du total mondial. Les États-Unis ont une capacité installée de 1 740 MW et possèdent deux des plus grands projets au monde : la centrale solaire d'Avenpa (392 MW) et le projet solaire de Mojave (354 MW).
Crescent Dunes, situé dans le désert au nord de Las Vegas, Nevada, a une capacité nette de production d'électricité de 110 mégawatts et un temps TES de 10 heures. Cela signifie que la centrale électrique peut produire de l'électricité à pleine capacité jusqu'à 10 heures pendant les périodes de pointe.
Technologie de concentration des tours solaires
1. La lumière du soleil est concentrée à travers un grand champ d'héliostats et réfléchie vers un récepteur au sommet d'une tour de 195-mètre (640-pied) ; 2. Le sel liquide du réservoir de sel froid est pompé dans le récepteur et chauffé à 566 degrés (1050 degrés F); 3. Le sel chauffé dans le récepteur est stocké dans un réservoir de sel chaud ; 4. Le sel chaud est pompé dans le réservoir de sel chaud à travers le générateur de vapeur pour former de la vapeur, qui entraîne la turbine à vapeur pour générer de l'électricité ; 5. Le sel froid à 288 degrés (550 degrés F) retourne dans le réservoir de sel froid ; 6. La vapeur condensée de la turbine à vapeur est recyclée à plusieurs reprises.
