L'énergie solaire 24 heures sur 24 - Concentrated Solar Power | CSP - L'énergie solaire 24 heures sur 24
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ENERGY SOLUTIONS
MADE IN GERMANY
Concentrated Solar Power | CSP
L‘énergie solaire
24 heures sur 24
ÉLECTRICITÉ VERTE
CHALEUR VERTE
HYDROGÈNE VERT
ÉDITION 2021
Centrale électrique à tour solaire Centrale à capteurs paraboliques Centrale solaire Fresnel
(CERRO DOMINADOR) (FICHTNER GMBH & CO. KG) (FRENELL GMBH)
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Editeur Association allemande de
German Association for l‘énergie solaire concentrée (DCSP)
Concentrated Solar Power (DCSP)
Adresse Depuis 2013, le DCSP, l‘association allemande de
Oranienburger Str. 15 l‘énergie solaire concentrée, encourage la pro-
10178 Berlin / Allemagne duction et l‘utilisation d‘électricité, de chaleur et
Téléphone : +49 30 232 56 53 0 de carburants à partir de technologies solaires
E-Mail : office@deutsche-csp.com à concentration (CSP). Ses membres couvrent
www.deutsche-csp.com l‘ensemble de la chaîne de valeur des produits et
Editorial services CSP. Cela va du développement et de la
Juliane Hinsch, Dr. Joachim Krüger, planification de projets, des services d‘ingénierie,
Jürgen Hogrefe de la fourniture de composants et de l‘intégration
Auteur de systèmes à la propriété et à l‘exploitation de
Jürgen Hogrefe / 1Future.international centrales thermiques solaires et d‘installations de
Mise en page recherche. L‘objectif de l‘association est de reg-
Angela Pelzl, www.apema.de rouper les forces et les intérêts des acteurs du
Couverture marché allemand et d‘accroître les opportunités
Centrale à capteurs paraboliques Noor 2 du marché international.
et Centrale électrique à tour solaire Noor 3,
Ouarzazate / Maroc
(Fichtner GmbH & Co. KG)
Publication
Berlin, Mai 2021
Sommaire
04 – 05 CSP : L‘énergie solaire à toute heure
La contribution du solaire thermique à concentration
(CSP) à la transition énergétique mondiale
06 – 07 CSP – un multi-talent
Où l‘énergie solaire thermique peut être utilisée
08 – 09 Comment fonctionne l‘énergie solaire thermique à concentration
10 – 11 Le stockage thermique
La technologie CSP fournit l‘énergie solaire même la nuit
12 – 13 Les centrales électriques hybrides
Le CSP apporte plus d‘énergie photovoltaïque et
éolienne au réseau
14 – 15 Chaleur verte avec CSP
... pour les réseaux de chauffage locaux et urbains et pour l‘industrie
16 – 17 L‘hydrogène, une lueur d‘espoir
... et la contribution du CSP à son succès
18 – 25 Le prix de l‘énergie solaire thermique …
... et sa véritable valeur
26 – 27 Le CSP peut fournir un quart de l‘énergie mondiale
Les marchés mondiaux de l‘énergie solaire thermique
28 – 29 Création de valeur locale
Les centrales solaires thermiques favorisent le développement
des pays utilisateurs
30 – 31 Les meilleurs produits fabriqués en Allemagne
L‘éventail des performances de l‘industrie et de la recherche
04 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
CSP : l‘énergie solaire
à toute heure
La contribution du solaire thermique
à concentration (CSP) à la transition
énergétique mondiale
Nous sommes confrontés à l’une des transformations les plus d’où le nom d’énergie solaire concentrée. Le CSP recueille
importantes de l’histoire industrielle. Fournir de l’énergie à la chaleur du soleil, créant des températures élevées, jusqu’à
sept milliards de personnes tout en préservant les ressources 1000 °C et plus.
et en évitant d’aggraver le changement climatique est actuel-
lement l’un des plus grands défis auxquels sont confrontés L’énergie solaire thermique concentrée est une technologie
CSP : L‘ÉNERGIE SOLAIRE À TOUTE HEURE
la science, la politique, les entreprises, le monde financier mature qui a fait ses preuves dans le monde entier pendant
et la société. plus de trois décennies. Environ six gigawatts de capacité de
centrales solaires à concentration ont été installés dans le
Cette méga-tâche a mobilisé l’imagination scientifique-tech- monde. Elle a dépassé depuis longtemps les premiers stades
nique et entrepreneuriale. Grâce à la réglementation et à un de développement d’une industrie solaire et fournit désor-
effort financier considérable, des voies de développement mais de l’énergie à des prix compétitifs. Le CSP est une source
ont été élaborées qui vont dans la bonne direction : L’énergie d’énergie au potentiel énorme qui est loin d’être épuisé.
doit être renouvelable.
La chaleur produite par le solaire thermique à
Toutefois, en ce qui concerne la fourniture d’énergie à partir concentration peut
du soleil, du vent, de l’eau, de l’énergie géothermique et des
matières biogènes, nous n’en sommes qu’au tout début au ª produire de l’électricité verte au moyen de turbines
niveau mondial : la part des énergies renouvelables dans la à vapeur et l’injecter dans le réseau
consommation d’énergie primaire n’est actuellement que de
ª stocker l’énergie solaire à faible coût
cinq pour cent au niveau mondial. Les objectifs climatiques
fixés à Paris exigent toutefois que nous produisions notre ª fournir un chauffage local et urbain écologique
énergie de manière neutre sur le plan climatique dans le ª générer de la vapeur de process verte pour les
monde entier en un peu moins de 30 ans. industries à forte consommation d’énergie
ª apportent une contribution importante à la
La contribution de la production d’électricité solaire thermique
production d’hydrogène vert
à concentration à la transition énergétique et thermique na-
tionale et mondiale est encore peu connue. Pourtant, l’éner-
gie CSP est une solution éprouvée pour décarboniser les sys- La contribution la plus importante des centrales solaires à
tèmes énergétiques : éliminer progressivement le charbon, concentration est sans doute leur capacité de stockage. Grâce
le gaz et le pétrole pour passer à l’électricité verte, à la chal- à leur capacité à stocker la chaleur en grande quantité et à
eur verte et au refroidissement vert. Elle présente un grand faible coût, les centrales CSP peuvent fournir de l’électricité
potentiel pour la production d’hydrogène vert et constitue verte 24 heures sur 24. “De l’énergie propre à la demande
donc une lueur d’espoir pour les carburants durables dans 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7” : c’est ainsi que la Ban-
l’industrie et les transports. que mondiale et l’Agence internationale de l’énergie (IRENA)
ont appelé une étude réalisée au début de l’année 2021, qui
Le CSP est une énergie naturelle. Il recueille les rayons souligne l’importance considérable de la technologie CSP
énergétiques du soleil et les concentre en un seul point – pour les systèmes énergétiques.
