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Solaire thermodynamique (à concentration)

Située en Californie, la centrale solaire thermodynamique d'Ivanpah a, avec ses 173 500 miroirs, une puissance de 392 MW. (©BrightSource)

Définition et catégories

• Fonctionnement

Acteurs majeurs

• Unités et chiffres clés
• Zone de présence

Passé et présent

Un système solaire à concentration thermodynamique exploite le rayonnement du Soleil en orientant, au moyen de miroirs, les flux de photons. Ce système thermique concentré permet d’atteindre des niveaux de température bien supérieurs à ceux des systèmes thermiques classiques non concentrés . 

Alors que les chauffe-eau domestiques produisent une eau à une cinquantaine de degrés, il est possible, par la concentration, de chauffer des fluides à des températures de l’ordre de 250 à 1 000°C. Il devient alors envisageable de les utiliser dans des processus industriels comme la génération d’ électricité  (on parle parfois « d’électricité solaire thermodynamique »). D’autres utilisations directes ou indirectes des fluides chauds sont possibles comme le dessalement de l'eau de mer , le refroidissement ou encore la génération d' hydrogène .

Le principe de la concentration de l'irradiation solaire est connu depuis l'Antiquité.

Le principe de concentration

Le principe de la concentration de l’irradiation solaire est connu depuis l’Antiquité, comme l’illustre le mythe des « miroirs ardents » d’Archimède. Le plus souvent grâce à des miroirs réfléchissants ou des loupes, un système à concentration réoriente le rayonnement solaire collecté par une surface donnée sur une cible de dimension plus réduite : le démarrage d’un feu de feuilles mortes avec une loupe utilise ce principe.

Le fonctionnement des centrales solaires thermodynamiques

Les centrales solaires thermodynamiques utilisent une grande quantité de miroirs qui font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauffé à haute température. Pour ce faire, les miroirs réfléchissants doivent suivre le mouvement du soleil afin de capter et de concentrer les rayonnements tout au long du cycle solaire quotidien. Le fluide produit de l’électricité par le biais de turbines à vapeur ou à gaz. Il existe quatre grands types de centrales solaires thermodynamiques : les centrales à miroirs cylindro-paraboliques et leur variante à miroirs de Fresnel (1) , les centrales à tour et enfin les concentrateurs paraboliques Dish-Stirling.

Fonctionnement technique ou scientifique

Les différents types de centrales, systèmes de concentration linéaire.

Le rayonnement solaire est concentré sur un ou plusieurs tube(s) absorbeur(s) installé(s) le long de la ligne focale des miroirs. Ce tube contient un fluide caloporteur porté à une température de l’ordre de 250 à 500°C.

Les miroirs réfléchissants suivent le mouvement du Soleil tout au long de la journée.

• Centrales à miroirs cylindro-paraboliques : c’est la technologie la plus répandue aujourd’hui. Le foyer d’une parabole est un point, celui d’un miroir cylindro-parabolique est un axe, sur lequel est placé un tube absorbeur (le récepteur) de couleur noire, pour capter un maximum de rayonnement. Dans ce tube circule le fluide caloporteur, qui se réchauffe jusqu’à une température d’environ 500°C et qui est ensuite centralisé et transporté jusqu’au bloc de génération électrique. L’ensemble miroir cylindro-parabolique/récepteur suit le mouvement du Soleil.

Exemples : Andasol, une des plus puissantes centrales thermodynamiques d’Europe située en Espagne (150 MW) ; Nevada Solar One aux États-Unis (64 MW).

Miroirs cylindro-paraboliques d'Andasol, Espagne (©photo)

• Centrales solaires à miroirs de Fresnel : plutôt que de courber les miroirs (processus industriel coûteux), les miroirs de Fresnel « miment » la forme cylindro-parabolique avec des miroirs très légèrement incurvés, et placés à un même niveau horizontal. Seuls les miroirs bougent, la structure et le tube absorbant sont tous deux stationnaires. Les coûts des centrales solaires à miroirs de Fresnel sont donc inférieurs à ceux des centrales à miroirs cylindro-paraboliques tant à l’installation qu’à la maintenance. La focalisation est toutefois dégradée dans ce système (puisque la parabole n’est pas parfaite) : le pari est donc que la baisse de coût « compense » la dégradation de l’efficacité d'un point de vue économique. Ce type de système est encore relativement peu répandu.

Exemples : Puerto Errado en Espagne (31,4 MW), Kimberlina en Californie (5 MW).

Centrale solaire thermodynamique à miroirs de Fresnel (©Alsolen)

Systèmes de concentration par foyer

Le rayonnement solaire est concentré environ 1 000 fois à destination d’un foyer unique de taille réduite. La température peut atteindre de 500 à 1 000°C.

• Centrales à tour : des centaines de miroirs suivant la course du soleil (les « héliostats ») réfléchissent et concentrent le rayonnement solaire sur un récepteur central situé au sommet d’une tour, dans lequel circule le fluide caloporteur. Comme dans les systèmes cylindro-paraboliques, la chaleur du fluide est alors transférée à un cycle classique à vapeur pour générer de l’électricité. Par rapport à un système cylindro-parabolique, la tour solaire offre l’avantage de ne pas avoir à faire circuler de fluide dans l’ensemble du champ de miroirs : les pertes thermiques sont donc significativement réduites. Par ailleurs, le niveau de concentration de l’irradiation peut être bien supérieur et l’efficacité du cycle thermodynamique s’en trouve augmentée. Il reste que ces gains techniques doivent aussi se traduire par un gain technico-économique, limité par le coût de construction de la tour.

Exemples : Crescent Dunes au Nevada (110 MW), Solar Tres en Espagne (19,9 MW), projet PEGASE sur le centre français de Thémis (Pyrénées-Orientales).

Tour solaire à concentration (©photo)

• Centrales à miroir parabolique Dish-Stirling : une parabole concentre le rayonnement sur un foyer en son point focal afin d’actionner un moteur dit « Dish-Stirling ». Une fois chauffé dans un circuit fermé, le gaz qu’il contient actionne un piston qui récupère l’énergie mécanique produite. Cette technologie n’est pas adaptée à une production industrielle de masse du fait de son coût élevé, d’où le retard de son développement. Cependant, c’est la seule technologie thermodynamique qui puisse être mise en œuvre dans des sites isolés de petite taille.

Exemple : site de Font-Romeu Oreillo, siège des recherches du CNRS sur le sujet.

Paraboles solaires Dish-Stirling testées à Albuquerque au Nouveau-Mexique (©photo)

Enjeux par rapport à l'énergie

L’électricité produite grâce à l’énergie solaire thermodynamique devrait être compétitive économiquement face aux énergies fossiles d’ici 10 à 15 ans (actuellement, les experts marocains évoquent par exemple un prix proche de 150 euros par MWh pour la centrale Noor 1). La durée de vie d’une installation est estimée entre 25 et 40 ans. Certaines technologies de la concentration bénéficient déjà d’un retour d’expérience important. De plus, la cogénération , c'est-à-dire l’utilisation de la chaleur résiduelle après génération électrique pour produire par exemple de l’eau dessalée ou du froid, augmente sensiblement la compétitivité des installations solaires thermodynamiques.

Technologie

Contrairement aux installations solaires photovoltaïques dont le produit est directement l’électricité, les technologies solaires thermodynamiques dans leur process génèrent de la chaleur. Le fluide chauffé ayant une certaine inertie thermique (capacité à stocker de la chaleur), la production d’électricité thermodynamique est donc moins « saccadée » que la production d’électricité photovoltaïque. De surcroît, des systèmes de stockage dynamique de la chaleur peuvent être intégrés aux installations, prolongeant la génération d’électricité jusqu’à plusieurs heures après la disparition des rayonnements solaires.

Environnement

L’énergie solaire thermodynamique ne produit pas directement de déchets ou de gaz à effet de serre .

Les premières installations ont vu le jour dans les années 1980, mais l’après chocs pétroliers a laissé cette technologie dans l’ombre jusqu’aux années 2000. Il faut attendre l’adoption de tarifs de rachat préférentiels durant cette décennie pour que la filière industrielle redémarre. On compte, en 2015, environ 4,7 GW de capacités installées de solaire thermodynamique dans le monde,dont 2,3 GW en Espagne et 1,7 GW aux États-Unis (2) .

