Le secteur allemand des centrales solaires thermiques
Les centrales solaires thermiques permettent d’exploiter l’énergie solaire dans des installations de grande envergure afin de produire de l’électricité.
Le point sur cette technologie
En principe, les centrales solaires thermiques se distinguent par rapport à leur fonctionnement avec ou sans concentration du rayonnement solaire direct. Pour les centrales cylindro-paraboliques, les centrales solaires à tour et les centrales paraboliques, le rayonnement direct est concentré par des réflecteurs.
L’énergie ainsi concentrée est transformée en vapeur, qui permet d’alimenter les générateurs électriques conventionnels.
Le champ solaire d’une centrale cylindro-parabolique comporte plusieurs rangées de capteurs d’une longueur comprise entre 20 et 150 mètres. Elles sont constituées de miroirs incurvés en forme de parabole et permettent de concentrer la lumière solaire sur un tube absorbeur se trouvant sur la ligne focale. Le rayonnement solaire concentré dans les tubes absorbeurs réchauffe l’eau à des températures atteignant environ 400 degrés Celsius grâce à un échangeur de chaleur. La vapeur d’eau ainsi produite alimente un générateur à l’instar des centrales à turbine à gaz et à vapeur. Les centrales cylindro-paraboliques, actuellement la variante la plus avantageuse en matière de production d’électricité à partir de l’énergie solaire, constituent le seul type de centrales solaires thermiques exploitées de façon concurrentielle à l’échelle mondiale. Elles génèrent de l’électricité à des prix compétitifs depuis plus de 15 ans. La dernière des neuf installations de ce type a été construite en 1991 dans le désert de Mojave, au Sud de la Californie. De telles installations ont jusqu’à présent produit 10 TWh d’électricité solaire. La mise en service de la première installation européenne est prévue pour 2009 en Andalousie, dans le Sud de l’Espagne. Trois tranches de la centrale, comportant une surface de capteurs de 512.000 mètres carrés et dont chacune est dotée d’une puissance de 50 mégawatts, permettent de fournir une électricité respectueuse de l’environnement à 200.000 personnes. Plusieurs entreprises allemandes jouent un rôle déterminant dans la planification, ainsi que dans la réalisation de cette installation.
Lors de l’essai de mise en service pratique, les capteurs dits à lentille de Fresnel font également partie intégrante du développement de miroirs cylindro-paraboliques. Les miroirs disposés en facettes concentrent ici l’énergie solaire, qui permet de réchauffer et de faire évaporer l’eau directement dans le tube absorbeur. Grâce à un réflecteur secondaire placé sur le tube absorbeur, ces installations dégagent la même puissance avec des surfaces de miroirs moins importantes. Il est ainsi possible de produire plusieurs centaines de mégawatts d’électricité.
Dans les centrales solaires à tour, le rayonnement solaire de centaines de miroirs à positionnement automatique se concentre sur un échangeur de chaleur ou sur un absorbeur central. Les températures atteignent des valeurs nettement supérieures (jusqu’à 1.300 °C) à celles obtenues avec des capteurs cylindro-paraboliques. La chaleur industrielle peut être produite à quasiment n’importe quelle température et il est également possible de l’utiliser pour des processus chimiques. En règle générale, la chaleur générée dans l’absorbeur est toutefois exploitée par une centrale à turbine à gaz ou à vapeur afin de produire de l’électricité. La première centrale solaire à tour commerciale d’Europe a été construite près de Séville en Espagne et elle produit une puissance de 11 MW. Une tour supplémentaire de 20 MW doit être érigée d’ici 2008. D’autres projets émanant d’entreprises allemandes sont en cours de planification à l’échelle internationale. En Allemagne, la construction d’une centrale solaire à tour a démarré sur le site de Jülich au milieu de l’année 2006. Sa mise en service est prévue pour 2008 et elle est censée produire une puissance de 1,5 MW.
