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Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et Perpignan
A. Ferriere Séminaire IPN Orsay, 17 septembre 2007 1
CurriculumAlain FERRIERE, 47 ans, marié, 3 enfants
1982: Ingénieur Supelec
1987: Doctorat en Energétique, Université de Perpignan: "Conception et optimisation d'un outil d'aide à la conduite d'une centrale solaire: application à la centrale Thémis.«
1988: Chercheur CNRS, Institut des Matériaux et Procédés, laboratoire PROMES (2004), Odeillo (France)
•Propriétés thermophysiques des matériaux HT
•Traitements thermiques superficiels par énergie solaire concentrée
•Mesures de flux et de température
•Conversion de l’énergie solaire: production d’électricité et d’hydrogène
Responsable de l’équipe de recherche « Vecteurs énergétiques durables » au laboratoire PROMES-CNRS
Comité Exécutif du programme SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems) de l’AIE
College of Members de l’Agence EUREC
Site web laboratoire PROMES-CNRS: http://www.promes.cnrs.fr
E-mail: [email protected] Tel: 04 68 30 77 49
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LES CENTRALES SOLAIRES THEERMODYNAMIQUES: PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT, ETAT DE L’ART ET
PERSPECTIVES MONDIALES
Alain FERRIERE (PROMES-CNRS, Odeillo)
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1- Les enjeux
2- Les technologies solaires à concentration
3- Les centrales solaires thermodynamiques
4- Les coûts et les performances
5- Les progrès des technologies CSP
6- Les projets pour le futur
7- Le rôle de la France
LES TECHNOLOGIES SOLAIRES A CONCENTRATION APPLIQUEES A LA PRODUCTION D’ELECTRICITE ET D’HYDROGENE: SITUATION ET PERSPECTIVES
Sommaire
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1- Les enjeux
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Surface nécessaire pour obtenir avec l’énergie solaire la même énergie annuelle que le barrage d’Assouan: 10200 GWh/an (efficacité globale 10%, puissance installée 4080 MW)
Un problème de surface?
Emprise au sol:
2 ha/MWe
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1- Les enjeux
LES TECHNOLOGIES SOLAIRES A CONCENTRATION APPLIQUEES A LA PRODUCTION D’ELECTRICITE ET D’HYDROGENE: SITUATION ET PERSPECTIVES
Source: DLR (2001)
kWh/m2/an
Source: DLR (2001)
1- Les enjeux Un problème de terrain?
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Source: C. Philibert (1991)
La ressource Ceinture solaireEnsoleillement direct normal >2000 kWh/m2/an Max: 2900 kWh/m2/an70 villes de plus de 1 millions d’habitants
60000 km2 (eq. 11% du territoire français) x 2000 kWh/m2/an x 10% = 12000 TWhe= consommation mondiale d’électricité
1- Les enjeux Un problème de ressource?
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1% de la surface des zones arides et semi-arides est suffisante pour produire
l’électricité consommée dans le monde annuellement
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1- Les enjeux
0
500
1000
1500
2000
2500
3000Electricity generationPotential TWh/a
Renew. used in 2001
TWh/a
Source: “Encyclopedia of Energy”, Elsevier Inc 2004
Un potentiel de production suffisanten Europe
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Filière Emission CO2
[kg CO2/MWhe]
Charbon 900
Gaz C-C 400
Photovoltaïque 100
Solaire Thermique <20
Nucléaire 6
Hydraulique 4
Temps de retour énergétique: 5 moisComposants recyclablesCréation d’emplois: 1 MWe installé = 2 emplois directs créés
1- Les enjeux: l’impact environnemental et social
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2- Les technologies solaires à concentration
Applications
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Electricité
Zéro émissionde CO2
Cycle combiné
Générateur(Cycle Stirling)
Turbine à gaz(Cycle Brayton)
Turbine à vapeur(Cycle Rankine)
Stockagethermique
ChaleurHT
Récepteur/réacteur
HT
RéactifsH2O
biomassegaz naturel
hydrocarbures oxydes
…/...
