c. Le solaire photovoltaïque
Principe, technologies, filières
L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique renouvelable produite à partir du rayonnement solaire. La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photo photovoltaïque.
Ces cellules produisent donc du courant continu à partir du rayonnement solaire. Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque, plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.
L'utilisation de ce courant continu diffère d'une installation à l'autre, selon le but de celle-ci. On distingue principalement deux types d'utilisation, celui où l'installation photovoltaïque est connectée à un réseau de distribution d'électricité et celui où elle ne l'est pas.
Exemples de panneaux solaire photovoltaïques : panneaux en silicium monocristallin (en haut à droite), installation du laboratoire CNRS Promes à Perpignan (en bas à gauche), cellules en silicium amorphe (en bas à droite).
Les principales technologies du photovoltaïque
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaïques :
- les modules solaires monocristallins possèdent le meilleur rendement au m² et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût, plus élevé que celui d'autres installations de même puissance, contrarie le développement de cette technique ;
- les modules solaires polycristallins ont actuellement le meilleur rapport qualité/prix, c'est pourquoi ce sont les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans) ;
- les modules solaires amorphes auront certainement un bon avenir car ils peuvent être souples et ont une meilleure production par faible lumière. Cependant, le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin, cette solution nécessite donc une plus grande surface pour la même puissance installée. Toutefois, le prix au m² installé est plus faible que pour des panneaux solaires composés de cellules cristallines.
Les différentes technologies du photovoltaïque
Circuit équivalent d'une cellule solaire
Pour comprendre le comportement électronique d'une cellule solaire, il est utile de créer un modèle qui est électriquement équivalent et basé sur des composants électriques discrets. Une cellule solaire idéale peut être modélisée par une source dans un circuit parallèle comprenant une diode. En pratique, aucune cellule solaire n'est idéale, il faut dont ajouter au modèle des résistances donc une résistance en parallèle et une en série. Le résultat est "le circuit équivalent d'une cellule solaire" représenté ci-dessous.
Caractéristiques d'une cellule PV
Une cellule photovoltaïque, en tant que dipôle électrique, dispose de sa propre caractéristique courant-tension.
Deux données importantes sont à relever :
- Le courant de court-circuit noté Icc : il s'agit du courant qui traverse la cellule photovoltaïque lorsque celle-ci est court-circuit, c'est-à-dire lorsque le pôle + est relié au pôle – (la tension à ses bornes est alors nulle). Dans ce cas, la puissance fournie par la cellule P = U × I est nulle.
- La tension en circuit ouvert notée Vco : il s'agit de la tension aux bornes de la cellule lorsque celle-ci est en circuit ouvert, c'est-à-dire lorsque le pôle + et le pôle – sont isolés électriquement de tout autre circuit électrique (le courant la traversant est alors nul). Dans ce cas, la puissance fournie par la cellule P = U × I est nulle.
Grandeurs caractéristiques d'une cellule
Ainsi pour caractériser une cellule photovoltaïque, on trace la courbe I=F(V) avec I l'intensité et V la tension. L'intensité augmente lorsque la rayonnement solaire incident est plus important.
Malheureusement, lorsque la cellule s'échauffe du fait de l'absorption du rayonnement solaire, elle pert en rendement. Ci-dessous les courbes I=f(V) à différentes températures. De 10°C à 70°C, on passe de 52 à 39,7 W.
Caractéristique d'une cellule photovoltaïque I=f(V) en fonction de la température - Module : Photowatt PWX 500
Complément : Estimation de la production d'électricité
La capacité de production électrique d'un site peut être déterminée par les données météorologiques d'ensoleillement annuel du site. La carte ci-dessous donne la production électrique moyenne attendue dans les conditions optimales d'implantation pour un système photovoltaïque d'une puissance de 1 kWc[7] avec des modules polycristallins standards, en fonction de la localisation géographique de l'installation.
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Des rendements en augmentation depuis près de 40 ans
Les rendements des cellules augmentent sans cesse atteignant même 44 % pour des cellules multi-jonction (cellules constituées de plusieurs couches minces). D'autres technologies commencent à apparaître comme les cellules à base de polymères ou de colorants sensibles à la lumière.
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Les applications
La longue liste des applications du photovoltaïque peut être divisée en deux grandes catégories (source Hespul) :
- Les applications autonomes, c'est-à-dire non-raccordées à un réseau électrique, apparues les premières, comportent quatre domaines distincts :
- les satellites artificiels pour lesquels le photovoltaïque constitue la seule source d'énergie qui réponde à toutes les contraintes
- les appareils portables, aujourd'hui calculettes et montres, demain téléphones et micro-ordinateurs
- les applications « professionnelles », relais de télécommunications, balises maritimes ou aéroportuaires, signalisation routière, bornes de secours autoroutières, horodateurs de stationnement, etc.)
- l'électrification rurale des sites isolés, habitat dispersé, refuges, dispensaires et écoles dans les pays en voie de développement, ...
