centrale solaire thermique a tour

Le fonctionnement d'une centrale solaire thermique

Ce type d'installation est surtout exploité en Espagne et aux États-Unis qui détiennent, à eux deux, 80 % de la puissance mondiale.

Le fonctionnement des centrales solaires thermiques reposent sur la technique suivante :

• Des miroirs captent le rayonnement solaire en un point de façon à générer des températures très élevées (de 400 à 1 000 °C).
• La chaleur obtenue transforme de l'eau en vapeur d'eau dans une chaudière.
• La vapeur sous pression fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur.
• L'alternateur produit un courant électrique alternatif.

Il existe 3 types de centrales solaires thermiques, en fonction de la méthode de focalisation des rayons solaires :

• Les centrales à collecteurs cylindriques De longs miroirs tournent autour d’un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons sont concentrés sur un tube dans lequel circule le fluide qui servira à transporter la chaleur vers la centrale.
• Les centrales à tour Un champ de miroirs orientables situés au sol renvoient les rayons solaires sur une chaudière située en haut d'une tour.
• Les centrales à collecteurs paraboliques Le rayonnement solaire est concentré sur la focale de paraboles orientables dans lesquelles se trouve des mini-centrales électriques.

En 2019 , la capacité installée des centrales solaires thermiques dans le monde totalise 6,2 GW, en hausse de 11 % par rapport à l'année précédente.

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Tour solaire - Définition

Une tour solaire est une centrale à énergie renouvelable, construite de manière à canaliser l'air chauffé par le soleil afin d'actionner des turbines pour produire de l'électricité. Le concept a été inventé par l' ingénieur allemand Jörg Schlaich.

La tour n'est en fait qu'une cheminée . L' air , sous une serre gigantesque, le " collecteur ", placée tout autour de la cheminée centrale, est chauffé par le Soleil et dirigé vers le haut par convection , le déplacement de l'air permettant à des turbines situées à l'embouchure de la cheminée de produire de l' électricité . Son fonctionnement se base sur un principe simple : l'air chaud étant plus léger que l'air froid , il s'élève.

Les avantages principaux de cette technologie sont : le peu d'entretien nécessaire, une mécanique simple, et la gratuité des rayons du soleil. De plus, comme le sol sous le collecteur, truffé de conduites d' eau , emmagasine de la chaleur le jour pour la redonner la nuit, le système est opérationnel quasiment 24 heures sur 24. La seule difficulté est l'investissement de départ.

Une variante qui consiste à coucher la tour à flanc de montagne est également à l'étude. Le principe reste le même : un vaste collecteur situé au niveau d'une plaine , et un conduit qui débouche en altitude , permettant de tirer profit de la différence de température . Puisqu'il ne s'agit pas d'une cheminée dressée au milieu du collecteur, mais d'un conduit couché à flanc de montagne, son installation et son éventuel démontage peuvent être envisagés plus facilement. Le projet pourrait par exemple s'appliquer à des zones montagneuses comme l' île de la Réunion .

Depuis la fin de la deuxième guerre mondiale, de nombreux chercheurs dans le monde ont présenté différents projets de tour solaire .

Le premier est incontestablement un militaire espagnol, le Colonel Isidoro Cabanyes, qui en 1903 proposa un modèle de tour solaire dans la revue La Energía eléctrica [ 1 ] .

L'une des premières représentation d'une tour solaire a été rédigée in 1931 par un auteur Allemand: Hanns Günther.

En France, le militaire français Edgard Nazare qui, sous les ordres du général Suffrin Hébert, travailla longtemps sur les profils d'ailes d'avions au sein du Bureau de recherche aéronautique d' Alger . C'est après avoir mesuré scientifiquement les tourbillons de sables observés au Sahara qu'il déposa à Alger en 1956 un premier brevet sur ce qu'il appelait alors " la tour à dépression ". Ce brevet fut redéposé à Paris le 3 août 1964 sous le numéro 1.439.849 (P.V. 983.953). Il s'agissait de générer artificiellement une ascendance atmosphérique tourbillonnaire dans une sorte de tour en forme de tuyère de Laval.

En 1975 l'ingénieur canadien Louis M. Michaud publia son projet Vortex Power Station dans le bulletin de la Société américaine de météorologie . Il s'agissait également de générer une ascendance atmosphérique tourbillonnaire, mais dans une tour cylindrique.