Énergie propre
à la demande
24 / 7
Solnova, Espagne (SIEMENS, 2009)
Avec leurs systèmes de stockage, les CSP peuvent jouer un rôle Dans cette présentation, nous souhaitons mettre en lumière
clé pour faire avancer la transition énergétique mondiale. Ils le grand potentiel de la technologie CSP : Sa technologie, ses
fournissent une énergie verte même lorsque le soleil ne brille applications possibles, ses possibilités de commercialisation
pas et que le vent ne souffle pas. Ainsi, le réseau, qui est un sys- et son importance pour le climat.
tème énergétique complexe, peut être stabilisé. Le risque de
fluctuations et de coupures de courant est réduit au minimum. Les scientifiques, les entreprises et les banques allemandes,
ainsi que les institutions du gouvernement allemand, ont
La chaleur des installations de stockage des centrales CSP est largement contribué au fait que le savoir-faire allemand en
le lien qui permet d’injecter dans le réseau, de manière rent- matière de CSP est installé dans le monde entier et occupe
able et sans problème, l’énergie plus fluctuante provenant des une position de premier plan tant dans la recherche que dans
éoliennes et de l’énergie photovoltaïque. C’est ainsi que les les applications.
réseaux deviennent verts.
Cette position de tête peut être maintenue et renforcée par
Les centrales hybrides, qui combinent les différentes énergies une expansion accrue des centrales CSP dans le monde ainsi
renouvelables courantes, sont sur le point de connaître un qu’en Europe et en Allemagne.
développement rapide. Les solutions multitechnologiques
sont la clé de la stabilité des systèmes d‘énergie verte. Le CSP La technologie CSP est en passe de prouver toute son import-
joue un rôle clé à cet égard. ance pour les systèmes d‘énergie verte du futur.
06 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
CSP – un multi-talent
Où l‘énergie solaire thermique
peut être utilisée
Le principal produit des centrales CSP est la chaleur, qui est transporteurs de chaleur et de convertisseurs. C‘est ainsi que
obtenue par la concentration de la lumière solaire. Cette cha- l‘on produit de l‘électricité verte.
leur peut être utilisée de nombreuses manières différentes.
Cependant, la chaleur des centrales CSP peut également être
L‘application la plus courante est l‘électricité, qui est produite utilisée directement, par exemple comme chauffage local
dans une centrale solaire thermique. Une centrale CSP fonc- et urbain pour les réseaux de chauffage ou même de ref-
tionne comme une centrale à vapeur traditionnelle, c‘est-à- roidissement. Les centrales CSP peuvent également fournir
dire qu‘elle produit de la vapeur pour faire fonctionner une de la chaleur à haute température sous forme de chaleur ou
turbine qui produit de l‘électricité grâce à un générateur. de vapeur, qui conviennent aux applications industrielles.
CSP – UN MULTI-TALENT
Cependant, dans une centrale CSP, les sources d‘énergie qui L‘énergie CSP peut également être utilisée dans les systèmes
seraient autrement utilisées, comme le charbon, le pétrole énergétiques du futur : pour produire de l‘hydrogène vert et
ou le gaz, sont remplacées par l‘énergie du soleil. L‘énergie ses dérivés en fournissant de l‘électricité à faible coût, ainsi
lumineuse du soleil est concentrée dans un système de mi- que de la vapeur à haute température pour l‘électrolyse HTEL
roirs et alimente le cycle de la vapeur par l‘intermédiaire de à haute température pour séparer l‘hydrogène.
L‘ÉNERGIE SOLAIRE 24 HEURES SUR 24 07
Exemples d‘applications du solaire
thermique à concentration
Électricité Stockage Chauffage local Chaleur Hydrogène
thermique et urbain industrielle
ª Centrales solai- ª De 2 MWh jusqu‘à ª Chauffages verts ª Les températures ª De l‘énergie ver-
res de 500 kWe 1 GWh pour les réseaux de de 90 à 430 °C te bon marché
à 1 GWe chauffage locaux et pour les électro-
ª Technologies ª Pour l‘industrie :
urbains lyseurs
ª Centrales élec- differentes à pro- Brasseries, indus-
triques hybrides position ª Les températures trie alimentaire, ª Contributions
avec PV et vent de 60 à 160 °C industrie chimique à l‘électrolyse à
ª Réutilisation des
et pharmaceuti- haute tempéra-
ª Pour l‘électricité centrales électri- ª Refroidissement et
que,industrie du ture (HTEL)
verte ques au charbon climatisation rési-
papier
CSP – UN MULTI-TALENT
dentiels et commer- ª Chaleur indus-
ciaux/industriels ª Dessalement de trielle pour la
l‘eau de mer transformation
ª Stockage saisonnier
ultérieure de
ª Récupération amé-
l‘hydrogène en
liorée de l‘huile
produits tels que
par vapeur solaire
l‘ammoniac et le
méthanol
30 MW Centrale solaire Fresnel Puerto Errade 2,
Calasparra, Espagne (FRENELL GMBH)
08 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Comment fonctionne
le solaire thermique
à concentration
Le solaire thermique à concentration utilise la même matière Plus la concentration des rayons lumineux est forte, plus les
première que le photovoltaïque (PV) : la lumière du soleil. températures élevées peuvent être atteintes rapidement.