- Les applications raccordées au réseau public de distribution d'électricité que l'on peut subdiviser en trois grands domaines :
- les systèmes attachés à un bâtiment consommateur d'électricité, qu'il soit à usage résidentiel (maisons individuelles, habitat collectif social ou privé) ou professionnel (bureaux, commerces, équipements publics, industrie, agriculture,...). Les modules peuvent être « sur-imposés » à la toiture (toit en pente ou toiture-terrasse) sans assurer le clos ni le couvert ou bien « intégrés au bâti » dans une logique de double fonction (clos et couvert, bardage, verrière, garde-corps,...). Leur surface active va de quelques dizaines à quelques milliers de mètres carrés, soit des puissances de quelques kilowatts-crêtes à quelques mégawatts-crêtes
- les systèmes posés sur ou intégrés à des structures non-consommatrices d'électricité par elles-mêmes mais pour lesquelles les panneaux remplissent une fonction bien identifiée en sus de la production d'électricité (ombrière de parking, couverture de passage public ou de quai de gare, mur antibruit,...). Leur surface active va en général de quelques centaines à quelques milliers de mètres carrés, soit des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de kilowatts-crêtes
- les parcs photovoltaïques au sol, constituées de quantités importantes de modules posés sur des structures porteuses, dont la production est exclusivement destinée à l'alimentation directe du réseau électrique. Leur surface active va de quelques milliers à plusieurs dizaines de milliers de mètres carrés (puissance de quelques centaines de kilowatts à plusieurs dizaines de mégawatts).
Différentes applications en intégration pour le photovoltaïque
On peut voir que les panneaux photovoltaïques s'implantent partout, et s'intègrent directement sur la toiture.
Exemples de réalisation
Les installations photovoltaïques présentent une très grande variété de formes et d'infrastructures. Elles peuvent faire office de verrières photovoltaïques, en réduisant la luminosité mais en laissant passer suffisamment de lumière.
Les installations PV peuvent également être réalisées en tenant compte de leur intégration architecturale : ces constructions sont toutes uniques en leur genre.
Exemples en milieu urbain
Toit du Centre Technique Municipal de Besançon
Les chiffres clés :
(Lien www.notre-planete.info).
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Toiture du centre de maintenance du tramway de l'agglomération de Clermont-Ferrand
Les chiffres clés :
- Toit solaire (PV) de 1136 m2
- Production : 143 MWh, 150 kWc
- Coût de l’installation : 822 000 €
- Permet l'alimentation du Tramway
Laboratoire PROMES (Perpignan)
Les chiffres clés :
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Exemples industriels
Centrale photovoltaïque de Saint-Charles (Perpignan)
Saint-Charles à Perpignan : la plus grande centrale photovoltaïque du monde en intégration au bâti !
Olmedilla de Alarcón (Espagne)
Centrale de Serpa (Portugal)
Les chiffres clés :
- 52 000 panneaux
- surface : 60 hectares
- 11 MWe, 20 GWh/an
Liens vers communiqué de presse et SunPower.
Rovigo (Italie)
Les chiffres clés :
- Puissance 72 MWp
- Investissement : 276 M€
Lien vers article de presse et SunEdison.
Vidéo de la centrale solaire de Rovigo
Le photovoltaïque concentré
Un système photovoltaïque à concentration est constitué en intercalant un dispositif concentrateur entre le Soleil et la cellule photovoltaïque. On peut alors utiliser une surface de cellule beaucoup plus petite (mais avec des rendements très importants de 30-40 %). La concentration est obtenue par un système de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel.
On définit alors le taux de concentration (basé sur la notion de surface) qui est le rapport de la surface de l'ouverture du système concentrateur à la surface de la cellule. Le rapport de concentration peut atteindre voire dépasser 1000 (le record étant détenu par la société Sunrgi avec une valeur de 1600).
Centrale photovoltaïque à concentration de Sanlúcar la Mayor (Seville - Espagne)
Les chiffres clés de la centrale Sevilla PV :
- panneaux photovoltaïques montés sur des héliostats avec un système de poursuite du Soleil sur 2 axes
- 154 panneaux de 100 m²
- double concentration 2X de 1,2 MW
- production : 2,4 GWh/an
Lien vers une présentation de Rafael Osuna, directeur de Solucar Energy.
Exemple de dispositifs photovoltaïques à concentration
Le marché du photovoltaïque
Indicateurs énergétiques
- Monde
En 2010, la production d'électricité dans le monde s'élevait à 21 431 TWh, 3,7 % étant d'origine renouvelable (hors hydroélectricité).
- En 2010, la puissance photovoltaïque installée cumulée dans le monde s'établissait à près de 38 700 MWc. 74 % de la puissance installée se trouve dans l'Union Européenne.
- Pour cette même année 2010, près de 16 700 MWc ont été installés, soit plus du double qu'en 2009 (7 300 MWc).
Les prévisions pour 2023
L'association européenne du photovoltaïque (EPIA), prévoit que le parc installé pourrait atteindre environ 1 800 000 MW en 2030, pour une production représentant 14 % de la consommation mondiale d'électricité.
À cette échéance, le solaire photovoltaïque permettra d'alimenter plus de 4,5 milliards d'individus, dont 3,2 milliards dans les pays en développement où le photovoltaïque constitue un mode de plus en plus économique de production d'électricité dans les zones éloignées des réseaux.
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Europe des 27
Production d'électricité
Part de chaque énergie dans la production d'électricité renouvelable de l'Union Européenne (en %)
En 2010, une part de 19,8 % de la production d'électricité des pays de l'Union européenne était d'origine renouvelable (661,4 TWh ou 56,8 Mtep).
- Fin 2010, la puissance photovoltaïque installée cumulée dans l'Union Européenne représente près des trois quart des 38 700 MWc installés dans le monde, soit 29 554,7 MWc.
- Pour la première fois de son histoire, la filière photovoltaïque est devenue en Europe la première filière électrique renouvelable en termes de puissance nouvellement installée. En effet, durant l'année 2010, 13 392 MWc de modules photovoltaïques ont été installés dans l'Union européenne, soit 133,5% de plus qu'en 2009 (5 739 MWc).
- La puissance photovoltaïque par habitant s'établit désormais à 58,8 Wc en 2010 (32,3 Wc en 2009).
