Solaire thermique : Exploiter la chaleur du soleil avec des systèmes de collecte et de stockage

La technologie solaire thermique offre une voie puissante et polyvalente pour exploiter l'énergie du soleil. Contrairement aux systèmes photovoltaïques (PV) qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité, les systèmes solaires thermiques captent la chaleur du soleil pour produire de l'eau chaude, de l'air chaud ou de la vapeur. Cette énergie thermique peut ensuite être utilisée directement pour le chauffage et le refroidissement, ou pour produire de l'électricité via des turbines à vapeur. De plus, un avantage clé du solaire thermique est sa capacité à s'intégrer aux systèmes de stockage d'énergie thermique (SET), permettant de stocker l'énergie et de l'utiliser lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible, relevant ainsi les défis d'intermittence rencontrés par d'autres sources d'énergie renouvelables.

Comprendre la collecte solaire thermique

Le cœur de tout système solaire thermique est le capteur, qui est responsable de l'absorption du rayonnement solaire et de sa conversion en chaleur utilisable. Différents types de capteurs existent, chacun adapté à des applications spécifiques et à des plages de température.

Types de capteurs solaires thermiques

• Capteurs plans : Ce sont les types de capteurs solaires thermiques les plus courants, généralement utilisés pour l'eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux. Ils se composent d'une plaque absorbante de couleur foncée, souvent munie de tubes ou de canaux, recouverte d'un vitrage transparent. La plaque absorbante absorbe le rayonnement solaire, transférant la chaleur à un fluide (eau ou solution antigel) circulant dans les tubes. Les capteurs plans ont une conception relativement simple, sont rentables et conviennent aux applications à basse température (jusqu'à 80°C).
• Capteurs à tubes sous vide : Ces capteurs offrent une efficacité supérieure à celle des capteurs plans, en particulier dans les climats froids et à des températures plus élevées. Ils sont constitués de tubes de verre individuels contenant un vide. Le vide minimise les pertes de chaleur par convection et conduction, permettant des températures de fonctionnement plus élevées. Les capteurs à tubes sous vide sont souvent utilisés pour l'eau chaude sanitaire, le chauffage des locaux et les applications de chaleur de procédé industrielle.
• Capteurs solaires à concentration (CSP) : Ces capteurs utilisent des miroirs ou des lentilles pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur plus petit, concentrant ainsi l'énergie solaire et atteignant des températures beaucoup plus élevées. Les technologies CSP sont généralement utilisées pour la production d'électricité et la chaleur de procédé industrielle. Exemples de technologies CSP :
  • Capteurs cylindro-paraboliques : Ces capteurs utilisent des miroirs incurvés pour concentrer la lumière du soleil sur un tube récepteur situé le long de la ligne focale du réflecteur. Un fluide caloporteur (HTF), tel que de l'huile ou du sel fondu, circule dans le tube récepteur, absorbant l'énergie solaire concentrée. Les systèmes cylindro-paraboliques sont largement utilisés pour la production d'électricité.
  • Tours solaires : Ces systèmes utilisent un champ de miroirs (héliostats) pour réfléchir la lumière du soleil sur un récepteur central situé au sommet d'une tour. L'énergie solaire concentrée chauffe un fluide de travail (eau, sel fondu ou air) dans le récepteur, qui est ensuite utilisé pour produire de l'électricité.
  • Systèmes parabole/moteur : Ces systèmes utilisent des réflecteurs paraboliques pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur, qui est directement couplé à un moteur thermique (par exemple, un moteur Stirling). Le moteur thermique convertit l'énergie thermique en énergie mécanique, qui est ensuite utilisée pour produire de l'électricité.

Facteurs affectant la performance des capteurs

Plusieurs facteurs influencent la performance des capteurs solaires thermiques, notamment :

• Irradiance solaire : La quantité de rayonnement solaire frappant la surface du capteur affecte directement la quantité de chaleur absorbée.
• Température ambiante : Des températures ambiantes plus élevées peuvent réduire l'efficacité du capteur, car la différence de température entre le capteur et l'environnement diminue.
• Orientation et inclinaison du capteur : L'angle et l'orientation du capteur par rapport à la position du soleil ont un impact significatif sur la quantité de rayonnement solaire interceptée. L'orientation et les angles d'inclinaison optimaux varient en fonction de la latitude et de la période de l'année.
• Rendement du capteur : Le rendement du capteur détermine la part du rayonnement solaire incident qui est convertie en chaleur utilisable.
• Conditions météorologiques : Des conditions nuageuses ou couvertes réduisent l'irradiance solaire et ont un impact négatif sur les performances du capteur.

