Le solaire thermique concentré

La ressource solaire 

Bilan radiatif de la Terre 

Le bilan radiatif de la Terre permet d’estimer la ressource en énergie provenant du Soleil et disponible pour être utilisée en partie par l’Homme. FIGURE 1.1 – Illustration du bilan radiatif de la Terre d’après Houghton et al. [Houghton et al., 1996]. Schématiquement décrit sur la Fig. 1.1, ce bilan regroupe tout les flux entrants (rayonnement solaire incident) et sortants (rayonnement émis par la Terre, réfléchi par l’atmosphère, les nuages, les océans, …). Tout d’abord, il faut noter une différence importante entre le flux d’énergie à priori disponible à la surface de la Terre et celui provenant du soleil. Cette différence est due essentiellement aux pertes lors de la traversée de l’atmosphère. Ces pertes se répartissent de la manière suivante : – 6 % du rayonnement incident est réfléchi par l’atmosphère ; – 16 % est absorbé par l’atmosphère ; – 20 % est réfléchi par les nuages ; – 3 % est absorbé par les nuages. Le rayonnement incident à la surface de la Terre ne correspond qu’à 55 % du rayonnement au niveau de l’atmosphère. Sur la Fig. 1.2, on compare le spectre solaire (le soleil étant assimilé à un corps noir à 5800 K) au spectre du rayonnement solaire AM1.5 après une traversée de 1.5 atmosphère. Les raies d’absorption sont liées aux gaz et molécules qui composent l’atmosphère. L’absorption de l’oxygène a lieu aux environs de 750 nm, celle de l’eau à 900, 1150, 1350 et 1800 nm. D’un point de vue plus quantitatif, le rayonnement solaire parvenant au niveau de la haute atmosphère représente en moyenne 342 W/m2 . L’atmosphère et les nuages réfléchissent un peu plus de 20 % de ce rayonnement, soit environ 77 W/m2 , et en absorbent 19 %, soit 67 W/m2 . Le rayonnement solaire parvenant au sol n’est donc plus que d’environ 198 W/m2 . C’est ce rayonnement qui pourra être utilisé pour des applications solaires. Avec une surface d’environ 500 millions de km2, la terre reçoit annuellement environ 109 TWh d’énergie solaire. En 2012, la consommation énergétique mondiale, toutes sources confondues, a représenté environ 145 000 TWh, soit 0.015 % de cette énergie. 

La part du solaire dans la production et la consommation d’énergie

 D’après le rapport de « BP Statistical Review of Wolrd Energy 2013 » [BP, 2013], la production mondiale d’énergie renouvelable, c’est-à-dire la production d’énergie hydroélectrique, géothermique, éolienne et solaire, atteint 1068.5 Mtep 1 en 2012. Cette production représente environ 9.3 % de l’énergie consommée annuellement (11480 Mtep) (Fig. 1.3) La part de l’énergie solaire FIGURE 1.3 – Répartition par type de sources de la consommation énergétique mondiale en 2012 [BP, 2013]. La part liée aux énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) est largement majoritaire. GJ 7 dans ces énergies renouvelables ne représente que 2 %, soit environ 0.2 % de l’énergie mondiale consommée (Fig. 1.4a). On compte aujourd’hui deux voies pour la production d’électricité grâce à l’énergie provenant du soleil. Une production directe grâce à la conversion des photons par conversion photovoltaïque (PV) et une production indirecte qui passe par la production de chaleur après concentration du rayonnement solaire. Ce moyen de production est appelé solaire thermique concentré (CSP – Concentrated Solar Power). La capacité de production d’électricité grâce au solaire photovoltaïque est aujourd’hui d’environ 100 GW, tandis que le solaire concentré ne représente que 3.3 GW (fin 2013) [BP, 2013] (Fig. 1.4b). Le solaire thermique concentré ne représente donc qu’une très faible part de la production, et donc de facto de la consommation énergétique mondiale, malgré la nécessité de recourir de plus en plus aux énergies non-fossiles. Plusieurs scénarios prévoient dans le futur une utilisation plus importante des énergies renouvelables, associée à une diminution de l’utilisation des énergies fossiles et à une utilisation rationnelle de l’énergie. En France : – Le scénario Negawatt [Association NegaWatt, 2014] repose sur une utilisation plus sobre et efficace de l’énergie, conduisant à une diminution de l’énergie consommée et à une très forte baisse de l’utilisation du pétrole et du gaz, ainsi qu’à la disparition totale de l’énergie nucléaire du mix énergétique. Comme le montre la Fig. 1.5, la part d’énergies renouvelables dans ce mix est fortement augmentée, mais c’est surtout la sobriété et l’efficacité qui sont importantes dans ce scénario. – Le scénario Negatep [Sauvons le Climat, 2014] repose sur la modification du type de sources d’énergies utilisées entre 2006 et 2050 avec un niveau global de consommation qui demeure presque constant (Fig. 1.6). Le point commun de ces deux scénarios est l’augmentation de la part des énergies renouvelables dans la consommation globale d’énergie. Quant au solaire thermique concentré, l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) prévoit en 2050 (Fig. 1.7) une croissance importante, particulièrement aux États-Unis et en Afrique. La production devrait atteindre 7800 TWh d’électricité produite par an grâce aux différentes technologies CSP, soit environ 15 % de la consommation mondiale actuelle 

