Énergie solaire thermique

Un champ de capteurs solaires au Danemark, permettant de récupérer l'énergie thermique du rayonnement solaire.

L'énergie solaire thermique est une forme d'énergie solaire. Elle désigne l'utilisation de l'énergie thermique du rayonnement solaire dans le but d'échauffer un fluide (liquide ou gaz). L'énergie reçue par le fluide peut être ensuite utilisée directement (eau chaude sanitaire, chauffage, etc.) ou indirectement (production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir de l'énergie électrique, production de froid, etc.).

L'énergie solaire thermique provient de la chaleur transmise par le soleil par rayonnement et ne doit pas être confondue avec d'autres formes d'énergie solaire et notamment l'énergie solaire photovoltaïque qui utilise l'effet photoélectrique afin de transformer les photons émis par le soleil en électricité.

Le capteur solaire est l'instrument utilisé pour transformer le rayonnement solaire en chaleur. Les principes physiques fondamentaux sur lesquels se basent cette production d'énergie sont notamment l'absorption, et la conduction thermique. Dans le cas particulier des systèmes à concentration (centrale solaire thermodynamique, four solaire, , etc.), la réflexion joue aussi un rôle important.

Histoire

Tableau de Parigi (1600) illustrant la défense de Syracuse par Archimède.

La première utilisation non passive répertoriée de l'énergie solaire thermique par l'Homme remonte à 212 av. J.-C. quand Archimède concentra l'énergie du soleil afin d'enflammer les navires romains assiégeant Syracuse. Des scientifiques ont cependant ensuite mis en doute la faisabilité technique d'une telle méthode^[1]. Plus de 17 siècles plus tard, en 1561, Adam Lonitzer évoque un procédé utilisé par les alchimistes utilisant l'énergie du soleil concentrée dans le but d'élaborer des parfums^[1].

En 1615, la pompe solaire de Salomon de Caus utilise des lentilles pour chauffer un récipient rempli d'un mélange air-eau. Cette invention est considérée comme étant la première utilisation de l'énergie solaire depuis l'époque classique^[1].

Dans les années 1780, H. B. de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du Soleil, qu'il nomme « héliothermomètre », il utilise l’effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d’un absorbeur dans un caisson isolé ; il crée ainsi les premiers capteurs solaires thermiques à basse température.

En 1893, le physicien britannique James Dewar découvre l'effet thermos selon le principe d’un récipient à deux parois séparées par un vide d'air, assurant une isolation quasi parfaite. Le principe de la bouteille isotherme permet par la suite le développement des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide.

Dans les années 1910, les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent en Californie. Après une période essentiellement consacrée au développement de l'énergie hydraulique, les essais de développement industriel de centrales solaires thermiques ont été couronnés d'un succès technique, mais non économique, car arrivant au moment où le prix du pétrole diminuait à nouveau^[2].

Néanmoins, depuis les années 1970 et 1980, son développement prend du retard alors que le développement de l'énergie solaire photovoltaïque est favorisé. Dès lors, seules de petites unités de solaire thermique (chauffe-eau individuel ou de petites collectivités, piscines, etc.) sont fonctionnelles, au détriment du solaire thermique lourd destiné à produire de l'électricité.

Depuis peu, le manque de solutions satisfaisantes à la gestion des déchets nucléaires et aux risques liés à cette source d'énergie, ainsi que la perspective du pic pétrolier et la nécessité de diminuer les émissions de gaz à effet de serre ont rendu le solaire thermique plus attractif. Et des projets industriels de type classique, sont en cours de développement au Moyen-Orient, en Australie et dernièrement au Maroc.

Intérêt du solaire thermique

• Chauffage : Les capteurs destinés au chauffage sont relativement simples, rustiques et durables.

• Électricité :

• • Les systèmes de turbine à vapeur classiquement utilisés reposent sur des composants parfaitement sûrs et éprouvés.
  • Dans les zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermique est au Maroc amortie au niveau énergétique en 5 mois^[3] (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage, ce qui est comparable à l'éolien (4 à 7 mois), mais bien plus rapide que les modules photovoltaïques en silicium (qui nécessitent actuellement encore 3 à 5 ans pour rembourser leur dette énergétique, mais qui nécessiteront moins de frais et de travail pour leur entretien et fonctionnement).
  • Fort potentiel de développement dans plusieurs pays en développement, avec impact a priori modéré sur l'environnement (déserts, zones arides). Selon le DLR, une capacité de plus de 3 GW est réaliste en Europe, et de 15 GW pour toute la planète^[4].