Produits(stockage chimique)
H2
Métaux C
Régénération
H2O
Pile à combustible
O2
Valorisation du C
Noirs de carboneFullerènesNanotubes
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Moteur Stirling (moteur thermique avec apport de chaleur externe) Source solaire = aucune combustion Gaz de travail : hydrogènePuissance électrique brute : 9,8 kW Rendement nominal: 38 %
ParaboleDiamètre: 8,5 mSurface collectrice: 56,7 m2
Puissance thermique: 55 kW
Systèmes parabole – StirlingDéveloppés par SBP/SOLO et SES ; 10 et 25 kWeRendement: 20 à 25%
2- Les technologies solaires à concentration
Programme ENVIRODISHBMU (All.) + 7 Utilisateurs1 unité installée à PROMESCNRS Odeillo-Fiabilisation-Démonstration
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Centrales à tourProduction de chaleur à HT avec caloporteursels fondus, eau/vapeur, air (gaz)
2- Les technologies solaires à concentration
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Solar Two
Solar Two (Barstow, Californie, 1997-2000)85000 m2
Sel fondu, Cycle Rankine 12,4 MWe
Centrales à tourProduction de chaleur à HT avec caloporteursels fondus, eau/vapeur, air (gaz)
2- Les technologies solaires à concentration
Projet SOLGATE (2001-2003)Prototype de centrale hybride solaire/fossile
Cycle à gaz (1100°C, 7 bars)Récepteur solaire multi-étagé modulaire
1000 kWth, 800-1000°CTurbine à gaz 250 kWe
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2- Les technologies solaires à concentration
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Production de chaleur à 250-400°C avec caloporteur huile, eau/vapeur
Centrales solaires cylindro-paraboliques
Chaleur 400°C Stockage Vapeur Electricité
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2- Les technologies solaires à concentration
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Centrales solaires cylindro-paraboliques
Chaleur 400°C Stockage Vapeur ElectricitéProjets DISS et Inditep (PSA, Espagne)
1998-2004Génération directe de vapeur
400°C, 100 bars
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3- Les centrales solaires thermodynamiques
Les centrales solaires existent!
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354 MWe exploités commercialement par SCE et NPL en Californie depuis 1985 (centrales SEGS)
1 MWe mis en service par SolarGenix en Arizona en 2005 (Saguaro)
64 MWe mis en service par SolarGenix/Acciona au Nevada en 2007(Solar One)
11 MWe mis en service par Solucar/Abengoa en Espagne en 2007(PS10)
50 MWe en construction par SolarMillennium/Cobra en Espagne(Andasol I)
30 MWe en construction par Abener/Abengoa en Algérie(Hassi R’Mel, ISCC)
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PS10: première centrale à tour commerciale, 11 MWel
Centrale PS10Séville (Espagne), Solucar (groupe Abengoa)Tour + vapeur saturée, Cycle Rankine 11 MWeChamp solaire 75 000 m2
PS10, mise en service en 2006
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3- Les centrales solaires thermodynamiques
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3- Les centrales solaires thermodynamiques
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SEGS, Kramer Junction
• 354 MWe dans le désert de Mojave (Californie)• 1984-91 sur le réseau de Los Angeles• 9 centrales de 30 à 80 MWe
• 2000000 m2 cylindro-paraboliques• Huile gilotherm 250-390°C, Cycle Rankine• Systèmes hybrides 80% solaire / 20% gaz• Emprise au sol : 2 ha / MWe
• Coût de production électricité solaire: 0,16 €/kWhe
Les centrales SEGS en Californie
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4- Les coûts et les performances
1985-2001:11 milliards kWhe
Production annuelle [GWhe]
Production cumulée [GWhe]
Vente cumulée [M$ US]
800 GWhe/an
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L’expérience américaine des centrales SEGS (1985-2007, Californie): un marché bénéfique
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LES TECHNOLOGIES SOLAIRES A CONCENTRATION APPLIQUEES A LA PRODUCTION D’ELECTRICITE ET D’HYDROGENE: SITUATION ET PERSPECTIVES
L’expérience américaine des centrales SEGS (1980-2007, Californie): importance de la ressource
4- Les coûts et les performances
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L’expérience américaine des centrales SEGS (1980-2007, Californie): importance de la ressource
Seuil
16%
10%
4- Les coûts et les performances
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Avantages du stockage et de l’hybridation
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Accroissement de la disponibilité des centrales
Production d’électricité garantie
SolutionDisponibilit
éFraction solaire
Sans Stockage 25% 100%
Stockage
(et hybridation)60% 75 - 100%
Hybridation
(et stockage)60 - 100% 10 - 50%
4- Les coûts et les performances
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Technologie Cylindro-parabolique
Tour Parabole-Stirling
Rendement thermique 70 % 73 % 75 %
Puissance (MWth) 1 - 300 10 - 100 < 0,1
Concentration 80 - 500 700 - 1200 6000-10000
Température de travail 250 – 400 °C 450 – 1000 °C 600 – 1200 °C
Coût des capteurs (€/m2) 210 - 250 140 - 220 ~1000
Investissement (€/We) 2,8 – 3,5 3 - 4 7 - 14
Rendement annuel de conversion solaire-électricité (%)
14% 15% 17%
De la chaleur à haute température, à quel prix?