Les annonces se multiplient : citons entre autres le projet d'une centrale de plus de 1 GW dans le sultanat d'Oman (Petroleum Development Oman), les 3 projets CSP dans le cadre du plan solaire Noor au Maroc (société saoudienne Acwa Power) ou encore l'entrée de l'agence marocaine de l'énergie solaire (Masen) au capital de la société française Alsolen pour 30 millions d'euros à l'été 2015.

Les États-Unis, l'Espagne, l'Afrique du Nord, la Chine et l'Australie constituent les prochaines zones probables de croissance. L'AIE prévoit que cette source d'énergie pourrait fournir 11% de l'électricité mondiale en 2050 (3) . Cela correspondrait à une production annuelle d'environ 4 770 TWh, soit l'équivalent de la consommation électrique des États-Unis (avec une capacité installée de plus de 1 000 GW dans ce scénario).

Entreprises

La société espagnole Abengoa Solar est le principal développeur de centrales solaires thermodynamiques dans le monde. Elle est toutefois confrontée à d'importantes difficultés de financements et a présenté début février 2016 à ses banques un plan de redressement afin de lui éviter une faillite.

Les nouveaux systèmes sont la plupart du temps développés par des start-up, dont une majorité sont américaines (eSolar, BrightSource). Les équipements spécifiques au secteur sont dans les mains d’un nombre réduit d’entreprises : tubes (Solel, Flabeg), miroirs (Rioglass, Saint-Gobain). Les grands groupes comme Alstom, Siemens, Enel et Areva sont entrés en 2010 dans le secteur, pour certains par des acquisitions de start-up (Ausra, BrightSource). Total a construit en partenariat avec Abengoa Solar et Masdar une centrale de 100 MW à Abou Dabi, inaugurée en mars 2013.

Incitations gouvernementales

Depuis 2004, certains gouvernements ont pris des mesures visant à encourager la construction de centrales à énergie solaire thermodynamique. Le gouvernement espagnol a par exemple fixé des tarifs de rachat d’électricité. Par conséquent, plusieurs projets de centrales solaires thermodynamiques ont vu le jour.

Initiatives internationales

L'AIE (Agence Internationale de l'Energie) a établi dés 1977 un programme de coopération (Solar PACES) portant sur la Recherche et Développement dans le domaine de la concentration de l'énergie solaire. Quinze pays dont la France y participent.

Des initiatives internationales ont également été engagées dans ce domaine comme le Plan Solaire Méditerranéen, un partenariat entre les pays riverains de la Méditerranée et l'Union européenne ayant pour but de lancer des projets régionaux. Un projet privé, Désertec , initié en 2003 par des industriels allemands, affiche d’importantes ambitions.

Unités de mesure et chiffres clés

La puissance électrique.

• Une grande éolienne récente : 5 MW ;
• La centrale solaire à concentration thermodynamique Andasol : 150 MW ;
• Un réacteur nucléaire de Flamanville (1 ou 2) : 1 300 MW.

L’énergie électrique

• Une grande éolienne récente de 5 MW : 16 GWh/an ;
• La centrale solaire à concentration thermodynamique Andasol : 180 GWh/an ;
• Un réacteur nucléaire de Flamanville : de l'ordre de 9 000 GWh/an.

Zone de présence ou d'application

Un système à concentration, par définition, réoriente le rayonnement : il faut donc que celui-ci ait une direction. C’est le cas de l’irradiation directe (qui nous vient « directement » du soleil), mais pas de l’irradiation diffuse (qui est distribuée dans toutes les directions).

L'ensoleillement direct français n'est pas suffisant pour envisager des projets substantiels en métropole.

Dans les zones les plus favorables à l'utilisation de l'énergie solaire concentrée (voir carte ci-dessous), l'ensoleillement direct est supérieur à 2 000 kWh/m²/an. Les meilleurs sites reçoivent eux un rayonnement solaire de l’ordre de 2 800 kWh/m²/an. L'ensoleillement direct français n'est pas suffisant pour envisager des projets substantiels en métropole.

De plus, certaines technologies requièrent une grande quantité d’eau à disponibilité, essentiellement pour nettoyer les miroirs. Selon les estimations, une centrale à concentration thermodynamique à tour d’une puissance de 50 MW consomme 300 000 m 3 d’eau par an. Cette double contrainte Soleil/eau rend la localisation de ce type de centrales délicate.

1878  : Augustin Mouchot, un ingénieur français, présente à l’Exposition Universelle un réflecteur associé à une machine à vapeur qui porte de l’eau à ébullition.

1912  : Frank Shuman construit un système parabolique suivant le soleil de 45 kW près du Caire.

1985  : La compagnie américano-israélienne Luz International commence à construire des centrales utilisant le concept cylindro-parabolique dans le désert californien. Les 9 centrales privées totalisent en 1991 une puissance installée de 354 MW.

2008  : Andasol, la plus puissante centrale solaire cylindro-parabolique thermodynamique d'Europe à l'époque, est inaugurée près de Guadix en Andalousie (Espagne). Elle a alors une capacité de 50 MW.

2016 : Inauguration de la centrale Noor 1 à Ouarzazate (160 MW) au Maroc , première étape vers un parc solaire thermodynamique de 500 MW à l'horizon 2018.

Opportunités et technologies d’avenir

Les professionnels du programme Solar Paces de l’AIE et de Greenpeace international, estiment avec optimisme que les installations d’énergie solaire thermodynamique pourraient atteindre une capacité installée de près de 37 GW en 2025 (susceptible de produire 95,8 TWh) et même 600 à 800 GW en 2040.

• Les technologies de référence

Les centrales à miroirs cylindro-paraboliques sont aujourd’hui les technologies les plus anciennes et matures du secteur, constituant 95% des capacités thermodynamiques installées. Si ces technologies bénéficient d’un retour d’expérience, ces systèmes ne sont probablement pas les installations compétitives de demain, dans un marché sans subventions. Les tours solaires et les centrales à miroirs de Fresnel sont actuellement en phase d’expérimentation pré-industrielle. Les tours solaires représentent déjà 1/3 des projets annoncés.

• Une technologie encore au stade de la recherche : les centrales sans focalisation

Les centrales solaires thermiques sans focalisation du rayonnement direct sont une variante technique encore au stade de la recherche. Ces centrales à « effet de cheminée » utilisent le rayonnement solaire pour réchauffer l’air sous une grande surface couverte d'un toit. En s’échappant par la cheminée, le courant d'air permet d'entraîner une ou plusieurs turbines éoliennes et le générateur qui y est connecté.

Concrètement

Nevada Solar One est une centrale à concentration cylindro-parabolique d’ une puissance crête de 64 MW qui a coûté environ 220 millions d’euros. Elle est composée de 182 000 miroirs et 18 240 tubes absorbeurs. Cette centrale d’une surface de 162 hectares alimente l’équivalent de 14 000 foyers américains en électricité.

Le saviez-vous ?

Chaque km 2  de désert reçoit annuellement une énergie solaire équivalente à l’énergie contenue dans 1,5 million de barils de pétrole ( 4 ) .

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Centrales solaires thermiques

Une centrale solaire thermique, également appelée centrale solaire thermique , est une installation industrielle conçue pour tirer parti du rayonnement solaire et le transformer en énergie électrique.

Bien que son principe de fonctionnement soit similaire à celui des centrales thermiques classiques, il en diffère sur un aspect fondamental : la source de chaleur utilisée n'est pas d'origine fossile, mais est basée sur l'énergie solaire.

Comment fonctionne une centrale solaire thermique ?

Le fonctionnement des centrales solaires thermiques repose sur l’obtention de chaleur provenant du rayonnement solaire et son transfert vers un fluide caloporteur, qui est généralement de l’eau.

Pour élever la température de l’eau aux niveaux élevés souhaités, le rayonnement solaire maximum doit être concentré en un point. De cette manière, on peut obtenir des températures de 300ºC à 1000ºC, qui seront utilisées pour générer de la vapeur. Plus la température est élevée, plus les performances thermodynamiques de la centrale solaire thermique sont élevées.

L’accumulation d’ énergie thermique est utilisée pour produire de la vapeur qui peut entraîner des turbines à vapeur. Avec le mouvement des turbines, l'énergie mécanique est transférée aux générateurs électriques pour produire de l' électricité .

