(Dossier) Solaire thermodynamique, une filière industrielle d’avenir

On estime qu’en couvrant 0,3% de la surface des déserts cela suffirait à produire l’électricité nécessaire à l’ensemble de l’humanité ! Le solaire Thermodynamique est donc une filière d’avenir à condition qu’elle se développe rapidement ; explications dans ce dossier spécial énergies renouvelables. Le solaire thermodynamique regroupe l’ensemble des techniques qui visent à transformer l’énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée. Cette énergie thermique peut ensuite alimenter tout procédé industriel consommateur de chaleur à moyenne ou haute température dont, en premier lieu, la production d’électricité.

Les différents types de centrales solaires thermodynamiques

D’une superficie pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers de mètres carrés, les centrales solaires thermodynamiques recouvrent l’ensemble des techniques qui visent à transformer l’énergie rayonnée parle soleil en chaleur à température élevée, puis à convertir cette chaleur en énergie électrique. Selon le mode de concentration du rayonnement solaire, une grande variété de configurations différentes est possible pour les centrales solaires thermodynamiques. Les applications sont diverses : production d’électricité, production de vapeur pour procédés industriels ou encore appoint solaire pour des installations utilisant des combustibles biomasse ou fossiles.

• Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques

Ce type de centrale se compose de rangées parallèles de longs miroirs cylindro-paraboliques qui tournent autour d’un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube récepteur horizontal, dans lequel circule un fluide caloporteur dont la température atteint en général 400°C.
Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs afin de produire de la vapeur surchauffée qui actionne une turbine ou un générateur électrique.
La technologie de réflecteurs cylindro-paraboliques est la plus fréquente et est actuellement utilisée par les plus puissantes centrales solaires au monde dans le Sud-ouest des Etats-Unis et dans le Sud de l’Espagne. Achevée et relié au réseau en avril 2007, Nevada Solar One est alors la plus grande centrale solaire de ce type au monde.

• Les centrales solaires à miroir de Fresnel

Un facteur de coût important dans la technologie des collecteurs cylindro-paraboliques repose sur la mise en forme du verre pour obtenir sa forme parabolique. Une alternative possible consiste à approximer la forme parabolique du collecteur par une succession de miroirs plans.
C’est le principe du concentrateur de Fresnel. Chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube ou un ensemble de tubes récepteurs linéaires fixes.
En circulant dans ce récepteur horizontal, le fluide thermodynamique peut être vaporisé puis surchauffé jusqu’à 500°C. La vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l’électricité. Le cycle thermodynamique est généralement direct, ce qui permet d’éviter les échangeurs de chaleur.

• Les centrales à tour

Les centrales solaires à tour sont constituées de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudière située au sommet d’une tour. Les miroirs uniformément répartis sont appelés héliostats.
Chaque héliostat est orientable, et suit le soleil individuellement et le réfléchit précisément en direction du receveur au sommet de la tour solaire.
Le facteur de concentration peut dépasser 1000, ce qui permet d’atteindre des températures importantes, de 600°C à 1000°C. L’énergie concentrée sur le receveur est ensuite soit directement transférée au fluide thermodynamique (génération directe de vapeur entraînant une turbine ou chauffage d’air alimentant une turbine à gaz), soit utilisée pour chauffer un fluide caloporteur intermédiaire.
Ce liquide caloporteur est ensuite envoyé dans une chaudière et la vapeur générée actionne des turbines. Dans tous les cas, les turbines entraînent des alternateurs produisant de l’électricité.