Mais en termes d’application et d’utilisation, ces deux tech- Cela augmente l’efficacité du processus. Plus elle est élevée,
nologies solaires sont très différentes. moins la centrale a besoin de surface de captage pour pro-
duire la puissance électrique ou thermique souhaitée.
Alors que le système photovoltaïque convertit directement
COMMENT FONCTIONNE LE SOLAIRE THERMIQUE À CONCENTRATION
la lumière du soleil en courant électrique continu, via un pro- Le CSP est une technologie de pointe, qui a été testée et
cessus de conversion chimique-minérale, qui est normale- éprouvée pendant des décennies. Les centrales solaires à
ment injecté directement dans le réseau électrique via des concentration fonctionnent de manière fiable dans les pays
onduleurs, la technologie solaire thermique à concentration ensoleillés du monde entier. En raison de la forte irradia-
adopte une approche différente : ici, les rayons lumineux du tion solaire directe, elles contribuent déjà à la production
soleil sont regroupés à l’aide de miroirs qui s’alignent sur la d’électricité à une échelle considérable ici. La performance
trajectoire du soleil et les rayons lumineux sont dirigés vers des centrales CSP est démontrée par leur capacité à convertir
un point spécifique ou ligne focale. Cela permet de concen- efficacement la lumière en chaleur. C’est pourquoi des rende-
trer efficacement l’énergie lumineuse. Cette concentration ments élevés peuvent être atteints même à des températures
produit de la chaleur, comme un verre brûlant. D’où le nom ambiantes basses.
: énergie solaire concentrée (CSP).
Entre-temps, la technologie CSP a progressé au point qu’elle
Il existe plusieurs technologies CSP. Mais ce qu’ils ont tous en peut également être utilisée pour produire de la chaleur ainsi
commun, c’est qu’ils convertissent la lumière du soleil en une que de la chaleur industrielle dans les climats tempérés tels
température élevée. Cette chaleur peut être utilisée directe- que l’Europe centrale. Ici, la demande de chaleur industrielle
ment ou, via des échangeurs de chaleur, alimenter un cycle à des niveaux de température allant jusqu’à 500 °C peut fac-
eau-vapeur dans lequel l’électricité est produite au moyen ilement être satisfaite.
de turbines à vapeur.
Dans la pratique, trois techniques différentes sont util-
Le défi technologique du secteur solaire CSP est d’atteindre isées pour concentrer le rayonnement solaire : les tours
la précision optique requise et la robustesse simultanée con- solaires (1), les miroirs paraboliques (2) et les systèmes
tre les influences environnementales telles que le vent et les de Fresnel linéaires (3).
fluctuations de température – au coût le plus bas possible.
1 2 3
tour solaire Tube absorbant Miroir concave
avec capteur
Capteur
parabolique
Tuyauterie Tube absorbant
Héliostats du champ solaire et reflecteur
secondaire
Technologies de concentration solaire thermique
(THE WORLDBANK, IRENA, CLIMATE INVESTMENT FUNDS)
L‘ÉNERGIE SOLAIRE 24 HEURES SUR 24 09
Tour solaire avec capteur
Accumulateur de chaleur
réservoir chaud
Héliostats
Turbine
Générateur
Générateur d'électricité
de vapeur
Sel chaud
Sel froid
Vapeur
Accumulateur de chaleur
réservoir froid
Condensateur
L´eau
COMMENT FONCTIONNE LE SOLAIRE THERMIQUE À CONCENTRATION
Fonctionnement d‘une centrale solaire thermique, illustré
ici avec une centrale électrique à tour solaire (DLR 2021)
Dans les centrales solaires à tour, des surfaces de miroir Les tubes absorbeurs sont le cœur des capteurs : un revête-
qui suivent la trajectoire du soleil sur deux axes dirigent la ment optiquement sélectif sur le tube absorbe la lumière visi-
lumière du soleil sur un récepteur central de rayonnement ble tout en empêchant le rayonnement de la chaleur. Le tube
(récepteur) monté en haut d’une tour. Un support y absor- de l’absorbeur est entouré d’un tube de verre légèrement
be la chaleur. Le sel liquide est généralement utilisé comme plus grand et, comme dans le cas d’une bouteille thermos, il y
support. D’autres médias de moindre importance commer- a un vide entre les deux tubes. Cela réduit considérablement
ciale jusqu’à présent sont l’air, l’eau et les huiles thermiques. les pertes de chaleur par rayonnement.
Le fluide transporte l’énergie du rayonnement solaire dans
l’accumulateur de chaleur et ensuite dans le circuit de la cen- Les collecteurs font jusqu’à sept mètres de large et jusqu’à
trale électrique. Les surfaces des miroirs, également appelées 200 mètres de long. Les huiles thermiques utilisées commer-
héliostats, ont une taille pouvant atteindre 200 mètres carrés. cialement aujourd’hui dans les récepteurs permettent une
Dans les centrales commerciales, plusieurs milliers d’entre température de fonctionnement allant jusqu’à 430 °C. De
eux sont alignés en demi-cercle ou en cercle avec la tour nouveaux supports sont actuellement recherchés et testés,
solaire. Leur forte concentration de rayonnement génère qui peuvent absorber des températures plus élevées sans
des températures de surface au niveau du récepteur qui dommage, par exemple des sels liquides pouvant fonctionner
chauffent le milieu de transfert de chaleur à environ 600 °C. jusqu’à 600 °C.