Systèmes de concentration d'énergie solaire

La capture et la concentration des rayons solaires se font à travers des miroirs à orientation automatique qui pointent vers une tour centrale où le fluide est chauffé. Certaines centrales solaires thermiques utilisent des mécanismes à géométrie parabolique plus petits tels que des collecteurs paraboliques.

L'ensemble de la surface réfléchissante et de son dispositif d'orientation est appelé héliostat.

Cycles thermodynamiques

Dans les configurations expérimentales, différents flux et cycles thermodynamiques sont utilisés. Ces cycles vont du cycle Rankine , utilisé dans les centrales nucléaires et les centrales électriques au charbon , au cycle Brayton, courant dans les centrales au gaz naturel . Par ailleurs, de nombreuses variantes ont été développées, comme le moteur Stirling. Parmi les cycles les plus fréquents figurent ceux qui intègrent l’ énergie solaire thermique au gaz naturel.

Efficacité d'une centrale thermoélectrique

L’efficacité d’un système d’énergie solaire concentrée dépendra des facteurs suivants :

• La technologie utilisée pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique.
• La température de fonctionnement du récepteur de chaleur.
• Pertes thermiques dans le système.
• La présence ou l'absence d'autres pertes du système

En plus de l'efficacité de conversion, le système optique qui concentre la lumière solaire ajoute également des pertes supplémentaires.

L'efficacité de conversion maximale pour les systèmes de type « tour de puissance », fonctionnant à des températures de 250 à 565 degrés Celsius, est de 23 à 35 %. Avec une turbine à cycle combiné, le rendement est plus élevé.

L'efficacité des systèmes Dish Stirling, qui fonctionnent à des températures de 550 à 750 degrés Celsius (277 à 477 degrés Kelvin ), offre une efficacité d'environ 30 %.

En raison de la variation de l'incidence du soleil au cours de la journée, le rendement de conversion moyen atteint n'est pas égal à ces rendements maximaux. Les rendements annuels nets de l'énergie solaire vers l'électricité sont de 7 à 20 % pour les systèmes pilotes de tours électriques et de 12 à 25 % pour les systèmes paraboliques Stirling.

Effets environnementaux

• Utilisation du sol : Les centrales solaires thermiques, en particulier celles qui utilisent la technologie des cuvettes paraboliques ou des paraboles, nécessitent de vastes superficies de terrain pour abriter les réflecteurs solaires. Cela pourrait entraîner la conversion d’habitats naturels en zones industrielles. Dans certaines régions, l’installation de plantes sur des terres agricoles de haute qualité peut déplacer la production de plantes vivrières et récoltables.
• Impact sur la faune : Les centrales solaires thermiques peuvent attirer les insectes, les oiseaux et autres animaux en raison de la chaleur générée par les réflecteurs. Cela peut augmenter le risque de collisions et de blessures pour la faune environnante, ce qui a conduit à la mise en œuvre de mesures d'atténuation telles que des systèmes de dissuasion des oiseaux.
• Consommation d'eau : Certaines usines ont besoin d'eau pour le refroidissement et le fonctionnement des systèmes. La consommation d’eau peut être importante et, dans les régions où l’eau est rare, cela suscite des inquiétudes quant à la disponibilité de cette ressource vitale.
• Efficacité de conversion : L'efficacité de conversion de l'énergie solaire en électricité dans les centrales solaires thermiques peut varier et, dans certains cas, est inférieure à celle d'autres technologies d'énergie solaire, telles que les panneaux solaires photovoltaïques. 
• Impact visuel et paysager : Les centrales solaires thermiques, en particulier celles dotées de grands champs de miroirs ou de réflecteurs, peuvent modifier le paysage local et avoir un impact visuel significatif sur les zones environnantes.

Principales centrales solaires thermiques dans le monde

Ci-dessous, nous présentons une sélection de certaines des centrales solaires thermiques les plus remarquables au monde, en soulignant leur emplacement, leur capacité de production électrique et une brève description de leurs principales caractéristiques.

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Qu’est-ce qu’une centrale solaire thermique ?

Une centrale solaire thermique permet de produire de l’électricité grâce aux rayons du soleil. Utilisant des miroirs, elle concentre la chaleur du soleil afin de générer une énergie propre et renouvelable. Surtout utilisé aux États-Unis, ce type de centrale thermique connaît un développement important dans notre pays, notamment grâce à la baisse des prix des panneaux solaires. Faisons un point sur son fonctionnement, ses avantages et ses inconvénients.

Le fonctionnement d’une centrale solaire thermique

Une centrale solaire thermique est aussi appelée centrale solaire thermodynamique à concentration. Elle se compose de quatre éléments principaux : les miroirs, la chaudière, la turbine et l’alternateur.

Les miroirs tout d’abord sont la partie la plus visible d’une centrale solaire thermique. Ces derniers concentrent le rayonnement solaire afin de générer de très hautes températures. Elles peuvent s’élever de 400°C à 1000°C, selon le type de centrale. 

Le générateur de vapeur, ou chaudière thermique, va ensuite transformer l’eau en vapeur d’eau, grâce à la chaleur obtenue à partir des miroirs. Ce processus thermodynamique va ainsi utiliser le fluide caloporteur, ici l’eau, pour convertir la chaleur des miroirs en électricité. 

Afin de générer un courant électrique, la vapeur d’eau produite par la chaudière va entraîner la turbine, 3e partie essentielle de l’installation. Cette turbine fonctionne grâce à la vapeur sous pression et va, de ce fait, alimenter l’alternateur en sortie de la centrale solaire.

L’alternateur va quant à lui produire le courant alternatif. Ce courant électrique va ensuite être envoyé vers le transformateur qui va ajuster la tension. C’est ensuite que l’ énergie solaire thermique va être transportée grâce aux lignes à très haute et haute tension.

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Les différents types de centrales solaires et leur fonctionnement

Sur la planète, les rayons solaires ne sont pas focalisés de la même façon. Ainsi, afin de s’adapter à la focalisation des rayons, il existe plusieurs types de centrales solaires , réparties en deux catégories.

Les centrales solaires avec un système de concentration linéaire

Dans ce cas, le rayonnement solaire se concentre sur plusieurs tubes absorbeurs qui sont placés sur la ligne focale des miroirs. Ici, le fluide caloporteur contenu dans les tubes peut atteindre les 500°C. Les centrales solaires utilisant ce système de concentration sont réparties en deux groupes.  

Les centrales solaires à miroirs cylindro-paraboliques sont les plus utilisées à travers le monde. Le tube absorbeur emmagasine un maximum d’énergie solaire et fait chauffer le fluide jusqu’à 500°C. Ici, les miroirs cylindro-paraboliques suivent le mouvement du soleil, pour un maximum d’efficacité.  

Les centrales solaires à miroirs de Fresnel disposent quant à elles de miroirs incurvés qui sont installés horizontalement et bougent afin de suivre les rayons.

Les centrales solaires avec un système de concentration de foyer

Ici, il existe un unique foyer où le rayonnement solaire va être concentré. Les températures peuvent monter jusqu’à 1000°C. Il existe deux sortes de centrales solaires utilisant ce système.

Les centrales solaires à tour, tout d’abord. Elles se caractérisent par des champs de miroirs qui sont placés au sol. Orientables, les miroirs suivent la course du soleil et renvoient les rayons solaires vers la chaudière thermique qui est située en haut d’une tour.

Les centrales solaires à miroir parabolique Dish-Stirling disposent quant à elles de paraboles qui concentrent le rayonnement solaire vers le point focal du foyer. Ce processus va conduire à actionner le moteur Dish-Stirling afin de générer de l’électricité. Une centrale solaire peut aussi utiliser des panneaux photovoltaïques. Ces derniers utilisent des photopiles ou cellules photovoltaïques afin de transformer l’énergie lumineuse en un courant électrique. 

Les avantages de la centrale solaire

Utilisant une ressource inépuisable, le soleil, les centrales solaires offrent plus d’un avantage. Le type de ressource énergétique utilisé est de loin le plus gros avantage de ces installations.

En plus d’être renouvelable, cette source d’énergie n’émet aucun effet de serre, responsable du réchauffement climatique . Elle est donc propre, autrement dit c’est une énergie verte. Non polluantes, les centrales solaires ont donc un avenir prometteur devant elles, dans notre pays et partout dans le monde.

Un autre avantage des centrales solaires est leur rendement énergétique. Le rendement élevé d’un panneau solaire permet de produire de grandes quantités d’énergie et donc d’électricité. Cette électricité peut être réinjectée sur le réseau et revendue via une OA solaire ou autoconsommée.

