Les centrales solaires thermiques, également appelées centrales solaires à concentration, sont apparues comme une pierre angulaire de la production d'énergie renouvelable à l'échelle des services publics. En utilisant des miroirs ou des lentilles pour concentrer la lumière du soleil, ces centrales produisent de la chaleur à haute température qui conduit une turbine à vapeur ou un moteur thermique conventionnel à produire de l'électricité. Le véritable changement de jeu réside toutefois dans leur capacité à intégrer les systèmes de stockage de l'énergie thermique (TES), qui découplent la collecte de chaleur de la production d'électricité.

Développements technologiques récents dans le stockage thermique solaire

Au cours de la dernière décennie, on a assisté à une poussée d'innovation visant à améliorer l'efficacité, le coût et la durabilité du stockage thermique des centrales CSP. Dominée à l'origine par des systèmes de sel fondu à deux réservoirs indirects (où la chaleur est transférée d'un fluide de transfert de chaleur au sel), l'industrie explore maintenant des configurations de stockage direct, des formulations de sel avancées et des milieux solides.

Sel fondu à haute température et fluides alternatifs

Les sels de nitrate traditionnels (un mélange de nitrates de sodium et de potassium) fonctionnent jusqu'à environ 565 °C. Les nouveaux mélanges de sels à base de chlorure, tels que ceux développés au Laboratoire national des énergies renouvelables[ (NREL, peuvent résister à des températures supérieures à 700 °C. Ces sels à haute température permettent aux usines de CSP d'utiliser des cycles de puissance plus efficaces en dioxyde de carbone supercritique (sCO2) au lieu de cycles de vapeur de Rankine, ce qui pourrait augmenter leur efficacité de ~40% à plus de 50%.

Matériaux avancés de changement de phase

Les matériaux de changement de phase (PCM) stockent la chaleur latente pendant la fusion et la libèrent lors de la solidification, offrant une densité d'énergie plus élevée et des températures de décharge stables par rapport au stockage de chaleur raisonnable. Les prototypes récents intègrent des mousses métalliques et des matrices de graphite pour améliorer la conductivité thermique, une limitation critique de nombreux PCM. Par exemple, des PCM encapsulés dans des coquilles sphériques (diamètre de 0,5 à 10 mm) sont testés dans des systèmes de stockage en lit emballé.

Stockage thermochimique

Bien qu'il en soit encore à l'étape de la recherche et du projet pilote, le stockage thermochimique (SCT) représente la frontière du stockage à longue durée et à haute densité. Le STC permet d'obtenir des réactions chimiques réversibles (p. ex. réduction/oxydation de l'oxyde de métal ou dissociation/synthèse de l'ammoniac) pour stocker et libérer de la chaleur. Théoriquement, le STC peut atteindre des densités d'énergie 5 à 10 fois plus élevées que le sel fondu et stocker indéfiniment la chaleur à température ambiante avec des pertes négligeables.

Principaux types de solutions de stockage thermique

Le stockage intégré dans les usines de PSC se divise en trois grandes catégories, chacune ayant des caractéristiques opérationnelles distinctes et une maturité de développement.

Stockage de chaleur sensible

Le stockage indirect de sel fondu (standard actuel) utilise un fluide de transfert de chaleur comme l'huile synthétique pour chauffer deux réservoirs de sel. Le stockage direct utilise le fluide de transfert de chaleur lui-même comme support de stockage, réduisant les pertes d'échangeurs de chaleur. Le stockage sensible de l'état solide utilise du béton, des roches ou des briques céramiques dans des lits emballés; l'air ou le gaz passe par ces supports pour charger et décharger. Un exemple bien connu est l'usine Gemasolar en Espagne, qui utilise le sel fondu à la fois comme moyen de transfert de chaleur et de stockage, fournissant 15 heures de stockage à pleine charge.

Stockage de chaleur latente

Les systèmes de stockage de chaleur latent utilisent des PCM qui absorbent ou libèrent de la chaleur pendant les transitions de phase (solide-liquide ou solide-solide). Les candidats communs à la PCM comprennent les eutectiques de sel de nitrate/nitrite, le chlorure de magnésium hexahydraté, et même les métaux fondus. Le stockage de la substance offre une densité d'énergie plus élevée et une température presque constante pendant le rejet, ce qui est avantageux pour la production d'énergie stable.

