Centrale solaire thermodynamique

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Une centrale solaire thermodynamique à concentration (ou centrale solaire thermique à concentration ou encore héliothermodynamique, en anglais CSP pour Concentrating Solar Power Plant) est une centrale qui concentre les rayons du Soleil à l'aide de miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur qui permet en général de produire de l'électricité. Ce type de centrale permet, en stockant ce fluide dans un réservoir, de prolonger le fonctionnement de la centrale plusieurs heures au-delà du coucher du Soleil.

Centrale solaire à tour (Solar Two en Californie).
Centrale solaire parabolique (projet DISH-STIRLING à Font-Romeu-Odeillo).

Types et filières[modifier | modifier le code]

Plusieurs technologies ont déjà été mises en œuvre à l'échelle industrielle.

  • Les centrales à tour : elle est constituée d'un champ de capteurs solaires appelés héliostats qui concentrent les rayons du Soleil vers un foyer fixe, situé en haut d'une tour.
  • Les centrales à miroirs cylindro-paraboliques : les miroirs concentrent le rayonnement sur des tubes. Le liquide caloporteur (huile ou sels fondus), à l'intérieur, est ainsi porté à haute température. Ce caloporteur envoyé dans une chaudière vaporise de l'eau. La vapeur fait tourner des turbines qui entraînent des alternateurs produisant de l'électricité.
  • Le Dish Stirling (en) parabolique : CSP-Stirling est connue pour avoir la plus grande efficacité de toutes les technologies solaires soit 30 % par rapport au 15 à 20 % de l'énergie solaire photovoltaïque.
  • Les centrales à miroirs de Fresnel : qui utilise des miroirs plans (ou quasi-plans) qui peuvent chacun pivoter autour d’un axe horizontal de façon à suivre la course du Soleil et ainsi rediriger et concentrer de manière optimale les rayons solaires vers un tube absorbeur.

D'autres pistes thermodynamiques sont actuellement explorées pour exploiter le rayonnement solaire.

  • Une solution utilisant de l'air chauffé à plus de 1000 K via un lit fluidisé (par exemple de SiC) conçu pour mieux résister à la « fatigue thermique » notamment liée aux irrégularités de la ressource solaire et qui pose problème pour les échangeurs thermiques classiques a été proposée dans les années 2000, pour une centrale où un apport d'air très chaud remplacerait la chambre de combustion de l'équivalent d'une turbine à gaz par un récepteur d’énergie solaire concentrée[1],[2],[3].
  • Microcentrales à paraboles autonomes associées à un moteur STIRLING (10 à 25 kW) au foyer, avec des sources chaudes de plus de 500 °C, qui permettraient une production décentralisée de chaleur et d'électricité[4],[5].

Le stockage de l'énergie[modifier | modifier le code]

Les technologies solaires thermodynamiques présentent un avantage majeur par rapport au photovoltaïque : elles permettent de prolonger la production d'électricité au-delà de la période d'irradiation solaire, moyennant un investissement additionnel, en stockant le fluide caloporteur dans des réservoirs pour pouvoir en extraire la chaleur plusieurs heures après le coucher du Soleil.
Ainsi, la centrale solaire américaine Solar Two présente la caractéristique de pouvoir encore fonctionner trois heures après que le Soleil a disparu. Le stockage de l'énergie est fait à l'entrée du générateur sous forme de chaleur (560 °C) dans des cuves de sels fondus[6], ce qui permet à la centrale de continuer à fonctionner en l'absence de Soleil. Cette technique est reprise dans la centrale Solar Tres construite à Alméria en Espagne, mais cette fois l'autonomie sans Soleil passe à 16 heures, ce qui lui permet de fonctionner nuit et jour lors des périodes de fort ensoleillement. Ce type d'installation est destiné aux régions à fort ensoleillement comme la Californie ou le Sud de l'Espagne.

Areva a mis en service à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, un démonstrateur de stockage d'énergie aux sels fondus dans le parc solaire hélio-thermodynamique du laboratoire national américain Sandia intégrant des réflecteurs à miroirs de Fresnel linéaires. Il utilise les sels fondus comme fluide caloporteur, en les extrayant d'un réservoir « froid » (290 °C) pour les chauffer à 550 °C au contact des miroirs, puis les fait passer par un échangeur thermique pour générer la vapeur nécessaire à la production d'électricité ; les sels fondus sont enfin redirigés soit vers le réservoir froid, pour répéter le processus en boucle, soit vers un réservoir séparé pour le stockage. Les premiers résultats montrent que les sels fondus permettent de faire fonctionner la centrale à haute température, de simplifier les opérations et donc de réduire le coût global, un facteur clé alors que le département américain de l'Énergie (DOE) vise, à travers son programme Sunshot, la réduction des coûts des centrales solaires installées de 0,06 $/kWh d'ici à 2020[7].