- La production d'électricité solaire photovoltaïque s'élève à 22,5 TWh produits en 2010 (60,1 % de plus qu'en 2009).
- Cependant, la production d'électricité solaire reste concentrée au sein d'une minorité de pays : les trois premiers pays producteurs (Allemagne, Espagne, Italie) représentent 88,9 % de la production européenne.
Puissance photovoltaïque installée dans les pays de l'UE
La situation en Allemagne
En 2010, la puissance solaire cumulée s'élevait à 17 320 MWc. Cette même année, près de 7 406 MWc ont été connecté au réseau. Le photovoltaïque a permis la production de 11,7 TWh (6,6 TWh en 2009), soit 2 % de la consommation d'électricité du pays. Le gouvernement allemand a mis en place un tarif dégressif qui prend en compte le volume annuel d'installation.
La situation en Italie
En 2010, la puissance solaire cumulée s'élevait 3 465 MWc. Cette même année, une puissance totale de 2 321 MWc a été connectée au réseau (717,3 MWc en 2009).
L'objectif du pays n'est cependant que de 8 000 MWc à l'horizon 2020. A partir du 1er juin 2011 s'est établi une dégressivité mensuelle jusqu'à fin 2011 et la mise en place d'une puissance annuelle maximale pour les grandes installations (>1 MWc).
La situation en République Tchèque
En 2010, la puissance solaire cumulée s'élevait à 1 958,7 MWc. Cette même année, la République tchèque est devenue le troisième marché mondial de l'installation photovoltaïque en 2010 avec une puissance connectée au réseau de 1 495,8 MWc. La forte hausse de la puissance installée en 2010 est le résultat d'un système d'incitation trop attractif pour les centrales de grande puissance, avec un niveau de rémunération proche des centrales de faible puissance.
La situation en France
Électricité
La part des énergies renouvelables hors hydraulique dans la production d'électricité se situe à 2,8 % en 2009.
La part du solaire dans la production d'électricité d'origine renouvelable se situait à 0,3 % en 2009.
La figure suivante montre l'évolution de la puissance totale photovoltaïque cumulée installée en France depuis 2000.
Le parc photovoltaïque raccordé au réseau, presque inexistant il y a quelques années, s'est développé à une très grande vitesse dans la période récente. En 2010, la France disposait d'une puissance cumulée connectée au réseau de près de 1 000 MWc. Cette même année, elle a connecté au réseau 719 MWc de centrales solaires photovoltaïques. Au 30 juin 2011, la France comptait 1 679 MWc connectés au réseau, auxquels s'ajoutent près de 29 MWc d'installations hors réseau.
Ainsi depuis le lancement de la filière au milieu des années 2000, le secteur a connu un taux de croissance annuel moyen de 58 %.
Le gouvernement a jugé cette croissance beaucoup trop élevée et a donc suspendu pour une durée de trois mois les mécanismes d'obligation d'achat pour les installations photovoltaïques non résidentielles à partir du 9 décembre 2010.
En métropole, six régions se repartissent plus de 65 % de la puissance totale : Aquitaine, Languedoc-Roussillon, Midi-Pyrénées, Pays de la Loire, Provence-Alpes-Côte d'Azur et Rhône-Alpes (figure suivante).
Cartographie du photovoltaïque en France
Les tarifs et la parité
Depuis plusieurs années, les installations de panneaux photovoltaïques n'ont pu se développer que grâce à des programmes nationaux offrant des incitations financières telles que des tarifs de rachats bonifiés de l'électricité produite pour le réseau public.
Exemples de tarifs en Europe
Allemagne
La puissance enregistrée en 2010 ayant dépassé les 6 500 MWc, les tarifs 2011 ont été baissés de 13 %. Ils sont donc fixés à 22,07 c€/kWh pour les centrales au sol, 28,74 c€/kWh pour les centrales intégrées au bâti d'une puissance inférieure à 30 kWc, et 21,56 c€/kWh pour les centrales intégrées au bâti d'une puissance supérieure à 1 000 kWc.
Italie
Au premier semestre 2012, le tarif d'achat a varié de 27,4 c€/kWh, pour les installations en toiture d'une puissance inférieure à 3 kWc, à 14,8 c€/kWh pour les centrales au sol d'une puissance supérieure à 5 MWc. Au 1er juillet 2012, il a varié entre 25,2 c€/kWh, pour les installations en toiture d'une puissance inférieure à 3 kWc, à 13,3 c€/kWh, pour les installations au sol d'une puissance supérieure à 5 MWc.
République Tchèque
Les installations mises en service entre le 1er janvier et le 31 décembre 2010 ont bénéficié d'un tarif d'achat de 50 c€/kWh pour les centrales d'une puissance inférieure ou égale à 30 kWc, et de 49,6 c€/kWh pour les centrales d'une puissance supérieure à 30 kWc. A cela il faut ajouter un "bonus vert" de 46 c€/kWh pour les centrales d'une puissance inférieure ou égale à 30 kWc, et de 45,6 c€/kWh pour les centrales d'une puissance supérieure à 30 kWc.
Face à l'emballement de la filière, le gouvernement a décidé, le 1er mars dernier 2011, de supprimer le système de rémunération (tarifs d'achat ou bonus vert) pour les centrales d'une puissance supérieure à 30 kWc.
France
Le nouveau dispositif de soutien a été annoncé le 4 mars 2011 et fait appel à deux mécanismes distincts : un système de tarifs d'achat pour les installations sur bâtiments jusqu'à 100 kWc, et un système d'appels d'offres pour les puissances supérieures à 100 kWc. Les tarifs d'achat sont ajustés chaque trimestre sur la base de la puissance installée et du type d'usage des bâtiments pour l'intégré au bâti. Le tarif initial varie entre 46 c€/kWh (installations résidentielles d'une puissance inférieure ou égale à 9 kWc) et 40,25 c€/kWh (installations résidentielles dont la puissance est comprise entre 9 et 36 kWc) dans le cas où l'installation respecte les critères d'intégration au bâti.
