Énergie solaire thermique

L'énergie solaire thermique est la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique. Cette transformation peut être soit utilisée directement (pour chauffer un bâtiment par exemple) ou indirectement (comme la production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir une énergie électrique). En utilisant la chaleur transmise par rayonnement plutôt que le rayonnement lui-même, ces modes de transformation d'énergie se distinguent des autres formes d'énergie solaire comme les cellules photovoltaïques.

Deux principes fondamentaux sont appliqués et éventuellement parfois combinés :

• capter l'énergie de la lumière visible grâce à un corps noir;
• concentrer le rayonnement solaire en un point (four solaire).

Histoire

Dans les années 1780, H. B. de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du soleil, qu'il nomme « hélio thermomètre », il utilise l’effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d’un absorbeur dans un caisson isolé ; il créé ainsi les premiers capteurs solaires thermiques à basse température^[1].

En 1893, le physicien britannique James Dewar découvre l'effet thermos selon le principe d’un récipient à deux parois séparées par un vide d'air, assurant une isolation quasi-parfaite. Le principe de la bouteille thermos permet par la suite le développement des capteurs solaires à tubes sous vide.

Les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent dans les années 1910 en Californie. Après une période essentiellement consacrée au développement de l'énergie hydraulique, les essais de développement industriel de centrales solaires thermiques ont été couronnés d'un succès technique, mais non économique, car arrivant au moment où le prix du pétrole diminuait à nouveau^[2]. Néanmoins, depuis les années 1970 et 1980, son développement prend du retard alors que le développement du photovoltaïque est favorisé. Dès lors, seules de petites unités de solaire thermique (chauffe-eau individuel ou de petites collectivités, piscines, etc.) sont fonctionnelles, au détriment du solaire thermique lourd destiné à produire de l'électricité.

Depuis peu, le manque de solutions satisfaisantes à la gestion des déchets nucléaires et aux risques liés à cette source d'énergie, ainsi que la perspective du Peak Oil et la nécessité de diminuer les émissions de gaz à effet de serre ont rendu le solaire thermique plus attractif. Et des projets industriels de type classique, sont en cours de développement au Moyen-Orient et en Australie notamment.

Intérêt du solaire thermique

• Chauffage :
  • Les capteurs destinés au chauffage sont relativement simples, rustiques et durables.
• Electricité :
  • Les systèmes de turbine à vapeur classiquement utilisés reposent sur des composants parfaitement sûrs et éprouvés.
  • Dans les zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermique est au Maroc amortie au niveau énergétique en 5 mois^[3] (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage, ce qui est comparable à l'éolien (4 à 7 mois), mais bien plus rapide que les modules photovoltaïques en silicium (qui nécessitent actuellement encore 3 à 5 ans pour rembourser leur dette énergétique, mais qui nécessiteront moins de frais et de travail pour leur entretien et fonctionnement).
  • Fort potentiel de développement dans plusieurs pays en développement, avec impact a priori modéré sur l'environnement (déserts, zones arides). Selon le DLR, une capacité de plus de 3 GW est réaliste en Europe, et de 15 GW pour toute la planète^[4].
• Purification de l'eau
  • Le distillateur solaire peut fournir de l'eau potable en suffisance dans les zones tropicales et subtropicales.

Chauffe-eau et chauffage solaire

chauffe-eau solaire

A l'échelle d'une habitation individuelle ou collective, il est possible d'installer un chauffe-eau solaire, ou un chauffage solaire : il s'agit de capteurs vitrés installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur dans un réservoir d'eau (et, dans le dispositif appelé "plancher solaire direct", à une dalle de sol).

Ce procédé permet de couvrir environ 50 % des besoins annuels en eau chaude (en France), et d'apporter éventuellement un complément de chauffage.

Rafraîchissement solaire

Il existe des types de machines frigorifiques qui utilisent, paradoxalement, une source de chaleur : le réfrigérateur à absorption de gaz par exemple, assez commun pour les camping-car et caravanes. Cette chaleur peut être fournie par le soleil, avec des capteurs comparables à ceux des autres applications. La dépendance au soleil n'est pas gênante lorsqu'il s'agit justement d'assurer l'évacuation d'un excès de chaleur solaire, et pour d'autres applications il reste possible d'assurer le fonctionnement à l'aide d'un système d'appoint par combustion.