Les inconvénients de ce type de centrale

Toutefois, les centrales solaires peuvent aussi avoir des désavantages. Le premier est bien entendu son emplacement. La corrélation entre le soleil et le rendement est forte. Ainsi, les centrales ne peuvent être véritablement rentables que dans des zones géographiques où l’ensoleillement est généreux. C’est pour cela que leur utilisation est importante aux États-Unis ou encore au Mexique.  

La durée de vie d’un panneau solaire est relativement basse, environ 30 ans. Cela fait résulter un inconvénient supplémentaire : plus le miroir est vieillissant, moins il est productif.  

Autre inconvénient, le recyclage des miroirs pose un réel problème. En effet, les matériaux dits toxiques utilisés pour la fabrication des panneaux solaires ne sont, à ce jour, pas recyclables. On peut espérer que les géants des filiales solaires trouvent une solution dans l’avenir afin de profiter au maximum des avantages de cette énergie renouvelable.  

Bien que les prix des panneaux solaires soient en baisse, le coût des installations est également un frein dans le développement des centrales solaires.  

Enfin, le procédé intermittent et le stockage réduisent les capacités d’exploitation de l’énergie solaire. Intermittente, l’énergie solaire peut être générée uniquement le jour, lorsque le soleil est présent. La nuit, elle doit être stockée afin de continuer à approvisionner le réseau électrique. 

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Solaire thermique à concentration

Le solaire thermique à concentration désigne la transformation d'un rayonnement lumineux concentré en chaleur. A l'origine utilisé pour allumer un feu avec un miroir parabolique, la technologie a innové pour permettre la production de l'électricité ou pour alimenter des procédés industriels.

• 3 L'ensoleillement direct
• 4.1 Les absorbeurs
• 4.2 Les réflecteurs
• 4.3 Les systèmes de concentration
• 4.4 Les fluides caloporteurs
• 5.1 Chauffage de l'eau sanitaire
• 5.2 La production d'électricité
• 5.3 Le dessalement d'eau de mer
• 5.4 L'héliocatalyse
• 5.5 Production de carburant
• 5.6.1 Le four solaire
• 5.6.2 Le cuiseur solaire
• 6.1 En France
• 6.2 A l'étranger
• 7 Les entreprises
• 9 Notes et références

L'histoire de l'utilisation de l'énergie solaire thermique à concentration commence en Grèce au VIII ème av. JC. En effet, lors de la cérémonie d'ouverture des premiers Jeux Olympiques de 776 av. JC, la flamme olympique était allumée par les rayons du soleil à l'aide du skaphia , l'ancêtre du miroir parabolique. [1]

Cette invention du miroir ardent serait réutilisée cinq siècles plus tard par Archimède lors du siège de Syracuse (Sicile). Alors que cette colonie grecque était attaquée par la flotte romaine, la légende veut qu'Archimède ait mis au point des miroirs géants en bronze polis pour réfléchir et concentrer les rayons du soleil afin d'enflammer les voiles des navires romains.

De l'autre côté de l'Océan Atlantique, Inti le dieu soleil des Incas , envoie Manco Cápac, le premier empereur légendaire des Incas. Le culte du soleil devint ainsi très important. A partir du XV ème siècle, il fait l'objet d'un des rituels les plus populaires: l' Inti Raymi (la résurrection du soleil). Il se déroule dans la capitale Inca Cuzco pendant le solstice d'hiver, le 24 juin, et ce pendant 9 jours durant lesquels les Incas se prêtaient à des danses mais aussi à des sacrifices. A cette occasion, un feu était allumé par le prêtre suprême à l'aide d'un bracelet en or: le chipana . [2]

En Europe, il faut attendre le XVI ème siècle et la venue de Léonard de Vinci pour redonner un souffle aux technologies solaires. En 1515, Léonard de Vinci invente un nouveau concentrateur solaire: un système du type CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector). Cependant, ce système semble n'avoir existé que sur le papier.

En 1615, Salomon de Gaus construit une pompe solaire . La force motrice était fournie par de l'air chauffé par le rayonnement solaire.

Au XVIII ème siècle, le miroir ardent de l'antiquité et de l'empire Inca refait surface en France. Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon fait construire en 1747 un miroir composé de 168 glaces planes de six pouces de largeur sur huit de hauteur. Il fait ainsi fondre différents métaux comme l’étain, le plomb et l’argent. [3]

Les expériences autour de l'énergie solaire s'enchaînent. En 1774, Antoine Laurent de Lavoisier , chimiste, philosophe et économiste, invente un cuiseur solaire composé de lentilles convergentes afin de fondre des métaux.

En 1874, le premier distillateur solaire voit le jour à Las Salinas, sur le haut plateau d’Atacama au Chili, qui produit 23 tonnes d’eau douce par jour ensoleillé. Quelque décennies plus tard, le physicien anglais Charles Vernon Boys invente et met en œuvre le premier capteur cylindro-parabolique en 1912. Il crée ainsi la première centrale électrique solaire à Meadi en Égypte, utilisée pour le pompage de l'eau d'irrigation.

Il faudra ensuite attendre la fin de la seconde guerre mondiale pour retrouver de nouvelles avancées dans le domaine du solaire thermique. Le français Félix Trombe a l'idée d'utiliser un projecteur DCA abandonné par les allemands à Meudon (Hauts-de-Seine). En 1946, il le transforme en four solaire et grâce à ses recherches encourageantes, il construit en 1949 un nouveau four solaire à Mont-Louis (Pyrénées-Orientales) d'une puissance de 50kW.

En 1963, l'italien Giovanni Francia et le français Marcel Perrot installent le premier système CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector) à Marseille, près de 450ans après son invention par Léonard de Vinci.

Pendant ce temps là, le four de Mont-Louis connaît de bons résultats. Ainsi le gouvernement français construit un four solaire de taille quasi industrielle à Odeillo. Mis en service en 1970, le four solaire d'Odeillo a une puissance de 1MW.

En 1983, EDF et le CNRS construisent Thémis, la première centrale électrosolaire à tour française d'une puissance de 2500 kW. Cependant la politique du tout nucléaire aura raison d'elle, puisqu'elle fermera ses portes 3 années plus tard.

La technologie du solaire thermique à concentration capte l'ensoleillement directe du soleil sur une grande surface réfléchissante et le concentre sur un récepteur afin d'obtenir de plus hautes températures. Ces hautes températures permettent essentiellement la production de vapeur d'eau qui va permettre l'alimentation d'une turbine à vapeur, et par la même occasion de l'électricité. On retrouve également le principe du solaire à concentration dans d'autres applications, comme la cuisson, le dessalement d'eau de mer ou encore le traitement des polluants.

La performance du système est caractérisée par son facteur de concentration géométrique . Celui-ci permet de quantifier l'intensité de la concentration solaire : plus le facteur de concentration est élevé, plus la température atteinte est importante.

Le facteur de concentration géométrique est fonction de la surface du réflecteur et de la surface du récepteur [4]  :

L'ensoleillement direct

Le soleil envoie dans l'espace son rayonnement à une vitesse de 299 792 458 m/s. La Terre en reçoit une fraction, près de 170 millions GW, soit 1 360,8 W/m² pour une surface exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil (F = 1 360,8 W/m² étant la constante solaire ). Ensuite, environ 29% du rayonnement est réfléchi par l'atmosphère et 23% y est absorbé. [5]

Les zones les plus favorables à l’utilisation de l’énergie solaire concentrée sont celles où l’ensoleillement direct est supérieur à 1 900 kWh/m²/an. Les régions adaptées sont très nombreuses et se situent principalement en Afrique du Nord, au Proche et Moyen Orient, en Australie, dans le Sud-ouest des Etats-Unis, en Inde ou encore en Asie centrale. En France, quelques sites géographiques possèdent un potentiel solaire exceptionnel.

Dans l'atmosphère, le rayonnement restant réfléchi dans toutes les directions contre les nuages et le sol. On retrouve donc 2 sources de rayonnement : l'ensoleillement normal direct ( DNI, Direct Normal Irradiation ) et éclairement horizontal diffus ( DHI, Diffuse Horizontal Irradiance ) du ciel.