Entre janvier 2010 et mars 2011, l'État a initié trois révisions des conditions tarifaires et a imposé un moratoire qui a interrompu la dynamique de croissance du secteur photovoltaïque en France.
Les tarifs sont révisés chaque trimestre en fonction du nombre de projets déposés le trimestre précédent. La grille des tarifs au 1er octobre 2012 : lien Legifrance et Association Hespul (lien 1 et 2).
Complément : La parité réseau
On parle de parité réseau lorsque, pour les consommateurs, l'électricité photovoltaïque sera moins chère que le prix de l'électricité conventionnelle. En effet l'électricité solaire photovoltaïque va continuer à prendre une place de plus en plus importante dans le mix électrique de nombreux pays de l'Union européenne.
Au vue de la baisse des coûts de production de l'électricité d'origine photovoltaïque et de la hausse du prix de l'électricité classique dans les années à venir, les systèmes photovoltaïques deviendront de plus en plus compétitifs. Durant les prochains 10 à 15 ans, l'électricité solaire deviendra moins chère (selon la localisation et les pics de consommation) pour les particuliers que l'électricité conventionnelle. Cependant, la parité réseau devrait être atteinte progressivement à partir de 2010 dans les pays européens.
Chez ceux où l'électricité est relativement chère (exemple : l'Allemagne) la parité réseau est déjà atteinte. De même pour des pays avec un fort taux d'ensoleillement et un prix de l'électricité le plus élevé (Italie et Espagne).
En France, la parité réseau est plus difficile à atteindre que dans les pays voisins, en raison du coût peu élevé de l'électricité, d'origine nucléaire pour 75 %. Cependant des estimations prévoient que la parité pourrait être atteinte vers 2018 (sources : photovoltaïque.info et vivacites.rennes.fr).
Indicateurs socio-économiques
Monde
Les grands centres grands centres de production de panneaux photovoltaïques se situent notamment en Asie (Chine, Taïwan, Japon, Malaisie), Allemagne et États-Unis.
Par conséquent, les grandes entreprises fabricants des cellules sont originaires de ces régions du monde.
Cependant les entreprises ont des difficultés du fait de la crise : un des anciens leaders mondiaux, l'allemand Q-Cells est en procédure de dépôt de bilan.
Europe de 27
En 2010, le marché du photovoltaïque était en plein essor dans l'Union européenne, offrant des retombées économiques réelles. Cette année record, avec une capacité nouvellement installée en Europe de 13 000 MWc, s'est traduite par un essor économique important ainsi que par des effectifs à la hausse dans le secteur.
Les pays européens produisent des modules photovoltaïques à grande échelle en Europe. Cependant, les retombées économiques dans les pays de l'UE sont surtout générées par l'activité d'installations massives, la production d'équipements ainsi que l'exploitation et la maintenance.
Le niveau d'emploi est en hausse de 70 % avec 268 110 personnes travaillant dans la filière en 2010. Le chiffre d'affaire du secteur a quant à lui connu une croissance équivalente pour atteindre plus de 45 milliards d'euros en 2010. Cela en fait, de loin, le principal secteur d'activités au sein des énergies renouvelables.
Les investissements dans les projets de production d'électricité solaire s'est élevé en 2010 à près de 40 milliards d'euros.
On estime à 30 le nombre d'emplois créés par MW de puissance installée en Europe, et l'association. En Allemagne, on assiste également à une baisse très importante des coûts d'installation des systèmes intégrés en toiture inférieurs à 100 kWc, passant d'une moyenne de 4 000 euros/kWc début 2009, à moins de 3 000 euros/kWc début 2010, et à 2 546 euros/kWc début 2011. Cela fait du marché allemand, celui où les coûts d'installation sont
les plus faibles d'Europe en raison de sa taille et de sa structure.
En 2010, la filière photovoltaïque représentait quelques 107 800 emplois en Allemagne, pour un chiffre d'affaires annuel dans l'investissement et l'exploitation des centrales photovoltaïques dépassant la barre des 20 milliards d'euros.
L'Italie arrive en deuxième en termes de retombées socio-économiques (45 000 emplois et 8 milliards d'euros), suite à l'énorme montée en puissance des installations annuelles (2 300 MWc en 2010).
France
La filière totalise en 2010, 58 100 emplois (près que le double de 2009) et un chiffre d'affaires de 5 milliards d'euros. Mais les changements tarifaires décidés 2011 vont sans doute changer la donne.
Ces bons résultats établis en 2010 risquent de ne pas être aussi brillants pour l'année suivante à cause de l'importante récession qui frappe le secteur depuis début 2011. De très fortes chutes sur le prix des modules et une concurrence croissante venue d'Asie ont mis le secteur européen sous pression. De nombreux marchés tels que la France, l'Italie et même l'Allemagne ont connu une baisse sensible du soutien politique entraînant des ralentissements dans la filière. Ces ralentissements ont parfois été très soudains, se traduisant par exemple en France par de nombreuses pertes d'emplois.
L'emploi par segment de la chaîne de valeur en 2010
d. Le solaire thermodynamique
Le solaire thermodynamique à concentration
Une centrale solaire thermodynamique à concentration (ou centrale solaire thermique ou encore heliothermodynamique, en anglais CSP pour Concentrating Solar Power Plant) est une centrale qui concentre les rayons du Soleil à l'aide de miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur qui permet en général de produire de l'électricité.