Systèmes de stockage d'énergie thermique (SET)

Le stockage d'énergie thermique (SET) est un composant crucial de nombreux systèmes solaires thermiques, permettant le stockage de la chaleur pour une utilisation ultérieure. Cela permet d'utiliser l'énergie solaire même lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible, comme pendant la nuit ou les jours nuageux. Le SET peut améliorer considérablement la fiabilité et la dispatchabilité de l'énergie solaire thermique, en faisant une alternative plus viable aux combustibles fossiles.

Types de stockage d'énergie thermique

• Stockage de chaleur sensible : C'est le type de SET le plus courant, qui consiste à stocker l'énergie thermique en augmentant la température d'un milieu de stockage, tel que l'eau, l'huile, la roche ou le béton. La quantité d'énergie stockée dépend de la capacité thermique spécifique du matériau de stockage, de sa masse et du changement de température. Le stockage de chaleur sensible est relativement simple et rentable, mais il peut nécessiter de grands volumes de stockage.
• Stockage de chaleur latente : Ce type de SET utilise la chaleur absorbée ou libérée lors d'un changement de phase d'un matériau, comme la fusion ou la congélation. Les matériaux à changement de phase (MCP) peuvent stocker beaucoup plus d'énergie par unité de volume que les matériaux de stockage de chaleur sensible. Les MCP courants comprennent les paraffines, les hydrates de sel et les composés organiques. Le stockage de chaleur latente offre une densité énergétique plus élevée que le stockage de chaleur sensible, mais les MCP peuvent être plus chers et nécessitent une conception soignée pour assurer un transfert de chaleur efficace.
• Stockage thermochimique : Ce type de SET consiste à stocker l'énergie par le biais de réactions chimiques réversibles. Lorsque la chaleur est appliquée, la réaction chimique absorbe de l'énergie, et lorsque la réaction est inversée, de l'énergie est libérée. Le stockage thermochimique offre le potentiel de densités énergétiques très élevées et d'un stockage à long terme, mais il s'agit d'une technologie plus complexe qui est encore en cours de développement.

Facteurs affectant la performance du SET

Plusieurs facteurs influencent la performance des systèmes de stockage d'énergie thermique, notamment :

• Capacité de stockage : La quantité d'énergie thermique que le système de stockage peut contenir.
• Rendement du stockage : Le pourcentage d'énergie stockée qui peut être récupéré.
• Vitesses de charge et de décharge : La vitesse à laquelle l'énergie peut être stockée et libérée.
• Durée de stockage : La durée pendant laquelle l'énergie peut être stockée sans pertes significatives.
• Propriétés du matériau de stockage : La conductivité thermique, la capacité thermique spécifique et d'autres propriétés du matériau de stockage.

Applications de la technologie solaire thermique

La technologie solaire thermique a un large éventail d'applications, couvrant les secteurs résidentiel, commercial, industriel et à l'échelle des services publics.

Applications résidentielles et commerciales

• Chauffe-eau solaire : C'est l'application la plus courante de la technologie solaire thermique, utilisée pour chauffer l'eau chaude sanitaire pour les maisons et les entreprises. Les systèmes de chauffe-eau solaires peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie et diminuer les factures de services publics. On peut citer comme exemples les chauffe-eau solaires largement utilisés dans des pays comme Israël et Chypre.
• Chauffage solaire des locaux : Les systèmes solaires thermiques peuvent également être utilisés pour chauffer directement les bâtiments, en utilisant des capteurs solaires à air ou en faisant circuler de l'eau chaude dans des radiateurs ou des systèmes de chauffage par le sol.
• Refroidissement solaire : L'énergie solaire thermique peut être utilisée pour alimenter des refroidisseurs à absorption ou des systèmes de refroidissement par déshydratation, fournissant ainsi la climatisation des bâtiments. Ceci est particulièrement intéressant dans les climats chauds où le rayonnement solaire est abondant. On peut citer comme exemples les systèmes de refroidissement à énergie solaire dans certaines universités du Moyen-Orient.
• Chauffage solaire de piscine : Les capteurs solaires peuvent être utilisés pour chauffer les piscines, prolongeant la saison de baignade et réduisant les coûts énergétiques.

