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Solaire à concentration : fonctionnement des centrales solaires thermiques

par Béatrice

Cette technologie vous parle peut-être, les centrales thermiques à concentration se développent un peu partout sur le globe. Particulièrement aux États-Unis et en Espagne (80% du marché). Capables de produire une grande quantité d’électricité, elles ont un grand intérêt au niveau industriel, agricole ou encore pour la gestion du patrimoine. Le Gouvernement français a d’ailleurs décidé, dans son plan “Place au soleil” de faire la part belle au solaire thermique et particulièrement aux centrales thermiques. Comment fonctionne une centrale solaire thermique, quels sont les différents enjeux du solaire à concentration, on vous dit tout ! 

centrales solaires thermiques

Fonctionnement des centrales solaires thermiques

Une centrale thermique exploite le rayonnement du soleil grâce à des miroirs qui orientent le flux de photons. Ce qui lui permet une grande performance, et lui apporte des résultats bien supérieurs à ceux des systèmes thermiques classiques. Une centrale thermique est composée de quatre éléments : 

  • De miroirs : qui vont concentrer le rayonnement solaire
  • D’une chaudière : qui va, grâce à la vapeur d’eau, entraîner la turbine
  • De turbine : qui va alimenter l’alternateur en sortie de la centrale
  • D’un alternateur : qui va convertir la chaleur des miroirs en électricité (produit le courant alternatif)

Grâce à ces éléments, la centrale solaire permet de récupérer de la chaleur avec laquelle elle générera de l’électricité. Les centrales ne fonctionnent qu’avec des températures très élevées. C’est pour cela qu’il faut concentrer les rayons du soleil, d’où la création de centrales. Il existe différents types de centrales thermiques :

  • Les miroirs cylindro-paraboliques : le tube absorbe et chauffe le fluide tout en suivant la courbe du soleil
  • Les miroirs de Fresnel : les miroirs incurvés sont installés à l’horizontale pour suivre les rayons du soleil
  • Les tours solaires : un champs de miroirs est installé au sol et suit le mouvement du soleil puis ils envoient les rayons du soleil dans la chaudière thermique située dans la tour

Pour aller plus loin, voici les différentes typologies de centrales solaires thermiques à concentration que vous pouvez trouver :

schéma typologie centrales solaires thermiques

Source: AIE (l’Agence Internationale de l’Energie)

Le stockage des centrales solaires thermiques

A la différence du stockage thermique classique, les centrales solaires thermiques sont capables de stocker de l’énergie sur plusieurs heures voire encore bien davantage et même plusieurs mois. Ce qui fait que ces installations ont un fort potentiel pour les installations tertiaires et industrielles. En effet, les centrales solaires thermiques peuvent stocker de la chaleur en période de faible demande d’électricité. Ce stockage de chaleur permet ainsi d’optimiser le dimensionnement des centrales solaires thermiques selon la demande et en cas d’extension de réseaux existants par exemple. 

solaire à concentration

Les avantages des centrales solaires thermiques

Le soleil ressource de choix pour les centrales thermiques

Les centrales thermiques utilisent l’énergie solaire pour son fonctionnement. Non polluante, propre, c’est une énergie très intéressante qui a de beaux jours devant elle ! Avec le développement des technologies, on peut espérer que les centrales thermiques se développent davantage les années à venir. D’autre part, les centrales bénéficient d’un rendement énergétique très élevé. En produisant de grandes quantités d’énergie et d’électricité, cela rend le solaire à concentration très avantageux. L’énergie produite étant assez importante, ces centrales sont raccordées sur des lignes haute tension dans le but de vendre l’électricité sur le réseau. On pourrait envisager l’autoconsommation de cette électricité mais il faudrait une consommation industrielle pour rendre l’opération intéressante.

Le solaire thermique fonctionne à la chaleur contrairement au photovoltaïque qui produit de l’électricité à partir de la lumière. S’il fait trop chaud, le photovoltaïque perd de son rendement, ce qui n’est pas le cas du solaire thermique qui est conçu pour encaisser et convertir la chaleur. Ainsi dans les pays trop chauds et désertiques, le solaire thermodynamique va être plus rentable que du photovoltaïque.