• Les centrales à capteurs paraboliques

Ayant la même forme que les paraboles de réception satellite, les capteurs paraboliques fonctionnent d’une manière autonome. Ils s’orientent automatiquement et suivent le soleil sur deux axes afin de réfléchir et de concentrer les rayons du soleil vers un point de convergence appelé foyer.
Ce foyer est le récepteur du système. Il s’agit le plus souvent d’une enceinte fermée contenant du gaz qui est monté en température sous l’effet de la concentration.
Cela entraîne un moteur Stirling qui convertit l’énergie solaire thermique en énergie mécanique puis en électricité.
Le rapport de concentration de ce système est souvent supérieur à 2000 et le récepteur peut atteindre une température de 1000°C.
Un de leurs principaux avantages est la modularité : ils peuvent en effet être installés dans des endroits isolés, non raccordés au réseau électrique. Pour ce type de système, le stockage n’est pas possible.

• la tour solaire à effet de cheminée

Dans ce concept, les rayons solaires ne sont pas concentrés. L’air est chauffé par une surface de captage solaire formée d’une couverture transparente et agissant comme une serre. L’air chaud étant plus léger, il s’échappe par une grande cheminée centrale. La différence de température entre la partie basse et la partie haute de la cheminée donne lieu à un déplacement perpétuel de l’air (phénomène de la convection naturelle).
Cette circulation d’air permet alors à des turbines situées à l’entrée de la cheminée de produire de l’électricité.
Le principal avantage de ce système est qu’il peut fonctionner sans intermittence en utilisant le rayonnement du soleil le jour et la chaleur emmagasinée dans le sol la nuit.

Un potentiel considérable pour une ressource inépuisable

La majorité des systèmes solaires thermodynamiques mettent en œuvre des dispositifs de concentration optique. Comme les dispositifs solaires photovoltaïques à concentration, ils valorisent donc le rayonnement solaire direct (DNI – Direct Normal Irradiation). Le monde recèle un potentiel de ressource très important dans les régions où l’ensoleillement direct est intense.

• Des principes et des technologies innovants

Un système solaire à concentration a pour première fonction de concentrer le rayonnement solaire sur une « cible », linéaire ou ponctuelle suivant la technologie. Cette cible est un absorbeur/échangeur qui transforme ce rayonnement en chaleur et communique celle-ci à un fluide caloporteur. L’énergie thermique ainsi collectée peut ensuite être valorisée par le biais de cycles thermodynamiques pour générer de l’électricité, du froid, réaliser une conversion chimique, dessaler de l’eau de mer, etc.
La conversion de l’énergie solaire passant par une étape thermique, il est possible d’hybrider ces systèmes en les associant à des sources d’énergies fossiles (gaz naturel ou charbon) ou renouvelables (biomasse ou déchets) et/ou de stocker massivement et à coût modéré l’énergie collectée sous forme de chaleur. Les centrales solaires thermodynamiques disposant de stockages adaptés fonctionnent déjà ainsi hors des heures d’ensoleillement, ce qui peut permettre, selon les pays, de mieux répondre à la demande en énergie électrique – pics de consommation, notamment.
Si ces principes décrits sont généraux, leur mise en œuvre prend des formes variées. La figure ci-dessous illustre les principaux types de systèmes concentrateurs mis en œuvre dans les centrales solaires thermodynamiques.

Principe de fonctionnement du solaire thermodynamique

C’est à la fin du 19ème siècle que les premières expériences, sous leurs formes actuelles, apparaissent dans le domaine du solaire à concentration (exposition universelle de 1878). Au 20ème siècle, les premiers systèmes paraboliques produisant de la vapeur sont conçus. A la fin des années 1970, des projets pilotes de centrales solaires à concentration se développent aux États-Unis, en Russie, au Japon et en Europe. Les années 1980 marquent le début de la construction en série de ces centrales dans le désert californien. Aujourd’hui, la technologie du solaire thermodynamique a considérablement évolué et de nombreux projets y font appel.

Le solaire thermodynamique est l’une des valorisations du rayonnement solaire direct. Cette technologie consiste à concentrer le rayonnement solaire pour chauffer un fluide à haute température et produire ainsi de l’électricité ou alimenter en énergie des procédés industriels. Les centrales solaires thermodynamiques recouvrent une grande variété de systèmes disponibles tant au niveau de la concentration du rayonnement, du choix des fluides caloporteur et thermodynamique ou du mode de stockage.