Aspects économiques[modifier | modifier le code]

Perspectives de marché[modifier | modifier le code]

Selon les scénarios prospectifs établis sous l’égide de l’Agence internationale de l'énergie (AIE), le solaire thermodynamique à concentration est appelé à jouer un rôle significatif dans la production électrique mondiale à l’horizon 2050 : dans son rapport de 2014, l'AIE prévoit que le solaire thermodynamique à concentration (toutes filières confondues) représentera 11 % de la production d’électricité en 2050, soit 4 350 TWh avec une capacité installée de près de 1 000 GW, dont 229 GW aux États-Unis, 204 GW au Moyen-Orient, 186 GW en Inde, 147 GW en Afrique et 118 GW en Chine ; 53 GW seraient exportés de l'Afrique du Nord vers l'Europe ; la baisse des coûts moyens de production de 168 $/MWh en 2015 à 71 $/MWh pour des centrales avec stockage les rendrait compétitives dans les pays les plus ensoleillés, en pointe et demi-pointe, vers 2020 et en base vers 2030 ; ces centrales pourraient également produire de la chaleur pour les process industriels et le dessalement d'eau de mer et de l'hydrogène pour remplacer le gaz naturel (3 % des besoins d'énergie en 2050)[8].

Dans les scénarios les plus optimistes, tels que ceux établis dans le cadre du programme AIE SolarPACES (en), la European Solar Thermal Electricity Association et Greenpeace anticipent une capacité installée de 1 500 GW au niveau mondial. Ces perspectives supposent le développement rapide d’une filière industrielle solaire thermodynamique à concentration, sachant qu’en 2014, le parc de centrales en service comporte une quarantaine de sites au niveau mondial.

Coûts de production[modifier | modifier le code]

Une étude de l'IRENA (Agence internationale de l'énergie renouvelable) publiée en 2013 évalue les coûts de production actualisés de l'électricité (LCOE) renouvelable en 2012 ; pour le solaire thermodynamique, elle fournit les coûts suivants :

  • technologies cylindro-parabolique et Fresnel, sans système de stockage : 0,19 à 0,38 $/kWh (hypothèses : coût d'investissement : 3400 à 4 600 $/kW ; facteur de charge : 20 à 27 %) le bas de la fourchette correspond à des projets très compétitifs (hors OCDE) dans des pays bénéficiant d’un ensoleillement exceptionnel ;
  • avec un système de stockage de six heures : 0,17 à 0,37 $/kWh ;
  • centrales à tour (technologie moins mature selon l'étude) : 0,20 à 0,29 $/kWh avec système de stockage de six heures à sept heures 30, et 0,17 à 0,24 $/kWh avec stockage de 12-15 h.

Le coût est fortement corrélé à l'ensoleillement : partant d'une base à 2 100 kWh/m²/an (ensoleillement DNI typique pour l'Espagne), le coût LCOE diminue de 4,5 % pour chaque tranche de 100 kWh/m²/an en plus. Ces coûts de 2012 devraient continuer à baisser en fonction des progrès technologiques et des économies d'échelle[9].

Le coût minimum de 0,17 $/kWh, soit 170 $/MWh, équivaut à 126 €/MWh ; en comparaison, une étude du Fraunhofer Institute parue en novembre 2013 évalue le LCOE des centrales photovoltaïques du sud de l'Allemagne (indice solaire de 1 200 kWh/m2/an) entre 79 et 98 €/MWh, et un contrat récemment signé au Texas faisait ressortir un coût de 54 €/MWh[10] ; le coût du solaire thermodynamique reste donc largement supérieur à celui du photovoltaïque, mais avec l'avantage du stockage qui lui confère une valeur nettement plus élevée.

Installations réalisées et projets[modifier | modifier le code]

En 2008, la capacité installée était évaluée à environ 431 MW, dont 420 MW en solaire thermodynamique à concentration de type cylindro-parabolique ; mi-2013, elle est de 7,5 GW en fonctionnement ou en construction. La concrétisation des scénarios évoqués précédemment suppose un déploiement à grande échelle du solaire thermodynamique à concentration, à un rythme soutenu, soit en moyenne environ 25 GW de capacité supplémentaire par an. Le marché mondial correspondant peut être évalué entre 50 et 100 Md€ par an. À court terme, la feuille de route établie par l’Agence internationale de l'énergie (AIE) pour le solaire thermodynamique à concentration prévoit que la capacité installée à l’horizon 2020 pourrait atteindre 148 GW.