Jusqu’à présent, les centrales à miroirs cylindro-par- Les collecteurs de Fresnel fonctionnent de manière similaire
aboliques ont été les plus fréquemment mises en œuvre aux auges paraboliques. Cependant, le miroir de concentra-
sur le plan commercial. Les auges de miroir de forme par- tion est divisé en facettes individuelles allongées, qui sont
abolique, également appelées collecteurs, sont déplacées le également orientées en fonction de la position du soleil. Ils
long d’un axe pour suivre la course du soleil à l’aide d’en- sont disposés horizontalement à une certaine distance du
traînements hydrauliques. Ils focalisent les rayons lumineux sol. Le tube absorbeur est monté au-dessus des miroirs. Les
au point focal de la cuvette sur un tube absorbeur qui tra- racks qui les contiennent sont installés en position fixe. Ce
verse la cuvette dans le sens de la longueur à une distance type de construction est très robuste et peut donc résister
égale à la moitié du rayon du miroir. L’énergie de tous les à des charges de vent élevées ; en outre, de petits modèles
rayons lumineux incidents se combine dans cette ligne focale, sont possibles, ce qui permet également une installation sur
concentrant efficacement l’énergie lumineuse. Dans ce tube des toits plats. La géométrie spéciale du collecteur entraîne
absorbeur, une huile thermique spéciale ou un fluide com- une baisse de l’efficacité optique, mais celle-ci est compensée
posé d’un autre matériau absorbe la chaleur. Un système de par un coût moindre du collecteur.
pompe dirige les fluides fortement chauffés vers l’échangeur
de chaleur, qui est relié à un circuit eau-vapeur.
10 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Le stockage thermique
Stockage thermique Andasol 3, Espagne, propriétaire
Marquesado Solar (CSP SERVICES GMBH)L‘ÉNERGIE SOLAIRE 24 HEURES SUR 24 11
La technologie CSP fournit l’énergie Aujourd’hui, les réservoirs de stockage de sels liquides
solaire même la nuit (également appelés sels fondus) sont couramment utilisés
dans les opérations commerciales. Ils se composent de deux
réservoirs, chacun avec un niveau de température chaud et
Le stockage thermique intégré est un élément important froid. Dans le processus dit de chargement, le sel liquide est
des centrales solaires thermiques. Le CSP est capable de con- pompé hors du réservoir plus froid à environ 290-300 °C,
vertir l’énergie du rayonnement solaire en énergie thermique. puis chauffé soit directement dans le récepteur par le ray-
Selon le fluide caloporteur (FTC) utilisé, cette chaleur peut onnement solaire concentré, soit indirectement par un autre
être soit stockée, soit utilisée directement pour produire de la échangeur de chaleur. La chaleur est ensuite transférée au
chaleur ou de l’électricité. Le stockage de l’énergie thermique réservoir d’eau chaude. Dans le processus de déchargement
permet ainsi d’utiliser le rayonnement solaire 24 heures sur ou d’extraction de la chaleur, le sel liquide est pompé du
24. Le CSP permet également au soleil de briller la nuit. La réservoir chaud et transfère la chaleur directement ou in-
chaleur du soleil le rend possible. directement à un processus de génération de vapeur au
moyen d’un échangeur de chaleur, où il est à nouveau refroidi
Les centrales thermiques solaires reposent sur le stockage et ensuite transféré au réservoir froid. Pendant les processus
du produit intermédiaire, la chaleur, plutôt que du produit de chargement et de déchargement, les niveaux de remplis-
final, l’électricité. Si le transport de la chaleur sur de longues sage des deux réservoirs se déplacent donc comme dans
distances et de longues périodes est plus coûteux et plus les navires correspondants. Pendant l’opération technique,
compliqué que le transport de l’électricité, l’inverse est vrai il faut toujours veiller à ce que la température du sel ne de-
pour le stockage de la chaleur. scende pas en dessous d’une température minimale afin que
le mélange ne cristallise pas à nouveau. En fonction du sel
Lorsque l’on utilise de grandes unités de stockage qui peu- utilisé, des températures de travail allant jusqu’à 565 °C sont
LE STOCKAGE THERMIQUE
vent fournir un rendement fixe sur une longue période, le possibles.
stockage de la chaleur est plus rentable. Ainsi, le stockage
de la chaleur au moyen de la technologie CSP dans les régions Pour la production d’électricité, le générateur de vapeur est
ensoleillées permet déjà d’obtenir des prix de l’électricité alimenté en énergie thermique, qui provient soit directement
équivalents ou inférieurs à ceux des centrales électriques du récepteur solaire, soit du réservoir de stockage. La va-
conventionnelles. peur générée par la chaleur alimente ensuite un processus
classique de turbine à vapeur. Les turbines à vapeur util-
En 2021, l’IRENA et la Banque mondiale ont noté dans leur isées dans les centrales solaires peuvent être exploitées de
étude que la production d’électricité avec des centrales so- manière très souple et peuvent donc idéalement suivre la
laires thermiques à concentration et un stockage thermique demande.
d’une capacité de plus de quatre heures (à pleine charge) est
moins chère que la production d’électricité à partir de PV avec Les centrales en exploitation commerciale ont déjà des ca-
stockage de l’électricité dans des systèmes de batteries. Cet pacités de stockage de six à quinze heures de pleine charge.
avantage du CSP peut être obtenu même avec des tailles de Cela signifie qu’ils peuvent être exploités 24 heures sur 24
stockage plus petites, c’est-à-dire moins de quatre heures (à ou spécifiquement lors des pics de demande. Le stockage
pleine charge), en fonction de l’endroit où l’irradiation solaire thermique permet de déplacer les volumes d’énergie sur un
est la plus élevée. On s’attend à ce que le stockage par bat- ou, si nécessaire, plusieurs jours. Étant donné que la produc-
terie se rapproche à long terme de l’avantage en termes de tion d’électricité peut être adaptée de manière flexible à la
coût du stockage CSP en raison de la réduction des coûts. Par demande, les centrales solaires thermiques appartiennent au
conséquent, l’avantage du stockage thermique se déplacera groupe des centrales électriques contrôlables. Elles sont
vers un stockage plus important au fil du temps. capables de fournir une charge de base parce qu’elles sont
capables d’injecter de manière fiable une quantité prévisible
Les systèmes de stockage thermique à base de sel liquide d’électricité dans un système énergétique tel que les réseaux
sont des conteneurs (réservoirs) pouvant atteindre 40 mètres sur une longue période.
