Solaire photovoltaïque, thermique et thermodynamique : les différences

Solaire photovoltaïque, thermique et thermodynamique : les différences

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Disponible, inépuisable, propre, l’énergie solaire est une énergie renouvelable qui continue de croître. En 2016, 576 MW de puissance solaire ont été raccordés en France métropolitaine, et la capacité totale du parc installé atteint 6 772 MW, représentant une croissance d’environ 11% par rapport à l’année précédente. Si la production solaire n’a permis de couvrir en moyenne que 1,7% de la consommation française, la diminution des coûts de production et la politique incitative du gouvernement devraient renforcer cette tendance et favoriser le développement des technologies solaires dans leur ensemble.  Plusieurs technologies, basées sur la captation de l’énergie des photons, existent à ce jour pour capter l’énergie solaire et la convertir en chaleur ou en électricité. Explications.

Le solaire photovoltaïque : transformer la lumière en électricité

L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semi-conducteurs comme le silicium ou recouverts d’une mince couche métallique. Ces matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est apportée par les photons (composants de la lumière), qui heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant électrique. Ce courant continu de micropuissance calculé en watt crête (Wc) peut être transformé en courant alternatif grâce à un onduleur.

Si cette technologie est applicable aussi bien dans de grandes exploitations que sur le toit d’une maison ou d’un bâtiment (en cas d’autoconsommation par exemple), les performances d’une installation photovoltaïque dépendront de l’orientation des panneaux solaires et des zones d’ensoleillement dans lesquelles vous vous trouvez. L’électricité produite est disponible sous forme d’électricité directe ou stockée en batteries (énergie électrique décentralisée) ou en électricité injectée dans le réseau, EDF ayant une obligation de rachat de cette électricité.

Le solaire thermodynamique : l’énergie solaire à haute température

Les centrales solaires à concentration thermodynamique, CSP en anglais pour « Concentrating Solar Power Plant », exploitent quant à elles le rayonnement du soleil en orientant, au moyen de miroirs, les flux de photons. Ces miroirs font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauffé à haute température, permettant par la suite de produire de l’électricité par le biais de turbines à vapeur ou à gaz. Cette concentration du rayonnement solaire sur une surface de captage permet d’obtenir de très hautes températures généralement comprises entre 400 et 1000°C.

Trois technologies distinctes sont utilisées à l’heure actuelle dans les centrales solaires à concentration : les concentrateurs paraboliques, grâce auxquels les rayons du soleil convergent vers un seul point, le foyer d’une parabole ; les centrales à tour dans lesquelles des centaines, voire des milliers de miroirs (héliostats), suivent la course du soleil et concentrent son rayonnement sur un récepteur central placé au sommet d’une tour ; et les capteurs cylindro-paraboliques qui concentrent les rayons du soleil vers un tube caloporteur situé au foyer du capteur solaire. Contrairement aux installations solaires photovoltaïques classiques dont le produit est directement l’électricité, les technologies solaires thermodynamiques génèrent de la chaleur. Le fluide chauffé ayant une certaine inertie thermique (capacité à stocker de la chaleur), la production d’électricité thermodynamique est donc moins saccadée que la production d’électricité photovoltaïque mais n’en reste pas moins intermittente.

Le solaire thermique basse température : une alternative durable pour le chauffage individuel

A une autre échelle, l’exploitation de la chaleur dégagée par les rayons du soleil permet également de chauffer efficacement un logement individuel. Les rayons du soleil, piégés par des capteurs thermiques vitrés, transmettent dans ce cas leur énergie à des absorbeurs métalliques, lesquels réchauffent un réseau de tuyaux de cuivre où circule un fluide caloporteur. Cet échangeur chauffe à son tour l’eau stockée dans un cumulus, et permet ainsi de conserver de l’eau chaude sanitaire après les heures d’ensoleillement, ou bien alimenter le chauffage central de votre domicile dans une configuration plus large.

