Les Centrales Solaires Thermodynamiques à Concentration

Généralités

Un bref historique L’énergie solaire assure depuis la nuit des temps le fonctionnement des grands cycles naturels de notre planète : la circulation atmosphérique, le cycle de l’eau, la photosynthèse, la circulation thermohaline sont autant de phénomènes dont l’énergie rayonnée par le soleil est sinon l’unique, du moins le principal « moteur ». L’utilisation de cette énergie a également façonné de manière fondamentale le mode de vie des Hommes jusqu’il y a environ 150-200 ans, lorsque les formes « fossiles » et indirectes de l’énergie solaire comme le charbon et le pétrole (provenant de la dégradation de composés organiques issus de la photosynthèse) ont pris leur essor. Depuis cette période, le faible coût relatif de cette énergie fossile, ainsi que plus récemment l’énergie nucléaire, a éloigné l’Homme des contraintes fondamentales liées à l’utilisation directe de l’énergie solaire, notamment pour l’agriculture ou l’architecture de son habitat [1].

La première machine connue utilisant l’énergie solaire est l’invention de l’ingénieur français Augustin Mouchot en 1866. Il s’agit d’une machine constituée d’un concentrateur parabolique et d’une petite chaudière en verre permettant d’alimenter une machine à vapeur. En 1869, Mouchot publie son livre La chaleur solaire et ses applications industrielles [2] en même temps qu’il présente une version agrandie de sa machine. En 1878 il présente également à l’exposition universelle de Paris un prototype de four solaire pour lequel il remporte la médaille d’or de l’exposition. Autour de l’année 1872, l’ingénieur Américano-Suédois John Ericsson étudie un concept de moteur Stirling fonctionnant grâce à un récepteur parabolique solaire. Le design du moteur sera cependant breveté en 1880 avec un fonctionnement au charbon ou au gaz pour des applications de pompage. En 1886 l’Italien Alessandro Battaglia dépose les premiers brevets portant sur des concentrateurs solaires, mais ils ne trouveront pas d’applications pratiques.

C’est en 1913 que fait son apparition la toute première centrale solaire thermodynamique. L’ingénieur américain Frank Shuman construit en Égypte une centrale à récepteurs solaires cylindro-paraboliques et générant de la vapeur d’eau capable de faire tourner un moteur de 70 chevaux servant à l’irrigation de cultures. Durant la conception de cette centrale, Shuman établit les bases du dimensionnement des collecteurs cylindro-paraboliques et des considérations de rentabilité économiques [3]. Des accords sont conclus avec les gouvernements britannique et allemand pour poursuivre les recherches sur l’utilisation de l’énergie solaire en Afrique, mais la guerre éclate l’année suivante et met fin aux projets. Il est intéressant de noter que c’est la génération directe de vapeur qui a été employée pour le fonctionnement de cette centrale.

Principe de fonctionnement

Le soleil peut être considéré comme un corps noir dont la surface est à une température d’environ 5780 K. Dans ces conditions, il émet par rayonnement un flux calculable par la loi de Stefan–Boltzmann et d’environ 64.5 millions de watts par mètre carré. Par conservation de ce flux émis dans l’espace, le disque terrestre, situé à une distance moyenne de 150 millions de km, intercepte un flux moyen de 1360 W/m² au sommet de l’atmosphère. Une partie du rayonnement étant réfléchi ou absorbé par celle-ci, la valeur moyenne est d’environ 1000 W/m² à la surface de la Terre. Le rayonnement incident au sol est scindé en deux composantes : celle qui provient directement du disque solaire, c’est le rayonnement direct, et celle qui provient de la diffusion du rayonnement par les nuages ou les aérosols, c’est le rayonnement diffus.

On désigne par centrale solaire thermodynamique à concentration (ou centrale héliothermodynamique) une centrale générant de l’électricité à partir du rayonnement solaire incident direct et concentré par le biais d’un dispositif optique. La concentration du rayonnement direct permet de convertir l’énergie électromagnétique rayonnée en chaleur à haute température (énergie thermique), puis en énergie mécanique grâce à un cycle thermodynamique (généralement un cycle de Rankine), et enfin en énergie électrique au moyen d’une génératrice. La chaleur résiduelle du cycle thermodynamique peut éventuellement être valorisée. Un stockage d’énergie sous forme thermique peut également être mis en œuvre, ce qui constitue le principal avantage de ce type de centrale solaire.