de diamètre et 15 mètres de hauteur. Elles sont remplies d’un
mélange de nitrate de potassium et de nitrate de sodium, qui Bien que la technologie de stockage du CSP ait fait ses
devient liquide à partir de 250 °C. Les réservoirs contenant preuves depuis longtemps et qu’elle soit déjà fiable, on peut
les sels fondus sont utilisés pour absorber la chaleur des encore espérer des bonds en avant grâce à la recherche et
capteurs et récepteurs solaires et la restituer ultérieurement. à un déploiement et une production de masse accrus. Cela
peut conduire à de nouvelles réductions de coûts.12 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Centrales électriques hybrides
La technologie CSP apporte éoliennes joueront un rôle de plus en plus important dans
plus d‘énergie photovoltaïque l’expansion mondiale des énergies renouvelables. Cela s’ap-
plique en particulier à la production d’électricité dans les pays
et éolienne au réseau. riches en soleil. .
La méthode indirecte consistant à convertir d‘abord le rayon- Il existe un certain nombre de raisons en faveur du cou-
nement solaire en énergie thermique et seulement ensuite plage dans les plantes dites hybrides.
en énergie électrique semble lourde par rapport aux cellules
solaires photovoltaïques, qui convertissent immédiatement Si les centrales CSP sont combinées à des champs photovol-
la lumière du soleil en électricité. En fait, c’est pourtant l’un taïques, les coûts spécifiques de production d’électricité
des avantages des centrales solaires thermiques et une (LCOE) de la centrale CSP peuvent être considérablement
valeur énorme pour les futurs systèmes énergétiques réduits. La centrale CSP peut faire fonctionner la même tur-
sans combustibles fossiles : La chaleur est plus facile et bine, mais son champ solaire peut être plus petit et les divers
moins chère à stocker que l’électricité. Grâce à leurs systèmes systèmes auxiliaires peuvent être de taille plus réduite, car les
de stockage de la chaleur à faible coût intégrés directement modules PV peuvent servir les charges de pointe du réseau
à la centrale, les centrales CSP peuvent fournir de l’électricité de manière plus rentable. Dans le même temps, l’électricité
CENTRALES ÉLECTRIQUES HYBRIDES
verte même lorsque le photovoltaïque et l’éolien ne le font excédentaire produite par les modules photovoltaïques peut
pas, par exemple la nuit et lorsqu’il n’y a pas de vent. être utilisée pour tempérer les réservoirs de stockage du sel.
À l’avenir, la complémentarité des différentes formes de pro- Le PV et le CSP peuvent également partager les services pub-
duction d’énergie renouvelable jouera un rôle plus important lics généraux et les infrastructures nécessaires à une ferme
dans la transition énergétique européenne et mondiale dans solaire : Raccordement des lignes, télécommunication, ad-
son ensemble. C’est précisément dans le couplage de dif- ministration, sécurité, bâtiment administratif et entretien
férentes énergies renouvelables que leur avantage deviendra des équipements techniques. Il en va de même, en principe,
d’autant plus évident – tant sur le plan du bilan économique pour les parcs éoliens. Cela réduit considérablement les coûts
que sur celui du bilan écologique. d’investissement.
La Banque mondiale et l’Agence internationale de l’éner- À l’heure actuelle, les producteurs d’énergie renouvelable,
gie (IRENA) ont récemment déclaré que les centrales ther- tels que les centrales photovoltaïques ou éoliennes, trans-
miques solaires couplées à des centrales photovoltaïques ou fèrent généralement la tâche de stabiliser le réseau lorsqu’ils
Fonctionnalité d‘une centrale électrique hybride CSP/PV intégrée
(TSK FLAGSOL ENGINEERING GMBH)
Champ photovoltaic
Électricité
au réseau
Champ solaire au
capteurs paraboliques Vapeur à 540 °C
Ventilateur
Chauffages électriques
(Chargement et/ou Turbine
surchauffage) G Aire Aire
à vapeur
Condenseur
à l´aire
Aire
Accumulateur de
chaleur réservoir chaud
Accumulateur de
chaleur réservoir froidL‘ÉNERGIE SOLAIRE 24 HEURES SUR 24 13
Centrale électrique hybride CSP-PV (co-located) Cerro
Dominador, Maria Elena/Chili (CERRO DOMINADOR)
CENTRALES ÉLECTRIQUES HYBRIDES
ne sont pas en mesure de fournir de l’électricité (par exemple, fluctuantes et de garantir la tension nécessaire dans le ré-
en cas de charge partielle ou pendant les périodes d’accalmie) seau. Cette capacité à stabiliser le réseau est une caractéris-
à d’autres centrales électriques, principalement alimentées tique essentielle des centrales thermiques solaires. C’est ce
par des combustibles fossiles. Les centrales CSP peuvent aid- qui rend ce type d’installation si précieux pour un futur sys-
er à couvrir ce service de réseau pendant ces périodes. De tème de production d’électricité verte.
cette manière, les centrales électriques fossiles peuvent être
remplacées par le CSP et les gaz à effet de serre peuvent être En outre, la technologie CSP revêt une grande importance
réduits de manière rentable ou évités complètement. pour la politique climatique dans le cadre de la stratégie eu-
ropéenne et allemande en matière d’hydrogène et pour la
Le stockage des quantités d’énergie et la contrôlabilité as- fourniture de chaleur aux réseaux de chauffage urbain. Il est
sociée des centrales CSP permettent d’équilibrer les énergies traité séparément ici, aux pages 14 -15.