• Purification de l'eau : Le distillateur solaire peut fournir de l'eau potable en suffisance dans les zones tropicales et subtropicales.

Capteurs à air circulant, intégrés en murs et toitures

Quand il est intégré à la paroi (façade ou toiture) un tel capteur peut assumer différentes fonctions architecturales (paroi, décor, source d'ombre, mur anti-bruit, etc.), fournir de la chaleur et récupérer une partie des déperditions de chaleur du bâtiment lui-même.

De tels systèmes sont actuellement utilisés individuellement, mais présentent des potentialités d'intégration dans les écoquartiers, comme mur antibruit, dans la rénovation énergétique ou dans le neuf au travers et dans les approches de type smart grid, réseaux énergétiques collaboratifs tels que proposés par la TRI (troisième révolution industrielle notamment promue par Jeremy Rifkin).

En été, la nuit les panneaux peuvent collecter de l’air plus frais et le jour, selon les fabricants^[5], la structure joue le rôle d’un « surisolant » limitant l’échauffement ; et 5m² de SolarWall économiserait une tonne de rejet de CO2/an en moyenne. jeudi 6 février 2014 ArcelorMittal a annoncé qu’il produira en France (à Haironville, en Moselle) les capteurs (plats ou incurvés) en acier des murs et toitures solaires du système de chauffage d’air « SolarWall » qui est une « peau additionnelle » à poser sur les bâtiments (orientation Sud Est - Sud - Sud-Ouest) pour économiser 20 à 50% des besoins classiques en énergie. La mise sur le marché européen de ce produit et concept développé par le groupe canadien « Conserval Engineering »est prévue dès 2014. Les capteurs conçus sur mesure sont adaptés à chaque projet de chauffage individuel ou collectif, ou d’installations de séchage industriel et agricole et doivent être installés par des bardeurs/couvreurs ou étancheurs. Leur durée de vie prévue est de 30 ans sans maintenance. Ils sont reconnus par le système d’écocertification LEED®^[6] (procurant jusqu’à 10 « points LEED »^[6]).

Chauffe-eau et chauffage solaire

chauffe-eau solaire

À l'échelle d'une habitation individuelle ou collective, il est possible d'installer un chauffe-eau solaire, ou un chauffage solaire : il s'agit de capteurs vitrés installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur à un réservoir d'eau ou dans le dispositif appelé "plancher solaire direct", à une dalle de sol.

Ce procédé permet de couvrir environ 50 % des besoins annuels en eau chaude (en France), et d'apporter éventuellement un complément de chauffage. La RT 2012, réglementation thermique 2012, a fait évoluer l'utilisation des énergies renouvelables pour la construction neuve. Toute maison individuelle doit désormais utiliser une EnR. À ce titre un nouveau CESI (Chauffe-Eau Solaire Individuel) a été développé, c'est le CESI optimisé. Ce CESI de dimensions réduites (capteur de 2 m² et ballon de 150 litres) et à coût réduit^[7].

Dans le logement collectif, l'utilisation du solaire trouve également toute son utilité pour produire prioritairement l'eau chaude sanitaire^[8].

Il existe aussi des centrale de chauffage solaire, fonctionnant sur le même principe que le chauffage solaire individuel, mais à plus grande échelle. L'eau chaude produite est ensuite distribuée via des réseaux de chaleurs.

Rafraîchissement solaire

Il existe des types de machines frigorifiques qui utilisent, paradoxalement, une source de chaleur : le réfrigérateur à absorption de gaz par exemple, assez commun pour les camping-car et caravanes. Cette chaleur peut être fournie par le soleil, avec des capteurs comparables à ceux des autres applications. La dépendance au soleil n'est pas gênante lorsqu'il s'agit justement d'assurer l'évacuation d'un excès de chaleur solaire, et pour d'autres applications il reste possible d'assurer le fonctionnement à l'aide d'un système d'appoint par combustion.

Cuisinières et sécheurs solaires

Cuiseur solaire

Les cuiseurs solaires sont très répandus en Chine et en Inde. Outre le cuiseur-boîte et le cuiseur à panneaux, des cuiseurs paraboliques ont été développés.

