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Cette page Wikiversité s'intéresse aux fours solaires et plus généralement au solaire thermodynamique aussi appelé solaire à concentration.

Le solaire thermodynamique se distingue du thermique et du photovoltaïque (PV) par la concentration des rayonnements solaires sur un colleteur placé au foyer, au moyen de miroirs. Ces systèmes permettent d’atteindre des températures très élevées, jusqu'à 3800°C par exemple avec le four solaire d'Odeillo en France.

L'énergie solaire convertie en énergie thermique par la concentration peut être utilisée directement ou convertie en électricité dans des centrales solaires thermodynamiques, en anglais Concentrated Solar Power (CSP).

Le solaire thermodynamique, tout comme le PV ou le solaire thermique, est une énergie renouvelable moins connue du grand public et dont le secteur est moins développé que ces deux derniers. En effet, en 2016, alors que le solaire ne représente que 1,5% de la production mondial d'électricité, la part du CSP est de seulement 3,4% dans la production d’électricité solaire. C'est donc une énergie très minoritaire dans le mix énergétique mondial d'aujourd'hui.

Cependant, le solaire thermodynamique, comme les autres types d'énergie solaire, a un potentiel énergétique naturel titanesque. En effet, l'énergie solaire est la plus abondante de toutes les ressources énergétiques sur terre et la vitesse à laquelle elle est interceptée par la Terre est environ 8 000 fois supérieure à la vitesse à laquelle l'humanité consomme de l'énergie!

Bien que cette énergie soit inégalement répartie à la surface du globe et que son flux varie au cours d'une journée, en fonction des saisons et des conditions météorologiques, l'énergie solaire possède le potentiel de contribuer majoritairement au mix énergétique mondial.

L’histoire de la concentration des rayons solaires pour focaliser de la chaleur remonte à l'Antiquité. En revanche, les fours solaires de grand envergure se développent seulement à partir du XXème siècle. Aujourd'hui, ce mode de production d'énergie est au stade d'une jeune industrie malgré son potentiel naturel extraordinaire. Son développement à grande échelle est amorcé mais reste encore très incertain et inégal selon les régions concernées à cause des contraintes climatiques et des choix politiques notamment.

Aperçu du solaire thermodynamique

Le solaire thermodynamique se décline en de nombreuses technologies aux applications diverses, dont l'efficacité dépend de l'ensoleillement reçu sur les installations. La naissance de cette technologie remonte au débuts de plusieurs civilisations. Cette première partie donne un aperçu du solaire thermodynamique en abordant brièvement les aspects évoqués ci-dessus.

Le potentiel naturel de l'énergie solaire

Le Soleil en tant que ressource énergétique est inépuisable à l'échelle de nos sociétés humaines. Comme le dit le GIEC dans son rapport spécifique sur les ER de 2011 : "Il est disponible et apte à être utilisé dans tout les pays les pays du monde. Mais planifier et concevoir des systèmes de conversion d'énergie appropriés, des experts en énergie solaire doivent savoir combien d'irradiation va tomber sur leurs collecteurs."

Carte de l'irradiation horizontale sur l'Europe, de 1994 à 2010

La quantité d'énergie reçue du Soleil par la Terre est gigantesque. Chaque année, ce sont 1 070 000 PWh (soit 10¹⁵ Wh) que reçoivent la Terre, soit plus de 8 000 fois la consommation énergétique primaire mondiale annuelle (163 PWh en 2017). Par conséquent, maîtriser l'exploitation de 0,02% de cette source d'énergie suffirait à couvrir l'ensemble des besoins énergétiques de l'humanité ! Remarquons que, moins directement, l'énergie solaire comprend aussi l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne,une part des énergies marine et la biomasse (bois-énergie, biogaz, biocarburant) puisque c'est le soleil, par les transferts de chaleur ou la photosynthèse, qui les génère.

Avec un ciel clair et sans nuage, l'énergie du soleil reçu à la surface de la Terre est d'environ 1 000 W/m². Ce rayonnement est diffusé par des rayons dont la longueur d'onde est principalement comprise entre 250 nm et 3000 nm. 10% sont des Ultra Violet, 40% correspondent à de la lumière visible et enfin 50% sont des infrarouges. Cependant, les conditions atmosphériques réduisent habituellement cette irradiation solaire, de 35% en un jour dégagé et sec et jusqu'à 90% pour une journée très nuageuse. Finalement, cela permet d'estimer qu'en moyenne, l'irradiation solaire sur le sol est de 198 W/m².

L'un des freins au développement de l'exploitation de cette énergie est sa production intermittente, en fonction de l'ensoleillement (nuage, nuit, saison), et la difficulté de son stockage, que ce soit sous forme de chaleur ou d'électricité. Nous verrons au cours de ce wiki que des solutions sont recherchées activement dans certaines régions du monde, où l'énergie solaire pourrait dominer la production locale énergétique, à condition de la maîtriser.

Description de la technologie des fours solaires

Les centrales solaires se distinguent du solaire thermique et solaire photovoltaïque par une caractéristique simple : la concentration des rayons. En effet, les technologies thermique ou photovoltaïque (PV) se déclinent sous la forme de capteurs plats et n'ont pas pour objectif de concentrer les radiations mais simplement de les capter sur une surface plane. A contrario, les technologies de solaire thermodynamique proposent diverses formes et manières de réfléchir les rayons captés par de nombreux collecteurs pour ensuite les concentrer en une zone focale et chauffer un fluide. Ainsi les températures atteintes en cette zone de concentration sont bien plus élevées que celles obtenues par des procédés sans concentration et il est ensuite possible de tirer bénéfice de cette chaleur. L'énergie thermique stockée dans le fluide peut être ensuite utilisée pour divers usages, mais dans ce wiki nous nous focaliserons sur la production d'électricité par les technologies du solaire thermodynamique.

Le Four Solaire d'Odeillo, Pyrénées Françaises

Précisons également que l'on entendra par fours solaires d'importantes installations réalisées dans le but d'utiliser l'énergie concentrée à des fins industrielles, de recherche, ou de rattachement au réseau électrique. Par conséquent, nous ne traiterons pas des fours solaires domestiques, aussi appelés cuiseurs solaires et très en vogue ces dernières décennies, ni des chauffe-eau thermodynamiques.

Un des premiers fours solaire construit dans le monde est celui d'Odeillo dans les Pyrénées françaises. Ce complexe en photo sur la gauche fonctionne grâce à des capteurs plats (non visible sur la photo), réfléchissant les rayons sur une surface parabolique de miroir afin de les concentrer dans la tour centrale qui fait office de tache focale.

Toutefois, la technologie du solaire thermodynamique est très diverse et il existe de nombreuses autres formes de collecteurs dont les formes varient grandement. Ces différents types de centrales thermodynamiques sont expliquées dans la partie Aspect Technique.

Les applications du solaire thermodynamique à concentration

L’énergie calorifique obtenue par concentration du rayonnement solaire peut être utilisée de diverses façons selon les installations:

• Recherche : les concentrateurs solaires permettent d'atteindre de hautes températures dans un environnement pur, utile pour la recherche sur le comportement des matériaux et sur la conversion et le stockage de l’énergie. Le secteur aérospatial et militaire sont particulièrement concernés, désireux de tester certains produits à des conditions de température extrême.

• Production d'électricité : l’énergie thermique est stockée, utilisée pour produire de la vapeur et générer de l’électricité dans des centrales solaires thermodynamiques, en anglais installations CSP (Concentrated Solar Power).

• Chauffage domestique: il existe sur le marché des concentrateurs adaptés à un usage domestique pour le chauffage de l'eau. Il s'agit notamment de capteurs de concentration "à cylindre parabolique compact" (CPC), capteurs plats pouvant être placés sur un toit.
• Cuiseurs et fours solaires domestiques: ils existent depuis plusieurs siècles et peuvent être achetés ou construits par leur utilisateur, alternatives low-tech au four traditionnel domestique.
• Industrie et artisanat : les hautes températures atteintes par concentration solaires peuvent être utilisées dans l’artisanat et l'industrie par exemple dans le domaine de la métallurgie pour l'obtention d'alliages. Exemple: la SARL Four Solaire Développement fabrique des objets en bronze et poteries grâce à des concentrateurs solaires à Mont Louis.

Aspect technique

Principe de fonctionnement

Les centrales solaires utilisent le principe de la concentration solaire, pour focaliser en un point les rayons directs du soleil. On créer alors une surface de collecteurs généralement constitués de miroirs, qui superposent le rayonnement solaire en un seul point. Cela permet d'atteindre des températures très élevées, ce qui ouvre de nombreuses possibilités d'applications industrielles. Ces températures élevées permettent par exemple de produire de la vapeur pour alimenter une turbine produisant de l'électricité. Le principe de l'énergie solaire concentrée se retrouve également dans d'autres applications, telles que pour la cuisson, le dessalement de l'eau de mer ou le traitement de polluant.

Ces dispositifs peuvent être caractérisés par leur concentration, le rapport entre la surface du collecteur et la surface du point focal.

$ConcentrationOptique={SurfaceDuCollecteur \over SufaceDeLaTacheFocale}$

Les concentrations atteintes dans la pratique sont de l'ordre de 20 à 80 pour les capteurs cylindro-paraboliques, de 200 à 3000 pour les capteurs paraboliques, de 300 à 800 pour les centrales à tour et de plus de 5000 pour un four solaire.

Les différentes technologies

Les centrales solaires présentent de nombreuses solutions technologiques permettant un meilleur rendement. Il est donc nécessaire de prendre en compte ces différents aspects afin de faire les combinaisons les plus judicieuses et les choix technologiques qui permettent les coûts les plus bas ainsi que la meilleure utilisation de l'énergie captée.

Les capteurs et leurs concentrateurs

Les différents types de collecteurs pour concentration solaire

L'objectif est d'absorber le plus d'énergie radiative possible et de la restituer sous forme de chaleur à un fluide de transfert.  Ainsi, le choix de la géométrie du point point focal (le capteur) et du concentrateur qui lui va le mieux est un des points clés dans la conception d'un four solaire.

Il existe de nombreux types de capteurs, mais on peut les classer dans 4 grandes familles: les capteurs linéaires ou ponctuels, et les capteurs fixes ou mobiles (voir le tableau des différents types de collecteurs pour concentration solaire ci-contre).

Dans tout les cas, il faut trouver le concentrateur qui correspond le mieux à chaque capteur: si le point focal est linéaire, on prendra plutôt un concentrateur cylindrique, alors que s'il est ponctuel (en un point), on prendra un concentrateur parabolique. Quant à la mobilité du capteur, cela permet de suivre le mouvement du soleil. Il est donc primordial que l'un des deux, entre le capteur et le concentrateur, puisse bouger pour avoir le plus de rayons tout au long de la journée. On peut donc imaginer un concentrateur mobile pour les capteurs fixes. C'est le cas par exemple pour Solar One au Nevada.