4- Les coûts et les performances
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Ruptures technologiques
1985 2005 2015
Puissance typique (MWe) 30 40 - 80 200
Rendement annuel moyen 8 % 13 - 15 % 16 - 17 %
Coût des capteurs (€/m2) 300 225 120
Coût d’investissement (€/We) 3 - 4 2 - 2,5
Coût d’exploitation (€/MWhe) 30 - 40 10 - 15
Coût de production (€/kWhe) 0,25 0,16 - 0,19 0,06 – 0,07
Incitations (primes, tarifs,…)
(SolarPACES, 1992)
Les coûts de production baissent
5- Les progrès des technologies CSP
net
fuelMOinvest
E
KKKFCRLEC
&
insurancen
d
ndd k
k
kkFCR
11
1
FCR = 9,88%kd = 8%kinsurance = 1%n = 30 ans
Centrales de 50 MWe
avec ensoleillement de Séville (2014 kWh/m2/an)
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Des nouvelles technologies se développent en Espagne, en Allemagne, en Italie et aux USA
Concentrateurs cylindro-paraboliques « Flabeg »et récepteur solaire « Schott » (Allemagne)
Héliostat « Solucar – Abengoa »(Espagne)
Une industrie des technologies solaires à concentration s’est créée en Allemagne et en Espagne
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5- Les progrès des technologies CSP
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La recherche se structure
SunLab: regroupement des activités « solaire thermique » de deux laboratoires Américains Sandia Labs + NREL, USA
SolLab: Alliance de centres de recherche européens (2004-2007)CNRS (France), DLR (All.), CIEMAT (Esp.), ETHZ (Suisse)
SolarPACES: Programme de l’AIE (1995-2007)« Solar Power And Chemical Energy Systems »USA, Australie, Mexique, Afrique du Sud, Allemagne, Espagne, France, Suisse, Italie, Israël, Egypte, Algérie.
International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE)
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5- Les progrès des technologies CSP
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Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques?
5- Les progrès des technologies CSP
Objectifs: Gains en performances
Réduction des coûts
Collecteurs (miroirs, structures, héliostats)
• Matériaux réfléchissants
• Revêtements protecteurs
• Mécanismes et motorisations
• Concepts de nouveaux dispositifs optiques
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5- Les progrès des technologies CSP
Stockage (thermique, chimique)
• Matériaux
• Systèmes
• Concepts (réaction renversables)
Récepteurs (absorbeurs)
• Matériaux HT
• Revêtements sélectifs, anti-réflecteurs
• Concepts
Quelles innovations? Quelles compétences scientifiques?
