Le secteur allemand des centrales solaires thermiques
Les centrales solaires thermiques exploitent l’énergie du soleil dans de grandes installations pour produire de l’électricité.
Le point sur cette technologie
Au cours d’essais pratiques, les capteurs dits de Fresnel se sont avérés être d’excellents perfectionnements des miroirs cylindro-paraboliques. Des miroirs disposés en facette concentrent ici l’énergie solaire qui chauffe directement l’eau dans le tube absorbeur et produisant ainsi son évaporation évaporer. Ces installations peuvent produire la même puissance avec des surfaces de miroir plus petites mais grâce à un miroir secondaire placé au-dessus du tube absorbeur.
Dans les centrales solaires de type tour, le rayonnement solaire de centaines de miroirs se positionnant automatiquement se concentre sur un échangeur thermique/absorbeur central. Les températures atteignent des valeurs nettement plus élevées (jusqu’à 1.300 °C) que celles obtenues avec des capteurs cylindro-paraboliques. Une chaleur industrielle peut être produite à presque n’importe quelle température et utilisée pour réaliser des processus chimiques. En général, la chaleur produite dans l’absorbeur est, cependant, exploitée pour générer de l’électricité par l’intermédiaire d’une centrale à turbine à vapeur ou à gaz. La première centrale solaire de type tour commerciale en Europe a été construite en 2006 près de Séville en Espagne et produit une puissance de 11 MW. Une autre tour de 20 MW sera érigée d’ici à 2008. Des entreprises allemandes planifient d’autres projets au niveau international. En Allemagne, la construction d’une centrale solaire de type tour a démarré au milieu de l’année 2006 sur le site de Jülich. Cette centrale utilisera un réservoir pour compenser les fluctuations de puissance au niveau du rayonnement solaire. Cette solution confère une plus grande autonomie à la production d’électricité face au rayonnement solaire et est orientée vers la consommation. Les expériences réalisées au cours de la construction et de l’exploitation de cette centrale unique au monde représentent la base du travail d’optimisation pour les projets futurs.
Dans le cas des centrales paraboliques, un miroir parabolique pivotant sur deux axes reflète les rayons du soleil sur un récepteur de chaleur installé en pleine ligne focale. Des températures jusqu’à 1.000 degrés Celsius °C sont générées ici. Le fluide de transmission pour ces températures est, par exemple, le fioul dont la chaleur permet de produire ensuite de la vapeur d’eau qui pour sa part entraîne alors les turbines dans le générateur d’électricité. La puissance électrique des différents miroirs est de l’ordre de 10 à 50 kilowatts par installation, ceci étant aussi valable pour de plus grands ensembles.
Dans le cas des installations dites dish-stirling, un moteur Stirling est placé en aval du récepteur thermique, dans ce cas une parabole; ce moteur transformant directement l’énergie thermique en travail mécanique ou électricité. Il est possible ici d’obtenir des rendements supérieurs à 30 pour cent %. Il existe par exemple des prototypes de ce système sur la Plate-forme Solaire à Almeria/Espagne. Ces installations fonctionnent très bien comme systèmes autonomes. Ici aussi il est possible de relier plusieurs installations individuelles sous forme de «parc» et de couvrir ainsi des besoins entre 10 kW et plusieurs MW.
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.
Perspectives
Le gouvernement fédéral allemand encourage le développement de centrales solaires thermiques depuis plusieurs années et l’Allemagne est le leader mondial en matière de recherche et développement de cette technologie. Tous les composants essentiels tels que les miroirs de précision pour les centrales cylindro-paraboliques sont développés et produits en Allemagne. De précieuses expériences ont été réalisées au cours de la construction et de l’exploitation de différents projets pilotes de ce type de centrale – sous la direction allemande ou avec une participation allemande. Les centrales solaires thermiques peuvent être utilisées 24 heures sur 24 grâce à des systèmes d’accumulateurs thermiques ingénieux. Actuellement différentes méthodes d’accumulation sont étudiées en Allemagne ainsi que des méthodes efficaces visant à les combiner avec des centrales thermiques conventionnelles.
Les centrales solaires thermiques joueront à l’avenir un rôle important dans l’approvisionnement en énergie dans le monde entier. Des études ont montré qu’en 2050, 15 pour cent env. des besoins en énergie électrique en Europe pourraient être couverts par des centrales solaires situées en Afrique du Nord et au Moyen-Orient. Ceci ne sera possible que si une infrastructure de distribution de l’électricité adaptée existe et que des règles claires ont été définies pour l’approvisionnement du réseau de courant public.
Les centrales solaires thermiques sans focalisation du rayonnement direct en sont une variante technique. Dans une centrale dite à ascendance thermique, l’air est échauffé par le rayonnement du soleil sous une grande surface couverte d’un toit. Une cheminée plantée au milieu est reliée de façon hermétique à cette surface. L’air chauffé entre au bas de la cheminée par des fentes d’aération et monte à l’intérieur de la cheminée. Ce courant d’air ascendant entraîne une ou plusieurs turbines éoliennes et le générateur qui y est couplé; ce dernier transforme l’énergie cinétique en courant électrique. Une centrale à ascendance thermique d’une puissance de 200 MW érigée selon les plans d’ingénieurs allemands sera achevée d’ici à 2008 en Australie.
Actuellement de nombreux nouveaux projets sont déjà en phase de planification et de construction sous la direction ou avec la participation d’entreprises allemandes, notamment dans le sud-ouest des États-Unis, en Afrique du nord et en Espagne.