Lors du choix du matériel du concentrateur, il est également nécessaire de prendre en compte l'entretien des miroirs et des lentilles. Le moindre orage ou grand vent désoriente la majorité des miroirs et rajoute énormément de poussière sur les surfaces, ce qui diminue leur efficacité de concentration. Il faut donc un système assez solide et facilement nettoyable.

Les transformations de l'énergie solaire incidente, basés sur un flux de 100 W/m² au sommet de l'atmosphère

L'occupation au sol et l'optimisation du rayonnement

L'efficacité d'une centrale solaire dépend de la météo et de sa zone géographique. En effet, une grande quantité de rayonnement solaire est dispersée et donc perdue dans l'atmosphère, surtout lorsqu'il y a des nuages.  Dans les climats tempérés, la lumière diffusée représente 60 % ou plus du rayonnement solaire total. Par conséquent, la concentration solaire n'est pas appropriée dans ces climats. Même dans les zones arides, la lumière diffuse représente plus de 20 % de l'énergie incidente mondiale.

Ainsi, les zones les plus appropriées pour l'utilisation de la concentration solaire sont celles où la lumière directe du soleil dépasse 1 900 kWh/m²/an. Les régions adaptées seraient par exemple l'Afrique du Nord, le Moyen-Orient, l'Australie, le sud-ouest des États-Unis, l'Inde et l'Asie centrale. En France, certains sites ont également cette capacité, par exemple dans la région des Pyrénées-Orientales, où ont été placés le four solaire d'Odeillo, ou la centrale solaire Thémis à Targassonne.

Peut importe la localisation géographique du concentrateur, il faut optimiser le rayonnement solaire au maximum et en récupérer le plus possible au fil de la journée. Pour cela, il y a plusieurs solutions:

→ Tout d’abord, puisque les angles des rayons ne sont pas constants au fil de la journée, on peut ajouter un système de suivi du déplacement solaire. On peut se dire que cette idée aurait pu être inspirée des plantes hélio-tropiques (tel que le tournesol) qui orientent en permanence leurs feuilles perpendiculairement au rayons lumineux ! Il suffit simplement de créer un système d’asservissement avec un capteur optique (pour les collecteurs individuel), ou un système de commande numérique préprogrammé en fonction du mouvement apparent du soleil dans la zone du globe (pour les centrales à tour).

→ De plus, on peut aussi utiliser le maximum de surface terrestre pour récupérer le plus de rayonnements possibles, et augmenter la concentration solaire. On pourrait cependant penser que cette grande superficie pourrait poser problème avec les zones habitables ou agricoles, mais les conditions géographiques nécessaires impliquent que les concentrateurs solaires sont souvent sur des terres arides ou désertes. Dans la majorité des cas, on peut donc se permettre d'utiliser une grande surface pour optimiser les rendements des centrales solaires.

Le transport et le stockage de la chaleur

Système de transfert et de stockage d'énergie thermique. Cas de Thémis, avec les sels fondus et le cycle eau-vapeur

Le système permettant de passer de l'énergie thermique à l'énergie électrique est très proche de celui pour les centrale nucléaires.

Pour transporter la chaleur, on utilise des fluides de transfert, ou des fluides caloporteurs. Ils sont situés au niveau des capteurs, pour récupérer la chaleur des rayons concentrés, puis suivent un circuit allant vers le générateur de vapeurs. Il existe différents fluides, on peut prendre par exemple des huiles de synthèse, de l'air à haute température, du sodium liquide ou encore des sels fondus. Les sels fondus sont particulièrement utiles pour le stockage thermique sensible. Comme une pierre que l'on fait chauffer à côté du feu pour ensuite profiter de sa chaleur sur une plus longue période, les sels fondus gardent la chaleurs assez longtemps pour que la centrale puisse continuer à fonctionner durant la nuit. Cette idée a fait ses preuves par exemple avec Thémis et Solar Two.

Ensuite on utilise un autre cycle thermodynamique permettant de convertir l'énergie thermique du fluide de transfert en énergie mécanique. La plupart du temps, on emploie le cycle de Carnot, avec de l'eau-vapeur. Une fois l'eau mise en vapeur, elle fait tourner des turbines qui produisent de l'électricité. Plus récemment, on utilise de plus en plus un cycle combiné en couplant un cycle à gaz et un cycle à vapeur. Cela donne un meilleur rendement thermodynamique atteignant les 50% !

Applications de ces technologies

Après avoir vu quelques solutions technologiques liées aux concentrateurs solaires, ainsi que leurs conditions de fonctionnement et d'efficacité optimales, voici quelques exemples de combinaisons possibles existant déjà dans le monde.

• Centrales solaires à collecteurs cylindro-paraboliques (exemple: Les grandes centrales de Luz)

• Les systèmes à collecteurs paraboliques (exemple: Système Parabole-Stirling d'Odeillo)
• Les collecteurs Fresnel linéaires (exemple: Les collecteurs Fresnel linéaires Centrale Centrale CLFR de Kimberlina)

• Les centrales à tours (exemple : Noor III du complexe Noor Ouarzazate et Thémis) :

Thémis (1983-1986) est une centrale solaire thermodynamique qui a produit de l'électricité. Elle a les caractéristiques suivantes:

·      Une puissance thermique nominale de 9 000 kW

·      Une puissance électrique nominale de 2 500 kW

·      Une tour de 101,50 mètres de haut et de 8 mètres de diamètre

·      201 héliostats mobiles d'une surface totale de 10 740 m²

·      Un récepteur solaire d'un volume de 56 m³ situé à 80 mètres de haut.

La centrale solaire Thémis utilise le principe de la concentration des rayons solaires par des miroirs réfléchissants. Les 201 héliostats mobiles situés sur le flanc de la colline dirigent les rayons du solaire directement vers une tour qui héberge à son sommet un récepteur solaire. Des sels fondus circulent dans le récepteur afin d'emmagasiner la chaleur puis sont stockés dans un réservoir. Chauffés par les rayons, les sels fondus transfèrent leur énergie à un circuit d'eau. La vapeur alors produite actionne une turbine, comme dans une centrale thermique.

• Les fours solaires (exemples : Le four de Mont-Louis et le Grand Four Solaire d'Odeillo) :

Le Four Solaire d'Odeillo (1969), de 54 mètres de haut et 48 de large comprenant 63 héliostats, est un laboratoire du CNRS. Le site d'Odeillo a été choisi pour :

·      la durée et la qualité de son ensoleillement en lumière directe (plus de 2 400 h/an)

·      la pureté de son atmosphère (altitude élevée et faible humidité moyenne).

Four Solaire d'Odeillo (schéma de fonctionnement)

Le four solaire d'Odeillo peut atteindre une température de 3 800°C et fonctionnent sur le principe de la double réflexion. La lumière du Soleil est réfléchie sur 63 miroirs plans; les miroirs plans ont une surface de 45 m² chacun ; ils peuvent s'orienter pour suivre le mouvement apparent du Soleil grâce à un dispositif optique et électronique (ce sont des héliostats). Cette lumière est ensuite concentrée par une grande parabole composée de 9 500 miroirs, située en face des miroirs plans, qui eux sont fixés. De là les rayons convergent vers une cible circulaire au sommet d'une tour centrale de 20 m de haut; cette cible a un diamètre d’à peine 40 cm. Sur cette zone, la lumière concentrée correspond à l’énergie rayonnée par 10000 soleils. Le four d'Odeillo peut ainsi atteindre de hautes températures sans apports d'éléments polluants. Les salles du 4ème et 5ème étage, dotées d’équipements de pointe, servent aux expérimentations. Les autres étages sont utilisés pour la préparation des expériences notamment.

Histoire et culture: évolution de la concentration solaire vis à vis de la société dans l'histoire

Antiquité

Le soleil est un élément qui fascine de nombreuses civilisations ; du dieu Rê en Égypte à Hélios en Grèce, en passant par Sol dans l'empire Romain ou encore Kinich Ahau chez les Maya, le culte qui lui est voué est remarquable.

→ La première concentration des rayonnements solaires est observée aux Jeux Olympiques  de 776 av. J-C à Olympie. La flamme est allumée grâce à un miroir parabolique nommé Skaphia. Les rayons du soleil sont donc ici concentrés au centre du miroir, ce qui permet d'allumer la flamme.

→ Cinq siècles plus tard, cette concentration d'énergie solaire devient une arme redoutable pour la guerre et notamment pour les batailles à distance. Le successeur du Skaphia est alors appelé miroir ardent. Il s'agit d'un immense miroir de bronze poli, qui réfléchit les rayons solaires. Une légende célèbre raconte qu'Archimède lui-même aurait mis au point un miroir ardent d'une puissance remarquable pour enflammer les voiles de la flotte romaine qui tentait d'attaquer Syracuse (en Sicile). Cette légende est par ailleurs controversée quant à l'efficacité d'une telle technique : principalement de part la position géographique de Syracuse ; seuls les rayons du matins, qui sont beaucoup moins puissants que ceux de la journée auraient pu être utilisés. De plus, le mouvement de la flotte romaine était tel que cette dernière n'aurait pu être brûlée que par une arme rapide, ce qui n'était pas le cas du miroir ardent.     

Temps modernes

→ Au XVème siècle c'est en Amérique latine que l'on observe une nouvelle utilisation de ce que nous appellerons par la suite four solaire. En effet, durant le jour de la fête du soleil, rituel appelé Inti Raymi chez les Incas, du coton était enflammé à l'aide d'un miroir concave. Le principe du système ne change pas de celui du miroir ardent mais on remarque surtout que de telles inventions ont été utilisées à travers les époques et les différentes aires géographiques.

Fichier:Tintin et le temple du soleil - Hergé - 1948.png

Tintin et le temple du soleil - Hergé - 1949

Le solaire et le divin

Dès l'Antiquité, le solaire est sacralisé. Allégorisé par les dieux de diverses cultures, il est toujours représenté comme supérieur à l'Homme (exemple du dieu Rê dans l'Égypte ancienne, aussi vu comme le dieu créateur, sa puissance est représentée par sa tête de faucon, son disque solaire imposant et lumineux et son cobra protecteur).

Au XVème siècle, cette mentalité est similaire chez les Incas. C'est ce que montre le dessinateur belge Hergé dans sa bande dessinée "Tintin et le temple du soleil" publié en 1949 par l'éditeur Casterman. Sur la planche ci-contre on y retrouve les protagonistes Tintin, Capitaine Haddock et professeur Tournesol, prisonniers au Pérou et prêts à se faire brûler vif. Le prêtre du soleil compte mettre le feu au bûcher à l'aide d'une loupe. L'invocation de l'astre solaire se fait de manière très solennelle, implorante et respectueuse. Hergé va même plus loin, il montre que Tintin, étranger à ces coutumes, n'a pas même le droit de s'adresser au soleil, cela serait un sacrilège. Les 3 héros (et milou !) finiront finalement sauvés grâce à une éclipse solaire, phénomène inconnu des Incas.

