Une centrale solaire thermique, également appelée centrale solaire thermique, est une installation industrielle conçue pour tirer parti du rayonnement solaire et le transformer en énergie électrique.
Bien que son principe de fonctionnement soit similaire à celui des centrales thermiques classiques, il en diffère sur un aspect fondamental : la source de chaleur utilisée n'est pas d'origine fossile, mais est basée sur l'énergie solaire.
Comment fonctionne une centrale solaire thermique ?
Le fonctionnement des centrales solaires thermiques repose sur l’obtention de chaleur provenant du rayonnement solaire et son transfert vers un fluide caloporteur, qui est généralement de l’eau.
Pour élever la température de l’eau aux niveaux élevés souhaités, le rayonnement solaire maximum doit être concentré en un point. De cette manière, on peut obtenir des températures de 300ºC à 1000ºC, qui seront utilisées pour générer de la vapeur. Plus la température est élevée, plus les performances thermodynamiques de la centrale solaire thermique sont élevées.
L’accumulation d’énergie thermique est utilisée pour produire de la vapeur qui peut entraîner des turbines à vapeur. Avec le mouvement des turbines, l'énergie mécanique est transférée aux générateurs électriques pour produire de l'électricité.
Systèmes de concentration d'énergie solaire
La capture et la concentration des rayons solaires se font à travers des miroirs à orientation automatique qui pointent vers une tour centrale où le fluide est chauffé. Certaines centrales solaires thermiques utilisent des mécanismes à géométrie parabolique plus petits tels que des collecteurs paraboliques.
L'ensemble de la surface réfléchissante et de son dispositif d'orientation est appelé héliostat.
Cycles thermodynamiques
Dans les configurations expérimentales, différents flux et cycles thermodynamiques sont utilisés.
Ces cycles vont du cycle Rankine, utilisé dans les centrales nucléaires et les centrales électriques au charbon, au cycle Brayton, courant dans les centrales au gaz naturel. Par ailleurs, de nombreuses variantes ont été développées, comme le moteur Stirling. Parmi les cycles les plus fréquents figurent ceux qui intègrent l’énergie solaire thermique au gaz naturel.
Efficacité d'une centrale thermoélectrique
L’efficacité d’un système d’énergie solaire concentrée dépendra des facteurs suivants :
- La technologie utilisée pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique.
- La température de fonctionnement du récepteur de chaleur.
- Pertes thermiques dans le système.
- La présence ou l'absence d'autres pertes du système
En plus de l'efficacité de conversion, le système optique qui concentre la lumière solaire ajoute également des pertes supplémentaires.
L'efficacité de conversion maximale pour les systèmes de type « tour de puissance », fonctionnant à des températures de 250 à 565 degrés Celsius, est de 23 à 35 %. Avec une turbine à cycle combiné, le rendement est plus élevé.
L'efficacité des systèmes Dish Stirling, qui fonctionnent à des températures de 550 à 750 degrés Celsius (277 à 477 degrés Kelvin), offre une efficacité d'environ 30 %.
En raison de la variation de l'incidence du soleil au cours de la journée, le rendement de conversion moyen atteint n'est pas égal à ces rendements maximaux. Les rendements annuels nets de l'énergie solaire vers l'électricité sont de 7 à 20 % pour les systèmes pilotes de tours électriques et de 12 à 25 % pour les systèmes paraboliques Stirling.
Effets environnementaux
- Utilisation du sol : Les centrales solaires thermiques, en particulier celles qui utilisent la technologie des cuvettes paraboliques ou des paraboles, nécessitent de vastes superficies de terrain pour abriter les réflecteurs solaires. Cela pourrait entraîner la conversion d’habitats naturels en zones industrielles. Dans certaines régions, l’installation de plantes sur des terres agricoles de haute qualité peut déplacer la production de plantes vivrières et récoltables.
- Impact sur la faune : Les centrales solaires thermiques peuvent attirer les insectes, les oiseaux et autres animaux en raison de la chaleur générée par les réflecteurs. Cela peut augmenter le risque de collisions et de blessures pour la faune environnante, ce qui a conduit à la mise en œuvre de mesures d'atténuation telles que des systèmes de dissuasion des oiseaux.
- Consommation d'eau : Certaines usines ont besoin d'eau pour le refroidissement et le fonctionnement des systèmes. La consommation d’eau peut être importante et, dans les régions où l’eau est rare, cela suscite des inquiétudes quant à la disponibilité de cette ressource vitale.
- Efficacité de conversion : L'efficacité de conversion de l'énergie solaire en électricité dans les centrales solaires thermiques peut varier et, dans certains cas, est inférieure à celle d'autres technologies d'énergie solaire, telles que les panneaux solaires photovoltaïques.
- Impact visuel et paysager : Les centrales solaires thermiques, en particulier celles dotées de grands champs de miroirs ou de réflecteurs, peuvent modifier le paysage local et avoir un impact visuel significatif sur les zones environnantes.
Principales centrales solaires thermiques dans le monde
Ci-dessous, nous présentons une sélection de certaines des centrales solaires thermiques les plus remarquables au monde, en soulignant leur emplacement, leur capacité de production électrique et une brève description de leurs principales caractéristiques.
| Centrale solaire thermique | Emplacement | Production électrique (MW) | Description |
|---|---|---|---|
| Ivanpah Solaire Électrique | Californie, États-Unis | 392 MW | La centrale d'Ivanpah est l'une des plus grandes centrales solaires thermiques au monde, utilisant la technologie des tours solaires avec des miroirs héliostats pour concentrer la lumière du soleil sur trois tours. Il est situé dans le désert de Mojave et fournit de l’électricité à des milliers de foyers. |
| Centrale électrique de Solana | Arizona, États-Unis | 280 MW | Solana est l'une des plus grandes usines de ce type au monde et utilise la technologie des cuvettes paraboliques avec stockage de chaleur aux sels fondus. Il fournit de l'électricité au réseau électrique de l'Arizona. |
| Centre d'énergie solaire de Crescent Dunes | Nevada, États-Unis | 110 MW | Cette usine utilise la technologie des tours solaires avec des sels fondus comme moyen de stockage thermique. Il s’agit de l’une des premières centrales de ce type dotées d’un stockage d’énergie à grande échelle. |
| Centrale solaire thermique de Shouhang Dunhuang | Chine | 100 MW | Cette usine utilise des creux paraboliques pour produire de l'électricité et dispose également d'un stockage thermique de sels fondus. Il s'agit d'un projet important pour le développement de l'énergie solaire en Chine. |
| Gémasolar | Séville Espagne | 19,9 MW | Gemasolar est une centrale solaire à tour avec stockage de sels fondus qui se distingue par sa capacité à produire de l'électricité 24 heures sur 24. C'est un exemple d'innovation dans la technologie de stockage de l'énergie solaire. |