Les éléments constitutifs principaux d'une centrale solaire thermodynamique sont :
- un dispositif optique de concentration du rayonnement solaire
- un système de production de chaleur composé d'un récepteur, d'un fluide caloporteur et éventuellement d'un moyen de stockage
- un sous système de conversion de la chaleur en électricité.
On distingue différents types de centrales solaires thermodynamiques selon comment s'opère la focalisation de la lumière du Soleil
- la focalisation des rayons lumineux sur un point (on atteint ainsi des températures de 500°C - 1200°C) telles que :
- les centrales à tours, basées sur le principe de concentration du rayonnement solaire par des héliostats sur un récepteur solaire en haut d'une tour. La concentration de l'énergie solaire permet de chauffer à haute température liquide caloporteur qui est envoyé dans une chaudière pour transformer de l'eau en vapeur. La vapeur fait tourner des turbines qui entrainent des alternateurs produisant de l'électricité.
- les centrales à disques paraboliques, basées sur le principe de focalisation en un point récepteur du rayonnement solaire.
- la focalisation des rayons lumineux sur une ligne (250°C - 500°C) telles que :
- les centrales à capteurs linéaires de Fresnel, basées sur le principe de focalisation sur un axe (tube récepteur) du rayonnement solaire grâce à des miroirs plans linéaires parallèles qui peuvent chacun pivoter autour d'un axe horizontal de façon à suivre la course du Soleil
- les centrales à capteurs cylindro-paraboliques, basées sur le principe de focalisation sur un axe (tube récepteur) du rayonnement grâce à des miroirs cylindro-paraboliques.
(Source Ademe).
Ainsi, les hautes températures obtenues nécessitent que le système soit réalisé avec des matériaux résistants.
Le recours aux moyens de production électrique solaire thermodynamique à concentration est propice aux régions à fort ensoleillement direct (voir figure ci-dessous). En effet, basé en grande majorité sur des technologies à concentration, le solaire thermodynamique ne permet de tirer parti que du rayonnement solaire direct ("Rayonnement total" = "Rayonnement direct" + "Rayonnement diffus").
Une exception concerne cependant l'utilisation des capteurs à tubes sous-vide qui s'affranchissent de la nécessité de concentrer le rayonnement solaire et tirent aussi parti d'une partie du rayonnement diffus.
La carte suivante présente plus particulièrement les régions à fort ensoleillement propices à l'implantation du solaire thermodynamique. Hormis sur quelques zones très restreintes, l'ensoleillement direct français n'est pas suffisant pour envisager des projets aujourd'hui économiquement viables sur le territoire national. Dans les zones les plus favorables à l'utilisation de l'énergie solaire concentrée (Sud de la Méditerranée, Australie), l'ensoleillement direct est supérieur à 2000 kWh/m²/an.
(Source Ademe).
Les principaux marchés sont :
- la production d'électricité de masse (plusieurs MW à plusieurs dizaines de MW)
- la production d'électricité en zones mal interconnectées ou isolées
- l'industrie :
- soit pour combler leurs besoins en électricité
- soit dans le cadre d'industriels implantés en réseaux isolés ou mal interconnectés cherchant à sécuriser leur approvisionnement en énergie.
(Source Ademe).
Les centrales à tours
Dans ce type de centrales, des miroirs plans miroirs concentrent le rayonnement solaire sur une chaudière placée en haut d'une tour. Les miroirs ou "héliostats" sont conçus pour tourner avec le Soleil et ainsi, réfléchir ses rayons sur le foyer de la chaudière. Le rayonnement solaire doit être dirigé vers le foyer en haut de la tour avec une grande précision afin de concentrer l'énergie thermique pour assurer des températures près de 600°C.
L'expérimentation a commencé aux États-Unis au laboratoire de SANDRIA à Albuquerque en 1976. La centrale avec une tour de 63 mètres et 222 héliostats contrôlés par ordinateur a permis de fournir une puissance thermique de 5 MW. Depuis la recherche à continué aux États-Unis, en France et en Espagne.
(Source site web OutilsSolaires.com).
Le centre de recherche de la plate-forme solaire PSA de Almeria (Espagne) a été pionnier en Europe dans l'étude des centrales solaires à tours.
Les centrales PS10 et PS20 (Espagne)
La centrale solaire PS10 (en espagnol: Planta Solar 10), est la première centrale solaire thermique commerciale en Europe. Elle est située près de Séville.
Les chiffres clés :
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Vue de la tour de la centrale PS10 recevant les rayons du Soleil réfléchis par les héliostats
La centrale solaire PS20 (en espagnol : Planta Solar 20) est située à Sanlúcar la Mayor, près de Séville.
Les chiffres clés :
- constituée de 1255 héliostats (surface d'un miroir = 120 m²)
- hauteur tour 165 m
- puissance nominale de 20 MW
- permet d'alimenter en électricité 10 000 foyers
Complément : La centrale à tour de Themis (66)
Thémis est un centre de recherche et développement consacré à l'énergie solaire ainsi qu'une centrale solaire active produisant de l'électricité pour le réseau Électricité de France (EDF). Elle est située en Cerdagne à Targassonne dans les Pyrénées-Orientales. Sa puissance électrique de 1983 à 1986 était de 2,5 MW.