L‘AVENIR DES SYSTÈMES À CYCLE COMBINÉ
A DÉJÀ COMMENCÉ
Une centrale électrique hybride de grande capacité sera bien- du soir – après le coucher du soleil, lorsque le PV ne peut pas
tôt construite au Maroc. La centrale NOOR Midelt au Maroc fournir. Avec 950 MW, le complexe solaire DEWA IV n‘est pas
combinera le CSP et le PV pour une capacité totale installée seulement le plus grand projet d‘énergie renouvelable au
de 800 MW. Le projet DEWA „Mohammed bin Rashid Al Makht- monde, avec un investissement de 4,2 milliards de dollars
oum Solar Park Phase IV“ à Dubaï, qui doit entrer en service c‘est aussi un invesstissement economiquement important.
en 2022, combine 700 MW de CSP et 250 MW de PV. Les tech- Il fait partie d‘un grand complexe solaire d‘une capacité totale
nologies CSP utilisées sont une tour solaire d‘une capacité de de cinq GW. Ce faisant, elle a également indiqué le prix de
100 MW et un stockage thermique d‘une capacité de 15 heu- l‘électricité le plus bas jamais atteint par une centrale solaire
res, ainsi que trois centrales CSP à miroirs cylindro-paraboli- à concentration : Le contrat pour l‘électricité prévoit un prix
ques. Ces derniers ont une capacité de 200 MW chacun et un d‘achat de 0,073 USD par kWh. Ceci s‘applique pour une durée
stockage d‘une capacité de 12,5 heures chacun. Technique- de 35 ans. Cette réduction considérable du prix de l‘électricité
ment, il ne s‘agit pas vraiment d‘une centrale hybride, mais produite par le CSP est due en grande partie à la chute rapide
d‘une addition de différentes technologies. Ce qui est inté- des prix de la construction des centrales d‘électricité CSP au
ressant, cependant, c‘est qu‘ici les centrales CSP fournissent cours des dernières années.
la charge de pointe du réseau, qui se situe dans les heures14 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Chaleur verte avec CSP
... pour les réseaux de chauffage local fonctionnement. Dans cette gamme, les centrales CSP peuvent
et urbain et pour l’industrie fournir de la chaleur industrielle verte ainsi que du chauffage
local et urbain, même en Allemagne.
La conversion au vert, c’est-à-dire à la chaleur produite à partir
de sources renouvelables, est l’un des secteurs de la politique Chauffage local et urbain
énergétique qui est encore le moins pénétré et le moins plan-
ifié. Pourtant, la nécessité d’agir est énorme. Les exploitants de réseaux de chauffage urbain allemands ont
fourni environ 161 TWh de chaleur en 2017, presque exclusive-
En Allemagne, pays industrialisé, l’industrie représente 29 % ment à partir de la production fossile. Les capteurs solaires
de la consommation finale d’énergie. La grande majorité de CSP – installés et exploités dans ce pays – peuvent contribuer
cette chaleur, près de 75 %, est requise comme chaleur indus- de manière significative à répondre à cette demande d’eau
trielle dans les plages de températures plus élevées. En fait, cela chaude et de chauffage des locaux à l’avenir.
signifie que la consommation d’énergie pour la fourniture de
chaleur industrielle dans l’industrie est à peu près équivalente Le principal avantage du solaire thermique à concentration est
à la totalité de la consommation électrique allemande. le même pour la production de chaleur que pour la production
d’électricité : les capteurs solaires CSP collectent le rayonne-
Le gouvernement allemand s’est fixé pour objectif de porter ment thermique du soleil et le concentrent à des températures
à 30 % d’ici à 2030 la part des énergies renouvelables dans la élevées qui permettent un stockage efficace. Le stockage
consommation finale d’énergie pour la chaleur (chaleur ambi- permet d’obtenir un degré élevé de couverture et un appro-
ante, chaleur de refroidissement et chaleur industrielle, ainsi visionnement en chaleur plus équilibré sur le plan saisonnier.
CHALEUR VERTE AVEC CSP
que l’eau chaude).
Contrairement aux idées reçues, les capteurs cylindro-par-
À l’échelle mondiale, la demande d’énergie thermique indus- aboliques et les capteurs de Fresnel fonctionnent aussi tech-
trielle a même dépassé de 18 % la consommation mondiale niquement bien sous des latitudes moins ensoleillées et sont
totale d’électricité. également économiquement viables. Cela est vrai même à des
températures de fonctionnement comparativement basses, de
Actuellement, la grande majorité de la chaleur est encore pro- 60 °C et plus. Entre-temps, diverses études scientifiques ont
duite à l’aide de combustibles fossiles. Grâce à ses possibilités montré le potentiel des collecteurs cylindro-paraboliques pour
technologiques, le solaire thermique à concentration (CSP) peut la chaleur en Allemagne. Les résultats positifs ont entre-temps
apporter une contribution majeure à la réussite de la transition trouvé leur place dans la directive VDI 3988 “Solar Thermal Pro-
thermique allemande et européenne. cess Heat”, entre autres. Les directives VDI représentent l’état
de l’art et fixent les normes d’orientation et de pratique.
Les systèmes de capteurs à concentration tels que les auges
paraboliques et les miroirs de Fresnel produisent – en fonction
de leur conception et de leur mode de fonctionnement – de Les capteurs CSP peuvent déjà atteindre des coûts de produc-
la chaleur entre 60 et environ 500 °C de température de tion de chaleur comparables à ceux des capteurs stationnaires
si les températures sont égales ou supérieures
à 80 °C et si un champ solaire de plusieurs
Industrie
Transport Chaleur à milliers de mètres carrés est utilisé. Les col-
basse température
Logement/secteur (en dessous de 150 °C) lecteurs CSP dont les exigences en matière
Bouillante (eau bouillante),
autre 45% Charbon
pasteuriser, stériliser, nettoyer, de température sont inférieures à 80 °C sont
26% 30% séchage, lavage, blanchiment,
déjà plus viables économiquement lorsque
Électricité cuire à la vapeur, mariner, cuisiner.
des réservoirs de stockage sont intégrés.
22% Chaleur à
13% température moyenne
74% 74% (150 à 400 °C)
32% Chaleur 30% Gaz naturel Chaleur distillation, fusion des nitrates, Il a été démontré que la rentabilité des
= teinture, compression.