Applications industrielles

• Chaleur de procédé solaire : Les systèmes solaires thermiques peuvent fournir de la chaleur de procédé pour diverses applications industrielles, telles que la transformation des aliments, la fabrication de textiles et la production chimique. Cela peut réduire la dépendance aux combustibles fossiles et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. L'énergie solaire à concentration (CSP) est de plus en plus utilisée pour générer de la chaleur de procédé à haute température pour les industries.
• Dessalement solaire : L'énergie solaire thermique peut être utilisée pour alimenter des usines de dessalement, fournissant de l'eau douce dans les régions arides et à faibles ressources en eau. On peut citer comme exemples les projets de dessalement solaire en Australie et au Moyen-Orient.

Applications à l'échelle des services publics

• Centrales solaires à concentration (CSP) : Les centrales CSP utilisent de grands réseaux de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur, générant une chaleur à haute température qui est utilisée pour produire de l'électricité via des turbines à vapeur. Les centrales CSP peuvent intégrer le stockage d'énergie thermique (SET) pour fournir de l'électricité même lorsque le soleil ne brille pas. On peut citer comme exemples la centrale solaire Noor Ouarzazate au Maroc et le système de production d'électricité solaire d'Ivanpah en Californie, États-Unis.
• Chauffage urbain assisté par le soleil : Les systèmes solaires thermiques peuvent être intégrés aux réseaux de chauffage urbain, fournissant de l'eau chaude pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire à plusieurs bâtiments d'une communauté. On peut citer comme exemples les systèmes de chauffage urbain au Danemark et en Allemagne qui intègrent l'énergie solaire thermique.

Avantages de la technologie solaire thermique

La technologie solaire thermique offre de nombreux avantages, ce qui en fait une solution convaincante pour un avenir énergétique durable :

• Renouvelable et durable : L'énergie solaire thermique est une source d'énergie renouvelable et durable, réduisant la dépendance aux combustibles fossiles et atténuant le changement climatique.
• Efficacité énergétique : Les systèmes solaires thermiques peuvent être très économes en énergie, convertissant une part importante du rayonnement solaire en chaleur utilisable.
• Réduction des émissions de carbone : La technologie solaire thermique réduit considérablement les émissions de carbone par rapport aux systèmes énergétiques basés sur les combustibles fossiles.
• Sécurité énergétique : Les systèmes solaires thermiques peuvent renforcer la sécurité énergétique en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles importés.
• Création d'emplois : L'industrie solaire thermique crée des emplois dans la fabrication, l'installation, la maintenance, ainsi que la recherche et le développement.
• Stabilité du réseau : Les centrales solaires thermiques avec stockage d'énergie thermique (SET) peuvent fournir une énergie dispatchable, contribuant à la stabilité et à la fiabilité du réseau.
• Rentabilité : Le coût de la technologie solaire thermique a considérablement diminué ces dernières années, la rendant de plus en plus compétitive par rapport aux sources d'énergie basées sur les combustibles fossiles.

Défis de la technologie solaire thermique

Malgré ses nombreux avantages, la technologie solaire thermique fait également face à certains défis :

• Intermittence : L'énergie solaire est intermittente, ce qui signifie que sa disponibilité varie en fonction des conditions météorologiques et de l'heure de la journée. Le stockage d'énergie thermique (SET) peut aider à atténuer ce défi, mais il augmente le coût et la complexité du système.
• Utilisation des terres : Les centrales solaires à concentration (CSP) nécessitent de grandes surfaces de terrain, ce qui peut être une préoccupation dans certains endroits.
• Consommation d'eau : Certaines centrales CSP utilisent de l'eau pour le refroidissement, ce qui peut être un problème dans les régions arides. Les technologies de refroidissement à sec peuvent réduire la consommation d'eau mais peuvent aussi augmenter les coûts.
• Coûts initiaux élevés : Le coût d'investissement initial des systèmes solaires thermiques peut être plus élevé que celui des systèmes énergétiques conventionnels, bien que ce coût diminue rapidement.
• Maintenance : Les systèmes solaires thermiques nécessitent un entretien régulier pour garantir des performances optimales.

