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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

23. Solaire à concentration : chaleur, électricité et combustibles de synthèse

Gilles Flamant et Alain Dollet

Texte intégral

Principe et applications

1Le solaire à concentration consiste à accroître la densité de flux d’énergie (en W/m2) reçue par une surface par rapport au rayonnement solaire incident grâce à des miroirs (concentration par réflexion) ou des lentilles (concentration par réfraction). Ainsi le facteur de concentration géométrique est le rapport de la surface de captation sur la surface de réception (en admettant que cette dernière est égale à la surface de la zone focale, c’est-à-dire de la zone située entre le système optique et le foyer). La concentration permet donc de réduire la taille des absorbeurs* et d’augmenter la température de fonctionnement des systèmes.

2Les applications – électricité, chaleur industrielle, combustibles de synthèse – dépendent du système de conversion placé au foyer du dispositif optique de concentration. L’utilisation de cellules photovoltaïques (PV) spécifiques à haut rendement permet de produire de l’électricité directement sans passer par la chaleur (PV sous concentration ou CPV, voir encadré). Les absorbeurs solaires thermiques (ou récepteur solaires) permettent de produire de la chaleur à des niveaux de température compris entre 200 °C et 2 000 °C environ, qui peut ensuite être valorisée dans un procédé industriel (vapeur par exemple) ou transformée en électricité grâce à des cycles thermodynamiques (transformation chaleur – travail mécanique). Enfin la chaleur solaire peut être transformée en énergie chimique (conversion thermochimique) afin de produire des combustibles de synthèse tels que l’hydrogène ou le gaz de synthèse (mélange H2 + CO). Cette dernière voie permet le stockage à long terme de l’énergie solaire et son utilisation dans les transports (après conversion du gaz de synthèse en combustibles liquides). La suite sera essentiellement consacrée à la conversion en électricité par centrale solaire thermique.

Technologies et atouts

3Les technologies de concentration par miroirs mobiles propices au développement industriel peuvent être classées en deux catégories : les systèmes à concentration linéaire et les systèmes à concentration ponctuelle. Pour chacune de ces catégories deux configurations sont possibles ; foyer fixe ou foyer mobile (figure 1). Toutes ces technologies à concentration mettent en œuvre un suivi du mouvement du Soleil. La concentration linéaire ne nécessite qu’un suivi angulaire tandis que la concentration ponctuelle en nécessite deux, le dispositif résultant est dénommé « héliostat* ». Ces catégories se distinguent également par le facteur de concentration atteignable, de l’ordre de 100 pour les concentrateurs linéaires et de l’ordre de 1 000 à 10 000 pour les concentrateurs ponctuels ; ce qui correspond à des domaines de température de fonctionnement différents : environ 200 °C - 500 °C et 400 °C – 1 500 °C respectivement. Il faut ajouter à ces quatre systèmes de concentration par simple réflexion les fours solaires, qui utilisent le principe de la double réflexion permettant de séparer les fonctions de suivi du Soleil et de concentration, et de mettre en œuvre un foyer fixe. Les fours solaires sont des outils de recherche et développement très flexibles pour les chercheurs.

Fig. 1 – Les technologies de concentration

4Les concentrateurs ne permettent de valoriser que la fraction directe du rayonnement solaire, ce qui limite les zones géographiques d’utilisation à grande échelle de ces systèmes aux régions où l’éclairement solaire* direct (DNI en anglais) est compris entre 2 000 et 3 000 kWh/m2/an (en Europe, ce niveau est atteint au sud de l’Espagne). Par contre, les atouts principaux du solaire à concentration sont la capacité à intégrer des stockages thermiques de grande capacité et à être hybridé avec d’autres sources d’énergie primaire* thermique tels que les combustibles fossiles ou issus de la biomasse. Enfin, on peut concevoir aisément des systèmes valorisant complètement l’énergie solaire grâce à la cogénération*. La figure 2 montre les principaux sous systèmes (composants) d’un dispositif de conversion de l’énergie solaire concentrée. Rappelons qu’une centrale solaire thermique (ou thermodynamique) transforme la chaleur absorbée par le récepteur solaire en électricité via un cycle thermodynamique utilisant la vapeur comme fluide caloporteur (l’eau se vaporise à la source chaude puis se condense à la source froide) ou un gaz permanent comme l’air ou l’hélium.