L'énergie solaire est ici présentée comme une énergie encore incontrôlée, relevant du divin. On y retrouve des Incas ayant du mal à s'approprier les phénomènes qui lui sont liés (ici l'éclipse) et faisant même preuve d'une certaine ignorance.

Époque contemporaine

Le solaire au service de l'Homme

Galerie des Glaces - Versailles

Construite de 1678 à 1684 par l’architecte Jules Hardouin-Mansart, la galerie des Glaces est un lieu emblématique du château de Versailles. Ornée de près de 357 somptueux miroirs sur ses 73 mètres de long, cette galerie présente un jeu de lumière singulier grâce à la réflexion solaire. Du long des 17 arcades qui constituent la galerie, le peintre Le Brun retrace les nombreux succès et l’histoire glorieuse du Roi Soleil durant ses 18 premières années de règne. En plus d’exalter les succès politiques, militaires et économiques de la France, cette œuvre architecturale prône un savoir-faire unique. C’est une véritable réussite artistique : pilastres de marbre de Rance ornés de chapiteaux en bronze doré (c’est le début de « l’ordre français »). On associe désormais la réflexion solaire à la prospérité et la réussite. Elle devient maîtrisable et est mise au service de la démonstration du pouvoir de l’Homme.

→ En 1747 l'histoire du four solaire s'enrichit grâce aux travaux du comte de Buffon, Georges Louis LECLERC. C'est un des premiers à ne pas laisser ses recherches se faire influencer par l'environnement religieux dans lequel il baigne. Dans le but de rendre hommage à Archimède, qui avait été contredit par Descartes, il décide de prouver qu'il est possible de mettre feu à distance grâce au miroir ardent. Il reprend donc le principe du miroir ardent, mais, au lieu de concevoir un miroir composé d'une unique glace, il en construit un avec près de 168 glaces. Ce nombre est tel que son installation lui permet de faire fondre des métaux lourds tels que l'étain, le plomb ou encore l'argent.

→ En 1774, Horace-Bénédicte de Saussure, physicien et alpiniste, chercha à mesurer le pouvoir calorifique du soleil. Il construisit un système en forme de boîte vitrée noire tapissée de liège qu’il baptisa l’hélio-thermomètre, l'ancêtre du four solaire domestique. L'originalité de ce système réside en sa conception : la concentration des rayons du soleil est réalisée dans un milieu clos. En effet, le centre de l’appareil était isolé d’une paroi en verre. Il est testé dans le massif du Mont Blanc, où est atteint une température de 88°C dès la première utilisation. Ce dernier offre la possibilité de faire chauffer de l’eau ou cuisiner avec comme seule énergie : le rayonnement solaire. C'est cette même année que Lavoisier invente un cuiseur solaire utilisant des lentilles convergentes capable de faire fondre des métaux.

→ C’est sous le second Empire que les premières réalisations mécaniques voient le jour. Les mentalités s’ouvrent et se soucient de l’usage abusif des combustibles, un retour aux énergies naturelles est envisagé. Inspiré par le travail de ses prédécesseurs, le français Augustin Mouchot déclara “ il arrivera nécessairement un jour où, faute de combustible, [l’industrie] sera bien forcée de revenir au travail des autres agents naturels”. Il imagine donc des procédés permettant de capter l’énergie solaire à des fins industrielles. Soutenu et financé par de nombreuses instances : l’Association française pour l’avancement des sciences, le conseil général d’Indre-et-Loire, l’instruction publique et ardent partisan de l’énergie solaire ainsi que le gouvernement, Augustin Mouchot voyage en Algérie (où les conditions d'ensoleillement sont bien meilleures à celles observées en Europe) pour tester et mettre au point son matériel. En 1866, il met au point le premier moteur solaire avec un réflecteur parabolique et une chaudière cylindrique en verre qui alimente une petite machine à vapeur transformant l'énergie solaire en énergie mécanique. En 1877 il construit un four solaire de près de 20 m² qui reçoit une médaille d’or à l’exposition universelle de Paris un an plus tard. Lui et son associé Abel Pifre construisent aussi un générateur solaire qui produirait suffisamment de vapeur pour animer une presse permettant d’éditer un journal.

Le solaire et le Land Art

Aujourd'hui, si la captation de rayons solaires et son énergie associée est très présente dans les films et les livres de science-fiction (exemple : la base de Starkiller dans Star Wars qui consomme des soleils comme source d'énergie), le solaire est aussi massivement représentée dans le Land Art (exemple de Urbasolar qui réalise une centrale solaire en Land Art en 2019).

En 2016, au château de Versailles, le dano-islandais Olafur Eliasson a laissé libre cours à sa créativité pour modifier notre perception de différentes pièces et jardins du château. Son arme favorite : le miroir qui diffracte les rayonnements. A l'intérieur du château on retrouve des "miroirs piégés" : l'artiste s'est amusé avec la lumière et les formes pour créer de nombreux jeux d'optique. En accentuant les différentes luminosités propres à l'infrastructure, l'exposition permettait aux visiteurs d'augmenter la réalité à laquelle ils assistaient jusqu'à lors.

Cet art contemporain laisse paraître une nouvelle vision de la concentration de rayonnement solaire. En plus de savoir capter le rayonnement, on s'amuse avec, on joue avec, on sait parfaitement comment le maîtriser. Par ailleurs, le fait de ne pas dénaturer cette énergie en la restituant à son milieu naturel (exemple du Land Art) met en avant sa pureté et la nécessité de revenir à un mode de production d'énergies moins polluantes.

L'essor du CSP dans la seconde moitié du XXème siècle

Four solaire d'Augustin Mouchot et Abel Pifre, vers 1880

Bien que les premiers systèmes techniques de solaire thermodynamique (comme celui d'Auguste Mouchot) arrivent dès le début de la révolution industrielle, il faudra attendre le XX^ème siècle pour que cette innovation se développe à des échelles industrielles.

Cas français: d'une nouvelle technologie française aux premiers pas du CSP

L'histoire de l'énergie solaire est une histoire à éclipses, avec ses moments de gloire, suivis de périodes d'oubli. Ainsi, les avancées successives sont suivies de périodes de désintérêt: l'émergence de nouveaux combustibles (charbon au XVIII^e siècle et pétrole à la fin du XIX^e) ralentit le développement de l'énergie solaire.

La crise mondiale du pétrole de 1973 relance les recherches dans le but d'obtenir une source d'énergie moins chère et plus abondante, mais la baisse du prix de l'or noir à la fin des années 1980 conduit à nouveau au ralentissement de la recherche des nouvelles techniques de concentration solaire.

Mont Louis et Odeillo: histoire de ses laboratoires de recherche

Le chimiste français Félix Trombe et son équipe ont réalisé à Meudon en 1946 une première expérience à l'aide d'un miroir de DCA pour montrer la possibilité d'atteindre de hautes températures très rapidement et dans un environnement très pur, grâce à la lumière du soleil fortement concentrée. L'objectif était de faire fondre du minerai et d'en extraire des matériaux très purs pour confectionner de nouveaux matériaux réfractaires plus performants.

Pour concrétiser cette filière et en tester les diverses possibilités, un premier four solaire fut construit à Mont-Louis en 1949. Quelques années après, sur le modèle du four de Mont-Louis et au vu des résultats obtenus, un four solaire de taille quasi industrielle fut construit à Odeillo. Les travaux de la construction du Grand Four Solaire d’Odeillo durèrent de 1962 à 1968 pour une mise en service en 1969.

Fervents partisans de l’énergie solaire et à la suite du premier choc pétrolier de 1973, durant la deuxième moitié des années 1970, les chercheurs du four solaire d’Odeillo orientèrent davantage leurs travaux vers la conversion de l’énergie solaire en électricité.

Ces travaux participèrent à l’étude d’une Centrale solaire thermodynamique : Thémis.

La fermeture aux expérimentations solaires de la Centrale solaire Thémis entre 1987 et 2004 signifiait la mise en sommeil des recherches sur la conversion de l’énergie solaire en électricité. Le laboratoire du Grand Four Solaire d’Odeillo recentre alors son activité sur l’étude des matériaux et la mise au point de procédés industriels avec l’appui de Claude Dupuy de Crescenzo, devenant le laboratoire de l'IMP (Institut de science et de génie des Matériaux et Procédés).

Avec le retour des préoccupations énergétiques et environnementales, le laboratoire s'implique à nouveau dans la recherche de solutions concernant l’énergie et l’environnement, sans renier ses compétences uniques dans le domaine des matériaux et des procédés.

Aujourd’hui, le four solaire d'Odeillo fait partie du laboratoire de recherche PROMES du CNRS et de l’Université de Perpignan (PROcédés Matériaux, Energie Solaire). Ces équipes étudient les phénomènes thermiques à haute température, les systèmes caloporteurs, la conversion de l'énergie, le craquage de l'eau pour produire de l'hydrogène, le comportement des matériaux à haute température dans des environnements extrêmes...Même s'il y a bien eu des recherches pour les centrales solaires, le Four Solaire d'Odeillo n'est pas une centrale solaire de production d'électricité.

Le giganstisme des années 1960 inscrit dans la politique de la "grandeur"

Au cours de la décennie 1950, le Laboratoire de l'Energie Solaire (LES) développe à Mont-Louis-Odeillo des programmes solaires aux enjeux différents. Les fours à haute température intéressent militaires et industriels pour tester des matériaux stratégiques de la guerre froide.

Mais c’est en 1958 que naît le projet du « four aux mille soleils ». Une fois le four d’une puissance de 75 kW opérationnel, le directeur du LES parvient à convaincre la direction du CNRS de construire un four géant sur un vaste terrain à Odeillo. Ces projets de grande envergure s’intègrent parfaitement à la rhétorique de la « grandeur » de la politique gaullienne et de la « troisième voie » entre les deux blocs de la guerre froide réoriente les aspirations nationales vers la modernisation du pays, dont la science devient un élément central. Avec sa notoriété internationale et l’importance des matériaux dans la guerre froide, le LES tire profit de la réorganisation nationale de la recherche publique. Le directeur de recherche CNRS: Félix Trombe, très favorable à l’essor des fours solaires, parvient à occuper le post d’expert scientifique au sein du gouvernement et donne son avis au Président de la République sur la politique publique de la recherche.

C’est ainsi que les travaux du four géant d’Odeillo débute en 1961. Ce projet a le soutient financier de trois ministères (Education, Défense et Travaux Publics) et d’une quinzaine de groupes privés. En 1969, les travaux sont achevés et ce ne sont pas moins de 1 000 kW qui peuvent être générés par ce four. Les coûts de sa construction sont estimés à 10 millions de francs. Au-delà de la prouesse technique, le four solaire géant remplit une fonction géopolitique. Opérationnel trois mois avant le retrait du général de Gaulle du pouvoir, en avril 1969, il s’inscrit dans la politique gaullienne (1958-1969) des grandes réalisations techniques : la confection d’une bombe atomique, achevée en 1960, la fabrication, avec les Britanniques, du Concorde, premier avion supersonique civil à transporter des voyageurs à partir de mars 1969, le lancement en 1964 d’un programme spatial européen (Esro) dominé par le Cnes, etc.

