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Solaire thermodynamique à concentration (CSP)


La filière solaire thermodynamique fait référence aux technologies permettant de produire de l’électricité en concentrant le rayonnement solaire grâce à des miroirs ou des réflecteurs : on parle alors de solaire thermodynamique à concentration (en anglais Concentrated Solar Power ou CSP). Tout comme pour le solaire photovoltaïque à concentration, le rayonnement diffus ne pouvant être focalisé, seul le rayonnement direct du soleil (qui représente entre 50 % et 90 % de la totalité du rayonnement solaire au sol, selon la nébulosité) va être concentré ; mais contrairement au solaire photovoltaïque dans le cas du solaire thermodynamique, la concentration du rayon lumineux va permettre de chauffer un fluide caloporteur qui va être utilisé, comme dans une centrale thermique classique, pour produire de l’électricité. Par conséquent, le solaire thermodynamique nécessite un ensoleillement direct élevé : les sites doivent se trouver dans les régions soumises à une radiation directe d’environ 1 800 kWh/m²/an. Les marchés concernés sont similaires à ceux du solaire photovoltaïque à concentration, à savoir la ceinture solaire (mentionnée plus haut).



Les marchés du solaire thermodynamique à concentration


Le solaire thermodynamique présente des avantages par rapport au photovoltaïque :
  • une production plus régulière tout au long de la journée, contrairement aux panneaux photovoltaïques dont la production peut chuter brutalement au moindre nuage ;
  • un couplage avec des systèmes de stockage de l’énergie à grande échelle, qui permettent d’utiliser cette technologie en semi-base ;
  • une cogénération électricité/chaleur, cette dernière ouvrant la voie à d’autres applications : froid, dessalement.
La capacité installée de CSP (environ 1 GW) est concentrée en Espagne et aux États- Unis, mais le marché se développe dans le reste de la ceinture solaire. Cette technologie pourrait être idéale pour l’Afrique du Nord. Des centrales à concentration sont en cours de construction en Italie, au Maroc et en Algérie pour une capacité totale d’environ 625 MW.

Cependant, compte tenu de la compétition en termes de coûts avec le photovoltaïque, la situation du CSP peut devenir difficile dès lors que seule l’énergie électrique est valorisée. Cette technologie n’en est qu’à ses débuts et les estimations sur son potentiel futur divergent selon les scénarios. Elles s’accordent toutefois sur le fait que cette filière devrait connaître une très forte croissance dans la décennie à venir : selon l’AIE, par exemple, à l’horizon 2020, la capacité mondiale installée sera de 148 GW.

Il existe trois typologies de marché :
  • les grosses centrales situées dans la ceinture solaire et susceptibles d’alimenter en électricité « le reste du monde » ;
  • les centrales de taille plus modeste pour alimenter des zones rurales dans les pays en développement : l’essentiel de la demande concerne les populations des pays émergents qui n’ont pas aujourd’hui accès à l’électricité, soit 1,6 milliard de personnes, dont 800 millions dans des sites isolés, principalement en Afrique et en Asie. Le site isolé typique est un village d’environ 500 à 1 000 habitants avec une centaine d’habitations. Le besoin est alors de quelques centaines de kWh/jour au plus, pour servir des besoins en éclairage ou télécommunications et des activités artisanales ou agricoles, avec une consommation répartie sur la journée, d’où la nécessité d’un stockage de l’énergie. Le nombre de sites isolés dans le monde est estimé entre 500 000 et un million, soit un marché potentiel d’au moins 100 milliards d’euros pour des installations de 100 kWh/jour, ou quelques dizaines de GW électriques répartis (soit quelques pourcents du marché pris en compte par l’AIE) ;
  • les centrales hybrides combustibles fossiles (charbon, gaz)/CSP qui constituent une solution intéressante à court terme pour réduire les émissions de CO2 provenant des centrales thermiques classiques.
L’ensemble des technologies de CSP, qui peut couvrir une gamme allant de 500 KWe à 500 MWe, est choisi en fonction du mode de valorisation de l’énergie solaire collectée et de l’électricité produite. On en distingue trois principaux :
  • la production d’électricité avec garantie de fourniture, qui nécessite alors stockage et hybridation pour effacer les variations de la ressource solaire et répondre aux besoins en hiver. Cette garantie de capacité permet, suivant la taille du stockage et le rapport entre la taille du champ solaire et la puissance de la turbine, d’étaler, de déplacer, voire de concentrer la production électrique dans le temps. On peut alors ou bien produire aux heures de forte consommation ou bien lisser la production aux heures de moindre demande ;
  • la production décentralisée d’électricité dans des zones ne disposant pas de réseau de distribution structuré, mais qui pourraient bénéficier des technologies nouvelles, de gestion intelligente, de micro-réseau de distribution d’électricité ;
  • l’intégration au sein d’unités industrielles de production qui utilisent l’énergie électrique ou la chaleur pour leurs besoins propres (par exemple, dessalement d’eau de mer, traitement de l’eau, etc.) ou la chaleur.