• Les systèmes de concentration:

L’énergie solaire étant peu dense, il est nécessaire de la concentrer, via des miroirs réflecteurs, pour obtenir des températures exploitables pour la production d’électricité. Le rayonnement peut être concentré sur un récepteur linéaire ou ponctuel. Le récepteur absorbe l’énergie réfléchie par le miroir et la transfère au fluide thermodynamique. Les systèmes à concentration en ligne ont généralement un facteur de concentration inférieur à celui des concentrateurs ponctuels.

• Le facteur de concentration :

Une caractéristique du système est son facteur de concentration. Ce coefficient permet d’évaluer l’intensité de la concentration solaire : plus le facteur de concentration est élevé, plus la température atteinte sera importante.
Facteur de concentration = surface du miroir/surface du récepteur

Les fluides caloporteurs et thermodynamiques

L’énergie thermique provenant du rayonnement solaire collecté est convertie grâce à un fluide caloporteur puis un fluide thermodynamique. Dans certains cas, le fluide caloporteur est utilisé directement comme fluide thermodynamique. Le choix du fluide caloporteur détermine la température maximale admissible, oriente le choix de la technologie et des matériaux du récepteur et conditionne la possibilité et la commodité du stockage.

1. L’eau liquide est, a priori, un fluide de transfert idéal. Elle offre un excellent coefficient d’échange et possède une forte capacité thermique. En outre, elle peut être utilisée directement comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine. Cependant son utilisation implique de travailler à des pressions très élevées dans les récepteurs en raison des hautes températures atteintes, ce qui pose problème pour les technologies cylindro-paraboliques.
2. Les huiles sont des fluides monophasiques qui présentent un bon coefficient d’échange. Leur gamme de température est limitée à environ 400°C. C’est le fluide le plus couramment employé dans les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques.
3. Les sels fondus à base de nitrates de sodium et de potassium offrent un bon coefficient d’échange et possèdent une densité élevée. Ils sont donc également de très bons fluides de stockage. Leur température de sortie peut atteindre 650°C. Leur association avec un concentrateur à tour et un cycle de Rankine constitue une combinaison déjà éprouvée.
4. Les gaz tels l’hydrogène ou l’hélium peuvent être utilisés comme fluides thermodynamiques et entraîner les moteurs Stirling qui sont associés aux collecteurs paraboliques.
5. Les fluides organiques (butane, propane, etc.) possèdent une température d’évaporation relativement basse et sont utilisés comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine.
6. L’air peut être utilisé comme fluide caloporteur ou comme fluide thermodynamique dans les turbines à gaz.

Les systèmes de génération d’électricité

Plusieurs systèmes de génération d’électricité sont envisageables : turbine à gaz solarisées, cycle de Rankine vapeur, moteur Stirling, Cycle de Rankine organique, etc. Le choix d’un système est conditionné par le type de fluide, la technique de captage et de stockage envisagés. Les cycles de Rankine vapeur sont, dans l’état actuel des technologies, les plus largement déployés.

Une production en continu par le stockage et l’hybridation

• Le stockage : un atout majeur de certaines technologies solaires thermodynamiques est leur capacité de stockage qui permet aux centrales de fonctionner en continu. En effet, lorsque l’ensoleillement est supérieur aux capacités de la turbine, la chaleur en surplus est dirigée vers un stockage thermique, qui se remplit au cours de la journée. La chaleur emmagasinée permet de continuer à produire en cas de passage nuageux ainsi qu’à la tombée de la nuit. Plusieurs procédés de stockage peuvent être utilisés : sel fondu, béton, matériaux à changement de phase, etc.
• L’hybridation avec une source de chaleur fossile ou biomasse permet d’accroître la disponibilité des installations et de produire la chaleur de manière garantie. Elle favorise ainsi la stabilité des réseaux électriques nationaux et continentaux.

