Troisième volet de la série d'articles sur le solaire thermique. Après les
systèmes individuels, aujourd'hui les centrales solaires.
Comme nous l'avons vu dans le premier article sur la
place du solaire thermique dans le
monde, une petite partie des installations solaires thermiques sont utilisées non seulement pour produire de la chaleur, mais également de l'électricité en convertissant une partie de cette chaleur
(c'est le cas par exemple à la centrale Solar Two, dans le désert Mojave, photo à droite).
Globalement, la part du solaire thermique dans la production mondiale d'électricité est faible, mais il s'agit d'un domaine en plein essor avec de nombreux projets en cours de développement dans de
nombreux pays (
voir à titre d'illustration les paragraphes "en construction" et "annoncées").
Historiquement, la première "vraie" centrale solaire a été construite aux USA, dans le désert Mojave (Nevada), photo ci-dessus. Baptisée
Solar One, il s'agissait d'un prototype du
Département Américain de l'Energie destiné à prouver la viabilité du solaire thermique en production d'électricité. Nous allons nous servir de cette centrale comme "étude de cas" pour comprendre le
fonctionnement des centrales solaires. Le principe de fonctionnement de la centrale est schématisé ci-dessous.
Les rayons du soleil se réfléchissent sur des miroirs (pour Solar One, 1818 miroirs de 40 m² chacun). Ces miroirs, ou héliostats, sont mobiles ce qui leur permet de suivre
la course du soleil en permanence (photo de gauche). Ces miroirs permettent de concentrer tous les rayons lumineux sur une tour (photo de droite) recouverte d'un matériau absorbant.
Sous l'effet du rayonnement, le matériau absorbant va chauffer fortement, et la chaleur va être transmise à un fluide caloporteur à haute température de fonctionnement.
Ajouté en 1995 (la centrale s'appelle alors Solar Two), les deux réservoirs contiennent un mélange de nitrate de sodium et de nitrate de potassium, et vont permettre de stocker la chaleur sur
quelques heures de manière à "lisser" la production (figure de droite) de manière à adapter production et consommation.
Pour produire l'électricité, la chaleur est utilisée pour chauffer de la vapeur d'eau qui circule dans des turbines, comme dans une centrale thermique "classique".
En fonctionnement, Solar Two permettait de produire 10 MW électriques.
D'autres géométries que les systèmes à tour et héliostats existent également, notamment des systèmes utilisant des miroirs cylindriques qui focalisent le rayonnement solaire sur un circuit dans
lequel circule le fluide caloporteur (photo ci-dessous à droite, détail de la centrale de Kramers Juncion, Californie, photo de gauche), mais leur principe global de fonctionnement est sensiblement
le même.
Le rendement global de ces centrales solaires thermiques (puissance électrique fournie au réseau rapportée à la puissance reçue du soleil) est d'environ 15%. La surface utilisée au sol peut sembler
très importante (voir photos), mais rapportée à la puissance électrique produite, elle est du même ordre de grandeur que celle d'une centrale thermique classique ou d'une centrale nucléaire.
Evidemment, ces centrales sont destinées à être raccordées au réseau électrique au même titre que des centrales classiques.
Il existe également des collecteurs solaires avec des miroirs paraboliques (photo de gauche au dessus). Là encore il s'agit d'un miroir mobile qui va pouvoir suivre la course du soleil au cours de
la journée. Mais contrairement aux centrales précédentes, il ne s'agit pas ici d'un nombre important de miroir qui vont envoyer les rayons du soleil en un même point : chaque miroir focalise le
rayonnement sur un absorbeur différent. Celui-ci va chauffer, mais là pas question d'utiliser la chaleur pour autre chose que pour faire de l'électricité, contrairement là-encore aux autres
centrales qui peuvent permettre de produire de l'eau chaude pour des utilisations collectives.
L'électricité est ici produite par l'intermédiaire d'un
moteur de Stirling (dessin de droite). Dans un moteur de ce type, deux pistons
sont reliés à un même jeu d'engrenages. Sous l'effet du rayonnement qui chauffe l'absorbeur, un gaz chauffe, et en se dilatant il entraîne un
piston moteur qui fait tourner les engrenages
(et produit de l'électricité, comme dans une turbine). En tournant, les engrenages entraînent un
piston de déplacement, qui force le gaz à se déplacer vers la partie froide du système. Le
gaz diminue de volume, ce qui entraîne un déplacement inverse du piston moteur, qui fait à nouveau tourner les engrenages. Le piston de déplacement se déplace de nouveau, forçant le gaz à se
mouvoir vers la partie chaude où il peut à nouveau se dilater, et un nouveau cycle recommence.
Le rendement global d'un miroir parabolique couplé à un moteur de Stirling est de l'ordre de 18% (un peu supérieur à celui des centrales), mais pour un prix plus élevé. Leur principal avantage est
qu'ils permettent de produire des puissances électriques plus faibles (de l'ordre de 10 à 25 kW contre des dizaines ou centaines de MW pour des centrales) ce qui les rend très intéressants pour des
applications sans connexion au réseau, par exemple pour l'alimentation de hameaux isolés.
A l'heure actuelle, le coût du kilowattheure électrique produit par des centrales solaires est de l'ordre de 0,15 à 0,18 € (en prenant comme région type le sud de l'Espagne, pour l'ensoleillement).
C'est un coût plus élevé que l'éolien, mais inférieur à celui du solaire photovoltaïque. Des expertises indépendantes ont été publiées qui montrent qu'avec une production de masse, le ce coût
devrait être réduit à 0,05-0,07 €/kWh à l'horizon 2015-2020, soit un coût de revient relativement comparable à ceux des systèmes de production "classiques".
Des projets pour une puissance cumulée de plusieurs GW sont actuellement à l'étude ou en phases de début de construction, principalement en Espagne et aux USA.
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Il y a quelques semaines, j'avais écrit un article pour discuter de
