Les centrales solaires thermodynamiques
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Les centrales thermodynamiques concentrent le rayonnement solaire pour produire de la à très haute température puis de l’ . Elles diffèrent donc des centrales photovoltaïques qui utilisent l’énergie lumineuse du soleil pour générer directement de l’électricité grâce à des cellules photosensibles. L’électricité est donc produite à partir de transfert de chaleur , de rayonnement solaire et de thermodynamique, un bon cas pratique en cours de physique-chimie.
© Stringer / Imaginechina / Imaginechina via AFP - Vue aérienne de la centrale solaire thermodynamique de 100 mégawatts dans la ville de Dunhuang en Chine
Le principe d’une centrale thermodynamique est de concentrer, grâce à des miroirs réfléchissants, les rayonnements solaires sur un pour le chauffer. Ce fluide à haute température, qui peut être de l’air, de l’eau liquide, des huiles, des sels fondus, des liquides organiques comme le butane ou le propane, transmet sa chaleur à un circuit d’eau qui génère de la vapeur et entraîne une turbine pour produire de l’électricité.
Selon le mode de concentration du rayonnement solaire, il existe plusieurs types de centrales, notamment :
- Les centrales à tour : des centaines ou des milliers de miroirs placés au sol, appelés héliostats, orientent les rayons solaires vers le sommet d’une tour, qui peut dépasser 200 mètres de haut. Les héliostats sont orientables afin de suivre la course du soleil tout au long de la journée. En haut de la tour, un absorbeur, où circule le fluide caloporteur (généralement des sels fondus), transforme le rayonnement en chaleur à haute température. Ces centrales nécessitent un fort ensoleillement et une grande surface au sol. La technologie est utilisée par exemple dans la centrale d’Ivanpah, en Californie (392 MW, 173 500 héliostats).
- Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques : des alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques concentrent les rayonnements sur un tube horizontal placé au-dessus de chacun, où circule le fluide caloporteur. Les miroirs tournent autour d’un axe horizontal pour suivre la course du soleil. La température du fluide peut monter jusqu’à 500°C. Comme les centrales à tour, elles sont adaptées aux grands espaces des régions très ensoleillées. Cette technologie est notamment utilisée dans la centrale de Shams, aux Émirats Arabes Unis (100 MW, 258 000 miroirs paraboliques, 2,5 km2) ou dans celle de Noor 1 au Maroc (160 MW, 500 000 miroirs, 4,8 km2, soit 600 terrains de football).
- Les centrales à miroirs de Fresnel : des miroirs plats et allongés, placés à l’horizontal et orientables, collectent le rayonnement solaire. Celui-ci est renvoyé sur un tube horizontal placé au-dessus des miroirs et parallèlement à eux. Dans ce tube, le fluide caloporteur est chauffé jusqu’à 500°C. Le nom du système vient du savant français du début du XIXe siècle, Augustin Fresnel, qui inventa la lentille épaisse qui équipe les phares. Les miroirs plats sont bien meilleur marché que les miroirs paraboliques mais les performances optiques plus faibles. La technologie est par exemple utilisée dans la centrale Alba Nova à Ghisonaccia, en Corse (12 MW).
- Les centrales à collecteur parabolique : ressemblant à une parabole de réception satellitaire, un grand miroir parabolique orientable dirige les rayons du soleil vers un point de convergence (placé au foyer de la parabole). En ce point, est installé un 1 qui fonctionne grâce à la montée en pression d’un gaz contenu dans une enceinte fermée. La température peut atteindre 1 000°C sur le récepteur. Il s’agit de petites unités indépendantes, donc de peu d’encombrement. La performance de l’ensemble est étroitement liée à la qualité optique de la parabole et au rendement du moteur Stirling. Par exemple, 60 capteurs paraboliques forment un parc près de Phoenix dans l’État de l’Arizona (1,5 MW).
Une même centrale peut associer plusieurs de ces technologies, voire être couplée à des installations photovoltaïques.
Un avenir prometteur
En 2021, la production mondiale des centrales thermodynamiques ne dépassait pas 15 000 GWh, alors que le solaire photovoltaïque produisait plus d’un million de GWh. Un rapport de 1 à 70. Les centrales thermodynamiques ont l’inconvénient de coûter plus cher et d’occuper de très vastes espaces.
Mais l’ prévoit un fort développement à l’horizon 2050. Le solaire concentré présente un très gros avantage, celui de stocker l’énergie. En effet, la chaleur est beaucoup plus facile à stocker que l’électricité, notamment si le fluide caloporteur est constitué de sels fondus. Ils peuvent retenir la chaleur pendant six à huit heures avant qu’elle soit transformée en électricité. Ainsi, la chaleur stockée à la mi-journée, au plus fort de la température extérieure, pourra alimenter un réseau électrique en début de soirée, au moment où la consommation est la plus élevée. Un parc photovoltaïque est quant à lui soumis aux aléas de l’ensoleillement à un moment donné.
La Chine prend la tête
L’Espagne et les Etats-Unis ont longtemps été à la pointe du solaire thermodynamique. Mais depuis 2020, ce sont la Chine, les pays du Golfe et plusieurs pays africains comme le Maroc qui sont les plus dynamiques. L’émirat de Dubaï doit achever en 2024 ce qui devrait être le plus grand parc mondial : MBR Solar Park est une combinaison d’une (100 MW), de trois systèmes paraboliques (600 MW) et d’un parc photovoltaïque (250 MW).
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