Mais ce n'est qu'en 1981 qu'un premier prototype de tour solaire fut construit en Espagne à Manzanares (à 150 kilomètres de Madrid) sous la direction de l'ingénieur allemand Jörg Schlaich, et grâce aux fonds du Ministère allemand de la recherche et de la technologie (en Allemagne de l'Ouest). Contrairement aux deux projets précédents exploitant le phénomène de l'ascendance tourbillonnaire (rotational flow wirling system), il s'agissait d'exploiter l'énergie produite par simple effet de cheminée ( Single Flow Upwind System ). Cette tour mesurait 194 mètres seulement pour une puissance de 50 kW et a fonctionné jusqu'en 1989. Elle fut arrêtée en raison d'un coût du kilowatt-heure cinq fois plus élevé qu'une centrale thermique classique. Enfin, c'est le 8 octobre 1985 que le russe George Mamulashvili déposa son brevet N° 1.319.654 pour un projet comparable appelé Vertical Aeorothermal Power Station .

Les projets

Le projet australien.

Un projet de tour solaire, appelé Projet de Buronga, prévue pour 2010, est actuellement développé en Australie par la société Enviromission. La cheminée aurait 990 mètres de hauteur , 70 mètres de diamètre . La centrale fournirait 200 mégawatts de puissance électrique. Il s'agit d'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie alternative : une usine à énergie renouvelable qui fournit 4 fois moins de puissance qu'un petit réacteur nucléaire (200 MW contre 915 MW pour un réacteur à eau pressurisée) tout en étant plus sûre et plus propre.

Le coût d'investissement est d'environ 400 millions d'euros.

Pour contrer l'effet d'ovalisation de la tour (qui la replierait sur elle-même aussi facilement qu'un cylindre de papier mouillé posé sur une table, vu son incroyable légereté), la société d' ingénierie SBP, responsable du projet, a eu l'idée de placer dans la tour à intervalles réguliers des structures de maintien ressemblant aux rayons d'une roue de bicyclette . Elles ne diminuent que de 2% la vitesse de l'air.

La tour solaire fournirait un kilowatt-heure près d'un tiers moins cher que ceux fournis par les panneaux solaires, mais encore cinq fois plus cher que l'électricité au charbon, qui représente 95% de la production en Australie. Des touristes pourraient visiter la tour, afin de réduire encore significativement le prix du kilowatt-heure. La culture de tomates au sein du collecteur est aussi envisagée.

Spécifications du projet

• Une cheminée de 990 m de haut (3281 pieds) matériaux composite
• Un collecteur de 7 km de diamètre, soit 38,5 km 2 de verre et de plastique.
• Température de l'air chauffé dans la cheminée : 70 °C.
• Vitesse de l'air dans la cheminée : 15 m/s (54 km/h).
• 32 turbines.
• Énergie produite : 200 mégawatts, 7 fois moins qu'un réacteur nucléaire moderne (Chooz = 1500 MW par réacteur), mais assez pour fournir en électricité environ 200 000 logements.
• Ce projet peut paraître incroyable mais ses concepteurs le disent réaliste. Les études de faisabilité par le bureau d'ingénieurs allemand SBP, basée à Stuttgart, arrivent à leur terme. Cette tour solaire serait donc construite par l'entreprise EnviroMission dans le désert de Nouvelle-Galles du Sud , dans le comté de Wentsworth. Si le financement est trouvé, sa construction devrait commencer avant 2010.
• Aux dernières nouvelles, EnviroMission se lance dans le développement d'une première version plus petite et moins coûteuse (50 MW) avec une cheminée en béton précontraint haute résistance. On s'inquiète tout de même de la lenteur du projet aux vues des sommes mises en jeu et des investissements déjà réunis.

Le projet espagnol

Un autre projet de tour solaire, prévu pour arriver à échéance avant 2010, si le financement est trouvé, est actuellement développé en Espagne dans la localité de Fuente el Fresno, un village de la Province de Ciudad Real. Les travaux devraient être menés en collaboration avec les entreprises espagnoles Campo 3 et Imasa, et la compagnie allemande Schlaich Bergermann. Cette tour de 750 mètres de hauteur serait dès lors la plus haute de ce genre en Europe .

• Une cheminée de 750 m de haut.
• Un collecteur de 3 km de diamètre, couvrant 350 hectares, dont 250 hectares pourraient être utilisés pour la culture de légumes sous serre (tomates).
• Vitesse de l'air dans la cheminée : 43 km/h.
• Puissance de l'installation : 40 mégawatts, soit la demande en électricité d'environ 120 000 personnes.
• Coût du projet : 240 millions d'euros, que les partenaires espèrent réunir en 2007.
• En complément de cette production énergétique, le projet permettrait également l'installation d'équipements de télécommunication et de surveillance contre les incendies, et devrait revêtir un aspect touristique en prévoyant un accès au public.