Dans un contexte mondial, l’énergie solaire est dans les années 1960 surtout financée pour ses rôles dans la guerre froide. Le gouvernement américain louera fréquemment le four solaire géant d’Odeillo pour y faire des tests, ce qui lui reviendra moins cher que d’en construire un. En France, l’engagement public de l’Etat à Odeillo concerne surtout les matériaux stratégiques pour les industries militaires, nucléaires et aéronautiques, alors en plein essor.

Au final, nous pouvons expliquer l’échec partiel du four solaire d’Odeillo par la démesure d’avoir un double objectif : instrumental et industriel, qui devait faire du four géant un centre d’essai et une usine de production. Le cumul de ces deux facettes était peut-être un brin trop ambitieux.

Le choc pétrolier de 1973: une nouvelle politique énergétique française

La décennie 1970 est profondément marquée par une crise pétrolière mondiale. Les chocs pétroliers de 1973 et de 1980 décuplent le prix du baril, de 3 à 30$. La France est sévèrement touchée dans la mesure où, en 1972, le pétrole (importé) représente les deux tiers de la consommation énergétique française. Alors que l’inflation oscille autour de 10 % sur la décennie 1973-1983, la question énergétique devient un enjeu politique majeur.

Pour y répondre, les laboratoires français de recherche (Perrot, Rodot, Trombe, Cnes, SAT, Saint-Gobain, Pechiney, etc.) mènent tout d’abord des programmes indépendants. La situation change en 1975 lorsque le gouvernement de Jacques Chirac crée une délégation aux Énergies nouvelles sous la direction de Jean-Claude Colli. Dans le même temps, le CNRS crée un Programme interdisciplinaire pour le développement de l’énergie solaire (Pirdes), sous la direction de Robert Chabbal, directeur scientifique de la physique au CNRS.

Le Pirdes, qui se veut interdisciplinaire, est dominé par les physiciens. Ses principaux thèmes de recherche sont la conversion photovoltaïque, l’habitat solaire, la production de fuel solaire et la conversion électrosolaire. Celle-ci intéresse particulièrement Électricité de France (EDF) et deux centrales électrosolaires sont prévues pour la fin de la décennie 1970.

Le premier prototype est construit à Marseille, sous l’acronyme Thek, qui signifie "ThermoHelio-Electric-Kilowatt", doit fournir au réseau électrique d’EDF une puissance moyenne de l’ordre de 100 kW.

Plus grand, le second prototype, dont l’acronyme est Themis (déesse grecque de la justice) signifie "Thermo-Helio-ElectricMegawatt", doit fournir au réseau EDF une puissance de 2,5 MW près d’Odeillo.

Vers une production d'énergie industrielle: la centrale Thémis

En réponse au premier choc pétrolier de 1973, les mentalités s’ouvrent à la nécessité de développer des moyens de production d’électricité alternatifs. Ainsi, l’état français missionna EDF pour des recherches dans le secteur de l’énergie solaire. En 1976, le CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) et EDF (Électricité De France) travaillent conjointement à la construction d’une infrastructure développant la production électrique solaire par voie thermodynamique (programme THEM : Thermo-Hélio-Électrique-Mégawatt). Ce n’est qu’en 1983 que la première centrale solaire à concentration à tour du monde, Thémis, voit le jour.

Située à Targassonne dans les Pyrénées-Orientales, cette centrale est voisine du four solaire de Font Romeu, Odeillo, de manière à bénéficier des mêmes conditions climatiques. En effet, située à 1650 m d’altitude, la qualité de l’air est épurée, avec peu de particules polluantes, ce qui favorise la réception du rayonnement solaire direct par Thémis. Par ailleurs, la centrale peut tirer avantage d’un ensoleillement proche de 2400h/an.
Ses objectifs sont les suivants:

• Etude de la faisabilité de la filière à sel fondu.
• Développement de matériels performants destinés aux centrales solaires (miroirs, chaudières, stockage de l’énergie), grâce à des outils permettant de calculer le comportement thermique des différents composants de la centrale par exemple.
• Juger de la productibilité de la filière solaire en proposant de nouveaux choix technologiques pour améliorer le rendement.

Si Thémis était garant d’un futur prometteur, après 3 ans seulement de fonctionnement, son activité est brutalement arrêtée. La principale raison de cet arrêt est économique. En effet, l’essor de cette centrale écrase le budget initialement prévu : 230 millions de francs au lieu de 80 millions, auxquels s’ajoutent les charges de fonctionnement s’élevant à 15 millions de francs par an. Ce projet, supporté à 69% par EDF ne pouvait être viable. De plus, part son dimensionnement pour des conditions fixées (rentabilité maximale atteinte pour un ensoleillement similaire au 21 mars à midi), son rendement est faible. En effet, la centrale consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit, élevant le coût du kilowattheure à près de 20 fois plus cher que ce qu’il est facturé au consommateur (10 F le kilowattheure produit par Thémis contre 0,5 F pour celui déjà présent sur le marché).

Centrale Thémis

Par ailleurs, il aurait fallu garder à l’esprit que cette centrale n’était qu’un prototype développé par EDF et le CNRS avec pour objectif principal de tester la faisabilité des centrales à concentration solaire thermodynamique. Ses résultats n’étaient donc pas significatifs ni rentables, la centrale n’étant elle-même pas représentative d’une centrale industrielle.

Selon EDF, la principale erreur est donc d’avoir considéré Thémis telle une vraie centrale au lieu d’un prototype à taille réelle.

En revanche, ces 3 ans de fonctionnement ont permis à EDF de tirer des enseignements sur la conception même de Thémis, qui ne pouvait pas être un moyen de production rentable. Des travaux ont aussi été mené sur une formule exportable de la centrale rendant cette dernière rentable dans des pays à forts ensoleillement.

Pour conclure, nous voyons que la trajectoire du Laboratoire de l’énergie solaire du CNRS montre que le solaire passif a été constamment soutenu par des financements publics depuis la fin des années 1940 en France jusqu'aux années 1980. En effet, durant les années 1950, le besoin en matériaux stratégiques pour les industries nucléaires, aéronautiques et militaires, justifie le développement des fours solaires. À la décennie suivante, le projet démesuré du « four aux mille soleils » s’inscrit dans la politique de grandeur voulue par de Gaulle. La crise énergétique des années 1970 ne met pas plus en avant la climatisation solaire. Ce qui intéresse les administrateurs de l’État au milieu des années 1970, c’est l’électrification du solaire passif pour construire des centrales solaires, reliées au réseau EDF. L’expertise du LES dans la gestion des héliostats des fours solaires est alors fondamentale pour le réglage de la centrale de Themis. Une fois opérationnelle, EDF ne l’exploite que pendant trois ans. D'une certaine manière et par comparaison au photovoltaïque jugée plus moderne, le solaire passif, véhicule un symbolisme archaïque, et ne termine pas de convaincre les politiques. Comme l'avance Pierre Teissier dans son ouvrage en évoquant l'échec du CSP au XX^ème siècle: "Sa simplicité, son faible coût, son efficacité énergétique semblent jouer contre lui à moins que ce ne soit l’autonomisation énergétique des habitations qui inquiète les tenants d’un réseau électrique centralisé".

Cas espagnol

L'Espagne est l'un des pionniers dans la technologie CSP (solaire thermodynamique à concentration, en anglais Concentrated Solar Power) grâce à la construction en son territoire de la première tour solaire du monde en Andalousie, en 1981. De nombreuses avancées technologiques dans le domaine de la concentration des rayonnements solaires ont vu le jour dans ce pays, où le taux d'ensoleillement par an est l'un des plus élevé du Vieux Continent.

En Espagne, durant une certaine période, la puissance unitaire d’une centrale à concentration solaire ne devait pas excéder 50 MW afin de bénéficier des avantages de la loi sur les énergies renouvelables (voir ci-joint).

Cas américain

Comme le montre le graphique du GIEC (cf. Martin pour voir si on y a accès), les États-Unis d'Amérique font parti des premiers pays à investir massivement dans la technologie des concentrateurs solaires.

• Solar Energy Generating Systems (SEGS):

Solar Energy Generating Systems (SEGS) est une centrale solaire thermodynamique à miroirs cylindro-paraboliques située en Californie, aux États-Unis. La première centrale, SEGS I, d’une puissance nominale de 13,8 MWe et comprenant un stockage thermique de 6 heures, fut construite en 1984. Luz (la société israélienne Luz International Ltd) construisit par la suite des centrales d’une puissance nominale de 30 MWe : SEGS II à VII. En 1990, l’ensemble fut complété par la construction de SEGS VIII et IX, de 80 MWe chacune, à Harper Lake. La puissance totale de ces neuf centrales est de 354 MWe. ce qui en faisait la plus grande installation solaire au monde, tous types confondus, jusqu'en 2005 au moins. Elle a depuis été dépassée notamment par la centrale solaire d'Ivanpah, également située aux États-Unis.

Coopération internationale

SolarPACES (Solar Power and Chemical Energy Systems) est un réseau international de coopération fondé en 1977 qui rassemble des équipes d'experts nationaux du monde entier pour se concentrer sur le développement et la commercialisation de systèmes d'énergie solaire à concentration . SolarPACES collabore à des projets gérés par l'Agence internationale de l'énergie pour aider à trouver des solutions aux problèmes énergétiques mondiaux.

Des années 2000 à aujourd'hui

Les fins des années 2000 change la situation pour le développement des énergies renouvelables et particulièrement pour le solaire à concentration. Effectivement, cette filière énergétique se limitait jusqu'à cette date à quelques centrales expérimentales. Le solaire thermodynamique était alors qu'encore une innovation testée à échelle industrielle et depuis s'affirme en tant que jeune industrie, dont le déploiement est en partie due à une réduction importante des coûts et à un soutien politique. Son développement massif dans le monde entier et à long terme reste cependant incertain.

Un nouveau contexte favorable à un développement plus large des CSP

Une énergie renouvelable clef dans la lutte contre le réchauffement climatique

En 2011, le GIEC dans son rapport spécial sur "Les sources d'énergie renouvelable et l'atténuation du changement climatique", porte un intérêt particulier pour la ressource solaire de part son potentiel naturel extraordinaire. Le solaire thermodynamique est mis en avant dans le chapitre 3 du rapport : "Energie solaire directe" . Par ailleurs, un système de collecteur cylindro-parabolique fait office de couverture pour le résumé à l'intention des décideurs et résumé technique !

"L'énergie solaire est abondante et offre un potentiel important d'atténuation des changements climatiques à court terme (2020) et à long terme (2050). Il existe une grande variété de technologies solaires de maturités variables qui peuvent, dans la plupart des régions du monde, contribuer à une série de services énergétiques ... Les scénarios de déploiement potentiels varient largement - d'un rôle marginal de l'énergie solaire directe en 2050 à l'un des les principales sources d'approvisionnement en énergie."

