énergie solaire

De la chaleur aux mégawatts

Responsable de 99,98% de la densité thermique à la surface du globe, le Soleil procure directement ou indirectement la quasi-totalité de notre énergie. Une chaleur inépuisable, convertible en électricité le jour… et même la nuit.

Le site de Sanlúcar la Mayor (près de Séville – ES) est le plus important complexe européen de CSP pour la production d’électricité, avec la centrale PS10, la construction de PS20, deux fois plus puissante et 12 Ha destinés à des capteurs photovoltaïques. À l’horizon 2013, le site devrait atteindre une capacité de 300 MW et alimenter 153 000 foyers, épargnant ainsi 185 000 tonnes de CO2 par an. © Solúcar PLatform from Abengoa Solar
Le site de Sanlúcar la Mayor (près de Séville – ES) est le plus important complexe européen de CSP pour la production d’électricité, avec la centrale PS10, la construction de PS20, deux fois plus puissante et 12 Ha destinés à des capteurs photovoltaïques. À l’horizon 2013, le site devrait atteindre une capacité de 300 MW et alimenter 153 000 foyers, épargnant ainsi 185 000 tonnes de CO2 par an. © Solúcar PLatform from Abengoa Solar

Énergie unique aux prémices de la Terre, le soleil permet la photosynthèse et sa chaleur cadence les cycles de l’eau et du vent. Depuis leur apparition, il rythme aussi la vie des hommes, qui l’exploitent selon leurs besoins toujours plus sophistiqués. 250 ans avant notre ère, les Grecs concentraient déjà ses rayons pour incendier les bateaux romains. Au 18ème siècle, Antoine Lavoisier atteignait 1755°C dans son four solaire dans le but de fondre le platine.

Aujourd’hui, nous tournons nos regards vers Hélios pour générer, entre autres, de l’électricité. Exploitant la lumière, les cellules photovoltaïques ouvrent une voie très prometteuse, mais pas forcément adaptée pour produire à grande échelle et supplanter les centrales électriques  traditionnelles. L’autre voie est d’exploiter la chaleur, l’irradiation directe, dans des installations de plus grande envergure, dites «à concentration »(1) ou CSP – Concentrated Solar Power.

Même installées dans les déserts ou les zones de fort ensoleillement, les centrales CSP doivent concentrer l’irradiation pour actionner un cycle thermodynamique efficace et produire de l’électricité. Des miroirs suivent donc la course du Soleil et canalisent ses rayons vers un récepteur solaire où circule un fluide caloporteur. Celui-ci alimente un fluide de travail (vapeur d’eau ou gaz tel que l’air), actionnant une turbine qui entraîne un générateur. Le principe est simple et ses deux variantes de centrales – cylindroparaboliques et à tour – obtiennent d’excellents résultats.

Pouvoir de concentration

Les centrales cylindro-paraboliques sont les plus rentables et les plus éprouvées; elles atteignent un degré d’efficacité proche de celui des centrales au charbon. Des dizaines de rangées de réflecteurs courbes chauffent à environ 400 °C un liquide caloporteur contenu dans un tube placé en leur centre. Cet élément collecteur de chaleur – HCE (Heat Collector Element) – alimente alors une unité électrique Conventionnelle.

Les projets pilotes de centrales cylindroparaboliques ont germé aux États-Unis dès les années ‘80 et abouti à leur commercialisation. Aujourd’hui, neuf SEGS – Solar Electricity Generating Systems – d’une puissance cumulée de 354 MW sont installées à Kramer Junction, dans le désert de Mojave en Californie. En Europe, aucune installation industrielle de ce type n’est en fonctionnement. «La rentabilité de ces centrales varie avec le marché et le coût du CO2. La technologie cylindro-parabolique est fiable mais ses perspectives sont restreintes, car elle limite la concentration à 100 soleils, soit 500°C maximum», explique Gilles Flamant, directeur des recherches sur les procédés solaires au CNRS – Centre National de Recherche Scientifique (FR).

D’où l’intérêt des centrales à tour, qui naissent à la même époque, toujours en Californie, avec Solar One et son réaménagement Solar Two, qui en démontrent la faisabilité. Ici, un champ de centaines, voire de milliers de miroirs – les héliostats – projettent les rayons du soleil sur un récepteur unique, au sommet d’une tour. «Avec un facteur de concentration pouvant atteindre 1000 soleils, les tours ont un potentiel de développement bien plus important en termes de rendement.»

L’Espagne, évidemment

En Europe, la recherche démarre dans les années ‘80, en particulier en Espagne, sur la plate-forme solaire d’Almería (PSA), dans le désert de Tabernas. Le Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y teste la centrale thermosolaire d’Almerìa (CESA1) et une SSPS – Small Solar Power System. Depuis 2004, le gouvernement espagnol offre un cadre privilégié à l’initiative, en fixant un prix plancher pour le rachat du kWh solaire.