Autres projets

Il existe actuellement deux projets de construction de tour solaire : une tour en forme de tuyère de Laval par la société française Sumatel en Savoie qui a déjà construit en 1997 une maquette de 6 m de haut et envisage de passer à 60 m ou plus, et la tour cylindrique de 500 m de haut citée ci-dessus. A hauteur égale, les puissances prévues pour ces deux projets sont très différentes.

Pour une tour de 500 m, par exemple, Sumatel annonce plus de 1500 MW alors que le projet australo-allemand avance le chiffre de 50 MW. Cette différence de performance s'explique par la différence de hauteur du phénomène atmosphérique exploité. Le procédé français permet de générer un tourbillon atmosphérique qui peut atteindre 20 km de haut, alors que le procédé australo-allemand se contente d'exploiter l'effet de tirage d'une simple cheminée. Telle une trombe ou une tornade , la cheminée virtuelle de 20 km de haut a un tirage, donc un rendement, beaucoup plus important qu'une construction humaine, même de très grande hauteur. Dans les deux cas les lois de Carnot sont respectées. La différence de température entre les couches basses et hautes de l' atmosphère est simplement beaucoup plus importante dans le projet français. L'inventeur Nazare, et avec lui la société Sumatel, estime que c'est à partir d'une tour de 300 m minimum que l'on peut espérer générer un tourbillon de 20 km de hauteur et obtenir les puissances annoncées. Contrairement à la tour australo-allemande, la tour française n'est utilisée que pour amorcer le phénomène atmosphérique.

Une tour solaire est aussi un instrument scientifique pour examiner le soleil : tour solaire de Meudon.

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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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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.

Les centrales et tours solaires à concentration

Filière du solaire thermodynamique, les tours solaires à concentration (CSP en anglais pour Concentrated Solar Power) sont avec les centrales à capteurs cylindro-paraboliques les technologies solaires les plus prometteuses pour générer de la chaleur puis de l'électricité à grande échelle.

L’énergie rayonnée par le soleil est transformée en chaleur à température élevée, puis en énergie mécanique (et électrique) à travers un cycle thermodynamique .

Réfléchis par les miroirs, les rayons du soleil sont concentrés au sommet de la tour - © CSTA

Principe de fonctionnement d'une tour solaire à concentration

Plusieurs centaines ou milliers de miroirs sont positionnés autour d’une tour. On appelle ces miroirs « héliostats » (en grec : qui fixe le soleil). Situés au sol, ces héliostats sont orientables. Les rayons du soleil sont ainsi en permanence réfléchis en direction d’un point unique au sommet de la tour. Le rayonnement solaire est directement concentré sur un absorbeur qui transforme le rayonnement en chaleur à haute température.

Généralement, un fluide caloporteur (des sels fondus) circule au sommet de la tour. Chauffé par les rayons, celui-ci transfère son énergie à un circuit d’eau. La vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l’électricité.

On caractérise la performance du système par le chiffre de sa « concentration » qui est le rapport de la surface de collecte sur la surface du capteur.

• Avantages :
• Source d’énergie inépuisable et abondante
• Pas de combustible ni d’émission polluante
• Permet de valoriser des zones désertiques
• Inconvénients :
• Nécessite un fort ensoleillement
• Surface au sol importante

Exemples de projets & installations : Les centrales et tours solaires à concentration

La tour solaire à concentration Thémis inaugurée par EDF en 1983 - © Xaviateur, Wikipedia

La centrale solaire Thémis, prototype constuit en France par EDF et piloté par le CNRS Targasonne, Pyrénées-Orientales

Les centrales PS10 au premier plan et PS20 au second plan (cf vue satellite)

PS10 & PS20 premières centrales solaires à concentration destinées à l’exploitation commerciale en Europe Sanlúcar la Mayor, Seville, Espagne

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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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Centrale à tour de 4,5 MW th (Thémis)

P = 5000 kW 107 Héliostats 54 m2 2 foyers d’expérimentations Concentration ~ 2000

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Solaire thermodynamique : fonctionnement et types de centrales

Sur cette page :, principe de fonctionnement du solaire thermodynamique, les types de centrales solaires thermodynamiques à concentration.

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Le soleil est une source d’énergie inépuisable à l’échelle de temps humaine. L’homme peut s’en servir pour produire par exemple de l’électricité grâce à des champs de panneaux photovoltaïques mais aussi grâce à des centrales solaires thermodynamiques.

