État de l'art des centrales solaires thermodynamiques
Centrales solaires thermodynamiques

Les centrales solaires thermodynamiques recouvrent l'ensemble des techniques qui visent à transformer l'énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée, puis à convertir cette chaleur en énergie mécanique et électrique au moyen d'un cycle thermodynamique moteur couplé à une génératrice électrique. La première étape, la captation du rayonnement solaire, fait appel à des systèmes optiques. Les systèmes sans concentration captent les composantes directe et diffuse du rayonnement et produisent la chaleur à un niveau de température inférieur à 250 ˚C, pour une utilisation en chauffage et climatisation de bâtiments ou sous forme de chaleur industrielle pour alimenter des procédés thermiques. Il faut inscrire dans cette catégorie les tours (ou cheminées) solaires qui sont des centrales thermodynamiques sans concentration. À cette dernière exception près, les centrales solaires thermodynamiques mettent en œuvre des systèmes concentrateurs, qui permettent de produire la chaleur à une température supérieure à 250 ˚C avec d'excellents rendements thermiques, supérieurs à 70 %. Notons toutefois que ces systèmes ne captent que la composante directe du rayonnement solaire. La chaleur solaire transférée dans l'absorbeur au fluide caloporteur peut être stockée de manière fugitive pour s'affranchir des passages nuageux, ou sur des périodes de quelques heures pour décaler l'utilisation en dehors des plages ensoleillées de la journée. L'hybridation avec une source de chaleur fossile ou biomasse permet d'accroître la disponibilité des installations et de produire la chaleur de manière garantie. Cette chaleur est convertie en électricité par des cycles thermodynamiques, bien maîtrisés par l'industrie de la production électrique. Selon les machines utilisées et les cycles mis en œuvre, les rendements de conversion varient de 23 % à plus de 50 % pour les cycles combinés. Au final, le rendement instantané de conversion solaire-électricité est compris entre 20 % et 30 % selon la taille du groupe et le cycle utilisé. En moyenne annuelle, le rendement net de production d'énergie électrique se situe entre 10 % et 20 % selon la technologie mise en œuvre. Selon les estimations du GEF (Global Environment Facility [16]), le coût d'investissement est évalué entre 2 800 e/kW_e (centrale de 20 – 80 MW_e à collecteurs cylindro-paraboliques et cycle de Rankine) et 4 000 e/kW_e (centrale à tour de 40 à 200 MW_e avec cycle combiné), et il atteint 14 000 e/kW_e pour une unité décentralisée de type parabole-Stirling de 10 à 25 kW_e. Selon les mêmes sources, le coût de l'électricité produite dans des conditions favorables – c'est-à-dire sous un ensoleillement supérieur à 2 000 kWh/(m².an) – se situe dans la fourchette 0,16 à 0,24 e/kWh_e pour une grosse centrale et de l'ordre de 0,30 e/kWh_e pour une parabole-Stirling (on citera à titre comparatif ≈ 0,04 e/kW_e pour les centrales nucléaires).

L'impact environnemental constitue aujourd'hui un critère de choix important dans la sélection de technologies concurrentes. Avec un taux d'émission estimé inférieur à 20 kg CO₂/MWh_e, l'électricité solaire thermodynamique se situe de ce point de vue au même niveau que l'électricité d'origine hydraulique (4 kg CO₂/MWh_e) ou nucléaire (6 kg CO₂/MWh_e), et sans commune mesure avec l'électricité photovoltaïque (100 kg CO₂/MWh_e) ou encore l'électricité issue de la combustion du charbon (900 kg CO₂/MWh_e). Les chiffres indiqués ici tiennent compte des émissions liées à la construction des centrales et le cas échéant à l'extraction des combustibles. Comparé aux technologies conventionnelles de production de chaleur (hors nucléaire), chaque mètre carré de collecteur installé sous un ensoleillement de 2 000 kWh/(m².an) évite l'émission de 250 à 400 kg de CO₂ par an.

Le temps de retour énergétique (durée d'exploitation d'une installation nécessaire pour produire l'énergie nécessaire à sa fabrication) des installations solaires à concentration n'est que de 5 mois [17]. Leur durée de vie est estimée à 25 – 30 ans, et une partie des composants en fin de vie est réutilisable (acier, verre).

Dans ce dossier, nous dressons l'état des lieux des technologies mises en œuvre dans les centrales solaires. Nous détaillons leurs composants essentiels en discutant leurs critères de sélection et de dimensionnement.