Bilan carbone et impact environnemental d'un complexe CSP

Pour une puissance installée équivalente, le bilan carbone et l'impact environnemental du PV est plus important que celui du CSP. En effet, pour une installation PV la majorité des émissions de GES du cycle de vie se situent entre 30 et 80 g CO_2eq / kWh contre 14 à 32 g CO_2eq / kWh pour les systèmes cylindro-parabolique, de tour, de Stirling et de Fresnel, et aucune grande différence entre les technologies ne ressort de la littérature disponible (rassemblé en 2011 par le GIEC).

A titre de compararif, une centrale éléctrique thermique au charbon produit environ 1000 g CO_2eq/kWh, une centrale thermique au fioul 750 g CO_2eq/kWh, au gaz naturel 400 g CO_2eq/kWh. De fait les sources d'énergies fossiles sont de l'ordre de de 18 à 50 fois plus carboné que le solaire à concentration ce qui permet de qualifier d'énergie verte cette filière du point de vu des émissions GES.

En ce sens, le solaire à concentration participe à la lutte contre le réchauffement climatique. Cette filière énergétique possède un grand potentiel de développement qui varie beaucoup selon de nombreux scénari. Par exemple, selon L'AIE cette énergie participé à raison de 11% dans le mix éléctrique mondial (à ne pas confondre avec le mix énergétique mondial) en 2050, ce qui conduirait à une forte décarbonation de se mix.

L'impact environnental négatif sur la biodiversité locale d'une centrale CSP n'est pas négligeable. Pour construire une centrale d'une puissance de 100-MW, il est nécessaire d'aménager 2 km² de terre. Cette zone nécéssite d'être plate (en particulier pour les systèmes cylindro-paraboliques) et dans environnement avec une forte irradiation solaire tout au long de l'année. Ce type d'espace correspond généralement à des désert arides et ensolleilé. Un avantage est que ce type de lieux sont répartis à travers le monde entier : Sud de l'Europe, Afrique, Moyen et Proche Orient, pays d'Asie Centrale, Chine (Tibet, Xijan), Inde (Etat de Rajasthan et Gujarat), Australie, Chili, Peru, Mexique, et Sud-Ouest des États-Unis.

L'arbre de Josué ayant servi pour la pochette de l'album The Joshua Tree du groupe U2.

Quand bien même, ce type de territoire n'est pas exploitable pour l'agriculture ou d'autres activités humaines, ces terres n'abrittent une biodiversité riche avec des espèces protégées ou menacée. Par exemple en Californie, la construction de centrale CSP comme celle d'Ivanpah a entrainée l'abatage massif de Yucca brevifolia, plus connue sous le nom de Joshua Trees. Ces arbres sont pourtant considérés comme un bioindicateur et un trésor national au EU , confinés principalement dans le Désert de Mojave entre 600 et 1 800m d'altitude en Californie, cette espèce est endémique à cette région qui est aussi un site d'exception pour développer les centrales CSP.

Les arbres de Joshua ne sont les seuls victimes à Ivanpah. D'après le site Reneable Erngy World, sur une période de 6 mois, 133 oiseaux furent brulé en rentrant dans le champ de concentration des rayons vers les tours solaires. Ce danger est aussi présent pour d'autre espéces volante tel que les chauve-souris et de nombreux types d'insectes.

Dans le court terme, la disponibilité en eau pour les complexes thermodynamique va denenir un point important dans la réduction des couts pour le centrales. Pour l'instant, de l'eau en grande quantité est nécessaire pour faire fonctionner les turbines, pour nettoyer les miroirs et refroidir les différents systèmes de production d'électricité (Stirling, Turbine, fluide caloporteur). Cette nécessité peut s'averer être un problème pour la biodiversité des environnements désertiques où l'eau manque déjà. Néanmoins, des solutions de refroidissement sec sont à l'étude, même si cette technique réduirait la puissance éléctrique générées des centrales.

Matériaux et cycle de vie d'une centrale

La durée de vie d'une centrale est estimé à 25 à 30 ans, ce qui est bien plus long que la période de recouvrement de l'investissement énergétique qui lui est estimé à 5 mois. De plus, le rapport du GIEC indique que la plupart des matériaux utilisée sont recyclables. Effectivement, une centrale CSP utilise principalement des produits issus de l'industrie classique tel que du verre, du ciment, de l'acier et aussi des sels fondus pour le stockage de chaleur et pour les fluides caloporteurs. Il serait faux de remarquer que ces matériaux n'ont pas d'impacts négatifs sur l'environnement. L’industrie "classique" du béton, de l'acier et du verre ont une empreinte carbone conséquente et les lieux où sont extrait la matière première nécessaire à leur fabrication sont souvent très pollués et dégradés. Il convient aussi de dire qu'avec l’amoindrissement des ressources, notamment des sables siliceux ou tes terres rares et métaux lourds, l'exploitation de ces ressources se fait de plus en plus compliqué, dégradante pour l'environnement, et onéreuse. De ce fait, la construction d'une centrale CSP ne reste pas sans conséquences négatives et il convient ici de rappeler qu'une énergie renouvelable aujourd'hui, qui calque son modèle de croissance et de développement selon les schémas de l'industrie classique et elle aussi pollue. (Mettre la réf cours sur les matériaux).

Une partie de la R&D dans le domaine des centrales à concentration travaille sur la simplification de montage et de démontage des installations pour leur fin de la vie . Tout cela est fait dans le but de faciliter le tri des différents matériaux en vue de leur réutilisation directe ou de leur recyclage plus facile et plus économique.

Fichier:Chaine de production simplifiée d'une centrale CSP Martin ALLART.png

À titre comparatif, on peut soulever que l'industrie photovoltaïque utilise des gaz toxiques et explosifs, des GES, ainsi que des liquides corrosifs, dans ses lignes de production. La présence et la quantité de ces matériaux dépendent fortement du type de cellule mais ont tout de même un impact bien plus néfaste que le CSP à cause de l'exploitation plus importante de ces métaux lourds et éléments relativement rares ou toxiques.

Le besoin de matériaux constiturait un frein à un très grand développement des centrales CSP. Ces matériaux peuvent être chers et nécéssitent un gros investissement. De plus, si on augmente la production par CSP, la demande en certains matériaux serait trop élevée par rapport à la production actuelle (production doit s’adapter). Il faudrait augmenter l’exploitation des mines de sels de nitrate (aujourd’hui majoritairement au Chili), ou les synthétiser. De plus ces matériaux sont à l'origine de pollutions locales désastreuses ce qui nuit grandement aux écosystèmes environnant les sites d'exploitations. L'exploitation de ces ressources ne sont souvent pas sans conséquences sur les populations humaines locales et repose parfois dans les pays en dévéloppement (Afrique, Amérique Latine) sur une exploitation des travailleurs illégale aux sens des droits universels (exploitation des mineurs) ou qui pourrait se rapprocher de l'esclavage.

En ce sens, bien que la technologie des CSP soit très attrayante de prime abord par son pontentiel naturel, son empreimte carbone faible et qu'elle semble être une nouvelle filière d'énergie renouvelable prometteuse; il reste important de rappeler qu'à ce jour son dévéloppement repose sur un modèle d'industrie classique et profondément ancrée dans une économie mondialisée ce qui entraine une chaine de production polluante et ayant de nombreux impacts négatifs sur la biodiversité et sur les populations locales. En somme, le solaire thermodynamique mérite lui aussi d'être questionné en tant qu'énergie renouvelable et beaucoup de progrès reste à parcourrir pour que cette énergie soit vraiment durable.

De nouvelles percées sous l'impulsion des politiques de développement nationale et internationale

Les politiques de développement menées dans différents pays permettent un développement conséquent du solaire thermodynamique depuis quelques années.

Les juridictions adoptées sont par exemple des subventions aux investissements ou crédits d’impôts à l'investissement (somme soustraite du montant de l'impôt qu'une entreprise ou un particulier doit payer), des partenariats privés-publics, des programmes de l'Etat de recherche sur les systèmes CSP, de prix de rachats garantis pour l'électricité par des Accords d'Achat d'Électricité (AAE) entre l'Etat et une entreprise par exemple.

Le cas espagnol: les débuts de grands projets industrialisés

Le Plan Energétique National de 1991 à 2000 marque le réel début de l'intérêt porté par le gouvernement espagnol aux énergies renouvelable, et au désir d'encourager les industriels à développer des solutions allant dans ce sens. La Loi 54 de 1997 du secteur électrique accorde un régime spécial pour les activités générant une énergie électrique d'une puissance inférieure a 50 MW et utilisant comme énergie primaire les énergies renouvelables. La décret Royal 841 de 2002 lui, oblige les centrales d'une puissance supérieure à 50 MW de fournir en énergie le marché, et ainsi taxer l'énergie vendue.

En 2007, la politique du pays s'inverse avec une Loi qui donne le pouvoir au gouvernement d'accorder une prime pour les installations énergétique de plus de 50 MW de puissance, encourageant par conséquent cette fois un développement de l'industrie à grande échelle. C'est ainsi que naît la première grande centrale solaire thermodynamique moderne en 2007, permettant de limiter le problème de l'intermittence de la production solaire, soit en adjoignant à la partie solaire une installation classique brûlant du gaz ou de la biomasse (qui prend le relais en soirée) soit par l'utilisation de cuves de stockage de sels fondus.

En novembre 2011, le PER (Plan des Energies Renouvelables) est approuvé. Celui-ci s'étend jusqu'à 2020 et annonce avoir l'objectif d'atteindre les 20,8% d'énergie renouvelable sur le territoire espagnole. Ce chiffre concerne l'énergie finale, celle consommée par le particulier. L'investissement mise en majorité sur l'hydroélectricité, mais environ 8% des investissements sont attribués aux aides pour le développement de CSP.

Les principaux acteurs en Espagne sont des entreprises privées espagnoles à capitaux diversifiés. En effet, on note l'investissement de fonds d'investissement étrangers dans ces projets, comme la banque allemande Gmb H.

Concernant les prises de positions des acteurs publiques quant aux fours solaires en Espagne, le gouvernement a suspendu en 2012 les aides aux énergies renouvelables, ce qui a stoppé le développement de nouveaux projets n'ayant pas reçu l'autorisation de construction en 2012. Cela explique qu'aucune centrale espagnole ne fut construite entre 2013 et 2018.

En 2018, l'utilisation des fours solaires de grandes envergures représentaient 1,7% de la production nette totale de l'électricité du pays, avec une puissance installée de 2 304 MW. L'Espagne domine de loin le domaine des CSP en Europe, et est le seul du continent a vraiment exploiter cette technique de conversion de l'énergie solaire à grande échelle.

En 2019, le gouvernement espagnol a révisé ses objectifs et stratégies de politiques énergétiques et prévoit de porter en 2030 à 74% la part des énergies renouvelables dans la production d’électricité du pays. D'après une étude réalisée par EurObserv'ER (ajouter le lien de l'ADEME), 60 GW de projets solaires seront nécessaires pour atteindre cet objectif. Bien que le photovoltaïque aura un rôle majeur, ce chiffre ouvre sur une opportunité pour le développement des CSP.