L'ensoleillement normal direct ( DNI ) est la part du rayonnement solaire reçue du soleil par une surface orientée en permanence perpendiculairement à ses rayons. C'est ce rayonnement qui est utilisé par les technologies de solaire thermique à concentration.

Avec l'éclairement horizontal diffus ( DHI ), l'ensoleillement direct normal compose l'éclairement global horizontal ( GHI, Global Horizontal Irradiance ) : GHI = DHI + DNI*cos(θ)

Où θ représente l'angle zénithal solaire (verticalement au-dessus de l'emplacement est de 0 °, horizontale est de 90 °).

L'ensoleillement normal direct est mesuré par un pyrheliomètre avec une vision étroite qui ne mesure que le faisceau direct du soleil. La performance de cet appareil et les méthodes d'étalonnage ont été définis par l'Organisation internationale de normalisation (ISO), ISO 9060:1990.

Les différentes technologies

Les absorbeurs.

L'absorbeur est l'un des éléments les plus importants d'un capteur thermique; il convertit le rayonnement solaire en chaleur.

L'absorbeur se caractérise par deux paramètres:

• le facteur d'absorption solaire α* (ou absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le rayonnement lumineux incident;
• le facteur d'émission infrarouge ε (ou émissivité): le rapport entre l'énergie rayonnée dans l'infrarouge lorsque l'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température.

Dans les applications de chauffage solaire, on cherche à obtenir le meilleur rapport facteur d'absorption solaire / facteur d'émission infrarouge. Ce rapport est appelé sélectivité .

Le matériau constituant l'absorbeur est en règle générale en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique. En cas de forte concentration du rayonnement solaire, l'absorbeur peut être en acier inox et même en Inconel [6] .

Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont donc constitués d'un revêtement particulier.

Voici les propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs: [7]

Les réflecteurs

Le réflecteur a pour fonction de diriger le rayonnement, qui autrement n'atteindrait pas l'absorbeur. Il est en général utilisé pour atteindre des températures très élevées ou utilisé pour certains systèmes comme les collecteurs à tubes sous vides.

Les réflecteurs, pour être efficaces, doivent posséder les propriétés suivantes:

• réfléchir au maximum le rayonnement lumineux;
• absorber au minimum le rayonnement lumineux;
• être parfaitement lisses afin d'éviter l'accumulation de la saleté;
• résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...);
• dans certaines applications, résister aux variations de température.

Le réflecteur est souvent utilisé dans le but de concentrer les rayons lumineux, il a donc une géométrie particulière qui peut être:

• Cylindro-parabolique : cette géométrie permet une focalisation linéaire, elle est utilisée dans le cas des collecteurs à tubes sous vides ou les centrales solaires thermiques de type Luz.
• Sphérique : le réflecteur sphérique concentre le rayonnement solaire sur un foyer linéaire mobile porté par un rayon de la sphère orienté en direction du Soleil.
• Parabolique : c'est le type de géométrie le plus utilisé. Il permet de concentrer les rayons lumineux en un point pour obtenir de très hautes températures. Il est souvent utilisé dans le cas des cuiseurs solaires ou couplé à un moteur Stirling.
• Plan : le réflecteur plan est en général mobile afin de suivre le Soleil, on parle alors d'héliostat plan. Ce système est utilisé dans le cas des centrales solaire thermique à tour ou couplé à un miroir parabolique comme dans le cas des fours solaires de type Odeillo.

Les systèmes de concentration

Un système de concentration est la composition de réflecteurs et d'un absorbeur. C'est cette composition qui va permettre la concentration de l'énergie solaire pour obtenir des températures exploitables. Le rayonnement peut être concentré sur un récepteur linéaire ou ponctuel, fixe ou mobile. Ce dernier absorbera l'énergie réfléchie par les réflecteurs et la transférera au fluide caloporteur.

Les fluides caloporteurs

Le fluide caloporteur (ou caloriporteur ) permet d'évacuer la chaleur emmagasinée par l'absorbeur et de la transmettre vers là où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes:

• être chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte température, en particulier lors de la stagnation du capteur;
• posséder des propriétés antigel en corrélation avec les conditions météorologiques locales;
• posséder des propriétés anticorrosives selon la nature des matériaux présents dans le circuit capteur;
• posséder une chaleur spécifique et une conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement la chaleur;
• être non-toxique et avoir un faible impact sur l'environnement;
• avoir une basse viscosité afin de faciliter la tâche de la pompe de circulation;
• être facilement disponible et bon marché

Pour la production d'eau chaude sanitaire, Le bon compromis par rapport à ces critères est un mélange d'eau et de glycol (utilisé dans le liquide de refroidissement des automobiles), même s'il n'est pas rare de trouver des systèmes fonctionnant à l'eau pure ou tout simplement à l'air selon l'utilisation.

Dans le cas des centrales solaires thermodynamiques, la chaleur produit par le rayonnement solaire est convertie grâce à un fluide caloporteur puis par un fluide thermodynamique. Selon les technologies de centrales et donc des températures de fonctionnement, on utilise des huiles minérales, des sels fondus, du gaz, de l'eau ou encore de l'air.

Les applications

Chauffage de l'eau sanitaire.

Le chauffage de l'eau sanitaire est l'une des technologies solaires les plus accessibles aux particuliers. Le principe est simple: des capteurs thermiques transforment le rayonnement lumineux en chaleur. Le fluide caloporteur circule dans les capteurs thermiques et transporte la chaleur jusqu'à l'eau sanitaire stockée dans un ballon.

Il existe un type de collecteur à concentration pour produire de l'eau chaude sanitaire : le capteur de type "Sydney" / CPC. Le tube "Sydney" se caractérise par un tube de verre à double paroi pour éviter une perte du vide. La surface absorbant est située sur le tube de verre intérieur. L'arrondi du tube nécessite l'utilisation d'un réflecteur pour utiliser toute la surface de l'absorbeur, d'où son appellation de tube CPC (Concentrateur parabolique composé).

La production d'électricité

Les centrales solaires thermiques utilisent généralement les technologies de concentration du rayonnement solaire pour produire de l'électricité. Les hautes températures obtenues par la concentration vont permettre la production de vapeur et donc le fonctionnement d'une turbine.

Cette transmission suit le principe de Carnot et nécessite donc d'élever au maximum la température afin d'avoir le meilleur rendement possible.

Il existe quatre grands types de centrales solaires thermiques à concentration: les centrales à réflecteurs cylindro-paraboliques, les centrales à tours, les centrales à réflecteurs paraboliques, les centrales à miroir de Fresnel.

Le dessalement d'eau de mer

Le dessalement d'eau de mer est un procédé gourmand en énergie et donc très coûteux. Aujourd'hui, la plupart des stations de dessalement d'eau de mer à grande échelle sont alimentée par des centrales conventionnelles fonctionnant au pétrole, au gaz naturel ou au charbon. Avec l'augmentation du coût des ressources fossiles et la prise de conscience des problèmes d'émissions de gaz à effet serre, la recherche s'est orientée vers des solutions de dessalement d'eau de mer utilisant le solaire thermique à concentration.

Le solaire thermique à concentration permet de produire de grandes quantités d'énergie avec un coût modeste. De plus, les régions pauvres en eau potable et proches de la mer bénéficient en générale d'un ensoleillement très important. Ainsi la technologie du solaire à concentration est adaptée à la production d'eau douce à grande échelle.

Il existe trois grandes technologies de stations de dessalement d'eau de mer par l'énergie solaire à concentration : [13] [14]

• Un champ de capteurs solaire à concentration avec un stockage d'énergie thermique produisant directement la chaleur pour un dessalement thermique à multiple effet (MED).
• Une centrale solaire à concentration avec stockage d'énergie alimentant en électricité un procédé d'osmose inverse (CSP / RO).
• Une centrale solaire à concentration avec stockage d'énergie alimentant en électricité et en chaleur un procédé de dessalement thermique à multiple effet (CSP / MED).