Une plaque de carton recouverte d'une feuille d'aluminium et découpée de façon à former une coquille permet déjà d'obtenir l'échauffement d'une marmite (de préférence noire) placée dans un sac en plastique transparent limitant les pertes en chaleur et en vapeur d'eau. Grâce à des systèmes de ce genre, de nombreux aliments peuvent être cuits, mijotés ou chauffés et de l'eau peut être bouillie. La pièce la plus fragile est le sac en plastique.

Des cuiseurs-boîtes avec un couvercle vitré ou un plastique rigide sont assez faciles à fabriquer avec des matériaux locaux (coquilles vides et sèches pour l'isolation thermique, etc.). Il existe de nombreux modèles de fours solaires^[9] pour la cuisson des aliments, ces derniers atteignent des températures de 100 à 220 °C en général.

Centrales solaires thermodynamiques

Projet de recherche à Font-Romeu-Odeillo, France. Un moteur Stirling est placé au foyer de la parabole

Des systèmes de production d'énergie permettent de concentrer l'énergie solaire en un point précis qui peut alors atteindre une température considérable. Une production électrique est alors possible via, entre autres, des turbines à vapeur ou d'autres moteurs thermiques.

Des collecteurs paraboliques chauffant un fluide caloporteur circulant dans des tuyaux placés au niveau de leur foyer géométrique ont aussi été développés.

La solution la plus réaliste économiquement à l'heure actuelle, pour la production d'électricité solaire à l'échelle industrielle, consiste à chauffer un fluide caloporteur (eau, sels fondus, huiles synthétiques, ou directement vapeur) en y concentrant le rayonnement solaire.
L'irrégularité propre de l'énergie solaire peut être contournée, soit en stockant de la chaleur (avec un réservoir de fluide chaud) soit en hybridant les concentrateurs solaires avec une centrale thermique classique (la chaudière et la chaleur solaire nourrissant la même turbine à vapeur).

• La centrale de Mojave en Californie vers 1980, avait fait figure de projet pionnier. Quelque peu oubliée depuis, cette filière revient d'actualité (les inquiétudes sur le réchauffement climatique et sur les réserves d'hydrocarbures aidant), avec de nombreux projets pilotes dans une dizaine de pays.
• La centrale thermo-solaire Nevada Solar One est en construction depuis le 11 février 2006 à Boulder City. En 2009 elle est raccordée au réseau et développera à terme une puissance de 64 mégawatts (troisième puissance au monde^[10]. Selon ses concepteurs, elle permettra d'éliminer une pollution équivalente à celle d'un million de voitures en circulation sur le territoire des États-Unis.
• La Pacific Gas and Electric a annoncé en novembre 2007 une centrale solaire à San Luis Obispo, qui produira 177 MW d'électricité pour 120 000 foyers^[11].
• La centrale solaire Thémis, expérimentale a également en France produit de l'électricité dans les années 1980 avant sa mise en sommeil faute de rentabilité face à la chute du prix du pétrole et à une électricité nucléaire moins chère. Elle est en cours de reconversion.
• La centrale d'Almeria en Espagne n'a pas eu de suite majeure pour les mêmes raisons.

Le 31 mars 2007, à 25 km de Séville a été officiellement inaugurée une centrale solaire nommée PS10 d'une puissance de 11 MW électrique, dont la production prévue est d'environ 23 GWh par an (soit la production à pleine puissance de 2000 h/an)^[12]. D'autres centrales similaires sont prévues^[13].

En 2011, Alba Nova 1, située en Corse, est la première centrale solaire thermodynamique française d'envergure à avoir obtenu un permis de construire depuis plus de 30 ans^[14].

La tour solaire de 1 000 m de hauteur, est l'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie alternative. Ce serait une usine d'énergie renouvelable qui fournirait la même puissance qu'un petit réacteur nucléaire tout en étant plus sûre et plus propre.

Un moteur Stirling relié à une génératrice peut aussi bien utiliser un système de concentrateurs paraboliques ou des capteurs plats à fluide caloporteur, selon son gradient thermique de fonctionnement.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• (en) Duffie, John A. et Beckman, William A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons, Inc.,‎ 1991, 2^e éd., 919 p. (ISBN 0471510564 et 9780471510567)
• (en) Cleveland, Cutler J., Encyclopedia of Energy, Elsevier,‎ mars 2004, 775 p. (ISBN 978-0-12-176480-7)

Articles connexes

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