Calculez vos économies d’énergie

Le solaire thermodynamique est un terme regroupant toutes les techniques de transformation des rayons du soleil en chaleur. Grâce à un dispositif optique de concentration du rayonnement solaire, il est possible de chauffer des fluides à très hautes températures. Une fois produite, cette chaleur peut être utilisée pour générer de l’hydrogène ou produire de l’électricité.

Une centrale solaire thermodynamique permet en effet de transformer les rayons du soleil en électricité. Schématiquement, elle capte le flux solaire qu’un système transforme en chaleur : la chaleur est ensuite convertie en électricité. Il est possible de stocker la chaleur produite grâce à un espace de stockage thermique. Ainsi, la production d’électricité n’est pas interrompue en cas de mauvais temps.

Ø  À lire aussi : La baisse du prix de l’énergie solaire menace l’électricité

Il existe quatre grands types de centrales solaires thermodynamiques . Toutes comportent un dispositif de concentration des rayons du soleil. Il peut être soit linéaire soit par foyer.

Centrales à miroirs cylindro-paraboliques (linéaire)

Installées dans le désert, ces centrales sont aujourd’hui les plus répandues dans le monde. L’Espagne abrite d’ailleurs une des structures les plus puissantes d’Europe : Andasol. Ce type de centrale se caractérise par plusieurs alignements de miroirs incurvés où passe au centre le fluide caloporteur.

Centrales solaires à miroirs de Fresnel (linéaire)

Relativement peu utilisées, ces centrales ont l’avantage d’être moins onéreuses que celles à miroirs incurvés. Cette baisse du coût vient du fait que les miroirs de Fresnel ne sont que très légèrement courbés, donc moins chers à réaliser. La captation du rayonnement solaire se fait grâce à un système faisant bouger uniquement les miroirs.

Centrales à tour (par foyer)

Les centrales à tour sont composées d’un champ d’héliostats et d’une haute tour. Cette dernière a, à son sommet, un récepteur où circule le fluide caloporteur. Il est directement chauffé par les centaines de miroirs des héliostats disposés concentriquement autour de la tour. Ce dispositif est particulièrement performant, notamment grâce à une perte thermique réduite puisque le fluide est transféré à un cycle à vapeur.

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Centrales à miroir parabolique Dish-Stirling

Le célèbre Grand Four Solaire d’Odeillo est un exemple de centrale à miroir parabolique Dish-Stirlin. Son fonctionnement ? Une parabole orientable recouverte de miroirs qui réfléchissent le rayonnement du soleil en un point de convergence. Sur ce point se trouve un moteur Stirling. Le moteur monte alors en température, ce qui chauffe le gaz contenu et actionne un piston. L’énergie thermique est ainsi transformée en énergie mécanique avant d’être une nouvelle fois transformée en énergie électrique via un générateur.

Ø  À lire aussi : L’énergie solaire photovoltaïque : les chiffres clés en Franc

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• Panneaux solaires : le plus grand parc du monde sera au Maroc
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Les plus anciennes centrales solaires centrales solaires thermodynamiques à tour sont situées aux États-Unis et en Californie.

Le principe de la centrale à tour

Cœur du dispositif, la haute tour est « alimentée » par des centaines d'héliostats disposés au sol, ici concentriquement. Les miroirs pointent le rayonnement solaire rayonnement solaire sur le capteur capteur placé au sommet et où circule le fluide caloporteur.

Selon un principe commun à tous les systèmes de centrales thermodynamiques, le fluide transfère son énergie énergie à un circuit d'eau qui crée la vapeur permettant d'actionner la turbine (elle aussi située au sommet). Des projets commerciaux existent pour plusieurs dizaines de MW, notamment en Afrique du Sud et en Espagne.

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Les avantages economiques et écologiques d'une centrale solaire thermique

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Les besoins en chaleur représentent une part importante dans la consommation énergétique au sein d’un site industriel.

Se tourner vers l’énergie solaire semble donc être une décision stratégique du point de vue financier, mais aussi écologique.

La centrale solaire thermique constitue à cet effet un système adapté pour l’autoproduction de chaleur en industrie.

Découvrez dans cet article le fonctionnement, les différentes déclinaisons ainsi que les avantages de ce type d’installation.

Comment fonctionne la technologie solaire thermique ?

La centrale solaire thermique ou centrale thermodynamique à concentration est une unité de production de chaleur à partir du rayonnement du soleil .

