Conception et simulation d'un système de cogénération pour la production combinée de froid et d'électricité alimenté par un champ à concentrateur solaire en climat chaud et non tempéré

Résumé

Cette recherche s’inscrit dans le cadre du développement de systèmes de conversion d’énergie à haute efficacité, adaptés aux climats chauds et non tempérés. Elle vise à proposer une centrale thermique basée sur un cycle organique de Rankine (ORC), capable de convertir efficacement l’énergie solaire simultanément en électricité et en froid, tout en assurant une performance optimale. Plus précisément, il s’agissait de sélectionner le(s) fluide(s) de travail le(s) mieux adapté(s) à la conversion d’énergie solaire ; de développer une architecture ORC et de configurer une centrale solaire à cogénération. Pour cela, une méthode mixte a été mise en œuvre, combinant une approche analytique reposant sur les bilans de masse, d’énergie et d’exergie ainsi que sur des modèles économiques et environnementaux à une approche numérique, permettant la mise en place de codes de calcul et de simulations dédiées à l’analyse et à l’optimisation multi-objectif du système proposé. Les résultats montrent que le système de cogénération configuré basé sur une architecture ORC régénérative à trois étages en série (RTSORC) alimenté par un champ de collecteurs solaires cylindro-paraboliques (PTC) couplé à un cycle à compression de vapeur (VCC) et un cycle à absorption de vapeur (VAC), peut convertir efficacement l’énergie solaire simultanément en électricité et en froid. Dans les conditions optimales de fonctionnement typiques avec le Syltherm 800 dans le PTC, le benzène dans le R-TSORC-VCC et le mélange H₂O–LiBr dans le VAC, le système enregistre, du point de vue énergétique, une production de froid de 11,653 MW et une production d’électricité de 24,478 MW, avec un facteur d'utilisation de l'énergie de 25,17%. Du point de vue exergétique, une destruction totale d'exergie de 77,753 MW est observée, avec un rendement exergétique de 23,7%. Sur le plan économique, le système affiche un coût moyen actualisé de l’énergie de 0,0685 $/kWh, pour un délai de récupération de l'investissement de 5,862 ans. En termes d'impact environnemental, une réduction annuelle de 2,763 kg de CO2 par kWh d'électricité produite est enregistrée. L'étude révèle également une variation saisonnière du nombre de collecteurs solaires, avec un maximum (allant jusqu’à 1130) pendant la saison des pluies de mars à octobre et un minimum (allant jusqu’à 462) pendant la saison sèche de novembre à février.

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