Les centrales solaires thermodynamiques

Publié le 21.04.2017

Lycée

Physique - chimie

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Les centrales thermodynamiques concentrent le rayonnement solaire pour produire de la à très haute température puis de l’électricité. Elles diffèrent donc des centrales photovoltaïques qui utilisent l’énergie lumineuse du soleil pour générer directement de l’électricité grâce à des cellules photosensibles.

Shams 1 est l'une des plus grandes centrales à solaire concentré au monde

392 MW : 
la puissance installée de la plus grande centrale solaire thermodynamique, celle d’Ivanpah, en Californie.

Le principe d’une centrale thermodynamique est de concentrer, grâce à des miroirs réfléchissants, les rayonnements solaires sur un pour le chauffer. Ce fluide à haute température, qui peut être de l’air, de l’eau liquide, des huiles, des sels fondus, des liquides organiques comme le butane ou le propane, transmet sa chaleur à un circuit d’eau qui génère de la vapeur et entraîne une turbine pour produire de l’électricité.

Selon le mode de concentration du rayonnement solaire, il existe plusieurs types de centrales, notamment :

Les centrales à tour : des centaines ou des milliers de miroirs placés au sol, appelés héliostats, orientent les rayons solaires vers le sommet d’une tour, qui peut dépasser 200 mètres de haut. Les héliostats sont orientables afin de suivre la course du soleil tout au long de la journée. En haut de la tour, un absorbeur, où circule le fluide caloporteur (généralement des sels fondus), transforme le rayonnement en chaleur à haute température. Ces centrales nécessitent un fort ensoleillement et une grande surface au sol. La technologie est utilisée par exemple dans la centrale d’Ivanpah, en Californie (392 MW, 173 500 héliostats).
Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques : des alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques concentrent les rayonnements sur un tube horizontal placé au-dessus de chacun, où circule le fluide caloporteur. Les miroirs tournent autour d’un axe horizontal pour suivre la course du soleil. La température du fluide peut monter jusqu’à 500°C. Comme les centrales à tour, elles sont adaptées aux grands espaces des régions très ensoleillées. Cette technologie est notamment utilisée dans la centrale de Shams, aux Émirats Arabes Unis (100 MW, 258 000 miroirs paraboliques, 2,5 km²) ou dans celle de Noor 1 au Maroc (160 MW, 500 000 miroirs, 4,8 km², soit 600 terrains de football).
Les centrales à miroirs de Fresnel : des miroirs plats et allongés, placés à l’horizontal et orientables, collectent le rayonnement solaire. Celui-ci est renvoyé sur un tube horizontal placé au-dessus des miroirs et parallèlement à eux. Dans ce tube, le fluide caloporteur est chauffé jusqu’à 500°C. Le nom du système vient du savant français du début du XIX^e siècle, Augustin Fresnel, qui inventa la lentille épaisse qui équipe les phares. Les miroirs plats sont bien meilleur marché que les miroirs paraboliques mais les performances optiques plus faibles. La technologie est par exemple utilisée dans la centrale Alba Nova à Ghisonaccia, en Corse (12 MW).
Les centrales à collecteur parabolique : ressemblant à une parabole de réception satellitaire, un grand miroir parabolique orientable dirige les rayons du soleil vers un point de convergence (placé au foyer de la parabole). En ce point, est installé un moteur Stirling¹ qui fonctionne grâce à la montée en pression d’un gaz contenu dans une enceinte fermée. La température peut atteindre 1 000°C sur le récepteur. Il s’agit de petites unités indépendantes, donc de peu d’encombrement. La performance de l’ensemble est étroitement liée à la qualité optique de la parabole et au rendement du moteur Stirling. Par exemple, 60 capteurs paraboliques forment un parc près de Phoenix dans l’État de l’Arizona (1,5 MW).

Les centrales solaires thermodynamiques produisent de la chaleur qui est ensuite transformée en électricité.

Un coût élevé mais des capacités de stockage utiles

Le coût des centrales thermodynamiques est nettement plus élevé que celui des centrales photovoltaïques. La moyenne mondiale du mégawatt-heure (MWh) de l’énergie solaire concentré est compris entre 100 et 200 dollars alors que celui de l’électricité photovoltaïque est en moyenne entre 40 et 50 dollars.

Mais l’intérêt du solaire concentré réside dans les possibilités de stockage de l’énergie. En effet, la chaleur est beaucoup plus facile à stocker que l’électricité, notamment si le fluide caloporteur est constitué de sels fondus. Ils peuvent retenir la chaleur pendant six à huit heures avant qu’elle soit transformée en électricité. Ainsi, la chaleur stockée à la mi-journée, au plus fort de la température extérieure, pourra alimenter un réseau électrique en début de soirée, au moment où la consommation est la plus élevée.

L’autre limitation au développement des centrales solaires thermodynamiques est l’espace qu’elles requièrent. De ce fait, les plus grandes centrales se trouvent dans les déserts, comme aujourd’hui dans ceux de Californie et d’Arizona, aux États-Unis. La plus puissante, celle d’Ivanpah, dans le désert des Mojaves (Californie), comporte trois parcs occupant environ 1 400 hectares, pour atteindre une capacité installée de près de 400 MW.

À titre de comparaison, la centrale à gaz de Martigues près de Marseille, en France, s’étend sur 42 hectares pour une de 930 MW, avec en outre des rendements très supérieurs.

Source :

Inventé en 1815 par l’ingénieur Robert Stirling, le moteur Stirling utilisait au départ l’air ambiant, soumis au cycle classique de la thermodynamique (compression, chauffage, détente, refroidissement). Il visait à réduire le risque alors très fréquent de l’explosion des chaudières des machines à vapeur. Il est connu aujourd’hui sous de multiples versions, avec divers gaz ( ou hélium notamment) et est utilisé, en dehors de la filière solaire, dans des applications de niches (équipements militaires, espace, recherche).