Liste des centrales solaires thermodynamiques dans le monde

• L’Espagne

épicentre du développement de l’énergie solaire thermodynamique, reste de loin le premier producteur d’électricité par cette technique avec 2 304 MW en service fin 2013 et 3 443 GWh produits en 2012, suivie par les États-Unis avec 765 MW en service fin 2013, et 5 600 MW de projets annoncés de centrales thermiques solaires. Le développement de ce marché a été interrompu par la suspension, décidée en 2012 par le gouvernement Rajoy, des tarifs d’achat garantis pour les énergies renouvelables.

• Les États-Unis

deuxième producteur mondial, détient les cinq plus grandes centrales solaires thermodynamiques du classement mondial.

• Le Maroc

le Plan Solaire Marocain, (2 000 MW) en 2020 a franchi une première étape avec la mise en service de la centrale solaire Noor (160 MW) en février 2016.

• La Chine

construit également quatre centrales : CPI Golmud Solar Thermal Power Plant, Delingha Supcon Tower Plant, HelioFocus China Orion Project et Ninxia ISCC, avec 302 MW au total.

• En Afrique du Sud

quatre centrales sont en cours de construction : Bokpoort, Ka Xu Solar One, Khi Solar One et Xina Solar One, avec une puissance totale de 300 MW.

• Le Chili

trois très importantes centrales solaires thermodynamiques (450 MW, 260 MW et 390 MW) sont en projet fin 2017.

• L’Arabie saoudite

a prévu d’installer 25 GW de centrales solaires à concentration d’ici à 2032 ; son agence K.A.CARE chargée du programme d’énergies renouvelables a annoncé en février 2013 le lancement du premier appel d’offres de 900 MW, puis l’a retardé afin de réaliser auparavant une vaste campagne de mesures d’ensoleillement au moyen de 75 stations réparties dans tout le royaume ; cette prudence s’explique par l’expérience malheureuse de la centrale de Shams 1, à 120 km d’Abou Dhabi, première centrale inaugurée dans la péninsule arabique : son rendement réel s’est avéré inférieur de 20 % à celui qui avait été estimé, du fait de la présence de poussières de sable dans l’air1.

• En Inde

le gouvernement a réduit les financements pour la filière thermique au profit du photovoltaïque dans le cadre du programme JNNSM (Jawaharlal Nehru National Solar Mission) qui vise 20 GW solaires d’ici à 2022 ; sur les 7 projets solaires thermodynamiques validés en 2010 pour la première phase du programme, seuls deux ont respecté les délais de construction : Godawari (50 MW), mis en service en juin 2013, et Rajasthan Sun Technique (100 MW), mis en service en mars 2014 ; un troisième projet, Megha Engineering, est en construction, et les quatre autres sont différés et pourraient être annulés1.

Les tendances du marché sont :

l’augmentation de la taille des projets afin de réduire les coûts : 377 MW pour Ivanpah (tours solaires), production estimée : 1 079 GWh/an ; 280 MW (944 GWh/an) pour Solana (miroirs cylindro-paraboliques) ; 100 MW pour Rajasthan Sun Technique (miroirs de Fresnel, Areva) ; des projets de 500 MW sont en cours de développement (projets de centrales à tours de Palen SEGS et Hidden Hills, par BrightSource Energy) ;

le développement des systèmes de stockage, qui deviendra la norme à l’avenir ; ainsi, la centrale américaine de Crescent Dunes (110 MW) a un système de stockage à sels fondus permettant de produire la nuit ou lors des pointes de demande pendant une durée de dix heures, la centrale sud-africaine de Bokpoort (50 MW) a neuf heures de stockage, celle de Solana six heures et celle de Noor 1 au Maroc (160 MW) de trois heures.

• En France, Alba Nova 1, située en Corse, était la première centrale solaire thermodynamique d’envergure à avoir obtenu en 2011 un permis de construire depuis plus de 30 ans. Sa construction est gelée en 2016 suite à la mise en faillite de son constructeur Solar Euromed.