Parmi les plus anciennes installations on trouve celle d'Albuquerque aux États-Unis d'une puissance de 5 MW (1976), celles de Luz Solar Energy situées à Kramer jonction et Daggett en Californie d'une puissance totale de 354 MW (1985) et Solar 2 en Californie (1996) d'une puissance de 10 MW. En février 2006, Nevada Solar One d'une puissance de 64 MW a été mise en service à Boulder City, Nevada aux États Unis. En 2010, Andasol I Aldeire près de Grenade en Espagne (50 MW) a été mise en service.

À travers le monde, d'autres projets sont en cours de réalisation.

  • En Algérie, le programme des Énergies Renouvelables Algérien est de (22 000 MW), où 12 000 MW sont prévus pour les besoins locaux et 10 000 MW pour l’export. Le projet consiste à la construction de (13 575 MW) en photovoltaïque, (2 000 MW) en solaire thermique (CSP), (5 010 MW) en éoliennes, (1 000 MW) en biomasse, (400 MW) en cogénération et (15 MW) en géothermie. L'investissement prévu s'élève à 60 milliards de dollars.
  • Le Plan Solaire Marocain, Maroc (2 000 MW) en 2020[11] ;
  • Le Projet Desertec est un projet visant à produire une grande partie de l'électricité des pays d'Afrique du Nord et du Moyen-Orient.
  • La tour solaire de la nouvelle Ville de Boughezoul en Algérie (3 à 7 MW)[12]
  • Des projets de centrales solaires thermiques en Algérie (total de 1 350 MW)[13]dans le cadre du Programme algérien de développement des énergies nouvelles et renouvelables et de l’efficacité énergétique[14]

Stirling Energy Systems a mis au point des capteurs paraboliques de forte puissance qui suivent le Soleil dans sa course et sont en fait des mini centrales hélio-thermodynamiques : un moteur Stirling entraîne un générateur électrique placé au foyer de chaque paraboloïde.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. J. J. Bezian, A. Bounaceur, A. De Ryck et M. El Hafi, « Un nouveau concept de centrale solaire thermodynamique basé sur un récepteur à lit fluidisé », dans 13èmes Journées Internationales de Thermique, (lire en ligne).
  2. (en) P. Schwarzbozl, M. Schmitz, R. Pitz-Paal et R. Buck, « Analysis of Solar Gas Turbine Systems with Pressurized Air Receivers (REFOS) », Proc. 11th SolarPACES Int. Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies, Zürich,‎ .
  3. (en) G. Flamant, D. Gauthier et A. Vialaron, « Development of gas-solid high temperature solar receivers », The fluidised concept. 8th Solar World Cong. Int. Sol. Energy Soc. Perth No. 3, Oxford, Stokolay S. V., Pergamon,‎ , p. 1937-1942.
  4. D. Meyer, Modélisation et contrôle commande d'un moteur stirling pour une micro centrale solaire thermodynamique (micst) (mémoire de master), Institut National Polytechnique de Grenoble, .
  5. F. Nepveu, Production décentralisée d’électricité et de chaleur par système Parabole/Stirling : Application au système EURODISH (thèse de doctorat), Perpignan, .
  6. (en) NREL CSP Workshop center - Solar Tres, le 7 mars 2007
  7. Nouveau-Mexique - Areva teste les sels fondus comme fluide caloporteur, site energies-renouvelables consulté le 6 juin 2014.
  8. (en)Technology Roadmap: Solar Thermal Electricity, AIE, 29 septembre 2014
  9. EurObserv'ER : Baromètre solaire thermique et thermodynamique, mai 2014.
  10. Baromètre photovoltaïque - EurObserv'ER, avril 2014 [PDF]
  11. Accueil > LE PLAN SOLAIRE MAROCAIN >Dates Clés, sur le site masen.org.ma
  12. Accord pour la réalisation d’une tour pour le développement de l’énergie solaire à Boughezoul, 15 octobre 2012
  13. Liste des projets du Programme Algérien de Développement des Energies Nouvelles et Renouvelables et de l’Efficacité Energétique, 2011
  14. Programme algérien de développement des énergies nouvelles et renouvelables et de l’efficacité énergétique, 2011

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]