Les centrales solaires thermiques exploitent l’énergie du soleil dans de grandes installations pour produire de l’électricité. L’Allemagne est le leader mondial en matière de recherche et développement de cette technologie. De précieuses expériences ont été acquises au cours de la construction et de l’exploitation de différents projets pilotes de ce type de centrale, que ce soit sous une direction allemande ou avec une participation allemande.

Aperçu de cette technologie

Le principe de base commun à toutes les centrales solaires thermiques, est l’utilisation de systèmes de miroirs paraboliques à concentration, dans ce que l’on appelle des champs solaires de grande superficie, qui concentrent les rayons du soleil sur un récepteur. Le rayonnement concentré est ainsi transformé, en énergie thermique, à des températures comprises entre 200 et plus de 1 000 degrés (en fonction du système). Cette énergie thermique peut être transformée en électricité, comme dans une centrale conventionnelle, par le biais de turbines à vapeur et de turbines à gaz, mais peut également être utilisée, le cas échéant, pour d’autres processus industriels, par ex. pour la déminéralisation de l’eau, le refroidissement ou, dans un futur proche, pour la génération d’hydrogène.

Les centrales solaires thermiques se distinguent également par la possibilité de stocker la chaleur produite de manière relativement simple et avantageuse au niveau des coûts, ce qui permet de générer également de l’électricité en soirée ou la nuit. Les centrales peuvent ainsi contribuer de manière décisive à une production d’électricité planifiable et orientée vers les besoins, dans le cadre futur d’une offre combinée de génération de courant, comprenant une grande part d’énergies renouvelables.

On distingue quatre différentes configurations de systèmes de miroirs à concentration :
les systèmes à concentration en ligne, tels que les capteurs cylindro-paraboliques ou les capteurs à lentille de Fresnel, et les systèmes à concentration en points, tels que les centrales à tour, ou les centrales à capteurs paraboliques. Tous les systèmes doivent suivre le mouvement du soleil afin de pouvoir concentrer les rayonnements directs. Les types de centrales qui se basent sur ces principes sont décrits brièvement ci-après.

Le champ solaire d’une centrale à miroirs cylindro-paraboliques contient de nombreuses rangées parallèles de capteurs, formés de miroirs disposés en forme de parabole, qui concentrent la lumière du soleil sur un tube récepteur disposé le long de ligne focale et génèrent, ici, des températures avoisinant les 400 °C. Le fluide caloporteur (huile synthétique) évacue la chaleur et génère dans un échangeur thermique de la vapeur d’eau, à une température d’environ 390 °C, qui entraîne, à l’instar des centrales conventionnelles, une turbine à vapeur et un générateur pour la production d’électricité.

Ce que l’on appelle les capteurs à lentille de Fresnel sont également testés en pratique. Dans ces systèmes, de longs miroirs plans, légèrement curvilignes, concentrent le rayonnement solaire dans un tube récepteur déterminé, où l’eau est directement réchauffée et évaporée. En raison du concept de base très simplifié par rapport aux systèmes dotés de miroirs cylindro-paraboliques, les frais d’investissement relatifs à la surface des miroirs sont plus faibles, mais le rendement annuel, en comparaison, est toutefois plus faible également.

Dans les centrales solaires à tour, le rayonnement solaire de centaines de miroirs à positionnement automatique se concentre sur un seul point, situé au niveau d’un absorbeur central au sommet d’une tour. Ainsi, les concentrations nettement supérieures à celles obtenues avec des capteurs cylindro-paraboliques par exemple, génèrent des températures plus élevées pouvant dépasser 1 000 °C. Ceci permet d’obtenir des rendements plus élevés, en particulier lors d’une utilisation par le biais de turbines à gaz, ce qui devrait entraîner, par conséquent, une baisse des coûts d’électricité.

Dans les systèmes de centrales à capteurs paraboliques, un miroir de forme paraboloïde concentre le rayonnement solaire sur thermorécepteur, associé à un moteur Stirling monté en aval, qui transforme directement l’énergie thermique en travail mécanique ou en électricité. Ceci permet d’atteindre un rendement supérieur à 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 au sein d’un « parc » et de couvrir ainsi une demande comprise entre dix kW et plusieurs mégawatts (MW).