Dans le cas des centrales paraboliques, un réflecteur parabolique pivotant à deux axes reflète le rayonnement solaire sur un récepteur de chaleur installé au cœur de la centrale. Ce type de centrale enregistre des températures jusqu’à 1.000 degrés Celsius. Le fioul, dont la chaleur permet de produire de la vapeur d’eau alimentant les turbines du générateur électrique, sert par exemple de moyen de transmission pour de telles températures. La puissance électrique de chaque réflecteur oscille entre 10 et 15 kilowatts par installation, et ce de la même façon pour des structures plus importantes.
Pour les systèmes dits Dish-Stirling, un moteur Stirling, qui transforme directement l’énergie thermique en travail mécanique ou en électricité, est monté en aval du récepteur de chaleur (une cuvette dans ce cas-là). Il est ici possible d’atteindre des rendements dépassant 30 %. Il existe, par exemple, des installations prototypes sur la Plateforme solaire d’Almería en Espagne. Ces installations fonctionnent comme des systèmes autonomes. Elles offrent également la possibilité de relier plusieurs installations dans un «parc» et de couvrir ainsi une demande comprise entre 10 kW et plusieurs MW.
Les centrales solaires thermiques sans concentration du rayonnement direct constituent une autre variante technique. Dans une cheminée solaire, l’air est chauffé par le rayonnement du soleil sous une grande surface couverte. Cette surface est reliée à une cheminée centrale de manière à garantir une étanchéité à l’air. Les grilles de ventilation situées à la base de la cheminée permettent à l’air chauffé de s’élever à l’intérieur de celle-ci. Ce courant d’air chaud ascendant fait tourner une ou bien plusieurs turbines, ainsi que le générateur couplé à celles-ci, qui transforme l’énergie cinétique en courant électrique. Un taux de rendement inférieur d’environ 1 % correspond à l’effort technologique inférieur requis par ce type d’installations. D’après les planificateurs allemands, la construction d’une cheminée solaire dotée d’une puissance de 200 MW doit être achevée en Australie d’ici 2008.
Conditions générales
- Coûts de l’électricité des systèmes héliothermiques en tant que fonction de la capacité installée cumulée
SEGS représente 9 centrales à concentrateurs cylindro-paraboliques construites entre 1984 et 1991 dans le désert de Californie. Puissance totale : 354 MWe
AndaSol: projet de centrale à concentrateurs cylindro-paraboliques d’une puissance de 50 MW chacun en Espagne (début de la construction en 2005)
Étant donné que le gouvernement allemand encourage la construction de centrales solaires thermiques depuis plusieurs années, l’Allemagne est devenue le leader mondial en matière de recherche et développement pour cette technologie. Tous les composants essentiels, tels que, par exemple, les miroirs de précision pour centrales cylindro-paraboliques, sont livrés depuis l’Allemagne. Le développement et la réalisation de divers projets pionniers relatifs à ces centrales (sous la direction ou avec la participation de l’Allemagne) ont permis de rassembler des expériences précieuses. La promotion de la technologie en matière de centrales solaires thermiques s’est à présent améliorée de façon considérable dans de nombreuses autres régions du monde. Il est également possible d’utiliser désormais des centrales solaires thermiques 24 heures sur 24 grâce à des systèmes sophistiqués d’accumulateurs de chaleur. Une recherche approfondie dans le domaine des accumulateurs de chaleur s’avère par conséquent très rentable. La possibilité de combiner simplement de telles installations à des centrales conventionnelles constitue un atout supplémentaire.
Perspectives
Les centrales solaires thermiques joueront un rôle important à l’avenir en matière d’approvisionnement en énergie à l’échelle mondiale. Les prévisions actuelles à l’horizon 2050 laissent entrevoir que 15 % des besoins en énergie électrique de l’Europe pourraient être satisfaits par des centrales solaires installées en Afrique du Nord et au Moyen-Orient. Un transport d’énergie plus efficace serait également envisageable si des infrastructures de distribution adéquates étaient réalisées. Il est possible de distribuer l’énergie dans le monde entier sous forme d’hydrogène. Aujourd’hui, nombreux nouveaux projets sont déjà en cours de planification ou de construction sous la direction ou avec la participation d’entreprises allemandes, notamment dans le Sud-Ouest des Etats-Unis, en Afrique du Nord ainsi qu’en Espagne.
