Publié le 30 janvier 2024
Le solaire à concentration consiste à concentrer les rayons du soleil pour produire de la chaleur et de l’électricité. Il se distingue de la production solaire photovoltaïque et représente donc un nouveau mode de production d’énergie. Ugo Pelay, enseignant-chercheur à IMT Nord Europe, nous explique le principe de ce système.
Ugo Pelay : Le solaire à concentration se caractérise, comme son nom l’indique, par la concentration des rayons du soleil. En utilisant des miroirs, les rayons sont réfléchis vers une ligne ou un point, selon les technologies de concentrateurs. L’irradiance (ou l’éclairement énergétique) est ainsi concentrée pour chauffer un fluide appelé fluide de transfert ou fluide caloporteur. Celui-ci transmet ensuite son énergie à un cycle de puissance via un évaporateur. La vapeur ainsi obtenue sert à faire tourner des turbines pour produire de l’électricité.
UP : Le principal atout des centrales solaires à concentration est leur capacité de stockage de la chaleur. Le système photovoltaïque requiert des batteries pour stocker l’électricité produite, alors que le solaire à concentration permet d’utiliser des systèmes de stockage thermiques beaucoup plus faciles à mettre en œuvre, moins impactant environnementalement et moins couteux. En fonction de la technologie de la centrale, la chaleur produite oscille entre 400 et 1 000 °C. Celle-ci peut être utilisée pour produire de l’électricité, comme vu précédemment, ou directement dans des industries et des processus consommateurs d’énergie thermique comme la désalinisation.
UP : La distinction entre le solaire à concentration et le photovoltaïque est le mode de conversion de l’énergie solaire (sous forme d’ondes électromagnétiques). Les panneaux photovoltaïques convertissent directement l’énergie solaire en énergie électrique grâce aux cellules photovoltaïques (des composants électroniques) en utilisant l’effet photoélectrique. Environ 20 % de l’énergie solaire est convertie en électricité et 80 % en chaleur. Il s’agit donc d’une transformation électrique directe électronique. À l’inverse, le solaire à concentration utilise l’énergie thermique issue du rayonnement solaire. Celui-ci est concentré pour produire de la chaleur à haute température qui servira à faire tourner des turbines dans un cycle de puissance.
UP : Le solaire à concentration fait intervenir principalement trois types de récepteurs ou concentrateurs : à tour, linéaires de Fresnel, et cylindro-paraboliques.
Les miroirs orientables télécommandés (héliostats) des centrales à tour vont refléter les rayons du soleil en un seul point. Les rayons sont concentrés au niveau d’une cellule à haut rendement qui est le récepteur au sommet de la tour. La concentration est intense avec des températures comprises entre 800 et 1 000° C. L’énergie du fluide caloporteur est ensuite transférée au cycle de puissance (Rankine, Stirling…) produisant l’électricité. Des systèmes de stockage thermique permettant de décaler la production ou de l’allonger peuvent aussi facilement être intégrés à la centrale.
Les centrales solaires linéaires de Fresnel utilisent des miroirs en bande qui peuvent être lavés automatiquement. Ceux-ci sont parallèles et placés à proximité du sol pour faire converger le rayonnement solaire vers des tubes récepteurs fixes.
Quant aux centrales cylindro-paraboliques, leurs miroirs concentrent les rayons solaires sur des tubes disposés à l’axe focal du concentrateur. Celui-ci peut suivre la trajectoire du soleil en tournant sur un axe. Les centrales solaires cylindro-paraboliques peuvent intégrer, tout comme celles de Fresnel et les centrales à tour des systèmes de stockage thermique.
Le parcours de production de la chaleur et de l’électricité à partir du solaire à concentration. Crédits : EDF.
UP : Le photovoltaïque offre un rendement énergétique d’environ 20 %, tandis que celui du solaire à concentration est supérieur à 30 %. De manière générale, les panneaux photovoltaïques sont les plus utilisés, car ils sont simples à installer, de taille réduite et relativement peu couteux. En ce qui concerne la centrale solaire à concentration, les installations sont énormes. C’est l’équivalent de plusieurs dizaines de terrains de football remplis de miroirs. Cela n’est pas à la portée de particuliers, mais plutôt de grands groupes ou d’États.
Les centrales solaires à concentration ont un impact environnemental moins important que le solaire photovoltaïque et comparable à l’éolien. Cependant, comme tous les types d’énergie, leur impact n’est pas nul.
UP : La France compte pour l’heure deux centrales solaires à concentration. La centrale de recherche et de développement Llo, dans la région de Cerdagne, est la première centrale solaire thermodynamique commerciale avec stockage. La seconde est la centrale solaire de démonstration Thémis. Le bon fonctionnement d’une centrale nécessite un fort ensoleillement et un air sec (pour ne pas que les rayons solaires soient réfléchis). C’est pourquoi il en existe moins en France et plus aux États-Unis et en Espagne. Ces pays représentent d’ailleurs 80 % du marché mondial. La production d’électricité via les centrales solaires à concentration est pour le moment plus coûteuse que pour l’éolien ou le nucléaire. Mais avec les prix de l’électricité qui ne cessent d’évoluer il est fortement possible que cette énergie devienne concurrentielle et entre dans le mix énergétique français. Pour le moment, cette technologie est moins mature que le photovoltaïque, mais son potentiel de développement industriel demeure très important.
UP : Des recherches sont menées par de nombreux acteurs dans le secteur du solaire à concentration, notamment par IMT ou encore le CNRS. Quelques-unes relatives à l’amélioration des systèmes de stockage sont réalisées par le laboratoire PROMES. IMT Nord Europe effectue actuellement des recherches sur la géométrie des récepteurs pour les rendre plus performants et sur l’intégration optimale de centrales à concentration multi énergie dans des réseaux de distribution.
Les principaux défis à relever pour le solaire à concentration concernent le stockage des énergies renouvelables et l’optimisation des composants qui sont utilisés pour accroitre le rendement énergétique. L’utilisation des centrales solaires à concentration par des réseaux intelligents augmentera de manière globale les performances de ce système.
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