Différents types de CSP

Comme montré dans la partie précédente, trois blocs sont nécessaires pour produire de l’énergie électrique grâce au rayonnement solaire.

Seul le rayonnement direct provenant du soleil est exploitable pour la production d’élec- tricité car le rayonnement diffus est difficilement focalisable. Les centrales solaires ther- modynamiques ne peuvent donc fonctionner et être efficace que si le ciel est dégagé avec un grand nombre d’heure d’ensoleillement. Plusieurs technologies sont proposées depuis plusieurs années en fonction de la technique de concentration du flux solaire.

D’une manière générale, deux grands principes de concentration existent (Tian et Zhao, 2013) :

— Concentration linéaire : La concentration s’effectue sur de grandes longueurs de tube circulaire ou à surface plane dans lequel circule un fluide caloporteur. Ces tubes se trouvent sur la ligne focale des réflecteurs concentrant le flux solaire. Cette technologie nécessite le suivi du soleil sur au moins un axe. Ce type de concentration regroupe les centrales cylindro-paraboliques et linéaires fresnels.

— Concentration ponctuelle : Elle s’effectue sur un récepteur central. Le dispositif suit le soleil suivant deux axes en azimut et en hauteur. Ce type de concentration regroupe les centrales à tour, les concentrateurs paraboliques et les centrales « beam down ».

Centrales cylindro-paraboliques

Les centrales thermodynamiques utilisant les capteurs cylindro-paraboliques sont les plus répandus et les plus pérennes. Depuis la première crise pétrolière ans les années 1970, le cylindro-parabolique a suscité un fort intérêt dans le milieu scientifique et industriel (Fuqiang et al., 2017). Actuellement, plus de 71% des centrales installées utilisent ce type de capteurs (Tian et Zhao, 2013). Les températures atteintes sont comprises généralement entre 290 et 550°C (Kuravi et al., 2013; Pardo, 2013) pour un facteur de concentration entre 70 et 80. Les miroirs reflecteurs ont chacun une largeur d’ouverture d’environ 6m et une longueur totale entre 100 et 150m (Fernandez-Garcia et al., 2010; Tian et Zhao, 2013). La centrale Andasol (50MWe) en Espagne, est la première à être construite en Europe et représente un exemple de centrale utilisant cette technologie au même titre que la première centrale du Maroc (NOOR I) inaugurée en février 2016. La figure1.3.2 illustre le principe de fonctionnement.

Figure 1.3.2 – Principe de fonctionnement (à gauche) et exemple d’une centrale cylindro- parabolique (NOOR I à droite)

Capteurs linéaires de fresnel

Comme le montre la figure 1.3.3, les concentrateurs à réflecteurs linéaires de fresnel (LFR) sont constitués de miroirs plans qui suivent la course du soleil selon un axe . Le flux solaire est concentré selon une ligne focale fixe située au dessus des miroirs. Le recep- teur est géneralement composé d’un absorbeur et d’un reflecteur secondaire qui concentre le rayonnement (Tian et Zhao, 2013; Pavlovic et al., 2012). La forme parabolique du col- lecteur est reproduite par une succession de miroirs plans moins couteux que les miroirs paraboliques. Cette technologie a pour autres avantages la réduction du coût d’infrastruc- tures métalliques et les économies réalisées par un nettoyage simplifié des miroirs plans. De nos jours, seulement moins de 12% des centrales thermodynamiques utilisent cette technologie et principalement à l’échelle pilote (Tian et Zhao, 2013). Comme précédem- ment, un fluide caloporteur circule dans le tube et les températures peuvent atteindre 300°C.

Concentrateurs paraboliques

Ayant la même forme que les paraboles de réception satellites, les capteurs parabo- liques fonctionnent de manière autonome et suivent la course du soleil selon deux axes en concentrant le flux solaire sur un point focal (figure1.3.4). Au point focal, existe une enceinte fermée remplie de gaz qui s’échauffe sous l’effet de la concentration du rayonne- ment solaire. L’échauffement du gaz entraine un moteur du type stirling. Le rapport de concentration de ce système est souvent supérieur à 2000 et la température au récepteur peut atteindre 1000°C avec des pressions de travail de l’ordre de 200 bars (Meffre, 2012; Kuravi et al., 2013). Cependant, la température est limitée par le moteur, entre 700 et 850°C en fonction de la technologie utilisée. De nos jours, moins de 4% des installations

Figure 1.3.3 – Principe de fonctionnement (à gauche) et exemple d’une centrale LFR (à droite)

solaires thermodynamiques utilisent cette technologie. Les centrales existantes utilisant cette technologie sont principalement basées aux USA (Maricopa Solar).

Figure 1.3.4 – Schéma de principe (à gauche) et photo de paraboles (à droite)

Centrales à tour

Les réflecteurs des centrales à tour sont des héliostats qui suivent la course du soleil sur deux axes (Py et al., 2013). Le rayonnement solaire est ensuite concentré au sommet d’une tour ayant un récepteur qui permet de chauffer le fluide caloporteur. Les centrales à tour ont été développées pour des installations destinées à une production à grande échelle, avec de fortes puissances et travaillant à de hautes températures. Le facteur de concentration est compris entre 300 et 1000 permettant d’atteindre des températures comprises entre 600 et 1000°C (Poullikkas et al., 2010). Nombreuses sont les centrales fonctionnant à

ce jours à l’échelle industrielle et utilisant ce type de technologie (approximativement 13%). Parmi les premières centrales à voir le jour on peut citer : Solar One (10 MWe, Californie, États Unis) ou encore THEMIS (2,5 MWe, Pyrénées Orientales, France) testée comme pilote pour la production d’électricité entre 1983 et 1986 par EDF et le CNRS (figure1.3.5) et qui sert généralement comme reférence à l’échelle de la France. D’autres centrales comme PS10 et PS20 , Gemasolar sont en fonctionnement et d’autres sont en projet de construction comme NOORIII au Maroc qui aura une capacité de 150MW.

Figure 1.3.5 – Schéma de fonctionnement (à gauche) et photo de la centrale Thémis (à droite)

Centrales beam down

C’est une nouvelle génération de centrale qui est en pleine expérimentation. Le principe de fonctionnement est le même qu’une centrale à tour sauf qu’elle utilise une technique à double reflexion pour capter les rayons du soleil (figure 1.3.6). Le concept se base sur la fixation d’un miroir réflecteur en hauteur en lieu et place de la tour classique. Son rôle est de renvoyer le rayonnement du champs d’héliostats vers le récepteur qui se trouve au sol. De ce fait, aucune installation thermique ne se trouve en hauteur. Cette innovation entraine une réduction considérable du coût de l’installation par rapport à une tour conventionnelle ( entre 30 et 50%)(Tamaura, 2009, 2010; Segal et Epstein, 1999; Hasuike, 2009). Cependant, même si cette technique est compétitive avec les centrales à tour, elle est utilisée seulement à l’échelle pilote. Une installation de ce type a été construite à Masdar (Abu Dhabi) developpée par le Tokyo Institute of technology (Tamaura, 2009).

Figure 1.3.6 – Fonctionnement d’une centrale Beam down (à gauche) et photo de l’ins- tallation à Abu Dhabi (à droite) (Farges, 2014; Bergan et Greiner, 2014)