L'héliocatalyse

La photocatalyse solaire ou héliocatalyse est un procédé alternatif de traitement des polluants organiques présents dans l'eau. Elle consiste à activer un catalyseur par le rayonnement ultraviolet du soleil. [16] Le catalyseur composé d'un semi-conducteur (généralement le dioxide titane, TiO2) va produire sous l'effet du rayonnement UV, des radicaux hydroxyles OH°, une espèce fortement oxydantes. Cette oxydation va ainsi permettre la minéralisation d'un très grand nombre de polluants organiques parmi les familles des PCB, HAP, solvants chlorés, phénols et produits dérivés ainsi que les produits phytosanitaires. [17]

Cependant, la proportion de rayonnement UV émise par le soleil est très faible (6,4% du rayonnement extraterrestre AM0 [18] , sans parler de son absorption par l'atmosphère). Le domaine de la recherche s'intéresse donc à l'utilisation de collecteurs solaires à concentration, en particulier de formes paraboliques. [19]

Production de carburant

L'énergie solaire thermique à concentration permet désormais grâce à l'obtention de haute température, la production de carburant par voie thermochimique. Le combustible de base pouvant être obtenu par voie solaire est le dihydrogène (H 2 ). Les centrales à tour et les collecteurs paraboliques permettent d'atteindre des températures de 750-800°C et les chercheurs espèrent prochainement monter jusqu’à 900-1000°C. De telles températures permettent d'envisager de nouvelles applications et notamment de réaliser des réactions chimiques à très haute température et ainsi produire des combustibles à base de dihydrogène.

Différentes voies de fabrication carburants solaires sont envisagées : [21]

• Production de dihydrogène à partir de méthane (CH 4 ), un hydrocarbure présent abondamment dans le gaz naturel et le biogaz issu de la fermentation de matières animales ou végétales. Des températures entre 1000 et 1500°C sont nécessaires pour en extraire le dihydrogène, mais aussi du carbone solide pouvant être valorisé dans la fabrication de pneus, piles, batteries...
• Production de dihydrogène à partir de l’eau (H2O). L'utilisation de réactions intermédiaires à base d'oxydes métalliques permet aujourd'hui d'abaisser de 3000 à 1500°C la température requise pour casser la molécule.
• Production de dihydrogène à partir de l'eau et le dioxyde de carbone (CO2). Portés à des températures proches de 1500°C, ils se transforment en syngaz , un gaz composé de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2) pouvant facilement être transformé en méthanol (CH3OH) ou en d'autres carburants de synthèse (comme le diméthyl-éther, l’essence, le gazole, le kérosène) directement utilisables dans les moteurs des voitures actuelles. Cette voie permet également de recycler les émissions de CO2 de cimenteries, raffineries ou de centrales thermiques au charbon.

Des recherches sont également menées pour utiliser la biomasse, comme le bois, pour fabriquer du syngaz dans des réacteurs solaires, à des températures autour de 800-1000°C.

Quelques projets de production de carburant solaire :

• Projet "SOLHYCARB", réacteur de 5 à 10 kWth et de 50 kWth pour la production d'hydrogène à partir de gaz naturel. PROMES - France, ETH - Suisse [22]
• Projet "HYDROSOL", réacteur monolithique de 10kWth pour la production d’Hydrogène via la dissociation de l’eau par voie solaire. Laboratoire APTL - Grèce, DLR - Allemagne [23]
• Projet "HYDROSOL-II", réacteur double chambre de 100kWth pour la production d’Hydrogène via la dissociation de l’eau par voie solaire. Laboratoire APTL - Grèce, CIEMAT - Espagne, DLR - Allemagne [24]
• Projet "HYDROSOL-3D", réacteur monolithique de 1MWth pour la production d’Hydrogène via la dissociation de l’eau par voie solaire. Laboratoire APTL - Grèce, DLR - Allemagne [25]
• Projet Pilote de Production d’Hydrogène Solaire (S-HyPP). Centre CDER - Algérie [26]
• Projet "Solar-Jet - Solar chemical reactor demonstration and Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel" de production de kérosène à partir d'eau et de dioxyde de carbone (CO 2 ). ETH - Suisse, DLR - Allemagne, Shell - Pays-Bas [27]
• Projet "Counter Rotating Ring Receiver Reactor Recuperator (CR5)" de production méthanol et de gazole à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Sandia - États-Unis [28]

Le four solaire

Le four solaire permet de cuire des aliments par effet de serre. Il est formé d'une boîte dont l'intérieur est tapissé de réflecteurs et d'une couverture transparente sur le dessus. Le rayonnement pénètre à l'intérieur de la boîte et est réfléchi sur un récipient dont la surface absorbe les rayons. La couverture transparente permet d'isoler l'intérieur du four de l'extérieur et de piéger le rayonnement infrarouge afin de garder le maximum de chaleur.

Le four solaire a donc un grand avantage: n'utiliser que le Soleil comme combustible. Les ONG diffusent depuis quelques années ces fours dans des pays ensoleillés et sujets à une forte déforestation comme en Madagascar ou en Bolivie.

La principale difficulté de sa généralisation reste d'ordre culturel. De même qu'en Afrique, il est difficile de demander à un européen de remplacer son barbecue par un four solaire. Malgré cela, de nombreux amateurs de la cuisson solaire ont été séduits par ce concept et ont développé différents types de fours solaires:

• le four solaire Ulog
• le Sun cook

Le cuiseur solaire

Le cuiseur solaire permet de cuire des aliments par concentration des rayonnements lumineux. Il est généralement composé d'un réflecteur parabolique concentrant le rayonnement lumineux vers un récipient dont la surface absorbe les rayons.

En général, le cuiseur solaire permet d'obtenir une température plus élevée et cela plus rapidement qu'un four solaire. Par contre, il est plus sensible au manque de Soleil et doit être réorienté plus fréquemment.

De même que les fours solaires, le cuiseur fait de nombreux adeptes et est décliné sous plusieurs formes:

• le cuiseur parabolique SK 14
• le cuiseur Papillon
• le cuiseur Scheffler

États des lieux

La France est l'un des pays pionniers en solaire thermique à concentration avec la mise en service en 1970 du four solaire d'Odeillo , et en 1983 de la centrale à tour Thémis . Ces deux centrales avaient pour objectif de transformer de l’énergie solaire en électricité. Aujourd'hui, la filière française du solaire thermodynamique se base, en amont, sur les laboratoires et centres de recherche (PROMES et INES) à la pointe dans ce domaine au niveau mondial. Présents sur l’ensemble de la chaîne de valeur, les industriels, de la PME/PMI, aux grands groupes énergétiques montrent leur capacité à innover et à développer de nouveaux concepts et briques technologiques.

A l'étranger

Selon l’Agence Internationale de l’Energie, la puissance installée mondiale de solaire thermique à concentration en 2012 était de 2,7 GW. A l'horizon 2018, la capacité augmentera pour atteindre 12,4 GW. [29] Dans sa feuille de route, l'AIE envisage même une contribution de cette énergie à hauteur de 11,3 % de la production mondiale d’électricité à l’horizon 2050. [30]

Les entreprises

De la production de verre et fluides à l'exploitation et la maintenance des centrales solaires thermodynamiques, la filière française de l'énergie à concentration comprend une large gamme de professions :