85 EJ systèmes de chauffage CSP est encore plus
24%
48% élevée dans le Nord. Au Danemark, pays doté
15% Pétrole Chaleur à
haute température
(plus de 400 °C) de vastes réseaux de chauffage municipaux,
31% 9% Energies renouvelables Processus de transformation
1,6 million de mètres carrés de capteurs ont
des matériaux.
1% Autres EJ = Exajoule déjà été installés pour le chauffage local, sou-
vent en association avec un stockage saisonni-
Demande mondiale d‘énergie finale par secteur en 2014 (EPP 2017)SOLAR POWER AROUND THE CLOCK 15
er de la chaleur. Près de 50 000 mètres carrés ont été construits Les résultats des études pour l’Allemagne et de l’opération
dans des projets plus récents avec des collecteurs CSP. au Danemark sont largement transférables à l’ensemble de
l’Europe centrale. Par exemple, une entreprise allemande en
Il a été constaté que les capteurs cylindro-paraboliques offrent Belgique utilise ses miroirs paraboliques pour produire de la
des rendements thermiques annuels supérieurs à ceux des chaleur pour les installations industrielles du port d’Anvers et
capteurs plats de même surface, pour une température de d’Ostende. La vapeur produite par l’énergie solaire est utilisée
fonctionnement de 50 à 80 °C. Pour des coûts d’investissement pour tempérer les conteneurs d’une entreprise de stockage
similaires, les collecteurs à concentration présentent une effi- et de manutention de produits chimiques. Les conditions cli-
cacité économique comparable, voire nettement supérieure à matiques pour les centrales CSP sont, bien sûr, encore plus
des températures plus élevées. En Allemagne, l’utilisation de favorables dans le sud de l’Europe que dans le centre.
miroirs paraboliques pour le chauffage urbain est actuellement
testée par les services publics municipaux. Les centrales auront Chaleur industrielle pour l’industrie
chacune entre 10 000 et 50 000 mètres carrés de surface de
miroir et pourront fournir de l’énergie solaire pour la charge Les systèmes de capteurs à concentration sont adaptés à la
de base en été. production de chaleur industrielle jusqu’à une température de
fonctionnement de 400 °C et au-delà, selon la conception. Cela
Contrairement à la production d’électricité, la production de signifie que la chaleur CSP peut être utilisée dans de nombreux
chaleur est liée localement, c’est-à-dire qu’elle ne peut pas être domaines industriels, par exemple dans les secteurs de l’ali-
transportée de manière économique sur de longues distances. mentation, du textile et de l’automobile.
L’utilisation de la biomasse est la seule alternative thermique à
plus grande échelle. Toutefois, la biomasse nécessite une su- Quatre industries à forte consommation d’énergie utilisent
perficie plus de dix fois supérieure pour produire de la chaleur. en particulier une chaleur à haute température, supérieure à
Néanmoins, dans des endroits appropriés, le solaire thermique 400°C : le fer et l’acier, l’aluminium, la chimie et la pétrochimie,
et la biomasse peuvent être couplés de manière synergique car la chaux et le ciment. Les systèmes de tours solaires génèrent
la biomasse peut alimenter les réseaux en chaleur de manière des températures de plus de 1000 °C et peuvent introduire la
prévisible. chaleur nécessaire à cet effet dans le processus concerné – soit
CHALEUR VERTE AVEC CSP
directement par rayonnement concentré, soit par l’intermédi-
Le solaire thermique à concentration présente l’avantage, par aire de moyens de transfert de chaleur appropriés.
rapport aux capteurs plats, de pouvoir être exploité sur une sur-
face végétalisée. Les plantes peuvent exister en permanence Les technologies destinées à être appliquées dans ces indus-
sous les collecteurs CSP et servent ainsi à la conservation de la tries en sont encore aux premiers stades de développement.
nature, par exemple; elles offrent également un espace pour la Mais la phase d’application industrielle a commencé.
biodiversité. En outre, lors de la conversion aux systèmes CSP,
les réseaux de chauffage existants peuvent continuer à être À Chypre, par exemple, une entreprise de l’industrie alimentaire
utilisés et les services du bâtiment, qui sont conçus pour des utilise la vapeur des capteurs solaires d’un fabricant allemand
températures plus élevées, ne doivent pas être complètement à des températures allant jusqu’à 425 °C pour pasteuriser les
remplacés. Ces deux facteurs réunis réduisent considérable- jus de fruits, entre autres. La centrale développée à Cologne
ment le coût de la conversion au chauffage vert. réduit la consommation de pétrole lourd de l’entreprise chy-
priote d’environ 20 %. L’atmosphère est ainsi épargnée de 150
Les capteurs thermiques sont durables; leur durée de vie tonnes de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, année
est estimée à 30 ans ou plus. après année.
Chaleur industrielle pour l‘industrie chimique en Oostende, La chaleur industrielle dans l‘industrie
Belgique (SOLARLITE CSP TECHNOLOGY GMBH) alimentaire, Limassol, Chypre (PROTARGET AG)16 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
L‘hydrogène vert
– une lueur d‘espoir
... à l’aide de CSP nique, les rendements de conversion doivent être aussi élevés
que possible et les installations de production d’électricité et
La restructuration fondamentale de l’approvisionnement d’électrolyse doivent être utilisées au maximum 24 heures
énergétique ne se limite pas à la conversion à l’électrification, sur 24.
qui est rendue possible de manière neutre en termes de CO2.
Nous avons besoin de sources d’énergie alternatives utilisées Ces conditions suggèrent que l’énergie solaire thermique à
de manière durable. L’hydrogène (H2) est un élément clé dans concentration peut apporter une contribution très importante
ce domaine. dans ce domaine.
