L'énergie solaire thermique à concentration (CSP)

Les énergies renouvelables ont généralement une limitation en raison de leur nature intermittente à leur difficulté de stockage. Si la limitation due au stockage est importante pour les énergies éolienne ou photovoltaïque, elle l'est moins pour la technologie CSP, qui utilise généralement des systèmes de stockage thermique de plusieurs heures ou peut s'hybrider avec d'autres sources d'énergie (par exemple gaz naturel). Contrairement à l'énergie photovoltaïque, qui peut perdre 80% de sa puissance en quelques secondes pendant les périodes nuageuses, les centrales CSP ont une inertie thermique qui permet de limiter intermittences et de rendre la prévision de productible plus fiable [50]. En raison de ces caractéristiques, CSP est adapté aux projets d'énergie renouvelable à grande échelle et est l'une des technologies les plus prometteuses pour la production d'énergie dans le désert [18]. Fig.III.9 montre le principe de fonctionnement des centrales CSP. Les technologies CSP se basent sur des collecteurs qui concentrent le rayonnement solaire et réchauffent à haute température un fluide caloporteur. La chaleur du fluide peut ensuite être utilisée pour la génération d'électricité au moyen des cycles de puissance conventionnels en utilisant des turbines à vapeur ou à gaz. Le fluide caloporteur peut être stocké dans un réservoir en vue d’une utilisation ultérieure, par exemple quand l’énergie solaire absorbée ne sera plus suffisante ou après le coucher du soleil.

Les centrales CSP peuvent être facilement hybridées avec des combustibles fossiles pour d’accroître la disponibilité des installations et de produire la chaleur de manière garantie. Du point de vue d'un opérateur de réseau, le CSP se comporte exactement comme n'importe quelle centrale à vapeur conventionnelle, ce qui est un facteur important pour la stabilité et le contrôle du réseau. Les centrales CSP peuvent être conçues de 5 MW à plusieurs centaines de MW.

III.4.1.2. Les différents systèmes de concentration

L'énergie solaire étant peu dense, il est nécessaire de la concentrer, via des miroirs réflecteurs, pour atteindre des niveaux de températures assurant une production d’électricité à des rendements intéressants. Selon le mode de concentration du rayonnement solaire, plusieurs configurations sont possibles pour les centrales CSP. Actuellement, il existe quatre technologies CSP qui ont été utilisées dans le monde entier (voir la Fig.III.10): les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques, les centrales linéaires de Fresnel, les centrales à tour, et les centrales à capteurs paraboliques. Le collecteur cylindro-parabolique et les technologies de collecteurs de Fresnel linéaires sont connus sous le nom de technologies de focalisation linéaire car elles concentrent le rayonnement du soleil sur un récepteur linéaire, tandis que les technologies centrales à tour et centrales à capteurs paraboliques sont connues sous le nom de technologies de focalisation ponctuelle, car elles concentrent le rayonnement du soleil sur la tour ou au centre de la parabole.

Chacune de ces technologies se distingue par le mode de collecte et de concentration de l’énergie solaire, sa température d'utilisation, sa performance et ses coûts. La technologie des collecteurs cylindro-paraboliques est actuellement la plus mature, la plus performante et la plus approuvée des techniques de concentration solaire. Les centrales solaires utilisant cette technologie (cylindro-parabolique) représentent 88 % des centrales actuellement en activité. C’est également la technologie préférée pour la plupart des centrales en construction et en projet [51].

III.4.1.3 Les zones les plus favorables

Les endroits les plus prometteurs pour l'implantation de la technologie CSP sont ceux où l'ensoleillement direct est supérieur à 2000 kWh/m2/an (Fig.III.11(b)) [39]. Ils se situent principalement dans les pays méditerranéens et du Moyen Orient, au sud-ouest des Etats-Unis, en Australie, en Amérique du Sud, dans une grande partie de l'Afrique, en Inde et en Asie centrale (Fig.III.11(a)).

Le potentiel économique du CSP en Europe a été évalué dans [17]. Il est limité à l'Espagne, au Portugal, à la Grèce, à la Turquie et aux îles méditerranéennes et s'élève à 1580 TWh /an, dont 1280 TWh /an dans le sud de l'Espagne. Bien qu'il existe un potentiel de CSP relativement important en Europe, des sites plus attrayants sont situés au sud de la mer Méditerranée, avec un rayonnement solaire direct annuel allant jusqu'à 2800 kWh /m² /an. La Fig.III.12 montre le rendement électrique mensuel d'une centrale CSP dotée d'une capacité de stockage d'énergie thermique d'une journée à différents endroits en Europe et en Afrique du Nord [17]. Le site El Kharga en Egypte représente le meilleur des cas dans cette comparaison. Tout au long de l'année, le rendement de l'électricité solaire reste proche de 100%, seulement en janvier et février, il baisse à environ 85%, un comportement qui corrèle très bien avec la demande de puissance locale. Plus le central est situé au nord, plus son rendement mensuel en électricité est faible. À Madrid et à Fribourg, des valeurs inférieures à 20% sont atteintes en hiver, et aucune n'atteint 100% en été, comparé au site égyptien.

En raison de la distribution géographique de l'énergie solaire qui montre un ensoleillement beaucoup plus stable et fiable dans le Sud, la possibilité d'importer de l'électricité solaire du Moyen-Orient et de l'Afrique du Nord vers l'Europe est considérée comme la solution la plus attrayante pour l'Europe d'atteindre ses objectifs en matière d'énergie propre.

Fig.III.11. (a) Zones les plus favorables pour la technologie CSP. (b) Irradiation normale directe annuelle mondiale.

Fig.III.12. Rendement énergétique mensuel d'une centrale solaire thermique sur des sites à potentiel d'irradiation différent (source: [17])

III.4.2. Projets ambitieux dans la région méditerranéenne