Notes et références

• ↑ The Olympic Museum, 2nd edition 2007 - The Olympic flame and torch relay : [1]
• ↑ Er. Nordenskiôld, Journal de la Société des Américanistes , Miroirs convexes et concaves en Amérique, Tome 18, 1926. p. 103 : [2]
• ↑ M. de Buffon, Mémoire de l'Académie royale des sciences , Invention de miroirs ardents, pour brusler à une grande distance, 1747, imprimé en 1751. pp. 82-101 : [3]
• ↑ Syndicat des énergies renouvelables - Principe de fonctionnement du solaire thermodynamique  : [4]
• ↑ Rebecca Lindsey, Earthobservatory.nasa.gov, 14 janvier 2009  : [5]
• ↑ Chercheurs EDF - Modélisation et dimensionnement d’un récepteur solaire à air pressurisé pour le projet PEGASE  : [6]
• ↑ Review of Mid- to High-Temperature Solar Selective Absorber Materials - C.E. Kennedy - NREL/TP-520-31267 (Juillet 2002): [7]
• ↑ Syndicat des énergies renouvelables - Principe de fonctionnement du solaire thermodynamique  : [8]
• ↑ ACCIONA North America - Nevada Solar One: [9]
• ↑ Histoire du Rousillon - Thémis, Centrale solaire à tour de Targasonne: [10]
• ↑ DishStirling à Odeillo - EuroDish: [11]
• ↑ Areva - Kimberlina CLFRSolar Thermal Power Plant: [12]
• ↑ German Aerospace Center (DLR) - Concentrating Solar Power for Seawater Desalination  : [13]
• ↑ Driss ZEJLI - Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique (CNRST) - Applications des énergies renouvelables au dessalement de l’eau de mer  : [14]
• ↑ PROMES - Procédés solaires photochimiques  : [15]
• ↑ Génie des Réactions Photocatalytiques pour la Dépollution de l’Eau par Voie Solaire. - V. Goetz, J.P. Cambon, D. Sacco, G. Plantard - PROMES 2008  : [16]
• ↑ PROMES - Procédés solaires photochimiques  : [17]
• ↑ Anne Labouret, Michel Villoz, Installations photovoltaïques , Dunod, 2012 ISBN:2-10058-639-4, p. 28
• ↑ Les réacteurs solaires photo catalytiques. - S. Chergui – Bouafia et R. Alloune - CEDER 2007  : [18]
• ↑ PSI - Paul Scherrer Institut- Le soleil se lève aussi pour le ciment  : [19]
• ↑ CNRS - Energie solaire - La production de carburants solaires  : [20]
• ↑ PROMES - Hydrogen from solar thermal energy: high temperature solar chemical reactor for co-production of hydrogen and carbon black from natural gas cracking  : [21]
• ↑ A.G. Konstandopoulos*, C. Agrafiotis - APTL - Projet «HYDROSOL» Réacteur monolithique pour la production d’Hydrogène via la dissociation de l’eau par voie solaire  : [22]
• ↑ HYDROSOL-II - Publishable Final Activity Report  : [23]
• ↑ Hydrosol 3D - Project Description  : [24]
• ↑ Dr. Sifeddine LABED - Département Etudes et Innovations Technologiques (DEIT) - Le Projet Pilote de Production d’Hydrogène Solaire - (S-HyPP)  : [25]
• ↑ Solar chemical reactor demonstration and Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel : [26]
• ↑ Sandia - Sandia’s Sunshine to Petrol project seeks fuel from thin air  : [27]
• ↑ IEA - Outlook for STE/CSP deployment to 2018  : [28]
• ↑ SER - Annuaire de la filière française du solaire thermodynamique  : [29]

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Les tours solaires à effet de cheminée

La tour solaire à effet de cheminée est un projet d'envergure qui n'a pas d'applications commerciales ou industrielle.

Un prototype construit en 1982 à Manzanares , en Espagne, a fonctionné pendant 7 ans.

Son principale avantage est qu’elle peut fonctionner à la fois le jour en utilisant le rayonnement du soleil et la nuit, avec une production plus faible, en utilisant la chaleur de la croûte terrestre.

Vue d'artiste du projet de tour solaire à effet de cheminée EnviroMission - © EnviroMission

Principe de fonctionnement d'une centrale solaire à effet de cheminée

Fonctionnement d’une centrale solaire à effet de cheminée. Schéma : Kilohn limahn

Une centrale solaire à effet de cheminée se décompose en trois parties distinctes :

• Le collecteur : une serre en forme de disque d’un grand diamètre qui va chauffer l’air
• La cheminée : permet d’évacuer l’air chaud et par conséquent de créer un flux d’air
• La turbine : qui génère de l’électricité

Lorsque les rayons du Soleil viennent frapper la serre, l’air s'engouffre sous cette dernière et remonte par la cheminée par effet de convection. Entrainée par le flux d'air chaud, une ou plusieurs turbines à hélices situées au bas de la cheminée génèrent ainsi de l’électricité.

Au cours de la journée, le Soleil réchauffe les sols et éventuellement des conduites d’eau, qui vont redistribuer leur chaleur la nuit, permettant de poursuivre la production d’énergie après le coucher du Soleil.

• Avantages :
• Source d’énergie inépuisable et gratuite
• Pas d’émission polluante
• Concilie agriculture et énergie solaire : les serres au sol de la tour pour un usage agricole
• Mécanique simple, turbine placée au sol, peu d’entretien
• Peu fonctionner sans intermittence avec un système de stockage de chaleur basé sur le principe d’ inertie thermique
• Inconvénients :
• Rapport puissance/surface très faible
• Investissement de départ important
• Hauteur de la structure qui complexifie le chantier

Exemples de projets & installations : Les tours solaires à effet de cheminée

Tour solaire implantée à Manzanares - © sbp sonne gmbh

Prototype de tour solaire cheminée implantée à Manzanares en 1982 Manzanares, Espagne

Implanté près de Manzanares en Espagne et mise en service en 1982, ce prototype de tour solaire à effet de cheminée de 200m a permis à une équipe de chercheurs d’étudier son efficacité pendant 7 ans, avant que celle-ci ne s’effondre à cause d’un problème de corrosion.

Projet de tour solaire d’une puissance de 200 MW en Australie - © EnviroMission

EnviroMission - projet de tour solaire d’une puissance de 200 MW

Grâce aux résultats apportés par le projet pilote de Manzanares, un projet de tour solaire à effet de cheminée gigantesque a été étudié, destinée à la production électrique de masse. Cependant, à cause des prix très compétitifs des autres technologies solaires, le financement et la construction de ces projets semble de moins en moins probable.

Prototype de 6 mètres de haut réalisé en Savoie - © Association Energie Environnement

La tour solaire à vortex - le projet Français de centrale aérothermique Savoie

Développé par la société Française SUMATEL, ce démonstrateur de 6 mètres de haut a été réalisé en Savoie en 1997.

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Rédaction & contributions.

• Antoine Cornet
• Romain Guillo

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• 16 Août 2022

Visite au cœur de l’unique centrale solaire thermodynamique de France

Les centrales photovoltaïques génèrent uniquement du courant, quand les centrales solaires thermiques produisent seulement de la chaleur. Mais quelques rares usines produisent de l’électricité… avec la chaleur du soleil. Ces centrales dites « thermodynamiques » ou « à concentration » ont un mode de fonctionnement très particulier, que nous avons pu découvrir dans les moindres détails. Direction Llo, dans les Pyrénées-Orientales, où se trouve l’unique exemplaire français de cette technologie.

L’énergie solaire est une ressource variable. Il suffit d’un nuage pour faire chuter la puissance d’un panneau, quand la nuit interrompt totalement la production. L’électricité générée n’est donc pas toujours synchronisée aux besoins de consommation.

Pour y remédier, il est nécessaire d’utiliser un système de stockage. À Llo, dans les Pyrénées-Orientales , l’unique centrale solaire thermodynamique de France a fait un choix assez inédit pour permettre le stockage de l’énergie solaire.

Concentrer le soleil avec des miroirs de Fresnel

L’usine de 36 hectares, conçue et exploitée par Suncnim, n’utilise ni batteries , ni STEP , ni sels fondus , mais plutôt des réservoirs d’eau pressurisée à haute température. L’eau est chauffée par deux champs constitués au total de 95 200 miroirs de Fresnel, soit 153 000 m² de surface baignée par le soleil. Mais pourquoi « Fresnel » ?

La réponse est simple : ces miroirs, identiques à ceux de nos salles-de-bain, sont disposés de manière à reproduire la forme d’une lentille de Fresnel , du nom de son inventeur. L’effet est similaire à celui d’une parabole, sans les inconvénients d’entretien, nettoyage et réparation.

De l’eau chauffée à 280 °C sous 70 bars

Les miroirs de Fresnel concentrent le rayonnement solaire en un point précis . À Llo, ils atterrissent sur un tube « récepteur » de 30 cm de large situé à 9 m de hauteur, muni d’un tube absorbeur dans lequel circule de l’eau. La température y atteignant 280 °C sous 70 bars de pression, l’eau liquide se transforme rapidement en vapeur saturée, nous explique Tristan Arnould, un des ingénieurs du site.

Cette vapeur, qui contient toujours une fraction d’eau liquide, circule dans des canalisations jusqu’à des « ballon séparateurs ». Par simple gravité, ces dispositifs séparent l’eau liquide, réinjectée dans le champ, de la vapeur saturée, qui est dirigée vers la turbine. Cette dernière entraîne un alternateur d’une puissance de 9 MW électriques nominaux (mais peut atteindre 10 MW ponctuellement dans certaines conditions).

Stocker l’énergie pour produire la nuit

La vapeur peut aussi être envoyée simultanément vers le système de stockage. Composé de 9 ballons, il est capable d’ accumuler 100 MWh d’énergie thermique convertibles en 36 MWh d’énergie électrique.

