LEÇON 4: LES CAPTEURS SOLAIRES À CONCENTRATION (CAPTEURS HT)
4.Généralités
Les technologies de l’énergie solaire concentrée suscitent de plus en plus d’intérêt depuis une vingtaine d’années afin de remplacer les technologies énergétiques conventionnelles et réduire leur impact sur l’environnement. Parmi les technologies solaires à concentration développées les plus matures sont d’une part, le concentrateur cylindro-parabolique et le concentrateur à tour solaire qui sont des technologie dominantes et d’autre part, le concentrateur à miroirs de Fresnel et le concentrateur parabolique qui sont des technologies émergentes. Ces systèmes diffèrent en fonction de la conception, de la configuration des miroirs et des récepteurs, du fluide caloporteur utilisé et si le stockage de chaleur est impliqué ou non.
Dans le cadre du développement continu de ces technologies, des efforts importants ont été déployés pour prévoir et améliorer leurs performances, et donc réduire leurs coûts et les rendre plus compétitifs. Ici nous ne considérons que ceux qui sont applicables pour des installations à moyennes et fortes puissances et qui conduisent à la production de chaleur à une température supérieure à 250˚C. Dans ces capteurs solaires HT, le rayonnement est concentré en un point ou sur une ligne, où l’énergie thermique est transmise au fluide caloporteur. L’intensité de la concentration est définie par le facteur de concentration. Plus celui-ci est élevé, plus la température atteinte sera importante .La figure ci-dessous montre les principaux systèmes solaires à concentration.
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4.1 Fonctionnement des centrales solaires thermiques à concentration
Un système solaire thermique à concentration exploite le rayonnement du Soleil tout en orientant, au moyen de miroirs, les flux de photons. Ce système thermique permet d’atteindre des niveaux de température supérieurs aux systèmes thermiques classiques non concentrés. Des panneaux réfléchissants, dits aussi “miroirs” renvoient les rayons du soleil vers un système qui contient un fluide caloporteur (généralement de l’huile synthétique, du sel fondu ou de l’eau), qui va être chauffé à très haute température. Ce fluide caloporteur est ensuite pompé et acheminé vers un échangeur qui l’utilise pour produire de la vapeur d’eau.
Il s’agit ensuite d’un processus classique, que l’on rencontre dans toutes les centrales thermiques, de production d’électricité grâce à une turbine et un alternateur. La différence entre le solaire thermique et le solaire photovoltaïques réside donc dans la manière de tirer parti des rayons du soleil.
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4.2 Les centrales à capteur cylindro-parabolique
La technologie des capteurs cylindro-paraboliques est actuellement la plus éprouvée des techniques de concentration solaire. De nombreuses installations ont déjà été testées et commercialisées, dont certaines dans les années 80. L’installation typique est constituée de trois éléments principaux : le champ solaire, le système de transfert de la chaleur et le système de génération électrique.
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L’énergie thermique reçue au collecteur est absorbée par un tuyau métallique à l’intérieur d’un tube en verre sous vide. Le fluide (huile synthétique) qui circule à l’intérieur du tuyau, est chauffé à une température d’environ 400°C. Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs conventionnels afin de produire de vapeur surchauffée qui fait fonctionner une turbine/générateur électrique. Il est important de noter que le marché solaire à concentration est dominé par la technologie cylindro-parabolique, à la fois en termes de nombre de projets et de capacité totale installée (environ 85% de la capacité).
4.3 Centrales solaires à miroirs de Fresnel
Au lieu de courber les miroirs qui est processus industriel coûteux, les miroirs de Fresnel imitent la forme cylindro-parabolique avec des miroirs très légèrement incurvés, et placés à un même niveau horizontal. Seuls les miroirs bougent, la structure et le tube absorbant sont tous deux stationnaires. Les coûts des centrales solaires à miroirs de Fresnel sont donc inférieurs à ceux des centrales à miroirs cylindro-paraboliques tant à l’installation qu’à la maintenance. La focalisation dans ce système est faible, puisque la parabole n’est pas parfaite. L’avantage est que la baisse des coûts peut compenser la dégradation de l’efficacité. Ce type de système est encore relativement peu répandu.
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4.4 La tour solaire cheminée solaire
Ce type de centrales est constitué de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudière située au sommet d’une tour. L’avantage de la tour solaire par rapport aux capteurs cylindro-paraboliques est que les pertes à l’ambiance sont inférieures car la surface exposée est limitée. Les miroirs uniformément répartis sont appelés héliostats. Chaque héliostat traque le soleil individuellement et le réfléchit en direction d’un receveur au sommet de la tour solaire. Le facteur de concentration varie de 600 à plusieurs milliers, ce qui permet d’atteindre des températures importantes, de 800 °C à 1000°C.
