CSP

CSP : Centrale solaire thermique à concentration

Une centrale solaire thermodynamique à concentration (ou centrale solaire thermique à concentration ou encore heliothermodynamique, en anglais CSP pour Concentrating Solar Power Plant) est une centrale qui concentre les rayons du Soleil à l’aide de miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur qui permet de produire de l’électricité.

Ce type de centrale permet, en stockant ce fluide dans un réservoir, de prolonger le fonctionnement de la centrale plusieurs heures au-delà du coucher du Soleil.

Technologies

Le fonctionnement des centrales solaires thermiques reposent sur la technique suivante :

1/ Des miroirs captent le rayonnement solaire en un point de façon à générer des températures très élevées (de 400 à 1 000 °C).
2/ La chaleur obtenue transforme de l’eau en vapeur d’eau dans une chaudière.
3/ La vapeur sous pression fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur.
4/ L’alternateur produit un courant électrique alternatif.

Il existe 3 types de centrales solaires, en fonction de la méthode de focalisation des rayons solaires :

– La centrale solaire à tour : des milliers de miroirs plats suivent le soleil et en dirigent les rayons sur une chaudière en haut d’une tour.
– Le collecteur cylindro-parabolique : des rangées parallèles de miroirs paraboliques dirigent les rayons du soleil sur des tubes caloporteurs à huile.
– Le collecteur Fresnel linéaire : il est similaire au collecteur parabolique, mais il utilise des miroirs plats qui réfléchissent la chaleur du soleil sur des tubes caloporteurs.

La centrale solaire à tour

Plusieurs centaines ou milliers de miroirs sont positionnés autour d’une tour.
On appelle ces miroirs « héliostats » (en grec : qui fixe le soleil).
Situés au sol, ces héliostats sont orientables. Les rayons du soleil sont ainsi en permanence réfléchis en direction d’un point unique au sommet de la tour. Le rayonnement solaire est directement concentré sur un absorbeur qui transforme le rayonnement en chaleur à haute température.
Généralement, un fluide caloporteur (des sels fondus) circule au sommet de la tour. Chauffé par les rayons, celui-ci transfère son énergie à un circuit d’eau. La vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l’électricité.
On caractérise la performance du système par le chiffre de sa « concentration » qui est le rapport de la surface de collecte sur la surface du capteur.

Centrale cylindro-parabolique

Elle est composé d’un réflecteur parabolique (miroir), d’une structure métallique, d’un tube récepteur et du système de poursuite solaire.
Le rôle du mécanisme de poursuite est d’adapter l’inclinaison du capteur de manière à ce que la radiation solaire incidente soit toujours perpendiculaire au réflecteur.

L’énergie thermique reçue au collecteur est absorbée par un tuyau métallique à l’intérieur d’un tube en verre sous vide. Le fluide (huile synthétique par exemple) qui circule à l’intérieur du tuyau (tube), est chauffé à une température supérieure à 400°C. Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs conventionnels afin de produire de la vapeur d’eau à hautes températures et pressions. La vapeur produite est ensuite intégrée dans un cycle thermodynamique générant de l’énergie électrique au moyen d’un (ou de plusieurs) alternateur couplé à une (ou à plusieurs) turbine à vapeur.
Pendant les périodes de mauvais temps ou pendant la nuit, un brûleur de combustibles fossiles parallèle peut produire de la vapeur; ce brûleur parallèle peut également être alimenté par les combustibles comme la biomasse ou de l’hydrogène produit par les énergies renouvelables. Avec le stockage thermique, la centrale peut également produire de l’électricité, même si il n’y a pas d’énergie solaire disponible.

Schéma d’une centrale cylindro-parabolique avec stockage thermique
 

Centrale à collecteur de Fresnel linéaire

Les réflecteurs, qui réfléchissent et concentrent les rayons du soleil, sont complètement plats et positionnés de façon linéaire. Ils forment de longues rangées de miroirs mobiles. Les miroirs, assemblés parallèlement, concentrent l’énergie de la radiation solaire vers un système absorbeur situé environ 8 mètres plus haut. L’eau qui circule dans le tube central du système absorbeur est chauffée et se transforme en vapeur atteignant des températures jusqu’à 450°C. Cette vapeur est ensuite convertie en énergie électrique dans une turbine à vapeur.
En complément de la production d’énergie solaire, la zone située en-dessous des miroirs peut être utilisée de plusieurs façons. Dans les environnements désertiques, cette zone d’ombre où l’irradiation solaire est diminuée de 80%, peut être utilisée pour du stockage, du parking, des bâtiments de bureau (avec des coûts réduits de climatisation), voire des serres agricoles.

Conclusion

La plupart des centrales thermodynamiques en activité sont en Espagne et aux États-Unis. Ces deux pays sont encore les seuls à commercialiser l’électricité produite par cette technologie.
En France Thémis est un centre de recherche & développement consacré à l’énergie solaire ainsi qu’une centrale solaire thermodynamique produisant de l’électricité pour le réseau Électricité de France (EDF). Elle est située en Cerdagne à Targassonne dans les Pyrénées-Orientales.

Ce type de centrale nécessite un ensoleillement élevé, au moins 1 900 kWh/m² par an.
Selon l’Agence Internationale de l’Energie (International Energy Agency, IEA), l’énergie solaire, qui comprend l’énergie solaire thermodynamique à concentration (CSP) et l’énergie photovoltaïque, pourrait représenter 25 % de l’électricité mondiale en 2050 et répondre à un tiers des besoins mondiaux d’électricité d’ici 2060.

Vidéo CSP

Centrale CSP Tour
 

Turbine
 

Turbo-alternateurs