En raison de son contenu énergétique élevé et de sa combus- En combinaison avec le PV, les centrales solaires thermiques
tion propre, le H2 peut non seulement servir de combustible offrent d’excellentes possibilités de combiner de faibles coûts de
dans les futurs systèmes énergétiques, mais aussi de vecteur production d’électricité avec des heures de pleine charge très
énergétique central, c’est-à-dire de vecteur d’énergie et de élevées. Dans les endroits ensoleillés comme au Moyen-Orient,
matière, de moyen de stockage et de réactif pour l’industrie les coûts de production avec le CSP en combinaison avec le PV
chimique ainsi que de matière première pour les carburants sont bien inférieurs à 3 €/kg pour 7000 heures de fonctionne-
liquides. Le H2 n’a de sens en termes d’objectifs de politique ment à pleine charge.
climatique que s’il peut être produit sans émissions – du moins
L‘HYDROGÈNE VERT – UNE LUEUR D‘ESPOIR
à moyen terme. Le PV fournit l’électricité pendant les heures d’ensoleillement
et charge simultanément le stockage de chaleur pendant la
De grandes quantités d’énergie sont nécessaires pour produire journée avec le système solaire thermique. Lorsque le soleil
de l’hydrogène. L’Allemagne ne dispose pas de suffisamment ne brille pas, elle est utilisée pour fournir de l’électricité et, si
de terres pour assurer la production de H2 vert sur son propre nécessaire, de la chaleur pour l’électrolyse. Avec une telle util-
territoire. Pour atteindre une réduction de 85 % des émissions, isation constante d’un électrolyseur, des rendements de conver-
il faudrait environ quatre à six fois plus de surfaces photovol- sion élevés sont également possibles. En outre, l’infrastructure
taïques et éoliennes qu’aujourd’hui. L’Allemagne devra compter nécessaire au transport – comme les pipelines – sera moins
sur les importations d’hydrogène vert. coûteuse à exploiter si les formes de production d’énergie so-
laire sont combinées entre elles dans des centrales hybrides.
Le H2 reste deux à quatre fois plus cher que l’option fossile.
Pour que l’hydrogène devienne un facteur important de la L’électricité solaire thermique ainsi que la chaleur produite par
transition énergétique et thermique, il faut que l’électricité les centrales solaires à concentration peuvent également jouer
renouvelable soit disponible pour sa production au coût le un rôle important dans le processus d’électrolyse lui-même.
plus bas possible. La technologie et la structure de conversion L’énergie solaire thermique est particulièrement adaptée à
doivent être aussi bon marché que possible. Sur le plan tech- l’électrolyse à haute température (HTEL), qui permet d’at-
Usine chimique avec des centrales solaires, photomontage (DLR)17
La contribution du CSP à la production d‘hydrogène
(PRÉSENTATION MODIFIÉE SELON HERBERT SMITH FREEHILLS)
teindre un rendement nettement supérieur en termes d’élec- La technologie CSP peut fournir de la chaleur à haute tempéra-
L‘HYDROGÈNE VERT – UNE LUEUR D‘ESPOIR
tricité utilisée à des températures de fonctionnement élevées, ture entre 200 °C et 800 °C, produite à bas prix dans les centrales
de 700 °C à 1000 °C. En effet, environ 20 % de l’énergie peut CSP. Le couplage réduit les coûts d’exploitation et augmente la
être utilisée sous forme de chaleur : En effet, environ 20 % de quantité d’hydrogène produite.
l’énergie peut être injectée dans le processus d’électrolyse sous
forme de chaleur à haute température. C’est un double avan- Lorsque l’hydrogène est transformé en produits tels que l’am-
tage de l’énergie solaire thermique qui pourrait encore devenir moniac et le méthanol (pour faciliter la logistique du stockage
très important. et du transport), l’utilisation de l’énergie solaire thermique à
concentration pour fournir la chaleur nécessaire au processus
Le HTEL n’en est qu’au début de son développement indus- peut également contribuer à réduire les coûts.
triel; à ce jour, seules quelques usines pilotes sont en service.
Toutefois, on s’attend à ce que les coûts d’investissement des Cependant, toutes les technologies vertes, qu’il s’agisse de la
installations HTEL soient nettement inférieurs à ceux des instal- production d’électricité ou de l’électrolyse, doivent rivaliser en
lations d’électrolyse alcaline (AEL) couramment utilisées aujo- termes de prix avec les coûts relativement bas des combustibles
urd’hui, qui présentent de toute façon certains inconvénients fossiles. Les coûts de transport et de logistique doivent être
technologiques. En fonctionnement à charge partielle, la pureté pris en compte. Le transport ne sera rentable que lorsque de
du gaz réalisable diminue et des problèmes de dégradation grandes quantités d’hydrogène seront achetées.
apparaissent. L’usure et les coûts de réparation en sont la
conséquence. En outre, l’AEL a jusqu’à présent nécessité un En raison de leur proximité géographique et de leurs coûts de
temps de démarrage à froid relativement long, d’environ 50 transport avantageux, les pays du Moyen-Orient constituent
minutes. Cela la rend relativement peu adaptée à une énergie une option importante pour la production d’hydrogène vert,
alimentée de manière irrégulière. tout comme les pays d’Europe du Sud, et plus particulièrement
l’Espagne et l’Italie.
Les coûts de production d’hydrogène peuvent être encore
réduits si la technologie HTEL est couplée à d’autres systèmes Le gouvernement allemand a annoncé son intention de deve-
tels que l’analyse PEM. La PEM (électrolyse à membrane nir un leader technologique international dans le domaine des
échangeuse de protons) est une technologie assez récente qui technologies de l’hydrogène. Les entreprises allemandes sont
convient particulièrement bien à l’électricité renouvelable fluc- déjà bien positionnées au niveau international dans ce secteur.
tuante comme l’énergie éolienne ou photovoltaïque. Toutefois, Grâce à sa contribution significative à la production d’électricité
son rendement est légèrement inférieur à celui des systèmes et de chaleur vertes sur les marchés internationaux, la technol-
éprouvés et ses électrodes nécessitent l’utilisation d’un métal ogie CSP apporte une contribution importante à la réalisation
rare, l’iridium. de cette ambition.Vous pouvez aussi lire