• La PS10 à Sanlúcar la Mayor

Tour solaire et héliostats de la centrale PS10

Il s'agit de la première grande centrale solaire thermodynamique commerciale en Europe. Inaugurée en 2008 après 4 ans de travaux et 35 M€ investit, sa puissance de 11 MWe et son innovation technologique permet de résoudre partiellement le problème de l'intermittence de la production solaire. En effet, la tour solaire PS10 stocke la chaleur dans des réservoirs d'eau surchauffée, sous une pression de 50 bars et à une température de 285 °C. L'eau s'évapore quand la pression baisse. Cette technologie permet une capacité de stockage d'un peu plus d'une heure (sans pertes significatives).
L'ensemble des entreprises mères du projet sont espagnoles, avec à sa tête le groupe Abengoa, l'un des leaders mondiaux de l'énergie solaire thermodynamique grâce à ses installations dans le monde entier fournissant une puissance totale de 2 401 MW.

• Le projet Gemasolar à Écija

Inaugurée en 2011, la centrale "Solar Tres" possède une puissance de 19,9 MWe, et s'étend sur 190 ha. Son innovation majeure est le stockage de l'énergie récupérée des rayonnements solaires, permettant une production d'électricité sans soleil pendant 15 heures, en utilisant des sels fondus comme fluide caloporteur. Cela résout le problème de l'intermittence de l'énergie solaire.

On note que la Commission européenne a participé au financement de cette centrale, à hauteur de 5 M€. Mais c'est l’entreprise espagnole Torresol Energy qui en est la propriétaire. Cette dernière a communiqué le coût total du projet de Gemasolar, qui atteint les 419 M€. Ce chiffre comprend tout le processus de recherche et développement ayant aboutit à l'utilisation des sels fondus.

Le cas des États-Unis

En 2019, la production d'électricité à partir du solaire thermodynamique s'est élevée à 3 217 GWh, en recul de 10,4 % par rapport à 2018 (3 592 GWh) ; elle représentait 0,43 % de la production d'électricité renouvelable et 0,08 % de la production d'électricité totale aux États-Unis. La puissance d’energie solaire à concentration est 1 738 MW, 2^ème au rang mondial après Espagne et loin de l'Afrique du Sud avec 400 MW. Les perspectives de développement de la filière à moyen terme permettent d’envisager une capacité installée de l’ordre de 15 à 30 GW en 2025 dans les régions arides et semiarides de la ceinture solaire. La première centrale, SEGS I, d’une puissance nominale de 13,8 MW, construite en 1984 et la plus grande centrale solaire au monde  - Ivanpah avec la puissance 392 MW.

• Centrale solaire d'Ivanpah :

Centrale Solaire à Tour d'Ivanpah, Californie

Ivanpah Solar Electric Generating System se situe dans le désert de Mojave en Californie, s'étend sur une surface d'environ 5 km² et est capable de produire de 392 mégawatts (MW) (377 MW nets). La centrale est officiellement en fonctionnement depuis le 13 février 2014. L’Ivanpah Solar Electric Generating System est le fruit de l’association de NRG Energy, BrightSource Energy et Google, avec un coût estimé de 2,2 milliards de dollars. L' investisseur principal est NRG Energy. IVANPAH produit à elle seule 30 % de l’énergie solaire des États-Unis. Le projet comprend trois unités sur 3 500 acres (14 km²) de désert. Ces unités se composent chacune d'une tour centrale de 140 mètres de haut, autour de laquelle une myriade de miroirs sont disposés en cercles concentriques. Elle dispose de 173 000 miroirs qui forment une sphère réfléchissante en plein désert. L'énergie ainsi accumulée vient chauffer à plus de 500°C un énorme réservoir d'eau dont le contenu est vaporisé. Cette centrale devrait permettre à l’économie américaine d’éviter de diffuser 13,5 millions de tonnes de gaz à effet de serre dans l’atmosphère sur 30 ans, c’est-à-dire la pollution représentée par 2 millions de voitures sur cette période.

Le CSP en France aujourd'hui

Après l'arrêt de la centrale Thémis, aucune centrale CSP n'existe en France jusqu'en 2019 malgré plusieurs projets.

Une certaine activité économique tourne autour du four solaire d’Odeillo, symbole mondial de l'énergie solaire en France. Ce rayonnement amène une activité touristique à la commune de Font-Romeu-Odeillo-Via en Cerdagne, dans le département des Pyrénées-Orientales.

Une entreprise autour du Four de Mont Louis, la SARL Four Solaire Développement, accueille de nombreux visiteurs et propose des expositions, visites et expériences pour faire connaître le potentiel des fours solaires.

Un projet d'implantation d'une centrale thermodynamique au sol de 9 MW, utilisant la technologie des miroirs de Fresnel, a été développé sur la commune de LLO, en Haute-Cerdagne dans le département des Pyrénées-Orientales dans une des zones où l’ensoleillement direct est le plus élevé de France. Ce projet, consiste en une série de panneaux héliothermiques sur une superficie de 33 ha. La centrale, dont la construction a démarré le 12 septembre 2016, est en production électrique depuis le 14 mai 2019. Le projet a été développé par le groupe français SUNCNIM, et un contrat d'achat d'électricité a été signé avec EDF dans le cadre d'un appel d'offres de l'État français attribué en 2012. La Banque des Territoires est actionnaire de la société de projet eLLO.

Des projets sont développés à l'étranger dans les régions avec un potentiel supérieur à la France. Par exemple, EDF a annoncé en 2012 prendre part à plusieurs projets au Maghreb et au Moyen-Orient. La France fait également partie des acteurs du projet Desertec, aux côtés de l'Allemagne notamment.

On remarque un décalage entre la figure pionnière de la France des années 1960 et le retard actuel en la matière, causé par une perte d'intérêt et donc peu de politiques de développement dans ce sens, malgré la poursuite des travaux de recherche au sein des laboratoires (PROMES, ...). EDF revient cependant depuis quelques années vers le solaire thermodynamique, dans le contexte de valorisation des énergies renouvelables.

Une source d'énergie stratégique: l'exemple d'un pays en développement: le Maroc

Le Maroc est un pays qui bénéficie d’un taux d’ensoleillement particulièrement avantageux, avec des valeurs d'irradiation annuelle supérieures à 2 200 kWh/m² dans les régions méridionales.

En raison d’une forte augmentation de sa demande en électricité, le Maroc, soucieux d’assurer son indépendance énergétique, s’est notamment positionné sur le développement de centrales solaires de grande envergure.

• Complexe solaire expérimental de Ouarzazate

Le complexe solaire Noor Ouarzazate est une centrale électrique de 580 MW située à 10 km au nord-est de la ville d’Ouarzazate, au Maroc. Noor Ouarzazate est aujourd’hui le plus grand site de production solaire multi technologique au monde.

Complexe solaire Noor Ouarzazate (2019)

La première phase du projet  comprenait la construction  de la Centrale solaire Noor I (160 MW), centrale solaire thermodynamique à concentration à miroirs cylindro-paraboliques, dotée d'une capacité de stockage de trois heures. Les travaux ont débuté en août 2013 et Noor I a été inaugurée par le Roi Mohammed VI en février 2016 à Ouarzazate.

Les investisseurs de Noor Ouarzazate I sont :

·      Fonds pour les Technologies Propres

·      Union Européenne, Facilité d’Investissement pour le Voisinage

·      KFW Bankengruppe (l'une des plus grandes banques allemandes privés mais dont l'état allemand dispose d'un droit de regard et est actionnaire) sous le mandat du Ministère fédéral allemand de l'Environnement, de la Protection de la Nature, de la Construction et de la Sûreté nucléaire (BMUB)

·      KFW sous le mandat du Ministère fédéral allemand de la Coopération économique et du Développement (BMZ)

·      Banque Mondiale

·      Banque Africaine de Développement

·      Agence Française de Développement

·      Banque Européenne d’Investissement

La deuxième phase comprenait la construction des centrales Noor II et Noor III qui a été lancée en février 2016. Noor II (200 MW), dotée d'une capacité de stockage de sept heures, sera développée sur la base de la technologie thermosolaire (CSP), avec capteurs cylindro-paraboliques, et s'étalera sur une surface maximale de 680 hectares et coûtera 810 M€. Noor III (150 MW) utilisera la technologie de la tour thermosolaire, aura près de 8 heures de stockage et coûtera 645 M€. Noor II et Noor III ont été mis en service en 2018. La deuxième phase a globalement les mêmes investisseurs que la première.

La troisième phase comprenait la construction d’une centrale photovoltaïque Noor IV (70 MW). Elle a été mise en service au mois de juin 2018. La centrale a été financée par la KFW Bankengruppe.

La construction et l'exploitation de l'usine Ouarzazate a été attribué au consortium constitué de l’Agence marocaine pour l’énergie solaire (MASEN), d’ACWA Power, un exploitant saoudien de centrales électriques et de centrales de désalinisation de l’eau, et de deux sociétés espagnol Aries Ingeniería y Sistemas et TSK, des sociétés d'ingénierie mondiales.

Le complexe solaire est exploité et entretenu par un consortium dirigé par NOMAC, une filiale d’ACWA Power et MASEN.

• Politique nationale: construction d'autres complexes (Noor)

Le Maroc a créé le programme de l’énergie solaire Noor. Il vise une production de 2 000 MW solaires en 2020. Il se compose de plusieurs sites (Noor Ouarzazate, Noor Tafilalt et Atlas, Noor Midelt, Noor Laâyoune et Boujdour et Noor Tata) constitués de photovoltaïques (PV) et d’énergie solaire concentrée (CSP). L'Agence marocaine de l'énergie solaire, Moroccan Agency for Sustainable Energy (MASEN), créée en 2010, a pour mission le développement des centrales du plan solaire Noor.

Un autre exemple de projet Noor (Noor Midelt) : la première phase porte sur le déploiement d’une puissance totale de 800 MW via la construction d’une centrale à concentration de chaleur (CSP) de 300 MW et d’une centrale photovoltaïque de 500 MW, de Noor Midelt I. EDF Renouvelables, Masdar et Green of Africa (producteur d'électricité indépendant marocain) ont été choisis pour sa construction. Le mode d'hybridation de ces technologies lui permettra de produire de l'électricité jusqu'à 5 heures après le coucher du soleil. La phase de construction a commencé au dernier trimestre 2019 et devrait pouvoir être mis en service en 2022, à 20 kilomètres de la ville de Midelt, dans le centre du Maroc.

