Stockage thermique en sels fondus

Le stockage thermique en sels fondus garde la chaleur d’une centrale solaire dans de grands réservoirs isolés remplis de sel de nitrates fondu, pour que la centrale puisse produire vapeur et électricité après le coucher du soleil ou sous les nuages. Le sel froid, à environ 290 °C, est chauffé dans le récepteur jusqu’à environ 565 °C et gardé dans un réservoir chaud jusqu’à ce qu’on en ait besoin. La tour française Thémis, raccordée au réseau en 1983, utilisait le sel fondu à la fois pour transporter et pour stocker sa chaleur.

Ce que c’est

Une centrale solaire thermique ne recueille de la chaleur que lorsque le soleil brille, mais l’électricité sert à toute heure. Le stockage en sels fondus sépare les deux. Dans la journée, la centrale chauffe plus de sel que sa turbine n’en demande sur le moment et garde le surplus dans un réservoir. Le soir, ou quand passent des nuages, elle puise dans ce sel chaud pour continuer à produire de la vapeur pour la turbine à vapeur.

Le sel est un mélange de nitrates de sodium et de potassium. Il ne brûle pas et ne dégage presque pas de vapeur même très chaud, si bien qu’on peut le garder dans de grands réservoirs à la pression atmosphérique au lieu de cuves sous pression. Son défaut est de commencer à cristalliser vers 240 °C et d’être entièrement solide vers 220 °C : dans les tuyaux, il doit toujours rester au-dessus de cette plage.

Comment ça marche

Le réservoir chaud est une virole d’acier enveloppée d’isolant et posée sur une fondation isolée.

Le montage habituel compte deux réservoirs. Le sel du réservoir froid, à environ 290 °C, est pompé jusqu’au récepteur, y est chauffé à environ 565 °C et s’écoule dans le réservoir chaud. Quand la centrale a besoin de puissance, le sel chaud est pompé à travers un générateur de vapeur, où il fait bouillir l’eau, et en ressort refroidi vers le réservoir froid. La collecte de la chaleur et la production d’électricité peuvent alors suivre des horaires différents. Comme le sel lui-même transporte la chaleur depuis le récepteur et la stocke aussi, on parle de système direct.

Les deux réservoirs ne sont pas faits du même métal. Le sel de nitrates chaud corrode l’acier ordinaire, aussi le réservoir chaud est-il en acier inoxydable ; le réservoir froid, à plus basse température, peut être en acier au carbone, moins cher. Tous deux sont couverts d’une épaisse isolation. Si le sel reste longtemps bien au-dessus des 565 °C du réservoir chaud, le nitrate se décompose peu à peu, dégage de l’oxygène et se change en partie en nitrite, ce qui fixe la limite haute du stockage.

La solidification est le principal risque d’exploitation. Un bouchon de sel solide peut obstruer un tuyau ou un tube du récepteur : tuyaux, vannes et récepteur doivent donc être tenus au-dessus de la température où les premiers cristaux apparaissent par des résistances électriques, ou vidangés quand ils ne servent pas.

Comment faire

Deux bouteilles isothermes d’eau tiède et d’eau fraîche montrent comment un réservoir isolé garde sa chaleur.

Deux bouteilles isothermes et deux thermomètres montrent comment un stock bien isolé garde sa chaleur. Marquez une bouteille de ruban rouge pour le réservoir chaud et l’autre de ruban bleu pour le réservoir froid. Remplissez la rouge d’eau tiède du robinet et la bleue d’eau fraîche du robinet, fermez-les toutes deux par un bouchon traversé par un thermomètre et notez les deux températures. Remplissez une tasse ouverte de la même eau tiède et mettez-y un thermomètre.

Lisez les trois thermomètres toutes les demi-heures pendant un après-midi et jusqu’au soir. L’eau de la tasse ouverte refroidit vite, tandis que l’eau tiède de la bouteille rouge reste tiède pendant des heures, comme le sel chaud dans son réservoir isolé. La bouteille bleue reste fraîche tout aussi longtemps, parce que l’isolation freine le passage de la chaleur dans les deux sens.

Consignes de sécurité. N’utilisez que de l’eau tiède du robinet, jamais d’eau bouillante, pour éviter les brûlures, et vérifiez que les bouteilles sont en bon état et posées là où on ne peut pas les renverser. N’essayez jamais de faire fondre des nitrates ni aucun autre sel chez vous : le sel fondu provoque de graves brûlures, et les nitrates sont des oxydants puissants qui peuvent faire flamber violemment le bois, le papier ou les vêtements.

Histoire et évolution

Une centrale à tour avec stockage vue d’en haut : le champ de miroirs, la tour et, à côté, les deux réservoirs de sel.

Aux États-Unis, des ingénieurs du programme solaire conçurent des centrales à récepteur central qui transporteraient et stockeraient leur chaleur dans du sel de nitrates fondu. Au Central Receiver Test Facility d’Albuquerque, au Nouveau-Mexique, un stockage d’essai avec un réservoir froid et un réservoir chaud fut construit et testé, et les essais montrèrent que l’idée fonctionnait. Les deux mêmes réservoirs servirent ensuite au Molten Salt Electric Experiment, une petite centrale complète montée sur le site, essayée en 1984 et 1985, qui se termina par un mois de production d’électricité.

En France, la tour Thémis de Targassonne, dans les Pyrénées, fut raccordée au réseau en 1983. Le sel fondu y portait la chaleur du récepteur jusqu’au générateur de vapeur et servait aussi de réserve de chaleur à la centrale.

Solar Two, construite en Californie sur le site de la tour Solar One, fonctionna à la fin des années 1990 avec un récepteur à sel fondu et deux réservoirs de stockage. Elle montra qu’une centrale à tour pouvait recueillir la chaleur le jour et fournir du courant sous les nuages et après le coucher du soleil.

Gemasolar, près de Séville en Espagne, entra en service en 2011 avec un récepteur à sel sur sa tour et des réservoirs assez grands pour faire tourner la turbine environ 15 heures sans soleil. Dès son premier été, elle fournit de l’électricité pendant un jour et une nuit entiers sans s’arrêter.