Le site de la centrale Thémis couvre une superficie de 102 ha et se structure autour de 4 équipements principaux :
- un champ d'héliostats, structures mobiles équipées de miroirs, qui suivent automatiquement la course du Soleil pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire sur une cible située en haut d'une tour. Initialement au nombre de 201, 195 héliostats sont encore aujourd'hui pleinement utilisables (les 6 héliostats restants ayant été démantelés pour les besoins des expériences d'astrophysique) ;
- la tour de 105 mètres de haut, au sommet de laquelle se concentre le rayonnement solaire réfléchi par les héliostats ;
- un bâtiment usine, de 2 315 m², qui abritait initialement l'ensemble de la centrale électrique et le système de conservation de chaleur ;
- un bâtiment de bureaux, qui a abrité jusqu'à l'été 2004 l'équipe du CNRS IN2P3 travaillant sur la détection du rayonnement gamma et qui est aujourd'hui inutilisé.
Le fonctionnement du système thermodynamique
Les héliostats concentrent les rayons du Soleil vers une tour où circule un fluide caloporteur (des sels fondus). Chauffé par les rayons, celui-ci transfère son énergie à un circuit d'eau. La vapeur alors produite actionne une turbine.
Réhabilitation du site
Plusieurs opérations de recherche sont en cours à Thémis et les développements incluent la production d'électricité, à la fois comme Centrale solaire photovoltaïque et comme Centrale solaire thermodynamique.
Réhabilitation de Thémis
Les centrales à disques paraboliques
Transformant l'énergie thermique en énergie mécanique avec le meilleur rendement thermodynamique, le moteur Stirling fonctionne contrairement aux moteurs classiques à combustion interne par un chauffage externe.
Son couplage au dispositif Dish de concentration du rayonnement solaire forme le système Dish/Stirling reconnu comme le plus efficient de toutes les technologies existantes pour la conversion des radiations solaires en électricité.
Ce système (Dish/Stirling) se distingue par sa conception modulaire, la transférabilité de sa technologie aux pays d'utilisation et par un potentiel de développement encore important.
Son fonctionnement hybride (utilisation des combustibles fluides, biogaz ou gaz naturel, etc. en absence du rayonnement solaire) améliore la qualité d'électricité produite et augmente le facteur de capacité du système, tout en baissant le prix de revient du kWh produit. Le système Dish-Stirling est composé des éléments suivants :
- un miroir parabolique,
- un moteur Stirling avec générateur
- un capteur solaire ou récepteur
- un système de poursuite du Soleil.
Le miroir parabolique intercepte le rayonnement solaire et le concentre sur le récepteur où il sera transformé en énergie thermique. Puisque la position apparente du Soleil par rapport à un point donné est constamment variable, le concentrateur est placé dans une monture permettant les mouvements indispensables à son pointage permanent vers le Soleil.
(Source CNRST).
Le système Dish-Stirling EuroDish à Odeillo (66)
Une parabole-miroir de huit mètres de diamètre est associée à un moteur transformant la chaleur en énergie mécanique depuis 2004 à Odeillo.
Un mini-générateur électro-solaire de 10 kW basé sur un cycle Stirling et alimenté par une parabole solaire est soumis depuis fin juin 2004 aux expérimentations des chercheurs du laboratoire du CNRS d'Odeillo.
Les chiffres-clés
- Parabole diamètre 8,5 m
- Moteur SOLO 161, alpha simple
- Gaz de travail : H2
- Pression : 30-140 Bars
- Température de l'absorbeur : 780 °C
- Température du gaz : 630 °C
- Puissance Max : 45,4 kWth, 10 kWe
- 2500 h de fonctionnement
- Production d'électricité 18 000 kWhe/an
- Rendement calculé sur toute l'année : 16,6%
- Record de puissance à 11,1 kWe pour un rendement de 21,6 % sous 974 W/m²
- Investissement : 140 000 €
Système Dish-Stirling EuroDish à Odeillo (66) |
Complément : Le moteur Stirling
Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe. Le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme.
Robert Stirling a inventé en 1816 le moteur à air chaud mais, pour améliorer son efficacité, il l'a muni d'une modification suffisamment importante pour lui donner un réel développement : un régénérateur entre les deux pistons qui a considérablement amélioré sa performance.
Peu connu du grand public, ce moteur a cependant quelques avantages. Il fut répandu au temps de la domination des machines à vapeur qui présentaient parfois le grave défaut d'exploser et de faire des victimes.
Ce moteur a en son actif plusieurs atouts alliant à la fois sa bonne utilisation de l'énergie primaire (thermique) sans contrainte sur l'origine de cette dernière (solaire, rejet thermique, biomasse, gaz...), son fonctionnement quasi silencieux ne nécessitant que peu d'entretien, sa couverture d'une large gamme de puissance, sans oublier le caractère respectueux de l'environnement des fluides caloporteurs utilisés (hydrogène ou hélium)et qui constituent la substance motrice de ce moteur. Actuellement, on sait construire des machines à air chaud ou moteurs Stirling dont le rendement dépasse celui des moteurs à combustion interne.
Schéma de principe des quatre étapes d'un cycle Stirling
Système à double réflexion : le four solaire d'Odeillo
Le four solaire d'Odeillo, de 54 mètres de haut et 48 de large comprenant 63 héliostats, est un four fonctionnant à l'énergie solaire, mis en service en 1970. Sa puissance thermique est de 1 mégawatt.
Le principe utilisé est celui de la concentration des rayons par des miroirs réfléchissants. Les rayons solaires sont captés par une première série de miroirs orientables situés sur la pente, puis envoyés vers une deuxième série de miroirs (les « concentrateurs »), disposés en parabole. De là ils convergent vers une cible circulaire au sommet d'une tour centrale ; cette cible a à peine 40 cm de diamètre. Cela revient à concentrer l'énergie de « 10 000 Soleils ».