Son principe est simple : les cuves sont remplies à 50 % d’eau liquide, dans laquelle est injectée la vapeur provenant des champs solaires. Celle-ci réchauffe l’eau liquide, qui sera ensuite vaporisée vers la turbine à l’ouverture des vannes. La pression dans les cuves s’élève à environ 65 bars.

Le système de stockage permet de produire pendant 4 heures à pleine puissance , assure Tristan Arnould. « Récemment, on a tourné pendant 4 jours en 24h/24 en réduisant la puissance de l’alternateur à 1 MW » explique-t-il.

Une fois passée dans la turbine, la vapeur est envoyée dans un aérocondenseur . Ce dispositif consiste à transformer la vapeur à eau liquide, afin de la réinjecter dans les champs solaires. La vapeur est condensée dans de fines canalisations dotées d’ailettes métalliques, augmentant les échanges thermiques avec l’air ambiant. En été, de puissants ventilateurs insufflent de l’air à travers le circuit pour optimiser le refroidissement.

Le schéma de fonctionnement de la centrale

Par temps clair, la centrale fonctionne habituellement selon le schéma suivant : le matin , les deux champs solaires alimentent la turbine. Aux alentours de midi et durant une partie de l’après-midi , le champ ouest recharge les ballons quand le champ est suffit à faire fonctionner la turbine.

Le soir , les deux champs alimentent à nouveau la turbine. La production est ensuite prolongée une partie de la soirée, voire de la nuit grâce à la vapeur déchargée du site de stockage.

« En temps normal, la turbine s’arrête et redémarre tous les jours » précise l’ingénieur. Le facteur de charge quotidien de la centrale solaire thermodynamique de Llo est de 0 à 56 % en été, et de 0 à 25 % en hiver. « Lissé sur l’année, on est à 25 % de facteur de charge » détaille-t-il. En clair, le site produit au maximum de sa capacité pendant 25 % du temps.

La courbe de puissance d’une belle journée d’été

Si le pilotage est majoritairement automatisé, une poignée d’employés est présente en permanence pour veiller à son bon fonctionnement et à son entretien. Une salle de contrôle bardée d’écrans permet de contrôler tous les paramètres en temps réel.

L’ingénieur nous y présente la courbe de puissance d’une belle journée d’été : à 7 h 03, les premiers rayons de soleil chauffent les collecteurs. La turbine démarre à 9 h 38 avant d’atteindre sa pleine puissance peu avant 11 h 30. Le rayonnement solaire était tel ce jour-là que la turbine a pu être poussée à plusieurs reprises à 10 MW, soit 1 MW au-delà de sa puissance nominale . La production n’a commencé à réduire qu’à 20 h, une heure avant le coucher de soleil et s’est poursuivie à une puissance située entre 1 et 5 MW jusqu’à 3 h 23 du matin.

La courbe de production d’une journée très ensoleillée d’été / Image : RE-HL.

« Petit phénomène particulier ce jour-là, on avait rempli le stockage à 16 heures et on a été obligé de défocaliser certains miroirs » explique Tristan Arnould. « En été, c’est comme ça, la centrale est surdimensionnée donc parfois, on va défocaliser volontairement et perdre un peu d’énergie solaire parce que la turbine est à 100 % et le stockage est à 100 %. En revanche, ce surdimensionnement en hiver nous permet de produire un peu plus d’énergie » confie-t-il.

Ce 14 juillet 2022, la centrale solaire thermodynamique de Llo a généré 110 434 kWh d’électricité brute et consommé 8 965 kWh pour ses propres besoins. 101 469 kWh ont ainsi été injectés sur le réseau public. « C’était une bonne journée d’été, on en fait en général une cinquantaine à soixantaine dans l’année » assure l’ingénieur.

Objectif : produire 20 GWh d’électricité chaque année

Suncnim, le concepteur et opérateur du site, vend sa production à un tarif extrêmement avantageux de 0,35 €/kWh . Celui-ci a été fixé par l’appel d’offres de la Commission de Régulation de l’Énergie (CRE) que la société a remporté en 2012. Après 7 années de développement et de travaux, la centrale a produit ses premiers kilowattheures en 2019 . Son objectif de production annuel est fixé à 20 GWh.

Toutefois, suite à un épisode orageux d’une rare intensité survenu durant l’été 2020, le site n’a pu générer que 13 GWh en 2021. De nombreux miroirs ont en effet été brisés par des grêlons de grande taille , un phénomène dont l’occurrence était estimée à un épisode par siècle. Leur remplacement est quasiment achevé.

Une centrale mise à jour en permanence

La centrale solaire thermodynamique de Llo est le premier et unique exemplaire de cette technologie en France. Il s’agit d’ un démonstrateur qui « est toujours en phase de mise en service » précise Tristan Arnould. Le site est donc en constante amélioration. La mission de notre guide, ingénieur mécanique à plein temps sur le site, est d’ailleurs de développer de nouvelles solutions pour protéger la centrale des aléas climatiques. Située à plus de 1 700 m d’altitude, l’usine doit en effet affronter d’importantes chutes de neige en hiver et de violents orages en été. C’est le prix à payer pour bénéficier de l’ excellent ensoleillement du plateau de Cerdagne , qui accueille d’ailleurs le célèbre four solaire d’Odeillo et la tour solaire Thémis.

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A propos de l'auteur

Hugo est rédacteur en chef de Révolution Énergétique. Journaliste spécialisé dans les énergies et transports bas-carbone, il sonde l’évolution des pays dans ces domaines et rêve de voyager un jour en avion électrique.

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Article et vidéo très intéressants, merci! Super de voir ces projets au plus près! Comme d’autres l’ont commenté, fournir le LCOE/LCOS (coûts moyens du kWh produit/stocké sur toute la durée de vie du projet) donnerait un éclairage important sur cette technologie, tout comme l’intensité carbone du kWh (qu’on devine très basse, mais avoir un chiffre serait préferable s’il est accessible quelque part). Ces deux données seraient intéressantes à comparer avec un champ solaire PV traditionnel couplé avec batterie (LFP/Redox/ou autre) de 9MW/36MWh ce qui semble être la capacité sur eLLO.

Question qui a sans doute son importance ? A combien s’élève l’investissement pour cette centrale solaire ?

15ha pour produire 100mwh par jour l’été et 2 fois moins l’hiver… Il va en falloir des feux de forêt pour libérer du foncier pour libérer l’espace suffisant.

On comprend que cette technologie n’est pas adapté à la France… en revanche dans les pays désertiques d’Afrique on voit tout l’intérêt du produit vs simple pv. Simplicité technologique et disponibilité la nuit…

Bonjour J’ai une question : quelle est l’influence sur l’environnement (notre atmosphere) des W produits par la chaleur qui n’a pu être convertie en électricité : principelement le système de refroidissement de l’eau qui réchauffe l’air ? C’est la même chose pour avec toutes les énergies qui produisent de la chaleur : les rendements globaux ne sont jamais exceptionnels…

Je suis content de constater que d’autres que moi s’intéressent aussi aux conséquences de la chaleur dans ces milieux habituellement froids ! Parce que si l’on fait fondre la neige pour produire de l’eau, il n’y aura plus suffisamment de glace et de neige pour maintenir les équilibres thermiques de la planète ! Aujourd’hui c’est sans doute moins l’ardeur solaire qui est la conséquence de la sècheresse actuelle, que toutes les infrastructures destinées à transformer les montagnes en lieux de loisirs grâce à l’eau stockée, qui accélère la fonte des glaces éternelles et retarde l’arrivée de la neige qui forme …  Lire plus »

Peut-on envisager une récupération de cette chaleur perdue ?

Passionnant merci !

Dans les environs, il y a Odeillo et Thémis, ainsi que l’ancêtre de tous les grands fours solaires, à Montlouis, qui sert toujours de façon pédagogique et touristique.

Très beau projet! et dire que Thémis existe depuis 40 ans au moins, avec une puissance (planifiée) plus importante, mais n’a jamais été correctement exploitée, et ensuite abandonnée. Arrivée trop tôt?

C’est un système relativement complexe pour produire pas énormément de courant. Les plus puissantes éoliennes en mer peuvent produire 16 MW avec une seule éolienne et un facteur de charge plus important que 25%. Mais c’est très bien d’explorer toutes les pistes et de prendre de l’expérience sur ces technologies solaires.

Les défenseurs de l’éolien ont visiblement toujours autant de mal à comprendre que le stockage et le pilotage ça a un coût important…