Verrous et objectifs technologiques


Les progrès technologiques attendus concernent principalement la mise au point de systèmes optiques et de solutions de stockage à bas coût ainsi que de fluides caloporteurs plus performants (pour améliorer les rendements). La technologie bénéficiera également d’améliorations technologiques incrémentales visant à réduire les coûts de maintenance (entretien des miroirs nécessaire pour ne pas perdre des points de rendement) et les coûts des divers composants (supports, systèmes de suivi de la course du soleil ou trackers, miroirs, turbines, etc.).

Comme toutes les technologies destinées à récupérer une énergie solaire certes abondante mais peu dense, les fermes solaires CSP présentent une grande emprise au sol. Ainsi, la centrale Andasol en Andalousie occupe une superficie de 510 000 m2 pour une puissance de 50 MW et une production de 180 GWh/an.

Les objectifs technologiques sont les suivants :
  • l’objectif à horizon 2020 est un coût de production de 10 centimes d’euros/kWh ; actuellement, il est estimé à environ 17 centimes d’euros/kWh pour des centrales de grande capacité (autour de 100 MW) et 30 centimes sur les petites centrales. L’objectif à terme est d’atteindre un coût de production de 7 centimes d’euros/kWh pour les grandes centrales et 15 centimes d’euros/kWh pour les petites ;
  • le challenge est celui du stockage thermique, qui permet un fonctionnement en semi-base du solaire thermodynamique à concentration ;
  • pour rendre cette technologie économiquement compétitive il faut également rentabiliser la chaleur produite (séchage, eau chaude sanitaire, réseaux de chaleur ou de froid, etc.).
Les évolutions suivantes pourraient permettre de réduire le coût à 7 centimes d’euros/kWh :
  • les coûts du CSP sont répartis sur l’ensemble des composants ; c’est donc en premier lieu l’industrialisation qui réduira les coûts par les effets d’échelle ;
  • des progrès progressifs sur les miroirs (minces mais plus fragiles) ;
  • le développement de nouveaux fluides caloporteurs ou la génération directe de vapeur pour améliorer le rendement ;
  • le développement de turbine à vapeur (100 bar) de basse puissance ;
  • la mise au point de solutions de stockage thermique performantes (coût et rendement) : c’est le principal verrou.
Il existe des possibilités de couplage avec d’autres applications que la production d’électricité, notamment la production de froid (qui présente un intérêt notable dans les pays de la ceinture solaire) et le dessalement d’eau de mer (cible : 1 euro/m3).

Filière industrielle


Le potentiel de marché en France métropolitaine est maigre faute d’ensoleillement suffisant. Toutefois, le CSP met en oeuvre des technologies (réflecteurs, fluides thermodynamiques, stockage thermique, machines thermodynamiques, contrôlecommande, optiques et traitements de surface, etc.) qui sont toutes maîtrisées en France au sein de nombreux groupes industriels, avec une capacité d’exportation reconnue. Les acteurs français disposent ainsi des atouts nécessaires pour se positionner sur les marchés étrangers, en pleine croissance. En plus des technologies Fresnel déjà disponibles sur le territoire national, la France compte des fabricants de turbines, d’alternateurs, de miroirs, de trackers, de structures métalliques, de récepteurs, et aussi des groupes d’ingénierie, électriciens, chaudronniers, chaudiéristes, etc. Des programmes de recherche ont été lancés pour soutenir le développement de centrales à concentration solaire. Il existe des centres de recherche déjà mobilisés comme celui de l’INES ou du CNRS.

À l’international, de nombreux grands industriels internationaux tels Siemens, AREVA, Alstom, ABB et General Electric ont investi, pour certains très largement, dans des spécialistes du solaire thermodynamique.

Les principaux acteurs du CSP
Les principaux acteurs du CSP
Hypothèses :
Source : DGEC (2011), Rapport sur l’industrie des énergies décarbonées en 2010, Édition 2011