Elle se compose des éléments suivants :

• Des miroirs qui concentrent les rayons solaires pour générer une température allant de 400 °C à 1 000 °C ;
• Une chaudière contenant un liquide caloporteur qui produit de la vapeur d’eau à partir de la chaleur obtenue ;
• Une turbine qui est actionnée sous pression par la vapeur ;
• Un alternateur qui produit du courant alternatif.

Une centrale thermique diffère d’un modèle de stockage classique par sa capacité d’accumulation d’énergie qui peut atteindre plusieurs heures, voire plusieurs jours. Elle est adaptée pour des utilisations industrielles dont les besoins en températures environnent les 140 °C.

La majorité des usines recourent en effet à l’utilisation de la chaleur dans différents procédés comme le préchauffage ou encore le séchage. Cependant, l’ensoleillement influence significativement la production de chaleur.

Une source complémentaire s’avère alors nécessaire pendant les périodes de faible ensoleillement.

Centrale solaire thermique : les différents systèmes

Elle présente deux grandes catégories qui sont caractérisées par des systèmes de concentration différents :

• Un système de concentration linéaire : le rayonnement solaire est absorbé sur plusieurs tubes disposés sur la ligne focale des miroirs ;
• Un système de concentration de foyer : le rayonnement solaire est focalisé sur un foyer unique.

Ensuite, en fonction de la technique de focalisation des rayons solaires, on distingue quatre types de centrale solaires thermiques à concentration.

Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques

Ce modèle est le plus utilisé en termes d’énergie thermique solaire. Il est doté de plusieurs miroirs incurvés disposés sur un axe horizontal et qui suivent la trajectoire des rayons solaires.

Au centre de chacun se trouve un tube à l’intérieur duquel circule un liquide caloporteur. Le miroir reflète les rayonnements du soleil vers ce tube.

Les centrales à collecteurs paraboliques

Les miroirs en forme d’antenne parabolique réfléchissent le rayonnement du soleil vers un petit générateur électrique surmonté au point focal de la parabole.

Ce mini-moteur fournit de l’énergie mécanique qu’elle transforme en électricité. Du fait de la conversion immédiate de l’énergie, ce type de centrale solaire ne permet pas un stockage de la chaleur.

Les centrales à miroir de Fresnel

Les miroirs sont ici des réflecteurs compacts linéaires plans. Ils sont également placés au sol et suivent la courbe du soleil.

Un récepteur en forme de tube horizontal, muni d’un miroir secondaire cintré et situé en hauteur, capte la chaleur renvoyée. Il produit de la vapeur grâce au fluide caloporteur qu’il contient.

Les centrales à tour

Dans ce type de centrale solaire thermique, les miroirs plans orientables, aussi appelés héliostats, sont posés au sol. Ils renvoient le rayon solaire sur la chaudière qui se situe en hauteur sur une tour.

Le liquide caloporteur utilisé pour la production de vapeur peut être soit des sels fondus, soit du sodium liquide. La turbine se trouve également au sommet de la tour.

Pourquoi opter pour une centrale solaire thermique au sein d’un site industriel ?

La mise en place d’une centrale solaire thermique dans le cadre d’une activité industrielle offre de nombreux avantages.

Un haut rendement permettant de stocker l’énergie

Les composants d’une centrale solaire à concentration permettent une optimisation de la production de chaleur pendant les périodes de faible ensoleillement.

Pour ce faire, il faut aménager un réseau souterrain pour le stockage d’eau chaude. Ceci peut notamment servir pour fournir de la chaleur 24 h/24 ou dans le cadre d’une extension des réseaux existants.

Une économie sur la facture d’énergie

La centrale solaire thermique peut fournir la totalité des besoins en chaleur, du printemps jusqu’à l’automne, particulièrement dans les régions chaudes.

Un tel investissement permet d’économiser considérablement sur les charges liées à la consommation énergétique en réduisant l’utilisation de l’électricité et du gaz pour générer de la chaleur.

Une solution pour réduire certains risques d’accident

Les zones industrielles sont inévitablement exposées à des risques d’accident liés à l’utilisation d’énergie.

Cependant, la centrale solaire constitue une alternative moins dangereuse pour faire face aux éventuelles déflagrations ou explosions.

Une stratégie écoresponsable

La transition au solaire thermique permet aux industries de limiter leurs impacts environnementaux. En effet, le soleil constitue une source d’énergie non polluante, d’où sa qualification d’« énergie verte ».

Le recours à une telle technologie contribue ainsi à la diminution des émissions de gaz à effet de serre, responsable du réchauffement climatique.

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