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première version décembre 2006
dernière mise à jour
04 janvier 2011

L'énergie solaire

introduction : le soleil
quelques données sur notre étoile
le four solaire d'Odeillo
un gigantesque système pour la métallurgie
le système parabole-moteur Stirling
l'électricité décentralisée
les concentrateurs linéaires
le gigantisme californien
la fenêtre solaire
une innovation intéressante
perspectives automobiles
rentabiliser au maximum
   

le soleil

L'énergie solaire semble devoir être l'une des solutions parmi les plus intéressantes pour résoudre le défi énergétique auquel nous sommes confrontés, ne serait-ce que parce que nous pouvons compter sur lui pendant encore au moins quatre milliards d'années. L'énergie qui nous vient du soleil résulte d'un processus de fusion nucléaire infiniment plus énergétique que la minable fission nucléaire exploitée dans nos centrales nucléaires. Le soleil est constitué à 92% environ d'hydrogène, un peu moins de 8% d'hélium et 0.1% d'autres éléments à l'état gazeux. C'est la fusion des atomes d'hydrogène qui est fondamentale et 1 gramme d'hydrogène va être responsable lors de ce processus de la diffusion d'environ l'équivalent de 25 millions de kW/h. La température à la périphérie du soleil est d'environ 5500°C, tandis qu'au centre on l'estime à plus de dix millions de degés Celsius. Bien sûr la terre n'en reçoit qu'une infime partie puisque la puissance reçue ne correspond qu'à environ 1450W/m2 avant de pénétrer dans l'atmosphère et au sol cela ne fait finalement que 110W/m2 en moyenne en Europe du nord et même pas 300W/m2 au Sahara. C'est cependant considérable puisque ça représente annuellement environ 10000 fois la totalité de l'énergie dépensée par les hommes. Notons qu'une grande partie de ce rayonnement solaire est réfléchie soit par les nuages, soit par la couche d'ozone, soit par le sol lui-même ce qui nous garantit une température moyenne sur terre de 15°C, mais cet équilibre est fragile et l'activité désordonnée de l'homme est en train de le déplacer avec toutes les conséquences climatiques dont on parle par ailleurs.

Ce rayonnement solaire va pouvoir être exploité de diverses façons. En premier lieu ce sera la photosynthèse qui assure la croissance des plantes. Le second processus est évidemment l'exploitation thermique du rayonnement solaire, soit pour le chauffage direct de nos appartements, soit pour créer de l'eau chaude sanitaire, soit enfin pour produire de la vapeur d'eau susceptible d'entrainer une turbine liée à un alternateur et donc de produire classiquement de l'électricité. Le troisième processus est la production d'électricité en exploitant l'effet photovoltaïque (traité dans un autre chapitre).

Nous allons donc présenter ici l'utilisation de l'énergie solaire thermique pour la production d'électricité. Chacun connait plus ou moins bien l'histoire du siège de Syracuse par la flotte romaine, partiellement détruite par incendie grâce aux miroirs paraboliques en bronze poli imaginés par Archimède. La ville fut cependant prise en 212 av. J.C. et l'immense savant y perdit la vie.
le four solaire à miroir parabolique
C'est sensiblement le même principe qui est employé aujourd'hui avec les concentrateurs cylindro-paraboliques qui focalisent le rayonnement solaire sur un point de surface limitée comme par exemple dans le four solaire d'Odeillo qui atteint 4000°C et est utilisé principalement en métallurgie (documentation CNRS). Ce dispositif n'a pas été conçu pour produire de l'électricité, mais nous en rappelons cependant le principe car historiquement c'est le premier type de grand dispositif solaire exploité en France.



Le site d'Odeillo à gauche les miroirs paraboliques du four solaire, au fond à droite les héliostats plans mobiles.

Le four solaire de 1 mégawatt ( MWSF ) se compose d'un miroir parabolique tronqué à facettes, de 1830m2 et de 18 m de distance focale, éclairé par un champ de 63 héliostats mobiles d'une surface totale de 2835 m2 . La parabole est adossée à la façade nord du bâtiment de 8 étages qui abrite 9 des 11 fours solaires de moyenne puissance ( MSSFs) , des bureaux, une bibliothèque, des salles de conférence, un atelier, et les autres activités de recherches de laboratoire. Le MWSF focalise 1 mégawatt sur une zone d'environ 80 centimètres de diamètre avec un maximum de 10 MW/m2; au foyer (figure ci-dessous).

Dans ce système on a privilégié la poursuite du soleil au moyen d'héliostats mobiles pilotés par un système électronique sophistiqué.

le système parabole-moteur Stirling
Un autre dispositif moins gigantesque est étudié à Odeillo pour fabriquer de l'électricité. Les systèmes ‘parabole-moteur' sont destinés à l'électrification décentralisée car leur puissance varie de quelques centaines de Watts à quelques dizaines de kW.


Le schéma de l'installation est représenté sur la figure ci-dessus et elle est illustrée sur la figure ci-dessous. Il comprend un concentrateur parabolique qui suit le soleil, un récepteur solaire à haute température (source chaude du cycle), le moteur Stirling et une génératrice de courant alternatif.
Le rayonnement solaire concentré chauffe le gaz de travail (hydrogène, 650°C) dans le récepteur placé au fond de la cavité. La régulation thermique du récepteur est assurée par la pression d'hydrogène, plus élevée lorsque davantage de puissance solaire est collectée, plus faible lorsque le rayonnement solaire diminue. Le récepteur solaire est la source chaude du cycle Stirling, la source froide est un refroidisseur à eau. L'eau est fournie par un circuit qui refroidit également le corps du moteur ainsi que l'entrée de la cavité (dans la version initiale, récepteur solaire 1). La puissance thermique évacuée est rejetée dans l'atmosphère via un radiateur convecteur. Le cycle Stirling produit la puissance mécanique et entraîne la génératrice électrique.

