Le solaire thermodynamique (ou à concentration) regroupe l’ensemble des techniques qui visent à transformer le rayonnement solaire direct en chaleur à température élevée. La chaleur peut ensuite alimenter tout procédé industriel consommateur de chaleur à moyenne ou haute température dont, en premier lieu, la production d’électricité, via une turbine.

Tour solaire PS10 située en Espagne d’une puissance électrique nominale de 11 MW. Le tout pour 35 millions d’euros. © afloresm

Quatre types de systèmes concentrateurs sont actuellement déployés dans les centrales solaires thermodynamiques. Ils mettent en œuvre des dispositifs de concentration optique et valorisent donc le rayonnement solaire direct.

Une centrale solaire thermodynamique concentre en tout premier lieu le rayonnement solaire sur une « cible », linéaire ou ponctuelle suivant la technologie. Cette cible est un absorbeur/échangeur qui transforme ce rayonnement en chaleur et la communique à un fluide caloporteur.

Les centrales actuelles se situent pour la plupart dans les zones désertiques de l’Ouest des Etats-Unis et d’Espagne et beaucoup d’autres projets sont à l’étude dans ces zones. La plus grande d’entre elles se trouve dans le désert de Mojave, en Californie. Sa puissance nominale est de 354 MW.

La centrale solaire thermodynamique à capteurs cylindro-paraboliques

Centrale à capteurs cylindriques en Espagne. © Worklife Siemens

Technologie la plus répandue actuellement, les capteurs cylindro paraboliques sont déjà utilisés dans le Nevada (Etats-Unis) et en Andalousie (Espagne).

Ces centrales se composent de longues rangées parallèles de miroirs hémicylindriques qui pivotent sur un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube horizontal surplombant les miroirs. A l’intérieur du tube circule un fluide caloporteur  qui peut atteindre 500°C. L’énergie est transférée à un circuit d’eau, la vapeur produite actionne une turbine.

Ce système autorise le stockage de la chaleur pour produire de l’électricité la nuit. La surface nécessaire pour l’installation et les besoins en ensoleillement très importants cantonnent la plupart des systèmes thermodynamiques aux zones désertiques. Ils n’ont pas de puissance maximale en théorie, puisque cette dernière dépend de la taille de l’installation.

La centrale solaire thermodynamique à miroir de Fresnel

Système similaire au précédent, elle fonctionne grâce à la lentille de Fresnel, inventée par le physicien Augustin Fresnel pour équiper le système optique des phares de signalisation marine. Dans une centrale solaire, ce sont des miroirs plans, dits « réflecteurs compacts linéaires » qui concentrent les rayons solaires sur un tube horizontal. Chaque miroir pivote pour rediriger la lumière en suivant le soleil. Un miroir secondaire cintré surmonte le tube. Le fluide caloporteur contenu dans le tube atteint là aussi 500°C et produit de la vapeur d’eau qui actionne une turbine. L’avantage de ce système réside dans le fait que les miroirs plans sont moins chers que les paraboliques. Cela pourrait le rendre plus compétitif que la centrale à miroirs cylindro-paraboliques bien que ses performances soient inférieures d’environ 30 %.

La tour solaire

Une tour de plusieurs dizaines de mètres de haut est entourée de centaines ou milliers de miroirs orientables, les héliostats. Ils pointent les rayons du soleil vers un capteur au sommet de la tour, où circule un fluide caloporteur. La suite est classique : le fluide transfère son énergie à un circuit d’eau qui actionne une turbine en s’évaporant.

Des centrales de ce type existent aux Etats-Unis, d’autres projets de plusieurs dizaines de mégawatts ont été annoncés en Afrique du Sud et en Espagne.

La centrale solaire thermodynamique parabolique

Semblable à une parabole satellite, le capteur parabolique est un miroir qui focalise les rayons solaires sur un générateur, type Stirling, qui monte en température, jusqu’à 1000°C. La montée en pression et en température d’un gaz contenue dans le générateur produit de l’électricité. Pour un rendement maximal, la parabole suit la cours du soleil. Inconvénient : ce système ne stocke pas la chaleur. Il ne produit donc rien la nuit. Le rendement peut atteindre 30 % mais le dispositif est expérimental.

Auteur : Christofer Jauneau, contribution volontaire

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