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17.2
6.7
12.7
5.0
0
5
10
15
20
ce
nts
€/k
Wh
Seville, Spain 2000 kWh/m²a
Desert climate 2700 kWh/m²a
CSP cost reduction
Today
2020
Source: ECOSTAR, 2005
Impact des innovations
0.14
0.17
0.30
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Relative costreduction
Technicalinnovation
Scaling of unitsize beyond 50MW
Volumeproduction
0.61
(50→400 MWe)
(+600 MWe/an)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
rela
tiv
e c
os
t re
du
cti
on
optimistic cost reduction estimation
pessimistic cost reduction estimation
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Type Cylindro-parabolique Récepteur central Hydride solaire/TAG
Parabole-Stirling
Fluide caloporteur Huile Vapeur Sels fondus Vapeur saturée Air 1 atm Air pressurisé H2, He
Exemple Andasol Inditep Solar II PS10 Solair Solgate EuroDish
Taille du système de réf. 50 MWe 47 MWe 51 MWe 55 MWe 50 MWe 58,7 MWe 72 MWe
Stockage (h) 2-bacs sels fondus, 3 h
- 2-bacs sels fondus, 3 h
Bac tampon eau/vapeur, 40’
Céramique,
3 h
- -
Investissement (€/kWe):
- Champ solaire
- Tour
- Récepteur
- Stockage
- Groupe GTA
- Coûts indirects
3530
51%
-
-
8%
22%
19%
2840
64%
-
-
-
17%
19%
3470
36%
3%
15%
3%
24%
19%
3019
38%
5%
14%
4%
20%
19%
3989
35%
5%
13%
13%
15%
19%
1622
22%
8%
11%
-
39%
20%
8035
38%
-
7%
-
37%
17%
Facteur de capacité 29% 22% 33% 26% 33% 55% 22%
Fraction solaire 100% 100% 100% 100% 100% 19% 100%
Cycle
(rendement)
Rankine
(37,5%)
Rankine (26%)
Rankine
(38%)
Rankine
(30%)
Rankine (34%)
Brayton
(44,7%)
Stirling
(38%)
Rend. annuel solaire-élec. 14% 9,9% 16% 13,6% 13,5% 19,1% 16,7%
LEC solaire (€/kWhe) 0,172 0,187 0,155 0,168 0,179 0,139 0,193
Impact des innovations 13 - 29% 23 - 38% 11 - 25% 21 - 33% 25 - 37% 17 - 28% 55-66%
LEC solaire 2015 (€/kWhe) 0,12-0,15 0,11-0,14 0,12-0,14 0,11-0,13 0,11-0,14 0,093-0,115 0,065-0,09
5- Les progrès des technologies CSP
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Avantages de la conversion thermodynamique:
Intégration dans des installations existantes (pas de surcoût groupes)
Energie électrique garantie par: stockage, efficace et peu coûteux et/ou hybridation (solaire/fossile) Possibilité de co-génération: électricité/chaleur électricité/eau potable Production maximale en phase avec les besoins de climatisation (été) Rendements de conversion élevés: 25%-30% 45% Potentiel de réduction des coûts de production important: amélioration des performances des systèmes (innovations) industrialisation (effet de taille) Temps de retour énergétique court et impact GES faible Création d’emplois (15 à 20 emplois directs et indirects par MW)
5- Les progrès des technologies CSP
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Abengoa:10MW PS10 Tower
2x 20MW1x 50MW
SENERSolar Tres
15MW Tower
EHN+SolarGenix15MW EuroSEGS
SMAG/ACS3x50MW
AndaSol 1,2, 3
SMAG/ACS50MW ExtremaSol 1
Iberdrola:5x50MW
EuroTrough
6- Les projets pour le futurCas de l’Espagne: rachat à 0,269 €/kWhe garanti 25 ans unités de production <50 MWe , max. 15% fossile
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Près de 2000 MWe en projet dans le monde (2015)
USA (Nouveau Mexique, Arizona, Nevada, Californie, Utah, Texas, Colorado)
1000 MWe
ESPAGNE 630 MWe
ISRAEL 100 MWe
AFRIQUE du SUD 100 MWe
EGYPTE 30 MWe
AUSTRALIE 20 MWe
ALGERIE 30 MWe
MAROC 20 MWe
ITALIE 20 MWe
ALLEMAGNE 1 MWe
6- Les projets pour le futur
Plus, provisoirement (→ 2015-2020):
Des politiques publiques incitatives: l’Espagne, un exemple à suivre!
Des initiatives internationales: CSP Global Market Initiative (5000 MWe en 2015)
Des aides: - Pays en développement GEF (Banque Mondiale) - Europe (C.E.)
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Nevada (USA)
Les chantiers redémarrent, centrales commerciales en construction !