Ce dispositif permet de produire 50 à 80% de la consommation d’eau chaude d’une famille de 3 à 4 personnes et est remplacé, les jours de faible ensoleillement, par une résistance électrique placée dans le ballon afin de disposer d’eau chaude en continu. En comparaison à une chaudière utilisant des hydrocarbures, 1 m² de capteur solaire permet d’économiser jusqu’à 300 kg par an de rejets de CO2, et cela d’autant plus dans des régions à fort ensoleillement comme la Corse où ces installations solaires thermiques présentent des avantages certains en matière d’économies d’électricité (on estime l’économie réalisée ici à plus de 150 euros par an sur la facture d’électricité). Tous les dispositifs agissant comme capteurs solaires thermiques sont de plus en plus intégrés dans les projets d’architecture bioclimatique (maisons solaires, serres, murs capteurs, murs Trombe…). Les chauffe-eaux solaires connaissent d’ailleurs une croissance spectaculaire en France, et bénéficient de crédits d’impôt et d’aides des collectivités locales particulièrement incitatives.

Crédits photo : Markus Spicke

Rédigé par : La Rédaction

La Rédaction
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COMMENTAIRES

  • De fait, ce qui fonctionne aujourd’hui un peu partout dans les zones tempérées et tropicales, c’est de le chauffe-eau solaire. Pas besoin de technologie complexe, bénéfice immédiat pour le consommateur d’Eau Chaude Sanitaire, faible coût de revient lorsqu’il n’est pas nécessaire d’avoir un asservissement électrique pour mise hors gel; Enfin dernier avantage; c’est une forme de stockage de l’énergie si on prévoit une capacité suffisante pour le réservoir et la surface des radiateurs.
    En France métropolitaine de nombreuses régions (PACA mais aussi Aquitaine ou Midi Pyrénées connaissent des conditions climatiques favorables à ce type d’installations. Dans les DOM, 160 000 Chauffe-eau ECS installés à la Réunion démontrent qu’avec l’esprit d’entreprise, il est possible de vaincre les inerties. Alors pourquoi si peu de succès ailleurs ?
    Le développement des énergies renouvelables profite d’abord à des groupes d’intérêts qui vivent grâce aux subventions publiques (ou la CSPE qui en est un avatar); remplacer cette manne par un avantage direct pour le consommateur serait insupportable.D’autre part, (et c’est un paradoxe à creuser) les structures ou mouvements écologistes poussent à la sophistication des techniques (d’où la majoration des coûts et des subsides publics) pour remédier aux faibles performances énergétiques des systèmes qu’ils préconisent.
    Exemple : le Kp (coefficient de productibilité d’une installation énergétique ) est d’environ 75 % pour une centrale thermique ou nucléaire, 30 % pour de l’éolien off shore, 21 % pour de l’éolien terrestre et de 12 à 15 % pour du photovoltaïque. La productibilité moyenne de l’hydraulique en France se situe aux environs de 40 % mais les objectifs ne sont pas ceux d’une production permanente mais en appoint (exactement au moment où on a besoin) de la production de base. Cette exactitude n’est malheureusement pas la vertu de Phébus ou d’Eole.
    Ce rappel effectué, quid de la transformation du rayonnement solaire en électricité ?
    Panneaux PV : faible coût de revient à l’installation mais production particulièrement aléatoire et variable dans la même journée. Bien sûr la nuit …. De plus, le stockage par batteries n’a pour utilité que d’éviter les pénalités éventuelles que pourrait prononcer le responsable d’équilibre si la production effective s’écarte trop du contrat de programme journalier. Mais actuellement cela coûte aux environs de 400 €/ MWh (payés par la CSPE) . Enfin, aucune énergie réactive sauf à mettre en place des batteries de condensateurs actuellement payées par EDF.
    Solaire thermodynamique : en théorie plus intéressant, et notamment le lissage journalier de la production par la résilience thermique des fluides caloporteurs. Et comme l’électricité est produite par des alternateurs aux mêmes entraînés par les axes des turbines utilisant la vapeur générée par les échangeurs (fluide caloporteur/Eau) , on a du réactif et un peu d’inertie pour le réglage tertiaire. Mais, à ce jour aucune installation réellement industrielle (et non subventionnée) n’est en service, car les coûts d’investissement sont très élevés, notamment si les miroirs réflecteurs suivent la course du soleil; d’autre part, les prototypes en cours d’essai connaissent de nombreux problèmes de corrosion des tubes dans lesquels circulent les fluides caloporteurs ainsi qu’au niveau des échangeurs. Bref, entre le buzz médiatique et la réalité industrielle fiable et durable il y a encore beaucoup de progrès à faire.