Les centrales à capteurs linéaires de Fresnel
Encore marginales dans la filière du solaire thermodynamique, les centrales solaire à miroir de Fresnel pourraient néanmoins devenir plus compétitives que leurs voisines : les centrales à réflecteurs paraboliques et cylindro-paraboliques .
Inventé par le physicien français Augustin Fresnel, la lentille de Fresnel a été conçue pour équiper le système optique des phares de signalisation marine. Le système est aujourd'hui repris à grande échelle pour concentrer le rayonnement solaire sur un tube horizontal.
Principe de fonctionnement d'un concentrateur à miroirs de Fresnel
Le principe d'un concentrateur de Fresnel réside dans ses miroirs plans (plats) dits "réflecteurs compacts linéaires". Chacun de ces miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube absorbeur. Un fluide caloporteur est chauffé jusqu'à 500° en circulant dans ce tube horizontal. Cette énergie est transférée à un circuit d'eau, la vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l'électricité.
Avantages :
- Les miroirs plans sont plus simples à fabriquer et meilleur marché que les paraboliques et cylindro-paraboliques
- Moins de prise au vent, infrastructure moins importante qu'une centrale à capteurs cylindro-paraboliques
Inconvénients :
- Performances optiques inférieures d'environ 30% par rapport aux réflecteurs paraboliques et cylindro-paraboliques
Schéma de principe et vue de centrales à capteurs de Fresnel
Centrale de Fresdemo à Tabernas (Espagne)
Située dans la seule zone désertique d'Europe occidentale, le site de recherche et développement Plataforma Solar de Almería, à Tabernas, en Andalousie, accueille l'espace de recherche allemand Fresdemo.
Les chiffres clés :
- Puissance de 800 kW thermiques
- 2,6 Millions d'Euros financé en partie par le ministère allemand de l'environnement (BMU)
Les centrales à capteurs cylindro-paraboliques
Les centrales solaires à capteurs cylindro-paraboliques sont généralement construites dans les déserts et autres zones arides du globe. La technologie de réflecteurs cylindro-paraboliques est la plus fréquente et est actuellement utilisée par les plus puissantes centrales solaires au monde dans le Sud-ouest des Etats-Unis et dans le Sud de l'Espagne.
Principe de fonctionnement d'une centrale à capteurs cylindro-paraboliques :
Ce type de centrale se compose d'alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques, qui tournent autour d'un axe horizontal pour suivre la course du Soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube horizontal, où circule un fluide caloporteur qui servira à transporter la chaleur vers la centrale elle-même. La température du fluide peut monter jusqu'à 500° C. Cette énergie est transfèrée à un circuit d'eau, la vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l'électricité.
Certaines centrales sont désormais capable de produire de l'électricité en continu, nuit et jour, grace à un système de stockage de la chaleur.
Avantages :
- Source d'énergie inépuisable et gratuite
- Pas d'émission polluante
- Peu fonctionner sans intermittence
Inconvénients :
- Nécessite un fort ensoleillement et une zone chaude
- Surface au sol importante
Schéma de principe d'une centrale à miroirs cylindro-paraboliques
Solar One (Nevada, USA)
Dans une région comme le Nevada, la pointe de demande d'électricité due aux climatisations se produit l'après-midi en été. Dans ces conditions, l'utilisation du solaire thermique apparaît comme logique car la production dépend de l'ensoleillement et de la température au sol. Achevée et relié au réseau en avril 2007, Nevada Solar One est alors la plus grande centrale solaire de ce type au monde.
Les chiffres clés :
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Andasol (Espagne)
La centrale solaire Andasol est capable de produire de l'électricité en continu, nuit et jour, grâce à un système de stockage de la chaleur.
Les chiffres clés :
- superficie de 195 hectares
- 625 collecteurs solaires qui occupent 510 120 m²
- durée de fonctionnement sur une année : 3 590 heures
- technologie de stockage de la chaleur : sel fondu
- capacité de stockage de la chaleur : 7,5 heures
- puissance de 50 MW
- production attendue de 180 GWh/an, de quoi alimenter 45 000 foyers espagnols
- investissement total d'environ 260 M€
- la centrale évitera ainsi l'émission dans l'atmosphère de 152 000 tonnes de CO2
Vues de la centrale Andasol
Systèmes thermodynamiques innovants
La tour solaire : convection de l'air et vent artificiel
Une tour solaire est une centrale à énergie renouvelable, construite de manière à canaliser de l'air chauffé par le soleil. Grâce au phénomène de convection naturelle, l'air chaud léger se déplace vers le haut de la tour, créant ainsi un vent artificiel.
Principe :
La centrale est composée :
- d'une toiture circulaire, ouverte à sa périphérie. Elle forme avec le sol un grand collecteur d'air et favorise la création d'un effet de serre,
- d'une grande cheminée centrale avec à sa base, des entrées pour l'air.
Le rayonnement solaire réchauffe le grand volume d'air contenu dans le collecteur. Le gradient de température ainsi créé, entre le haut de la tour et le collecteur, provoque un mouvement ascendant de l'air (l'air chaud est plus léger que l'air froid).
La diminution du diamètre collecteur/colonne, augmente la vitesse d'écoulement de la masse d'air (effet Venturi).
L'air chaud (de moindre densité) se dirige donc vers le haut, la température dans l'atmosphère chutant en moyenne de 1 degré tous les 100 m d'altitude, un courant d'air de 35 à 50 km/h souffle en permanence dans la tour.
La vitesse du vent créé est fonction de la différence de température entre le sommet et la base de la tour. La puissance produite par la tour est fonction de la vitesse du vent au cube.