Les techniques pour le solaire thermique à concentration 

 Le solaire thermique concentré 

D’hier à aujourd’hui 

Depuis plusieurs siècles, l’énergie apportée par le soleil a été domptée par l’homme. La légende veut qu’en 212 av. JC, Archimède ait utilisé des boucliers de bronze afin de focaliser la lumière du soleil sur les bateaux romains assiégeant Syracuse (Fig. 1.8). Au milieu du XIXe siècle, le mathématicien Augustin Mouchot proposa un système de concentration composé d’un miroir parabolique afin de chauffer de l’eau et produire de la vapeur. Après plusieurs années, son assistant Abel Pifre et lui présentèrent le premier moteur fonctionnant grâce au soleil au cours de l’exposition universelle de Paris de 1882. Leur système était l’ancêtre des coupelles paraboliques actuelles. A partir de cette date, différents systèmes utilisant l’énergie solaire sont mis au point, dans un premier temps pour permettre l’irrigation, comme dans l’installation de Maadi en Égypte, d’une puissance de 88 kW. En 1968, Giovanni Francia met au point la première installation solaire concentrée moderne, d’une puissance de 1 MWth 2 , située près de Gènes en Italie. Au cours des années 1980, la Californie va voir se construire un grand nombre de centrales solaires thermiques, allant des plus faibles puissances comme Solar One et ses 10 MWe, construite en 1981, jusqu’aux plus grandes, avec Solar Energy Generating Systems (SEGS), construite en 1984, d’une puissance de 354 MWe, qui est restée jusqu’en février 2014 la centrale solaire possédant la plus grande capacité au monde. Le développement du nucléaire et du photovoltaïque et la baisse des prix du pétrole entamés au milieu des années 80 vont marquer l’arrêt du développement technologiques de la filière solaire concentrée. Aujourd’hui, le solaire thermique concentré connait à nouveau une période de fort développement, et de nouvelles centrales sont régulièrement construites en Espagne et aux États-Unis, mais aussi dans des pays où la présence du CSP est nouvelle, tels que les Émirats Arabes Unis, l’Inde où la Chine. 

De l’énergie solaire à l’électricité 

Le solaire thermique concentré permet soit la conversion directe de l’énergie provenant du soleil en chaleur, soit la conversion indirecte de cette énergie en électricité. Pour récupérer cette énergie, les installations CSP sont dotées de systèmes optiques permettant la concentration des rayons du soleil en un point focal, situé sur un récepteur, qui absorbe alors cette énergie et la restitue sous forme de chaleur. Cette chaleur est transformée et utilisée dans un système produisant de l’électricité grâce à un cycle thermodynamique ou directement dans des procédés industriels nécessitant une température importante. Une installation CSP est composée de trois parties bien distinctes : – Le système optique concentrateur/collecteur qui permet de concentrer le rayonnement solaire et de capter son énergie sous forme de chaleur au niveau du collecteur ; – Le convertisseur thermodynamique qui convertit la chaleur du collecteur en travail mécanique ; – Le générateur électrique qui transforme le travail mécanique en électricité. Dans les installations qui utilisent directement la chaleur, ce générateur est absent.