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  • Le solaire CSP voit ses coûts nettement baisser ces derniers temps (au plus bas à moins de 40 euros le MWh stockage inclus), ses techniques dont celles de stockage s’améliorer et ses capacités augmenter par rapport aux capacités actuelles en opération avec prévisions d’un facteur de croissance de :

    79 en 2030 et 204 d’ici 2050 ! (compilations IEA, Irena, Nrel, Market Intelligence etc)

    Les projets opérationnels, en cours et en développement sont de plus en plus nombreux (carte ci-dessous). Plus près de nous l’Espagne devrait être leader en Europe devant l’Italie. La Tunisie entre autres a un important projet d’exportation d’électricité à bas coût.

    http://www.solarpaces.org/csp-technologies/csp-projects-around-the-world/

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  • L’Agence internationale de l’Energie (AIE) prévoit que le solaire CSP (toutes filières confondues) représentera en 2050 11 % de la production d’électricité mondiale, soit 4 350 TWh avec une capacité installée de près de 1 000 GW, dont 229 GW aux États-Unis, 204 GW au Moyen-Orient, 186 GW en Inde, 147 GW en Afrique et 118 GW en Chine ; 53 GW seraient exportés de l’Afrique du Nord vers l’Europe.

    L’Espagne qui dispose de 2,3 GW de capacité actuellement devrait représenter la part la plus importante en Europe et pouvoir en exporter sous forme d’énergie de base, de même des pays comme le Maroc ou la Tunisie vers l’Europe comme vers d’autres pays d’Afrique.

    L’ensoleillement direct français n’est pas suffisant pour envisager des projets substantiels en métropole.

    Aux Etats-Unis l’étude SunShot Vision prévoyait que le solaire CSP devrait satisfaire environ 14% de la demande d’électricité d’ici 2030 et 27 % d’ici 2050.

    Le potentiel est également important en Chine, pays Mena, Afrique, Amérique latine dont Chili, Australie etc

    La société espagnole Abengoa Solar est le principal développeur de centrales solaires thermodynamiques dans le monde. Les nouveaux systèmes sont la plupart du temps développés par des start-up, dont une majorité sont américaines (eSolar, BrightSource). Les équipements spécifiques au secteur sont dans les mains d’un nombre réduit d’entreprises : tubes (Solel, Flabeg), miroirs (Rioglass, Saint-Gobain). Les grands groupes comme Alstom, Siemens, Enel, Engie etc sont entrés en 2010 dans le secteur, pour certains par des acquisitions de start-up (Ausra, BrightSource). Total a construit en partenariat avec Abengoa Solar et Masdar une centrale de 100 MW à Abou Dabi, inaugurée en mars 2013.

    Les centrales devraient également produire de la chaleur pour les process industriels et le dessalement d’eau de mer et de l’hydrogène pour remplacer le gaz naturel (3 % des besoins d’énergie en 2050).

    Leur consommation d’eau est diminuée, c’est un usage d’eau recyclée et épurée des sels corrosifs.

    http://fr.euronews.com/2017/10/09/des-centrales-solaires-plus-economes-en-eau

    La plus ancienne centrale CSP date de 1976 donc a déjà 42 ans (Albuquerque – États-Unis)

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