Énergie Solaire
Une centrale solaire thermique, également appelée centrale solaire thermique ou centrale photothermique, est une installation industrielle conçue pour tirer parti du rayonnement solaire et le transformer en énergie électrique.
Bien que son principe de fonctionnement soit similaire à celui des centrales thermiques conventionnelles, il diffère sur un aspect fondamental : la source de chaleur utilisée n'est pas d'origine fossile, mais repose sur l'énergie solaire.
Comment fonctionne une centrale solaire thermique ?
Ce type de technologie photothermique consiste à capturer le rayonnement solaire et à le convertir en énergie thermique, qui est ensuite utilisée dans un processus de production d'électricité.
Pour ce faire, l'installation concentre le rayonnement solaire à travers un système de miroirs ou de réflecteurs qui dirigent l'énergie vers un point précis. Cette chaleur est transférée à un fluide thermique – généralement de l'eau, de l'huile thermique ou des sels fondus – qui peut atteindre des températures très élevées, généralement entre 300 °C et plus de 1 000 °C, selon la technologie utilisée.
Une fois chauffé, ce fluide est utilisé pour produire de la vapeur d'eau à haute pression. La vapeur générée entraîne une turbine reliée à un générateur électrique, qui transforme l'énergie mécanique en électricité. En général, plus la température atteinte est élevée, plus les performances du système sont élevées.
Systèmes de concentration solaire
La capture et la concentration du rayonnement solaire sont effectuées au moyen de miroirs réglables qui suivent automatiquement la trajectoire du soleil pour maximiser la consommation d'énergie.
Parmi les principaux systèmes de concentration utilisés dans les centrales photothermiques ou solaires figurent :
- Héliostats avec une tour centrale : un champ de miroirs réfléchit le rayonnement solaire vers un récepteur situé au sommet d'une tour. Un héliostat est chacun de ces miroirs individuels qui transportent un système mécanisé de suivi du soleil
- Collecteurs à auge parabolique : des miroirs courbes concentrent le rayonnement sur un tube récepteur à travers lequel circule le fluide thermique.
- Disques paraboliques : systèmes de géométrie parabolique qui concentrent le rayonnement solaire à un point focal.
Cycles thermodynamiques dans une centrale solaire thermique
Une fois la chaleur captée, l'usine utilise différents cycles thermodynamiques pour convertir l'énergie thermique en électricité.
Le plus courant est le cycle de Rankine, basé sur la génération de vapeur pour faire fonctionner une turbine, similaire à celui utilisé dans les centrales thermiques conventionnelles. Il existe également des systèmes utilisant le cycle Brayton, notamment en configuration hybride, ainsi que des technologies expérimentales telles que le moteur Stirling.
Dans certains cas, les centrales photothermiques peuvent être combinées avec d'autres sources d'énergie, comme le gaz naturel, dans le but d'améliorer l'efficacité et d'assurer la production d'électricité lorsque le rayonnement solaire est faible.
Rendement d'une centrale thermoélectrique
Les centrales solaires thermiques qui concentrent la lumière du soleil pour produire de l'électricité ne profitent pas de toute l'énergie qu'elles reçoivent. Son efficacité dépend de plusieurs facteurs importants :
- La technologie utilisée pour transformer l'énergie solaire en électricité.
- La température à laquelle fonctionne le système de collecte de chaleur.
- Les pertes de chaleur qui surviennent pendant le processus.
- Autres pertes inhérentes au fonctionnement de l'installation.
À tout cela, il faut ajouter que le système optique qui concentre la lumière du soleil (miroirs ou disques) n'est pas parfait non plus, donc une partie de l'énergie est également perdue.
Quelle efficacité peut-on atteindre ?
Selon le type de technologie, les valeurs d'efficacité varient :
- Les centrales à tour solaire, qui fonctionnent à des températures comprises entre 250 et 565 °C, peuvent atteindre des rendements maximaux compris entre 23 % et 35 %. Lorsqu'elles sont combinées à des turbines à cycle combiné, elles peuvent encore améliorer leurs performances.
- Les systèmes à disque Stirling, qui fonctionnent à des températures plus élevées (550 à 750 °C), peuvent atteindre un rendement d'environ 30 %. Vous pouvez en apprendre davantage dans cet article du Département de l'Énergie des États-Unis : Moteur à parabol
Une réelle efficacité dans la vie quotidienne
Bien que ces valeurs puissent sembler élevées, en pratique l'efficacité réelle est plus faible. Cela s'explique par le fait que la quantité de lumière du soleil change au cours de la journée et de l'année.