Fonctionnement en continu : de grands ballasts remplis d'eau sont disposés sur le sol. Le jour, le rayonnement solaire va les chauffer. La nuit, ils libèrent la chaleur diurne emmagasinée.
Intérêt de cette technologie :
- Utilisation de l'énergie solaire : renouvelable et non polluant
- Production d'électricité : moins chère à surface égale de capteurs photovoltaïques
- Protocole de Kyoto : faire chuter, d'ici à 2010, de 5 % des émissions de gaz à effet de serre enregistrées en 1990. La future centrale australienne (voir-ci-dessous) éviterait le rejet de 900 000 t de CO2 par an
Principe de fonctionnement d'une tour solaire
La puissance du vent entrant dans la tour se calcule comme dans le cas d'une éolienne.
La centrale de Manzanares (Espagne)
Ce projet est le résultat d'une collaboration entre les gouvernements allemand et espagnol, et les ingénieurs allemands du cabinet Schlaich Bergermann and Partner. Cette centrale prototype a produit 50 MWh par année de 1982 à 1989 avec un minimum de mise au point et d'entretien. Les énormes serres (hautes de 2 mètres) du collecteur sont utilisées pour la culture de légumes et de plantes.
Caractéristiques :
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La centrale en projet de Buronga (Australie)
La construction d'une centrale de 1000m de haut est prévue en Australie à Buronga. Elle devrait fournir une puissance maximale suffisante pour fournir en électricité 200 000 logements. Son coût estimé est de 670 M$.
Ici de grands ballasts remplis d'eau sont disposés sur le sol. Le jour le rayonnement solaire chauffe les ballasts. La nuit, ils libèrent la chaleur diurne emmagasinée : la centrale peut fonctionner en continu.
Caractéristiques :
- Hauteur cheminée : 1 000 m
- Diamètre cheminée : 150 m
- Diamètre collecteur : 5 km
- Surface collecteur : 20 000 000 m²
- Vitesse de l'air dans la cheminée : 15 m/s = 54 km/h.
- 32 turbines.
- Puissance max. élec : 200 MW
Film d'animation sur le projet de tour solaire à Buronga (Australie)
Complément :
Le site internet de Renaud de Richter www.tour-solaire.com propose un vaste base de donnée concernant le développement des énergies renouvelables à base de cheminées solaires, tours énergétiques, tours à vortex et bien d'autres systèmes de la grande famille des "réacteurs météorologiques". Ce site se positionne comme une base de connaissances de référence spécialisée dans les technologies à "vent artificiel", et se propose de les décrire et d'en expliquer le fonctionnement afin d'essayer d'en promouvoir le développement.
Centrale à vortex
Le principe consiste à pulvériser de l'eau (qui va se vaporiser) en haut d'une tour, ce qui a pour effet de refroidir l'air ambiant. Cet air brusquement plus dense tombe à l'intérieur de la tour. Ce courant d'air peut alors actionner des turbines produisant de l'électricité. La figure ci-dessous présente la tour conçue par Coustou-Alary.
La situation en 2011
En 2011 l'ensemble de la puissance installée représentait 1,76 GW.
Évolution de la capacité installée en 2011 pour les installations solaires thermodynamiques à concentration
En 2011 l'ensemble de la puissance installée représentait 1,16 GWélec dans l'ensemble de l'Union Européenne. Ce sont presque exclusivement les pays du sud, et plus particulièrement l'Espagne qui sont concernés par cette technologie.
Les projets pour l'année 2012 sont également exclusivement situés en Espagne.
Complément : Feuille de route solaire thermodynamique de l'ADEME (2010)
Cette feuille de route fait le point sur la situation de cette filière et fixe les axes stratégiques en termes de R&D et de développement industriel notamment.
Lien vers la feuille de route.
Complément : La liste des centrales à tour dans le Monde
Lien vers la liste des centrales à tour dans le Monde.
Éléments de comparaison des technologies solaires à concentration
Les figures ci-dessous présentent des éléments de comparaison des technologies solaires à concentration. Les centrales à tour et cylindro-paraboliques disposent d'un bon compromis entre faible coût des capteurs et des investissements, et puissance produite élevée.
Les chiffres-clés
Systèmes à parabole :
- Concentration : 6000-10000
- Températures : 600 – 1200°C
- Rendement solaire-électricité : 18-21%
- Coût d'investissement : 2 – 8 €/W
- Surface nécessaire au sol : 1,2 – 1,6 ha/MW
Systèmes cylindro-paraboliques :
- Concentration : 60 – 400
- Températures : 200 – 400°C
- Rendement solaire-électricité : 10-14%
- Coût d'investissement : 2,8 – 3,5 €/W
- Surface nécessaire au sol : 3 ha/MW
Systèmes à tour :
- Concentration : 700-1200
- Températures : 400 – 1000°C
- Rendement solaire-électricité : 12-15%
- Coût d'investissement : 3 – 4 €/W 2,5
- Surface nécessaire au sol : 5 ha/MW
e. Conclusion
L'évolution du solaire dans un futur proche dépendra :
- de la croissance du marché permettant le développement de la filière
- de l'augmentation de la capacité de production
- du potentiel encore très important
- de l'évolution des technologies :
- absorbeurs soudés au laser
- aluminium en remplacement du cuivre
- du rafraîchissement solaire : en effet les besoins en climatisation sont croissants et la production de froid par climatisation solaire peut-être intéressante
- des conditions favorables à un développement rapide (aides, législations...)
- de la renaissance de la filière thermodynamique :
- nombreux projets : PEGASE, EurosDish
- prévisions ADEME en 2030 : 100 GW , 1 000 TWh/an.
(Sources UNT UVED)
D'autres articles sur les énergies ICI