Stockage thermochimique

Comme nous l'avons décrit plus haut, le TCS lie la chaleur dans des liaisons chimiques réversibles. Bien qu'elle soit encore précommerciale, elle offre d'immenses perspectives pour des températures très élevées (au-dessus de 800°C) et un stockage de longue durée (jours à mois). Les réactions à gaz solide (p. ex. oxyde de calcium + eau -hydroxyde de calcium ou métal + oxygène -oxyde de métal) nécessitent des conceptions robustes de réacteurs pour gérer les gros changements de volume et assurer la stabilité des matériaux.

Avantages du stockage intégré pour les plantes du PSC

L'intégration du stockage thermique transforme le CSP d'un générateur intermittent en une source d'énergie flexible et expéditable qui peut soutenir le vent et le photovoltaïque.

  • Alimentation continue: Les usines peuvent produire de l'électricité même après le coucher du soleil ou pendant les périodes nuageuses. Le complexe Noor Ouarzazate au Maroc, avec jusqu'à 7,5 heures de stockage, fournit de l'électricité bien dans la nuit. Certaines usines, comme Cerro Dominador au Chili (17,5 heures de stockage), peuvent réaliser presque 24 heures sur 24.
  • Peak Load Shifting:[ L'énergie thermique stockée peut être expédiée lorsque la demande et les prix de l'électricité sont les plus élevés. Dans de nombreux marchés, le CSP avec stockage génère des revenus plus élevés que le photovoltaïque solaire seul parce qu'il peut fournir des pics du soir (5-10 PM).
  • Réduction de la réserve de combustible fossile:[ Dans les régions à forte pénétration solaire, le CSP avec stockage peut déplacer les centrales de crête de gaz naturel. Une étude NREL a révélé que l'inclusion de 10% de la réserve de CSP dans un réseau à forte capacité de renouvellement pourrait réduire la demande de gaz naturel pour équilibrer de 30%.
  • Grid Stability and Ancillary Services: Les installations CSP avec stockage peuvent fournir une inertie, une régulation de fréquence et un support de tension – caractéristiques qui sont difficiles pour les énergies renouvelables à base d'inverseurs. DEWA CSP Park à Dubaï (950 MW au total) est conçu pour fournir une capacité renouvelable ferme qui répond à la demande de Dubai pendant la nuit.
  • Coût de l'électricité plus faible (CAL) :[ Bien que le coût initial du PSC avec stockage demeure plus élevé que le PV solaire, la valeur de l'énergie expéditable rend souvent le PSC concurrentiel lorsque les contrats à long terme ou les coûts d'intégration du réseau sont pris en considération.

Études de cas : Intégration réussie de l'entreposage dans le CSP

Plusieurs usines commerciales démontrent la maturité et la fiabilité du CSP avec un stockage intégré, servant de plans directeurs pour les projets futurs.

1. Centrale solaire thermique Gemasolar (Espagne)

L'usine Gemasolar de Fuentes de Andalucía, qui est la première installation commerciale de production de sel fondu à utiliser le sel en tant que moyen de transfert de chaleur et de stockage, a été opérationnelle depuis 2011 et sa capacité de stockage de 15 heures permet une exploitation continue de 24 heures pendant les mois d'été. Gemasolar a atteint un facteur de capacité supérieur à 70 % en quelques années, ce qui prouve que la puissance de base renouvelable est réalisable.

2. Complexe Noor Ouarzazate (Maroc)

Ce complexe de 580 MW, comprenant quatre phases (Noor I–IV), intègre une cuve parabolique (Noor I et II, stockage de 3 à 7 heures), une tour de puissance (Noor III, stockage de 7 heures) et une VP (Noor IV). Noor III, avec son stockage de sel fondu de 7 heures, a été la plus grande tour au monde avec stockage à sa fin (2018).Le complexe démontre des synergies de stockage hybrides CSP+PV, utilisant CSP pour stabiliser la production nocturne de l'ensemble de l'installation.

3. Projet d ' énergie solaire des dunes du Croissant (États-Unis, retravaillé)

L'usine de 110 MW Crescent Dunes du Nevada, qui est entrée en ligne en 2015, utilisait à l'origine une tour de sel fondue avec 10 heures de stockage. Malgré des difficultés techniques et financières, elle est devenue un banc d'essai pour les innovations en matière de gestion de la chaleur et du récepteur. En 2022, elle a été acquise et remise à neuf par un nouvel opérateur.