Le projet Desertec : une polique international pour les énergie renouvelable

Le projet Desertec naît de l'initiative d'un groupe de scientifiques, politiques, et économistes européens désireux de développer un futur énergétique durable pour demain. Lancée début 2009, cette société à but non lucrative vise à développer un approvisionnement énergétique fiable et durable à partir des déserts du Moyen-Orient et de l'Afrique du Nord (MENA), où les centrales CSP sont très compétitives en raison des conditions climatiques idéales. Douze actionnaires allemands, espagnols et algériens participent à cette initiative. Bien que ce projet se veuille multiculturel et international, on remarque une très forte prédominance d'hommes allemands au sein de l'équipe de direction.

Carte du Projet Desertec

L'objectif à long terme est de développer différentes technologies de captation de l'énergie solaire (miroirs cylindro-paraboliques, collecteurs de Fresnel, tour solaire comme à Gemasolar, ou encore centrales paraboliques) afin de fournir une énergie propre provenant de différents déserts autour du globe, à 90% de la population mondiale. Cette annonce faite sur leur site est là pour impressionner et faire comprendre que leur solution présente un fort potentiel, puisque 90% de la population mondiale vit à moins de 3000 km d'un désert.

Plus concrètement, leur projet actuel est de traiter une partie non négligeable de la demande d'électricité de la région MENA et 15 % de la demande d'électricité de l'UE d'ici 2050. Une part de l'énergie sera de l'électricité produite par les centrales CSP.

Les plans initiaux envisageaient la construction de centrales CSP au Maroc et le transport de l'électricité vers l'Espagne et l'Allemagne via des lignes de transmission haute tension (sur plus de 4000 km) permettant d'après les porteurs du projet une perte par effet Joule de seulement 2 à 3%. Ainsi, nous pouvons concevoir ce projet comme "un projet éco-énergétique de grande envergure qui prévoit l'exploitation du potentiel énergétique des déserts d'Afrique du Nord et du Moyen-Orient afin d'approvisionner durablement les régions avoisinantes (en particulier l'Europe) en électricité verte".

Pour cela, l'idée est de connecter plusieurs grandes centrales solaires thermodynamiques au réseau de distribution d'électricité qui alimente l'Europe, mais aussi l’Afrique du Nord et le Moyen-Orient. Dans un second temps, d'autres types d'énergies renouvelables seront probablement raccordées à ce réseau (ex : éolien, biomasse).

Afin d'exploiter le potentiel énergétique du désert du Sahara, les partenaires du projet doivent surmonter plusieurs difficultés en raison des conditions climatiques du Sahara, qui, bien qu'elles soient favorable à la concentration solaire, demande un entretien coûteux des installations, notamment à cause des tempêtes de sable et des chocs thermiques importants.

Le projet Desertec, dont les coûts sont estimés en centaines de milliards d’euros, peut faire l’objet de critiques pour son ambition démesurée mais aussi pour son caractère presque exclusivement germanique, dans le but, (comme s'il n'en n'était pas coutume) de se servir des ressources de pays relativement proches de l'Europe et en voie de développement afin de satisfaire la consommation énergétique croissante des occidentaux.

Mis en oeuvre à partir de 2009, le projet Desertec pâtit depuis de la crise économique ainsi que des soubresauts liés au Printemps arabe, ce qui rend ses avancées peu visibles. Malgré tout, le président de Desertec Alliance a accordé une interview a batiactu en 2017 en affirmant que le projet continuait de se développer, et que de nombreux prototypes test avaient déjà montré de solides résultats. Il explique le ralentissement du projet (qui au départ se voulait très ambitieux) pour des raisons de manques de financements, en avouant que certaines "banques n'y allaient pas".

D’autres projets sont parallèlement à l’étude. Par exemple, le projet Transgreen (également appelé Medgrid) propose une alternative rassemblant un panel de partenaires de pays d’Europe et d’Afrique du Nord (ex : Areva, Veolia, Abengoa, One, Taqa Arabia, Siemens.). Il est également dans une phase de négociations politiques et commerciales. Moins ambitieux, il envisage d’utiliser le câble sous marin existant reliant le Maroc au détroit de Gibraltar en vue de transporter de l’électricité produite à partir de fermes solaires et éoliennes situées près des côtes. Son coût estimé à 5 milliards d’euros lui confère un caractère plus réaliste qui pourrait faire de Transgreen une alternative ou un complément au projet Desertec dans les années à venir.

La puissance installée dans le monde

La puissance CSP dans le monde de 2003 à 2017

Au niveau mondial, la capacité installée de systèmes CSP a triplé entre 2012 et 2016. Le marché continue de basculer vers les pays émergents et ceux dotés d'un haut potentiel solaire. Aujoud’hui le CSP représente moins de 0.1 % de la production d’électricité mondiale.

En 2016, 5 GW de CSP sont installés dans le monde d’après l’IRENA, alors que la capacité cumulée dans le monde du solaire photovoltaïque a atteint 291 GW fin 2016. L'Espagne (2,3 GW) et aux États-Unis (1,3 GW) concentrent 80 % du parc de CSP total.

Tableau des principales centrales CSP dans le monde, rencensés en 2016

Pays	Projet	Capacité de la turbine (en MW)	Dates d'opération	Remarques
Algérie	Hassi R'mel	25	2011	Integrated Solar Combined Cycle(ISCC)
Australie	NovatecSolar Liddell Solar Expansion	9	2012
China	Badaling Solar Thermal Pilot Plant	1.5	2012	R&D
Égypte	ISCC Al Kuraymat	20	2011	ISCC
France	Thémis - Project Pégase	1.3	2006	Centrale Test
Allemagne	Jülich	1.5	2009	Centrale Test
Inde	Godawari	50	2013
Inde	Megha Solar Plant	50	2014
Inde	Ramanathapuram Deslination plant	1.06	2012	Usine de désalination
Iran	Yazd Integrated Solar Plant	17	2009/2010
Israel	Solar Energy Development Center (SEDC)	6	2008
Italie	Archimede	5	2010
Maroc	NOOR 1 (Ouarzazate)	160	2015
Afrique du Sud	KaXu Solar One	100	2015
Espagne	Plataforma Solar Almería	50	1980	Centrale Test et R&D
Espagne	44 autres centrales de 50 MW	(plus de 2 GW)	Entre 2007 et 2013
Thailande	Kanchanaburi TSE 1	5	2011
Turquie	Greenway CSP Mersin Solar Plant	5	2013
United Arab Emirates	Shams 1	100
U.S.A	Nevada Solar One	64	2007
U.S.A	Ivanpah	392	2013
U.S.A	Solana Generating Station	280	2013
U.S.A	Abengoa Mojave Solar Park	280	2014
U.S.A	Genesis Solar Energy Project	250	2014
U.S.A	Solar Energy Generating Systems (SEGS - 9 plants)	354	1984-1990
U.S.A	Crescent Dunes Solar Energy Project	110	2015

Une place incertaine dans le mix énergétique mondial des ER

Le solaire thermodynamique dans l'ombre du photovoltaïque ?

Le développement et la chute des prix rapides du solaire photovoltaïque (PV) dans les 10 dernières années ont constitué un frein pour les investissements dans les technologies CSP. Face à cette différence de compétitivité de nombreux investisseurs ont abandonné le CSP souvent pour se tourner vers le PV. Par exemple, Google qui avait investit 168 millions de dollars US dans la centrale solaire d'Ivanpah dans le cadre de son programme Renewable Energy Cheaper than Coal débuté en 2007, a annoncé en 2011 l'arrêt de ses investissements dans les projets CSP en raison de la chute rapide des prix du photovoltaïque.

Pourtant, traditionnellement, les systèmes CSP produisent une énergie moins chère (au KWh) que le PV. Ces systèmes possèdent des qualités notoires comme une grande flexibilité grâce à la possibilité de stockage de l'énergie, et sont en général moins limités par les besoins en matières rares. Mais les politiques locales de développement, qui peuvent donner une impulsion décisive pour permettre à une innovation de devenir rentable, tournent plus leurs subventions vers le PV. Les systèmes CSP bénéficient en général de moins de soutient gouvernemental, ce qui explique que leur essor soit moins évident.

Il faut cependant prendre en compte que le PV et le CSP ne sont pas réellement en concurrence directe car ce sont des systèmes très différents qui peuvent être complémentaires:

• Exploitation de l'ensoleillement direct pour le CSP contre l’ensoleillement direct et diffus.
• Pic de production du CSP à midi et le soir, grâce au stockage contre une production exclusivement en journée.
• Grande échelle exclusivement contre possibilité d'équipement individuel.
• Production indirecte d'électricité par l'énergie calorifique contre directe.

Les choix de système de production varient donc en fonction des besoins et des ressources de chaque région du monde, et le solaire thermodynamique serait d'avantage en compétition avec les sources d'énergie thermiques comme la géothermie, le gaz naturel.

Difficultés à rejoindre la parité réseau

L'économie des systèmes CSP dépend du mode de fonctionnement choisi, des subventions régionales, de la disponibilité de l'énergie solaire et des prix du marché de l'électricité et des services d'électricité.  

Selon les régions du monde, les coûts de l'électricité sont compétitifs économiquement ou pas en fonction du niveau de développement des centrales (particulièrement du système de stockage d'énergie), de l'ensoleillement direct et des politiques de développement (financement de la recherche, prise en compte de taxes liées aux émissions CO2, subventions...). En effet les politiques de développement peuvent permettre le raccordement au réseau d'une centrale, la rendant compétitive, pour la faire entrer dans un "cercle vertueux" (elle va se développer et devenir de plus en plus compétitive par elle-même).

La parité réseau n'est pas encore atteinte dans de nombreux pays. Aux États-Unis en 2017, le LCOE moyen des centrales CSP se situe entre 0,184 USD/kWh et 0,103 USD/kWh en fonction de leur capacité de stockage d’énergie contre 0,08 USD/kWh en moyenne pour le photovoltaïque, d’après les chiffres du National Renewable Energy Laboratory.

Cependant, l'électricité produite par CSP est déjà compétitive dans certaines régions avec un potentiel solaire très élevé et des grandes installations. D'après les données de la plateforme Solarpedia, l'année 2017 a marqué une chute vertigineuse des prix du kWh. Début 2017 le coût du kWh annoncé par la Dubai Electricity and Water Authority (Dewa) pour l'installation Mohammed bin Rashid Al Maktoum (200 MW) était de 9.45 cents. Le record de 2017 est au Chili, où on a pu obtenir pendant 24 heures de l'électricité à moins de 5 cents par kWh dans une installation détenue par l'entreprise américaine SolarReserve. Une installation de la même entreprise située à Port Augusta, en Australie détenait le record précédent à 6 cents le kWh.

Du côté des américains, le LCOE moyen pour les centrales CSP pourrait tomber à moins 0,09 USD/kWh d'ici 2025, avec une baisse des prix d’investissements de 33 à 37 % entre 2015 et 2025 d’après l’IRENA.

Afin de calculer le moment où la parité réseau serait atteinte, quatre scénarios de feuille de route pour le développement de la CSP proposés par l'Agence internationale de l'énergie (AIE) ont été pris en compte dans cette étude." L’électricité produite grâce à l’énergie solaire thermodynamique devrait être compétitive économiquement face aux énergies fossiles d’ici 10 à 15 ans.