Fig. 2 – Système complet de conversion de l’énergie solaire concentré

Développement industriel

5Les technologies à concentration sont moins matures que les technologies photovoltaïques (respectivement 2 GWél et 100 GWél de puissance électrique installés dans le monde fin 2012) mais leurs prévisions de développement industriel sont très importantes. Les scénarios énergétiques* de l’AIE prévoient une contribution égale de l’électricité photovoltaïque et thermodynamique (solaire concentré) au bilan énergétique mondial en 2050 (environ 25 % de la production d’électricité pour l’ensemble des deux technologies). Les centrales solaires actuelles ont un rendement annuel de conversion énergie solaire – électricité d’environ 15 % et un rendement nominal* de 20 %. Leur puissance varie typiquement de 10 MWél à 125 MW él mais des unités de 250 MWél sont en projet. Pour des raisons historiques, les centrales en fonctionnement utilisent très majoritairement la technologie des concentrateurs cylindro-paraboliques. Dans ce cas, la centrale de référence a une puissance de 50 MWél et un stockage de 7,5 heures à pleine puissance ce qui lui permet de produire de l’électricité pendant le pic de demande du soir et d’atteindre un facteur de charge* d’environ 50 % (production à pleine puissance pendant plus de 4 000 heures dans l’année). Le fluide caloporteur est de l’huile organique*, le stockage est réalisé avec un sel fondu* et le cycle à vapeur a un rendement de 38 %. Cette situation évolue rapidement en faveur des centrales à tour qui permettent d’améliorer les rendements de conversion et l’efficacité du stockage thermique. Dans ce type de centrale, le fluide caloporteur est soit un sel fondu, soit de la vapeur, et les températures de fonctionnement atteignent 550 °C (rendement du cycle thermodynamique d’environ 42 %). Les développements de la technologie Fresnel linéaire se poursuivent en parallèle avec des acteurs industriels français de premier plan. Par ailleurs, le marché des systèmes solaires à concentration se développe très activement dans le domaine des centrales hybrides solaire – combustibles fossiles qui permettent d’injecter une fraction (minoritaire mais significative) d’énergie solaire dans une centrale à gaz ou à charbon.

LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE SOUS CONCENTRATION (CPV)
La concentration du rayonnement solaire n’est pas seulement utilisée pour convertir la chaleur en électricité par voie thermodynamique, elle permet également d’augmenter l’efficacité de la conversion photovoltaïque. Placée au foyer d’un concentrateur (parabole, lentille de Fresnel), une cellule solaire capte un flux de photons plus important avec pour conséquence une intensité de courant multipliée par le facteur de concentration. L’intégration de cellules solaires de petites dimensions sur des dissipateurs à haute conductivité thermique permet en principe une bonne évacuation de l’énergie solaire non convertie qui est transformée en chaleur. Un autre avantage induit par la concentration du rayonnement est l’augmentation de la tension aux bornes de la cellule, et par voie de conséquence, de son rendement de conversion.
Cette technique a été expérimentée avec succès dans les années 1970, mais n’a pas connu d’essor industriel en raison du coût trop important de l’électricité produite. Les cellules au silicium cristallin utilisées ne présentaient pas un rendement suffisamment élevé pour compenser le surcoût important du système de concentration et suivi solaire. On utilisait alors une concentration de l’ordre de 100 à 200 Soleils. La situation a évoluée à partir du milieu des années 1990, avec l’apparition sur le marché de cellules multi-jonctions (cf. V.21) du type « arséniure de gallium » constituées d’un assemblage monolithique de couches minces comportent en fait plusieurs cellules connectées en série, convertissant chacune une fraction du spectre solaire. La première jonction convertit uniquement les photons les plus énergétiques (dans l’UV et le bleu) et reste transparente aux photons d’énergie un peu plus basse qui sont transmis puis convertis dans la jonction suivante, etc. On réalise aujourd’hui des cellules solaires à 3 jonctions présentant un rendement de conversion sous concentration de 44 % (record mondial établi en 2012). Ces cellules sont très chères (de l’ordre de 50 000 $/m2), mais avec un facteur de concentration de 1 000 par exemple, on réduit d’un même facteur la part du prix du kW lié à la cellule. Une cinquantaine de fabricants se disputent aujourd’hui le marché émergeant du CPV, avec des systèmes fonctionnement typiquement à 500 - 700 Soleils et présentant un rendement de conversion global voisin de 30 % (pertes optiques, thermiques…). En 2012, la puissance électrique du parc mondial CPV installé n’était encore que d’une centaine de MW, en raison de coûts supérieurs de 30 à 50 % à ceux des technologies PV silicium* ou en couches minces, mais les perspectives de baisse des coûts sont importantes et la filière CPV est déjà perçue comme la future concurrente des filières PV traditionnelles dans les pays à fort enSoleillement direct.