Cuisinières et sécheurs solaires

Cuiseur solaire

Les cuiseurs solaires sont très répandus en Chine et en Inde. Outre le cuiseur-boîte et le cuiseur à panneaux, des cuiseurs paraboliques ont été développés.

Une plaque de carton recouverte d'une feuille d'aluminium et découpée de façon à former une coquille permet déjà d'obtenir l'échauffement d'une marmite (de préférence noire) placée dans un sac en plastique transparent limitant les pertes en chaleur et en vapeur d'eau. Grâce à des systèmes de ce genre, de nombreux aliments peuvent être cuits, mijotés ou chauffés et de l'eau peut être bouillie. La pièce la plus fragile est le sac en plastique.

Des cuiseurs-boîtes avec un couvercle vitré ou un plastique rigide sont assez faciles à fabriquer avec des matériaux locaux (coquilles vides et sèches pour l'isolation thermique, etc.). Il existe de nombreux modèles de fours solaires^[5] pour la cuisson des aliments, ces derniers atteignent des températures de 100 à 220°c en général et permettent de réaliser de succulents repas solaires en faisant des économies.

Centrales solaires thermodynamiques

Projet de recherche à Font-Romeu-Odeillo, France. Un moteur Stirling est placé au foyer de la parabole

Des systèmes de production d'énergie permettent de concentrer l'énergie solaire en un point précis qui peut alors atteindre une température considérable. Une production électrique est alors possible via, entre autres, des turbines à vapeur ou d'autres moteurs thermiques.

Des collecteurs paraboliques chauffant un fluide caloporteur circulant dans des tuyaux placés au niveau de leur foyer géométrique ont aussi été développés.

La solution la plus réaliste économiquement à l'heure actuelle, pour la production d'électricité solaire à l'échelle industrielle, consiste à chauffer un fluide caloporteur (eau, sels fondus, huiles synthétiques, ou directement vapeur) en y concentrant le rayonnement solaire.
L'irrégularité propre de l'énergie solaire peut être contournée, soit en stockant de la chaleur (avec un réservoir de fluide chaud) soit en hybridant les concentrateurs solaires avec une centrale thermique classique (la chaudière et la chaleur solaire nourrissant la même turbine à vapeur).

• La centrale de Mojave en Californie vers 1980, avait fait figure de projet pionnier. Quelque peu oubliée depuis, cette filière revient d'actualité (les inquiétudes sur le réchauffement climatique et sur les réserves d'hydrocarbures aidant), avec de nombreux projets pilotes dans une dizaine de pays.
• La centrale thermo-solaire Nevada Solar One est en construction depuis le 11 février 2006 à Boulder City. En 2009 elle est raccordée au réseau et développera à terme une puissance de 64 mégawatts (troisième puissance au monde^[6]. Selon ses concepteurs, elle permettra d'éliminer une pollution équivalente à celle d'un million de voitures en circulation sur le territoire des États-Unis.
• La Pacific Gas and Electric a annoncé en novembre 2007 une centrale solaire à San Luis Obispo, qui produira 177 MW d'électricité pour 120 000 foyers^[7].
• La centrale solaire Thémis, expérimentale a également en France produit de l'électricité dans les années 1980 avant sa mise en sommeil faute de rentabilité face à la chute du prix du pétrole et à une électricité nucléaire moins chère. Elle est en cours de reconversion.
• La centrale d'Almeria en Espagne n'a pas eu de suite majeure pour les mêmes raisons.

Le 31 mars 2007, à 25 km de Séville a été officiellement inaugurée une centrale solaire nommée PS10 d'une puissance de 11 MW électrique, dont la production prévue est d'environ 23 GWh par an (soit la production à pleine puissance de 2000 h/an)^[8]. D'autres centrales similaires sont prévues^[9].

En 2011, Alba Nova 1, située en Corse, est la première centrale solaire thermodynamique française d'envergure a avoir obtenu un permis de construire depuis plus de 30 ans^[10].

La tour solaire de 1 000 mètres de hauteur, est l'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie alternative. Ce serait une usine d'énergie renouvelable qui fournirait la même puissance qu'un petit réacteur nucléaire tout en étant plus sûre et plus propre.

Un moteur Stirling relié à une génératrice peut aussi bien utiliser un système de concentrateurs paraboliques ou des capteurs plats à fluide caloporteur, selon son gradient thermique de fonctionnement.

Voir aussi

Références

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