Impact économique et environnemental

La combinaison du CSP et du stockage crée une valeur économique et environnementale importante, en particulier dans les régions de la ceinture solaire à forte irradiance normale directe (RND).

Tendances des coûts

Selon IRENA[, le CCV moyen pondéré mondial pour le CSP a chuté de 0,346 $/kWh en 2010 à 0,108 $/kWh en 2019. Les usines attribuées lors des récentes enchères (p. ex., le Chili, Dubaï, Chine) ont atteint des CCV inférieurs à 0,07/kWh pour un stockage de 12 heures et plus. Cette mesure est motivée par des usines de plus grande taille (200 à 950 MW), des températures d'exploitation plus élevées et des milieux de stockage moins chers.

Avantages pour l'environnement

Une analyse du cycle de vie effectuée par l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire a révélé que le CSP avec stockage de sel fondu ne émet que 15 à 22 g CO2eq/kWh sur sa durée de vie, comparativement à environ 950 g pour le charbon et à environ 450 g pour le gaz naturel. De plus, les milieux de stockage thermique (salons, béton, roches) sont abondants et recyclables, et la consommation d'eau, une fois préoccupante, a été considérablement réduite par le biais de systèmes de refroidissement à sec ou hybrides dans les régions arides.

Création d'emplois et industrie locale

Les installations de stockage du CSP exigent des compétences diverses : ingénierie, fabrication (miroirs, tubes, sels), construction et exploitation à long terme. Une tour CSP de 100 MW avec 10 heures de stockage peut créer environ 1 500 emplois dans la construction et 50 à 60 emplois permanents dans l'exploitation.

Perspectives et tendances nouvelles

La trajectoire pour CSP avec stockage intégré est lumineuse, avec plusieurs innovations transformatrices à l'horizon.

Cycles de puissance supercritiques en CO2

Le remplacement du cycle de la vapeur Rankine par un cycle supercritique de CO2 (sCO2) Brayton permet une efficacité thermique plus élevée (45 à 50%) et une turbomachine plus petite. Plusieurs installations pilotes sont en cours, dont l'installation Supercritic Transformational Electric Power (STEP) au Texas, financée par la DOE. Lorsqu'elle est combinée avec le stockage à haute température (sels de chlorure ou métaux liquides), les cycles de SCO2 pourraient réduire le CSP LCOE à moins de 0,06/kWh d'ici 2030.

Plantes hybrides CSP-PV-batterie

De plus en plus, les développeurs combinent CSP avec le stockage solaire de la batterie et du photovoltaïque pour optimiser les coûts et la dispatchabilité. PV gère le soleil de pointe de jour à faible coût, CSP avec le sel fondu fournit de l'énergie le soir et la nuit, et les petites batteries couvrent des rampes transitoires.

Jumelles numériques et optimisation de l'IA

Les opérateurs déploient des jumelles numériques – répliques virtuelles de l'usine CSP – qui utilisent des prévisions météorologiques en temps réel, des signaux de grille et des niveaux de stockage pour optimiser l'expédition. Les algorithmes d'apprentissage automatique prédisent la salissure, la perte de chaleur du récepteur et la dégradation du sel, ce qui permet de prévoir l'entretien et de réduire les temps d'arrêt.

Stockage longue durée au-delà de 24 heures

On étudie par exemple les concepts de stockage saisonnier utilisant le TCS ou l'hydrogène à partir d'une électrolyse conduite par le CSP. Le projet HYDRA vise à démontrer un prototype TCS de 100 kWh capable de stocker la chaleur solaire d'été à hiver.

En conclusion, les centrales solaires thermiques avec des solutions de stockage intégrées sont passées de la démonstration de niches à des actifs énergétiques propres fiables et compétitifs. En surmontant l'intermittence, elles offrent aux opérateurs de réseau et aux services publics une voie éprouvée pour remplacer la charge de base des combustibles fossiles. Avec la poursuite de la R-D en sels avancés, en matériaux de changement de phase, en stockage thermochimique et en cycles d'énergie à haut rendement, le CSP avec stockage doit occuper un rôle essentiel dans le portefeuille mondial de décarbonisation.