Les contraintes de stockage de l'énergie et de l'intermittence

L'une des raisons pouvant justifier la faible part qu’occupent les CSP dans le mix énergétique mondial sont les contraintes dues au stockage de l’énergie solaire. En effet, il est nécessaire de stocker cette énergie pour résoudre le problème de l’intermittence. Ce dernier ne pourra être résolu que partiellement puisque même si l’on parvenait à stocker toute l’énergie produite par des fours solaires par exemple, nous n’aurions pas la possibilité d’accéder à une quantité d’énergie voulue à un instant t. Il faut donc se plier aux conditions climatiques, les solutions de stockages ne faisant que limiter ce problème.

Le stockage d'énergie thermique (TES) est réalisé par l'ajout de réservoirs,qui permettent aux systèmes CSP de produire de l'électricité à des moments où l'irradiation solaire est faible ou nulle. L’une de ces solutions est le stockage par batterie à décharge lente. Il en existe de différents types et de différentes qualités, mais les meilleures du marché restent celles au lithium, pouvant réaliser plus de cycles que les autres batteries.

N.B : À noter que le stockage permettant de décaler l’usage dans le temps sans le décaler dans l’espace est appelé stockage stationnaire ; celui visant des applications mobiles est appelé stockage embarqué ou portable.

La majeure partie de l’énergie produite par les CSP est convertie en énergie électrique, étant un vecteur très pratique pour le transport de l’énergie, mais très difficile à stocker sous cette même forme. Au contraire, l’énergie thermique est généralement stockée sous sa forme originale, en essayant de rendre le système de stockage adiabatique. C’est d’ailleurs sous cette forme de stockage thermique que semble se diriger les meilleurs projets de la dernière décennie, comme nous l’avons vu avec le projet de Gemasolar en Esapgne.

Perspectives d'avenir du solaire thermodynamique

Grand potentiel de développement

Des années 2000 jusqu'en 2010, l'industrie de la CSP est passé d'une activité négligeable à plus de 2 400 MWe, en service et en construction.

Les États-Unis, l'Espagne, l'Afrique du Nord, la Chine et l'Australie constituent les prochaines zones probables de croissance. L'AIE prévoit que cette source d'énergie pourrait fournir 11% de l'électricité mondiale en 2050. Cela correspondrait à une production annuelle d'environ 4 770 TWh, soit l'équivalent de la consommation électrique des États-Unis (avec une capacité installée de plus de 1 000 GW dans ce scénario).

Les annonces se multiplient : citons entre autres le projet d'une centrale de plus de 1 GW dans le sultanat d'Oman (Petroleum Development Oman), les 3 projets CSP dans le cadre du plan solaire Noor au Maroc (société saoudienne Acwa Power) ou encore l'entrée de l'agence marocaine de l'énergie solaire (Masen) au capital de la société française Alsolen pour 30 millions d'euros à l'été 2015.

À la fin de 2010, une forte concurrence est apparue et un nombre croissant d'entreprises ont développé une capacité au niveau de l'industrie à fournir des matériaux tels que des miroirs en verre de haute qualité et des composants fabriqués. Néanmoins, de nombreux composants dans les concentrateurs solaires restent très spécialisés, et très peu d'entreprises sont capables de fournir de grosses commandes de ces composants spécifiques. Cependant, quelques industries (telles que Schott ou encore Solel) se spécialisent ou sont en train de voir le jour à mesure que la concentration solaire se développe, ce qui promet un développement dans les années à venir.

Le potentiel de développement technique est élevé (miroirs auto-nettoyants, fluides caloporteurs de plus en plus efficaces). La possibilité d’intégrer un système de stockage d'énergie thermique à faible coût (TES) dans les centrales réduit considérablement les coûts. De même, le choix du fluide caloporteur peut être décisif.

Les auteurs ont comparé huit différentes configurations de systèmes de CSP à creux parabolique de 50 MW situés en Algérie et ont estimé le LCOE de 78,5/MWh à 116,2/MWh (pétrole synthétique) et de 75,9/MWh à 102,9/MWh (sel fondu).

Des chercheurs ont trouvé que pour les systèmes CSP avec un TES, le fluide à base de sel fondu (températures de fonctionnement de 286-550 °C) permettait d'obtenir un LCOE 16,4 % moins élevé que ceux d'un système similaire utilisant un fluide à base d'huile synthétique (températures de fonctionnement de 296-393 °C).

Diminution des coûts grâce à la production de masse

Une étude réalisée pour la Banque mondiale (Programme du Fonds pour l'environnement mondial de la Banque mondiale, 2006) suggère quatre phases de réduction des coûts pour la technologie CSP et prévoit que la compétitivité des coûts avec les carburants non renouvelables pourrait être atteinte d'ici 2025.

Ses 4 phases consistent en la création d'une expérience technique et industrielle, pour pouvoir générer un marché des CSP. Une fois ce marché lancé, on pourra alors se tourner vers la production en masse, et alors se rapprocher d'une concurrence entre les industries.

En effet, les réductions de coûts pour le CSP sont attendues grâce aux économies à l'échelle des usines: elle pourra être atteinte via l'amélioration des matériaux et la production de masse, ainsi que la mise en œuvre de technologies et de processus plus performants. Il nous faut alors un plus grand développement industriel et technologique pour arriver à ce but. Mais comme dit plus haut, plusieurs industries commencent à se spécialiser dans ce domaine, ce qui laisse un espoir sur la diminution des coûts.

Lié à la technologie des "solar fuels"

Depuis près de 40 ans, de nombreuses recherches ont été effectuées sur les « solar fuels ». Ces combustibles solaires sont des combustibles chimiques synthétisés à partir d’énergie solaire, d’eau et de dioxyde de carbone. La lumière du soleil est utilisée pour stimuler les réactions chimiques et ainsi transformer le CO₂ en combustibles utiles ou encore diviser les molécules d’eau pour obtenir de l’hydrogène. Cette création d’énergie propre et renouvelable a aussi un très fort potentiel de part son stockage : un carburant est davantage facile à stocker que l'électricité. 

Cogénération et dessalement de l'eau de mer

L’utilisation de la chaleur résiduelle lors de la production d'électricité par cogénération pour produire par exemple de l’eau dessalée ou du froid, augmente la compétitivité.

On peut utiliser la chaleur issue de l'exploitation CSP comme source chaude pour différents systèmes de climatisation. En 2012, 23 systèmes ont été identifiés comme tels par O’Connor, et Hilger, chercheurs à Aachen University of Applied Sciences, à Jülich Allemagne.

Un certain nombre de systèmes CSP peuvent également être utilisés pour le dessalement de l'eau de mer, combinés avec certaines technologies de dessalement utilisant d'autres sources de chaleur (utilisation de la chaleur, voire de l'électricité pour évaporer l'eau douce). Cependant, les usines de dessalement doivent être exploitées sans interruption. Par conséquent, une centrale solaire à tour doit fonctionner jour et nuit. Cela n'est possible qu'avec une unité de stockage supplémentaire ou avec l'hybridation de la centrale. On trouve quelques usines de dessalement fonctionnant avec des systèmes CSP dans le monde, par exemple dans le Golfe Arabique une station reliée à des capteurs cylindro-paraboliques, d'une capacité de 6 000 m³ /jour.

La cogénération est particulièrement importante dans les centrales thermiques solaires, car elles sont généralement construites dans des zones où l'accès à l'eau de refroidissement est limité. En réduisant autant que possible la température de la vapeur résiduelle, on diminue la puissance de refroidissement demandée.

La chaleur perdue peut également être utilisée de manière rentable pour d'autres applications. La plus évidente est le préchauffage de l'eau d'alimentation pour le cycle de production d'électricité, par échange de chaleur entre l'eau ou la vapeur sortante et l'eau entrante dans le circuit.

Lancement de nombreux nouveaux projets

Projets de centrale solaire thermodynamique en cours

Pays	Projet	Capacité de la turbine	Surface ensolleillée	Date de début de production
Algérie	ISCC Hassi R'mel	20 MW	183 860 m2	2011
Australie	Aurora Solar Energy Project	150 MW	-	2020
Australie	Jemalong Solar Thermal Station	1,1 MW	15 000 m2	2017
Australie	Lake Cargelligo	3 MW	6 080 m2	2011
Australie	Liddell Power Station	3 MW	18 490 m2	2012
Australie	Sundrop CSP Project	1,5 MW	51 505 m2	2016
Canada	City of Medicine Hat ISCC Project	1,1 MW	5 248 m2	2014
Chili	Atacama-1	110 MW	1 484 000 m2	2018
Chili	Copiapó	260 MW	-	2019
Chili	Likana Solar Energy Project	390 MW	-	2021
Chili	Tamarugal Solar Energy Project	450 MW	-	2021
Danmark	Aalborg CSP-Brønderslev CSP with ORC project	16,6 MW	26 929 m2	2016
Égypte	ISCC Kuraymat	20 MW	130 800 m2	2011
France	eLLO Solar Thermal Project	9 MW	153 000 m2	2019
Allemagne	Jülich Solar Tower	1,5 MW	17 650 m2	2008
Grèce	Minos	52 MW	-	2020
Israël	Ashalim (Negev)	121 MW	1 052 480 m2	2019
Italie	Archimède	5 MW	31 860 m2	2010
Italie	ASE Demo Plant	0,35 MW	3 398 m2	2013
Italie	Rende-CSP Plant	1 MW	9 780 m2	2014
Koweït	Shagaya CSP Project	50 MW	-	2019
Mexique	Agua Prieta II	14 MW	85 000 m2	2014
Arabie Saoudite	ISCC Duba 1	43 MW	-	2017
Arabie Saoudite	Waad Al Shamal ISCC Plant	50 MW	-	2018
Thaïlande	Thai Solar Energy 1	5 MW	45 000 m2	2012
Turquie	Greenway CSP Mersin Tower Plant	1,4 MW	-	2012
Émirats arabes unis	Greenway CSP Mersin Tower Plant	100 MW	-	2021
Émirats arabes unis	Shams 1	100 MW	627 840 m2	2013

L'Espagne compte plus de 30 projets à solaire thermodynamiques futurs ou en cours, la Chine 25 projets, aux États-Unis on dénombre 24 projets la plupart situés en Californie, l'Inde 10 et l'Afrique du sud et le Maroc en comptent quant à eux 7.

Abréviations et vocabulaire

• CSP: Concentrated Solar Power
• PV : Photovoltaïque
• MENA : Middle East and North Africa

Auteures et Auteurs

Élèves en Deuxième année à l'INSA LYON - Département FIMI (Formation Initiale aux Métiers d'Ingénieur)

• ALLART Martin
• ASSENS Chloé
• BEGAZO Gabriel
• BUI Hồng Hiếu
• EVA Sala
• FIERRI Joanna
• TOUZO Milla

Réalisé dans le cadre des projets PASTECH (Paradigme de Société Technologique)