En conséquence, l'efficacité annuelle moyenne se situe généralement entre 7 % et 20 % dans les systèmes de tours solaires et entre 12 % et 25 % dans les systèmes à disques Stirling.
Effets environnementaux
Les centrales solaires thermiques ne sont pas exemptées d'impacts environnementaux. Voici quelques-uns des effets environnementaux des centrales solaires thermiques :
- Utilisation des terres : Les centrales solaires thermiques, en particulier celles utilisant la technologie à auge parabolique ou à antennes paraboliques, nécessitent de grandes surfaces de terrain pour accueillir des réflecteurs solaires. Cela peut entraîner la transformation d'habitats naturels en zones industrielles. Dans certaines régions, l'installation de plantes sur des terres agricoles de haute qualité peut remplacer la production de nourriture et de plantes exploitables.
- Impact sur la faune : Les centrales solaires thermiques peuvent attirer des insectes, des oiseaux et d'autres animaux en raison de la chaleur générée par les réflecteurs. Cela peut augmenter le risque de collisions et de blessures pour la faune environnante, ce qui a conduit à la mise en place de mesures d'atténuation, telles que des systèmes de dissuasion contre les oiseaux.
- Consommation d'eau : Certaines centrales nécessitent de l'eau pour le refroidissement et le fonctionnement des systèmes. La consommation d'eau peut être importante, et dans les régions à pénurie d'eau, cela soulève des inquiétudes quant à la disponibilité de cette ressource vitale.
- Efficacité de conversion : L'efficacité de conversion de l'énergie solaire en électricité dans les centrales solaires thermiques peut varier et, dans certains cas, est inférieure à celle d'autres technologies solaires, telles que les panneaux photovoltaïques solaires.
- Impact visuel et paysager : Les centrales solaires thermiques, en particulier celles disposant de grands champs de miroirs ou de réflecteurs, peuvent modifier le paysage local et avoir un impact visuel significatif sur les zones environnantes.
Principales centrales solaires thermiques du monde
Ci-dessous, nous présentons une sélection de certaines des centrales solaires thermiques les plus remarquables au monde, en mettant en avant leur emplacement, leur capacité de production d'électricité et une brève description de leurs principales caractéristiques.
| Centrale solaire thermique | Emplacement | Production d'électricité (MW) | Description |
|---|---|---|---|
| Ivanpah Solar Electric | Californie, États-Unis | 392 MW | La centrale d'Ivanpah est l'une des plus grandes centrales solaires thermiques au monde, utilisant la technologie des tours solaires avec des miroirs héliostats pour concentrer la lumière du soleil sur trois tours. Elle est située dans le désert de Mojave et fournit de l'électricité à des milliers de foyers. |
| Centrale de production de Solana | Arizona, États-Unis | 280 MW | Solana est l'une des plus grandes centrales de ce type au monde et utilise la technologie de collecteur par auge parabolique avec stockage de chaleur en sel fondu. Elle fournit de l'électricité au réseau électrique de l'Arizona. |
| Centre d'énergie solaire de Crescent Dunes | Nevada, États-Unis | 110 MW | Cette centrale utilise la technologie de tour solaire avec des sels fondus comme support de stockage thermique. C'est l'une des premières centrales de ce type à stocker l'énergie à grande échelle. |
| Centrale solaire thermique de Shouhang Dunhuang | Chine | 100 MW | Cette centrale utilise des collecteurs à auge parabolique pour produire de l'électricité et dispose également d'un stockage thermique de sels fondus. C'est un projet important pour le développement de l'énergie solaire en Chine. |
| Gemme solaire | Séville, Espagne | 19,9 MW | Gemasolar est une centrale à tour solaire avec stockage de sels fondus, qui se distingue par sa capacité à produire de l'électricité 24 heures sur 24. C'est un exemple d'innovation dans la technologie de stockage d'énergie solaire. |
Clarification terminologique : centrale solaire thermique, solaire thermique et photothermique
Bien qu'ils soient souvent utilisés comme synonymes, centrale solaire thermique, centrale solaire thermique et énergie photothermique présentent certaines nuances de signification.
Le terme centrale solaire thermique désigne une installation industrielle qui exploite le rayonnement solaire pour générer de la chaleur et la transformer en énergie électrique.
Lorsque nous parlons d'une centrale solaire thermique, nous faisons généralement référence à ce même type d'usine. C'est le terme le plus courant dans le domaine de l'énergie et de la technique.
L'énergie photothermique décrit le processus par lequel le rayonnement solaire est converti en énergie thermique. En d'autres termes, il fait référence à la technologie ou au principe énergétique, plutôt qu'à l'installation elle-même.