L'avenir de la technologie solaire thermique

L'avenir de la technologie solaire thermique est prometteur, avec des efforts continus de recherche et de développement axés sur l'amélioration de l'efficacité, la réduction des coûts et l'élargissement des applications. Les principaux domaines d'innovation comprennent :

• Conceptions de capteurs avancées : Développer des capteurs solaires plus efficaces et plus rentables.
• Stockage d'énergie thermique amélioré : Développer des matériaux et des systèmes SET avancés avec des densités énergétiques plus élevées et des durées de stockage plus longues.
• Avancées de l'énergie solaire à concentration (CSP) : Améliorer l'efficacité et réduire le coût des centrales CSP.
• Intégration avec d'autres sources d'énergie renouvelables : Combiner l'énergie solaire thermique avec d'autres sources d'énergie renouvelables, telles que l'éolien et la géothermie, pour créer des systèmes énergétiques hybrides.
• Intégration au réseau intelligent : Intégrer l'énergie solaire thermique dans les réseaux intelligents pour optimiser la distribution et la gestion de l'énergie.
• Nouvelles applications : Explorer de nouvelles applications de la technologie solaire thermique, telles que la production de combustibles solaires et les processus industriels alimentés par le soleil.

Exemples et initiatives mondiales

À travers le monde, divers pays et organisations promeuvent et mettent activement en œuvre les technologies solaires thermiques. Voici quelques exemples :

• Centrale solaire Noor Ouarzazate au Maroc : Cette centrale solaire à concentration (CSP) est l'une des plus grandes au monde et utilise le stockage d'énergie thermique pour fournir de l'électricité même après le coucher du soleil. Elle représente un investissement significatif dans les énergies renouvelables pour le Maroc.
• Systèmes de chauffage urbain du Danemark : Le Danemark est un leader du chauffage urbain, et beaucoup de ses systèmes intègrent l'énergie solaire thermique pour fournir de l'eau chaude aux foyers et aux entreprises. Cela a aidé le Danemark à réduire sa dépendance aux combustibles fossiles et à diminuer ses émissions de carbone.
• Projets de dessalement solaire en Australie : En raison de son climat aride, l'Australie a investi dans des projets de dessalement solaire pour fournir de l'eau douce aux communautés. Ces projets utilisent l'énergie solaire thermique pour alimenter les usines de dessalement, réduisant ainsi l'impact environnemental de la production d'eau.
• Mission solaire nationale de l'Inde : La Mission solaire nationale de l'Inde vise à promouvoir le déploiement des technologies de l'énergie solaire, y compris le solaire thermique, à travers le pays. La mission comprend des objectifs pour le chauffage de l'eau solaire, la chaleur de procédé solaire et l'énergie solaire à concentration (CSP).
• Feuille de route du solaire thermique de l'Union européenne : L'Union européenne a élaboré une feuille de route pour le solaire thermique qui définit des stratégies pour accroître le déploiement des technologies solaires thermiques à travers l'Europe. La feuille de route comprend des objectifs pour le chauffage de l'eau solaire, le chauffage solaire des locaux et le chauffage urbain solaire.

Conclusion

La technologie solaire thermique offre une voie éprouvée et polyvalente pour exploiter l'énergie du soleil pour un large éventail d'applications. En captant et en stockant la chaleur solaire, ces systèmes peuvent fournir une source d'énergie fiable et durable pour les foyers, les entreprises et les industries. Alors que la technologie continue de progresser et que les coûts diminuent, le solaire thermique est appelé à jouer un rôle de plus en plus important dans la transition mondiale vers un avenir énergétique propre. L'intégration du stockage d'énergie thermique (SET) est cruciale pour faire face à l'intermittence et améliorer la dispatchabilité de l'énergie solaire thermique, consolidant ainsi sa position en tant que composant clé d'un portefeuille énergétique diversifié et durable.