Les caractéristiques nominales du système sont les suivantes :
Concentrateur : diamètre, 8,5 m ; surface projetée (collectrice), 56,7 m2 ; distance focale, 4,5 m ; concentration moyenne, 2500 ; réflectivité, 94%.
Moteur Stirling (SOLO 161) : type, simple effet en V ; gaz, hydrogène ; pression, 20-150 bar ; température, 650 °C ; puissance électrique nominale, 9,8 kW brute, 9,2 nette ; caractéristiques courant, triphasé, 50 Hz.
Les concentrateurs linéaires
La dernière technique utilise des miroirs concentrateurs linéaires qui permettent d'élever la température d'un fluide caloporteur à 450°C qui, via un échangeur thermique, va générer de la vapeur d'eau à haute pression qui va pouvoir entrainer un alternateur comme dans une centrale électrique thermique classique. La première expérimentation importante a été celle du désert de Mojave en Californie soit environ 310 MW de puissance installée dans 7 unités ne comportant pas moins de 900000 miroirs et alimentant 230000 habitations.
le désert de Mojave
la centrale solaire
détail d'un concentrateur
autre vue de la centrale de Harper Lake

La dernière photo montre bien l'assemblage des miroirs pour faire un concentrateur linéaire puisqu'il manque un miroir, en haut à gauche. Le fluide caloporteur circule dans un tube de verre teinté en noir situé au point de focalisation du flux thermique. Sur l'une des vues de la centrale de Harper Lake les personnages présents permettent de se faire une idée du gigantisme de l'installation. Il est clair qu'une telle centrale peut se concevoir dans ce désert du sud de la Californie mais qu'elle n'est pas envisageable en n'importe quelle région de France. Par contre il existe des projets similaires au Mexique, au Maroc ou en Espagne où de grandes régions désertiques et très ensoleillées existent.

Le schéma ci-dessous représente l'ensemble du système. On constate en haut à droite la présence d'un brûleur fonctionnant au gaz naturel (ou au fuel) et destiné à apporter le complément de température dans le cas où le soleil est insuffisant pour amener la vapeur à la température nécessaire au bon fonctionnement de la turbine entrainant l'alternateur. Comme le montre aussi le schéma l'eau est transformée en vapeur dans un échangeur thermique grâce au fluide caloporteur partiellement refroidi, puis cette vapeur est envoyée dans un second échangeur traversé par le fluide caloporteur venant directement des collecteurs donc à plus haute température ce qui permet de surchauffer la vapeur.

La fenêtre solaire

L'énergie photovoltaïque semble promise à un bel avenir, mais le coût du silicium est tel qu'au début 2010 l'amortissement d'une installation de ces panneaux en toiture d'une maison individuelle nécessite une bonne vingtaine d'années (en France) et le risque de détérioration de tels panneaux est très important sur une aussi longue période ce qui limite fortement le développement de la filière. Une équipe taiwanaise (ITRI International Technology Research Institute) vient de créer une alternative intéressante. Il s'agit d'une "fenêtre solaire à haute transparence" qui transforme les rayons du soleil en électricité avec un rendement allant de 20 à 50% et emmagasine l'énergie dans une batterie logée dans le cadre de la fenêtre. Un tel système présente l'avantage de réduire les pertes de transport de l'énergie et, sur un immeuble, pourrait fournir environ 30% des besoins en électricité. Le coût d'une telle fenêtre qui ne défigure pas le bâtiment serait sensiblement le double de celui d'une fenêtre classique et serait semble-t-il amorti plus rapidement que celui des actuels panneaux et sur le plan pratique son entretien serait aussi facilité.
perspectives automobiles

L'une des difficultés mise en évidence par les anti-énergies solaires ou éoliennes est la non permanence de ces sources. Le vent souffle irrégulièrement et l'énergie solaire est disponible en journée alors que les pointes de consommation se situent généralement en soirée. Une analyse simpliste en conclut donc que ces énergies ne peuvent se substituer aux énergies fossiles. En fait les vrais experts ont mis en évidence une solution susceptible de résoudre en grande partie ce problème de non coincidence entre période de production et période de consommation. Et cette solution pourrait bien provenir du secteur automobile. En effet la diminution des ressources pétrolières va conduire de facto à une augmentation drastique du coût des carburants et consécutivement à un développement des voitures électriques, d'où une conséquence immédiate qui pourrait être l'augmentation très sensible des besoins de production d'électricité. En fait il n'en est quasiment rien. Une étude internationale montre que l'automobiliste européen moyen parcourt environ 35km par jour et qu'en 2011 une batterie procure environ 160km d'autonomie à un véhicule électrique (en cycle normalisé). Il en résulte que l'énergie stockée dans ladite batterie pourrait être disponible pour près des 3/4 pour d'autres usages que la motricité automobile. Ainsi on peut imaginer recharger les batteries dans la journée quand le véhicule est à l'arrêt (sur le lieu de travail ou à domicile) quand les centrales solaires fournissent le maximum d'énergie et renvoyer en soirée une partie de cette énergie dans le réseau local au moment des pointes de consommation ce qui permettrait de réduire l'emploi de centrales thermiques d'appoint polluantes. Une expérience actuellement réalisée (en début 2011) aux USA dans l'état de Delaware montre qu'on pourrait remplacer l'ensemble des véhicules américains par des voitures tout-électriques sans avoir à augmenter la capacité de production électrique américaine et en remplaçant une grande partie des centrales nucléaires ou à charbon par des centrales solaires ou des éoliennes.