Recherche

6Les recherches en cours au plan mondial et au plan national visent à réduire les coûts et à accroître la flexibilité des centrales grâce au stockage et à l’hybridation*. Les composants critiques sont : le système de concentration, le récepteur solaire et le dispositif de stockage. Une voie essentielle de réduction des coûts est l’accroissement des rendements de conversion (s’il se fait sans augmentation notable du coût des composants) qui peut être obtenu par l’augmentation de la puissance des turbines et de la température des cycles thermodynamiques. Dans ce dernier domaine les cibles à moyen terme et long terme sont les cycles CO2 supercritiques (s-CO2) et les cycles combinés qui permettraient d’atteindre des rendements thermodynamiques de 52 % (750 °C) et 60 % (1 200 °C) respectivement. Ainsi le potentiel de gain de rendement des centrales solaires atteint les 50 % (de 20 % à 30 %).

7La production de combustibles de synthèse est également un enjeu majeur pour la recherche. Il s’agit de produire des vecteurs énergétiques gazeux (hydrogène ou gaz de synthèse) ou liquides (à partir du gaz de synthèse) par transformation thermochimique de l’énergie solaire. Deux grandes voies sont possibles : (1) le reformage* et la gazéification des matériaux carbonés, l’énergie solaire fournie la chaleur de réaction qui est produite par combustion dans les procédés classiques (soit environ 30 % du contenu énergétiques des produits) ; (2) la décomposition de l’eau et du dioxyde de carbone par cycles thermochimiques. Ces cycles mettent en œuvre des couples rédox* à deux étapes. À haute température (1 400 °C – 1 600 °C, étape solaire endothermique) l’oxyde est réduit et il y a un dégagement d’oxygène ; le matériau réduit (métal ou sous-oxyde) réagit ensuite dans une seconde étape avec la vapeur d’eau ou le dioxyde de carbone pour régénérer l’oxyde initial et produire de l’hydrogène ou du monoxyde de carbone respectivement (entre 500 °C et 1 000 °C, étape exothermique). Finalement il n’y a pas de consommation de matière sauf H2O et CO2.

Bibliographie

Références bibliographiques

• G. FLAMANT – Les fours solaires, les Techniques de l’Ingénieur, 2008.

• IEA Technologies Roadmap – Concentrating Solar Power, 2010.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Les technologies de concentration
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11073/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 665k
Légende Fig. 2 – Système complet de conversion de l’énergie solaire concentré
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11073/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 234k

Auteurs

Ingénieur ENSCP, Directeur de Recherche au CNRS, Directeur du Laboratoire PROMES, Font-Romeu.
gilles.flamant@promes.cnrs.fr

Directeur de Recherche au CNRS, Laboratoire PROMES, Odeillo et Perpignan.
dollet@univ-perp.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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