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4.5 Les centrales à capteurs paraboliques
Les capteurs paraboliques fonctionnent de façon autonome. Ils suivent le soleil suivant 2 axes dans le but de concentrer le rayonnement solaire au foyer de la parabole réfléchissante. Le rapport de concentration est souvent supérieur à 2000 avec une température de 750°C. De toutes les technologies de l’énergie solaire thermique (STE), les capteurs paraboliques ont le meilleur rendement thermique-électrique (29.4%). Un des principaux avantages de cette technologie est sa modularité : ils peuvent être installés dans des endroits isolés, non raccordés au réseau électrique. Ils possèdent donc également un important potentiel de développement, particulièrement dans des régions peu peuplées de certains pays du sud.
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4.6 Principales caractéristiques des dispositifs à concentration
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4.7 Avantages et inconvénients des principaux types de capteurs à concentration
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4.8 Systèmes solaires hybrides
Etant donné le caractère aléatoire de l’énergie solaire, le solaire thermique à concentration a des avantages très important par rapport aux autres énergies renouvelables le fait de pouvoir l’hybrider avec une autre source de production permet d’augmenter encore plus le facteur de concentration, car il n’est pas rentable d’investir dans un champ solaire seul avec sa turbine et son générateur électrique. L’installation est généralement hybridée, une unité auxiliaire au gaz ou au pétrole est utilisée pendant les périodes nuageuses ou en fin de journée afin d’assurer une production continue. Cette technique consiste par exemple à placer un brûleur en parallèle au champ solaire pour fournir l’énergie thermique au cycle pendant les périodes de faible ensoleillement. Un autre concept consiste à placer le brûleur en série sur le circuit primaire de façon à élever la température du fluide caloporteur.
4.9 Fluides caloporteurs
Le type de fluide caloporteur est l’un des constituants importants affectant l’efficacité du cycle de puissance et le coût d’un système solaire à concentration. Il existe certaines propriétés attendues des fluides de transfert de chaleur. Les fluides de transfert thermique doivent essentiellement avoir une faible viscosité, une capacité de stockage de chaleur élevée, une conductivité thermique élevée, un bas point de fusion, un point d’ébullition élevé, une stabilité chimique, une faible pression de vapeur à haute température, une faible corrosivité avec les alliages métalliques et un faible coût. Différents types de fluides caloporteurs sont utilisés dans les systèmes thermiques à concentration comme fluides de travail. Cependant, des recherches sont toujours en cours pour proposer de nouvelles alternatives, notamment pour remplacer les huiles thermiques qui se dégradent à des températures supérieures à 400 ° C. Chaque fluide caloporteur a ses avantages et ses inconvénients du point de vue technologique et thermo-économique. Les fluides caloporteurs potentiels peuvent être classés en six grands groupes : huiles thermiques, la vapeur d’eau, l’air et autres gaz, sels fondus les métaux liquides, et les matières organiques. Mais les trois fluides caloporteurs les plus utilisés sont la vapeur d’eau, l’air et les sels fondus.
4.10 Solaire à concentration dans le monde
La technologie de l’énergie solaire thermique (STE) également appelée énergie solaire concentrée (CSP) a connu une augmentation au cours des dernières années dans le monde. La capacité totale installée en STE à la fin de 2016 s’élevait à 4,81GW, contre 600MW à la fin de 2009. Le déploiement a eu lieu principalement dans deux pays (l’Espagne avec 2300MW et les États-Unis avec 1738MW), bien que la technologie ait également été déployée ailleurs, notamment en Inde, au Maroc, en Afrique du Sud, aux Émirats arabes unis, en Algérie, en Égypte, en Australie, en Chine et en Thaïlande. Cependant, seuls 110MW ont été ajoutés en 2016 (100MW en Afrique du Sud et 10MW en Chine). Malgré le déploiement de cette technologie, jusqu’en 2018, le solaire à concentration représentait dans le monde une puissance installée de 5,1 GW.
4.11 Le solaire thermique à concentration en France
La France est l’un des pays pionniers en solaire thermique à concentration avec le four solaire d’Odeillo et la centrale à tour Thémis. La première centrale solaire à concentration nommée THEMIS a vu le jour en 1977(inaugurée dans les années 80) à Targassonne, dans les Pyrénées Orientales. Malheureusement cette centrale a cessé son activité quelques années plus tard faute de rentabilité. À la fin des années 2000, une relance de la filière solaire s’est amorcée autour d’une feuille de route réalisée par l’ADEME en 2012. En 2019, une nouvelle centrale (le site de Llo) s’est implantée dans la région avec une capacité de 20GWh/an. Comparativement à la puissance mondiale installée du solaire thermique à concentration, la part de la France est faible soit 9,75MW (jusqu’à fin 2019). Cependant, la France continue à mener des projets de recherche autour du solaire thermique à concentration afin de développer encore plus la filière et se positionner sur un marché qui tend à devenir de plus en plus prépondérant dans les pays beaucoup plus propices.