L’Espagne réunit les trois projets européens actuels de CSP. Chacun bénéficie d’un financement de l’Union de 5 millions €, ce qui ne couvre qu’une partie des dépenses innovantes. D’autres fonds doivent s’ajouter pour réaliser les travaux conventionnels, comme le montage de la turbine. «La construction de Solar Tres vient de démarrer, celle d’Andasol devrait bientôt s’achever. Le seul projet opérationnel aujourd’hui est PS10 – Planta Solar 10.» (2)

Cette centrale à tour injecte depuis le 30 mars 2007 une puissance de 11 MW dans le réseau électrique. 10 000 habitants consomment les 21 GWh que la centrale produit en une année. Au sommet de la tour de 115 mètres, un récepteur large de 14 m absorbe la chaleur des 624 héliostats dans un liquide, pour produire de la vapeur d’eau saturée. Les quatre panneaux qui le composent peuvent concentrer une puissance moyenne de 55 MW. «L’idée est de valider la technologie à une échelle fonctionnelle avant de passer à la commercialisation: développer d'abord en Europe les composants – héliostats, récepteur – et prouver ensuite la bonne productivité de l’exploitation.»

Stocker la chaleur

Le talon d’Achille du CSP est bien sûr l’intermittence des apparitions de l’astre solaire et l’arrêt des générateurs la nuit. La solution employée aujourd’hui consiste à stocker l’énergie excédentaire accumulée la journée dans des cuves de sels fondus. La centrale à tour PS10 n’a en réserve que 20 MWh, ce qui lui permet de pallier les passages nuageux. Mais Solar Tres, prévue pour 2009, aura en magasin 600 MWh, ce qui lui permettra de débiter ses 15 MW en continu pendant l’été et de fonctionner 15 heures après le coucher du soleil, en tout près de 96 GWh par an, étalés sur 270 jours.

Pour les centrales cylindro-paraboliques, le groupe espagnol ACS Cobra et l’entreprise allemande Solar Millenium commercialiseront pour la première fois en Europe l’électricité du CSP, fin juillet. Leur installation cylindro-parabolique, Andasol, débitera 50 MW, apportant une énergie de près de 180 GWh chaque année. À plus grande puissance, les réserves s’amenuisent plus rapidement. Les 880 MWh stockés la journée n’alimentent la centrale que pendant 7,5 heures une fois le Soleil couché.

Le lever du solaire

En 2005, le CSP ne générait que 0,025% de l’électricité mondiale. Mais la révolution lente progresse. Fin 2007 déjà, le ministre algérien de l’Énergie, Chakib Khelil, a posé la première pierre de la centrale électrique mixte de Hassi R’mel, associant solaire et gaz. Peu après, le PDG de NEAL – New Energy Algeria – annonçait la construction d’une connexion HVDC (high voltage direct current) de 3000 km entre Adar et Aix-la-Chapelle (DE).

Les technologies du solaire thermique gagnent indéniablement du terrain. Simples, non-polluantes et de moins en moins coûteuses, elles peuvent contribuer à équilibrer les rapports énergétiques mondiaux et mettre en avant certaines régions du monde en développement.

Delphine d’Hoop

  1. Aussi appelées centrales solaires thermiques ou thermodynamiques.
  2. Toutes les citations sont de Gilles Flamant.

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plus de précisions

Paraboles: le CSP, version mini

Solar dish de Stirling Energy System (USA). © Randy J. Montoya, Sandia National Laboratories Solar dish de Stirling Energy System (USA). © Randy J. Montoya, Sandia National Laboratories

Un module étonnant est en test sur la plate-forme solaire d’Almería. Un capteur parabolique Euro-dish concentre les rayons vers un point focal, où un moteur Stirling transforme la chaleur en électricité. L’assemblage est rapide et l’encombrement réduit. Les rendements dépassent 30%, avec un rapport de concentration au-delà de 2000 et une température de 750 °C.

Cet outil cible le marché des systèmes autonomes, pour pomper l’eau par exemple. Depuis 20 ans déjà, le concept est développé en Arizona, notamment par la société Stirling Energy Systems (SES), qui intègre la parabole dans un module de 25 kW. Il vise surtout les environnements reculés, faisant face à des défis d’installation, de maintenance et de stockage de l’énergie. Autre intérêt: en assemblant plusieurs modules, on atteint la puissance désirée. La technologie peut donc alimenter des réseaux de 25 kW à 50 MW, avec une centrale à taille variable et une capacité d’ajustement permettant de faire des économies d’échelle.

Si les collaborations de R&D entre constructeurs aboutissent, la commercialisation est prévue d’ici 2 à 4 ans, avec de larges perspectives d’avenir, surtout dans les régions en voie de développement.



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