6- Les projets pour le futur
EgypteAustralieItalie
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Espagne
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7- Le rôle de la France
1982-1986: L’expérience française en production d’électricité solaire thermique: THEMIS, Targasonne
• Succès scientifique• Désastre médiatique• Aventure industrielle avortée
Depuis 1986: Aucune réalisation industrielle en service
1995-2001: Veille scientifique & technologique (programme SolarPACES de l’AIE)
2002: Relance des travaux R&D en France, sous l’impulsion du CNRS-SPI (laboratoire PROMES d’Odeillo)
2004: Création du groupe de travail SOLTEC: CNRS-PROMES, EMAC-LGPSD, LATEP, ADEME, TOTAL, EDF, CREED
2004: Création de l’Alliance Européenne SOLLAB: CNRS, DLR, CIEMAT, ETHZ
Projets R&D nationaux et Européens
LES TECHNOLOGIES SOLAIRES A CONCENTRATION APPLIQUEES A LA PRODUCTION D’ELECTRICITE ET D’HYDROGENE: SITUATION ET PERSPECTIVES
Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie SolaireUPR-CNRS 8521Odeillo et Perpignan
A. Ferriere Séminaire IPN Orsay, 17 septembre 2007 35
LES TECHNOLOGIES SOLAIRES A CONCENTRATION APPLIQUEES A LA PRODUCTION D’ELECTRICITE ET D’HYDROGENE: SITUATION ET PERSPECTIVES
7- Le rôle de la France
CEA / GRETH Grenoble
CEA/DEN/SESI Cadarache
CEA Marcoule
CNRS / PROMES Odeillo
UPPA / LATEP Pau
EMAC / LGPSD Albi
ENSAM / TREFLE Talence
CNRS / LSGC Nancy
Les équipes de recherche
+ industries motivéesTOTAL
EDF-R&D
EDF E.N.
Bertin Technologies
Leroux & Lotz
Eiffel
CNIM
Poweo
CREED Veolia Env.
SolarEuromed
Smart Renewable Energy
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7- Le rôle de la France
Une ressource suffisante sur quelques sites (en PACA, L-R)
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7- Le rôle de la France
Un tarif de rachat attractif
Arrêté de juillet 2006
Tarif de rachat: 0,30 €/kWh
Puissance unitaire <12 MW
Maximum 1500 h/an équ. Pmax(fact. capacité max: 17%)
Garanti 20 ans
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Système hybride solaire/fossile (ou biogaz) avec cycle à gaz
Objectifs scientifiques et technologiquesProposer et valider une méthodologie de changement d’échelle (4,5 MWth ; 1,4 MWe)Atteindre des fractions solaires élevées
70 – 80% en valeur instantanée50 – 60% en valeur moyenne annuelle
Développer les récepteurs solaires permettant d’atteindre des températures de sortie d’air de 1000°C et plusEtablir une base de données pour la conception et la prévision fiable des performances de la filièreMettre en place les collaborations (organismes de recherche européens et industries) pour assurer un futur développement de la filière
Projet PEGASE à Thémis
Production d’Electricité par turbine à Gaz et énergie Solaire
Centrale solaire Thémis, 1982-1986
THEMIS, 2004THEMIS, 2004
SOLARTECH
Projet de Plateforme technologique régionale (à vocation Européenne), adossée au Pôle de compétitivité DERBI
Il ne s’agit pas de réaliser une centrale solaire rentable, mais d’établir les bases scientifiques et techniques pour que la filière le devienne!
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Projet PEGASE à Thémis
Production d’Electricité par turbine à Gaz et énergie Solaire
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7- Le rôle de la France
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Projet PEGASE à Thémis (2007-2013)
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7- Le rôle de la France
Phase 1-bRS-PEGASE (ANR, 2007-2009): récepteur solaire
Coût total
0,4 M€
Mai 2007
Faisceau concentré disponible en sommet de tour
Déc 2008
Récepteur et groupe installés
Déc 2009 Jan 2010
Essais du récepteur
Phase 1-a
Rénovation du champ solaire
Coût total
1 M€
PEGASE-DEMOEU FP7, 2008-2011
Contributions (?)UE: 3 M€
Etat/région: 2 M€ Secteur privé: 2 M€
Phase 2
Construction, mise en service et exploitation expérimentale de la centrale
7 M€
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Projets commerciaux
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7- Le rôle de la France
• Initiative SolarEuromed: 20 MW en 2009
• Projet Solbio (Smart Renewable Energy): centrale hybride solaire/biomasse 1-5 MW
• Projet ThemDish: 6 x 10 kW paraboles-Stirling à Thémis
• …
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