Le pilotage des centrales thermiques

C’est un élément très séduisant des centrales thermiques. En effet, la capacité de stockage du solaire à concentration permet de rendre la production pilotable. C’est-à-dire que ses composants (miroirs et moyens de stockage) peuvent être spécifiquement optimisés en fonction de leur apport souhaité au réseau électrique. Il est ainsi possible de produire quand il y a moins de soleil, et ce, de manière stable contrairement aux panneaux photovoltaïques avec batterie de stockage qui ne peuvent que très rarement fonctionner toute la nuit.

Il suffira d’avoir un réseau souterrain pour stocker l’eau qu’on a fait chauffer en journée. Quand la production d’eau chaude baisse, comprenez à la tombée du soir et la nuit, on peut toujours tirer de l’électricité de l’eau chaude stockée en dessous de la centrale. Certaines centrales thermodynamiques sont ainsi conçues pour pouvoir produire de l’électricité 24h/24. 

centrale solaire dans le monde

Les centrales solaires thermiques à concentration à travers le monde

Comme nous l’avons évoqué précédemment, les centrales thermiques se trouvent généralement en Espagne ou aux États-Unis. Cependant, il en existe également en France comme celle appelée eLLO, dans la ville de Llo en Cerdagne. Petit tour d’horizon des centrales dans le monde.

eLLO, la centrale solaire thermique française

Cette centrale est en activité depuis 2018 dans la région de Cerdagne. Bénéficiant d’une situation géographique optimale, (climat sec, très bon ensoleillement et altitude élevée), cette centrale est de type linéaire Fresnel. Ainsi, 153 300 m2 de miroirs couvrent 33 hectares et suivent la courbe du soleil afin de produire de la vapeur d’eau. Elle bénéficie d’un stockage thermique de pointe qui lui permet de produire de l’électricité même lorsque les conditions météorologiques ne le permettent pas. C’est la première centrale solaire thermodynamique du monde à stocker son énergie. La puissance électrique de cette centrale solaire thermodynamique est de 9 MW. Il faut noter que cette centrale est une vitrine française de son savoir-faire afin de potentiellement intégrer le marché international et notamment les zones désertiques comme le Moyen-Orient, l’Afrique ou encore le sud des États-Unis. 

Du côté de l’Espagne…

L’Espagne est une zone stratégique pour le solaire thermodynamique. C’est le premier producteur d’électricité avec la technique des centrales solaires thermiques à concentration. Le pays a d’ailleurs été pionnier dans le solaire thermodynamique à concentration. En effet on trouve plusieurs raisons à cela, tout d’abord les conditions météorologiques optimales de la région, puis les politiques de soutien aux énergies renouvelables, et particulièrement au solaire depuis 2004. La centrale Solaben est située dans la province de Cáceres à Logrosán précisément et utilise la technologie de miroirs cylindro-paraboliques. Plusieurs extensions de la centrales ont été réalisées depuis sa construction en 2012. Cette centrale est une des plus grandes du monde avec une puissance de 200 MW

…des États-Unis

Placés à la deuxième place des producteurs d’électricité par les centrales solaires à concentration, les États-Unis comptent sur leur territoire cinq des plus importantes centrales solaires à concentration thermique du monde. La centrale solaire Ivanpah est la plus importante centrale à concentration solaire des États-Unis. Située entre le Nevada et la Californie, dans le désert de Mojave, cette centrale solaire thermodynamique en fonctionnement depuis 2014 a une capacité de 392 MW et est composée de 173 500 miroirs héliostats. 

…et du Maroc

Le Plan Solaire Marocain a permis au solaire à concentration de se développer avec notamment la construction de la centrale Noor. En effet, comme en France, le Maroc a décidé de fixer un objectif de fourniture d’électricité à partir des énergies renouvelables (de 42%). Mise en service en février 2016 près de Ouarzazate, cette centrale thermodynamique utilise la technologie cylindro-parabolique. La centrale s’étend sur 480 hectares de miroirs pour une capacité totale de 160 MW. Depuis cette première centrale à concentration, des projets d’agrandissement de cette centrale ont vu le jour avec Noor II, III et IV. Un projet ambitieux qui requiert une collaboration internationale. 

Les centrales solaires thermiques à concentration présentent un avantage certain lorsqu’il s’agit de produire de grandes quantités d’électricité. Cependant, on l’a vu, ce genre de centrale doit bénéficier d’une localisation optimale. En effet, si des centrales existent en France, les plus rentables économiquement et techniquement se trouvent dans les régions du globe  fortement ensoleillées. On remarque très facilement les écarts de production entre les centrales françaises et les centrales américaines ou espagnoles. 

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