Contrairement aux systèmes photovoltaïques (PV) qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité, CSP utilise des miroirs ou des lentilles pour concentrer le rayonnement solaire sur un récepteur, produisant de la chaleur qui alimente une turbine. Cette énergie thermique peut être stockée à haute température, permettant aux centrales CSP de produire de l'électricité même après le coucher du soleil. Alors que le monde accélère sa transition vers une énergie propre, CSP offre un avantage unique : une énergie solide et flexible qui peut compléter les énergies renouvelables intermittentes comme le vent et le photovoltaïque. Cet article explore les derniers progrès de CSP, de la science des matériaux à l'intégration du système, et examine le rôle que ces innovations jouent dans la production d'énergie solaire thermique plus efficace, rentable et fiable.

Comment fonctionne l'énergie solaire concentrée

Les systèmes CSP reposent sur quatre technologies principales : les bacs paraboliques, les réflecteurs Fresnel linéaires, les tours de puissance (récepteur central) et les moteurs à plat/à étirer. Les bacs paraboliques utilisent des miroirs courbes pour concentrer la lumière du soleil sur un tube récepteur rempli de liquide de transfert de chaleur, généralement de l'huile synthétique ou du sel fondu. Les tours de puissance utilisent un champ d'héliostats (rétroviseurs à sun-tracking) qui concentrent la lumière du soleil sur un récepteur situé au sommet d'une tour centrale, produisant des températures plus élevées et une plus grande efficacité.

La principale différence entre le CSP et d'autres technologies solaires est la capacité d'intégrer un stockage d'énergie thermique rentable (TS). En stockant de la chaleur dans du sel fondu, du béton ou des particules solides, les centrales CSP peuvent découpler la collecte d'énergie de la production d'énergie, fournissant une énergie renouvelable expéditionable qui peut répondre à la demande maximale ou servir de puissance de base.

Les percées technologiques récentes

L'industrie du PSC a réalisé des progrès considérables en matière d'amélioration de l'efficacité, de réduction des coûts et de fiabilité, et a réalisé des percées dans les matériaux, les systèmes de suivi, les fluides de transfert de chaleur et les innovations en matière de cycle de puissance.

Matériaux réfléchissants avancés

Les miroirs en verre argenté traditionnel souffrent du poids, de la fragilité et de la dégradation dans des environnements désertiques difficiles. De nouveaux films polymériques multicouches avec des revêtements très réfléchissants offrent des solutions de rechange plus légères et flexibles qui peuvent être produites en série à moindre coût. Par exemple, 3M et d'autres fabricants ont développé des films réfléchissants qui atteignent une réflectivité supérieure à 94 % et résistent aux rayures, à l'humidité et aux rayons UV. De plus, les miroirs de deuxième surface utilisant des formulations d'argent ou des revêtements diélectriques avancés prolongent la durée de vie opérationnelle au-delà de 30 ans.

Suivi de précision et amélioration de l'héliostat

Les systèmes de suivi biaxe classiques sont coûteux et complexes. Les innovations récentes comprennent la rétroaction en boucle fermée à l'aide de caméras ou de capteurs sur le récepteur pour ajuster les angles de miroir en temps réel. Des entreprises comme Heliogen ont développé un contrôle par ordinateur de l'héliostat basé sur la vision qui corrige le vent, l'expansion thermique et la dérive, obtenant une précision de visée dans un rayon de 0,1°. Cela permet aux héliostats plus petits et moins chers (par exemple, les miroirs plus minces avec des structures plus légères) de fournir le même flux concentré, réduisant les coûts de capital jusqu'à 20%.

Fluides de transfert de chaleur à haute température

Le choix du fluide de transfert de chaleur (HTF) détermine la température maximale de fonctionnement du cycle de puissance.Les huiles synthétiques traditionnelles se dégradent au-dessus de 400 °C, limitant l'efficacité.Les mélanges de sels de fusion (p. ex. nitrate de sodium et nitrate de potassium) peuvent fonctionner jusqu'à 565 °C, mais ils doivent être maintenus en fusion, ce qui ajoute de la complexité.Les chercheurs étudient actuellement des HTF avancés tels que le sodium liquide, les sels de chlorure et même les particules solides qui peuvent supporter des températures supérieures à 750 °C. Des températures plus élevées permettent des cycles de CO2 supercritiques (sCO2) Brayton, qui ont un rendement de conversion thermique-électrique plus élevé que les cycles de la vapeur Rankine.

Installations hybrides CSP-PV

Pour maximiser la production d'énergie et réduire les coûts, de nombreux nouveaux projets combinent CSP et systèmes photovoltaïques. Pendant les heures ensoleillées, PV génère directement de l'électricité bon marché, tandis que CSP stocke de l'énergie thermique pour l'expédition du soir. La configuration hybride permet aux centrales CSP d'opérer à des facteurs de capacité plus élevés et de réduire le coût de l'énergie stockée.

Stockage de l'énergie: le changement de jeu

Le stockage d'énergie thermique reste l'avantage le plus important du CSP. Les techniques modernes de stockage ont évolué au-delà des simples réservoirs à chaud et à froid pour des options plus efficaces et moins coûteuses.

Stockage des sels de fusion

Les installations de stockage de sel de fusion au Nevada et au Maroc sont des exemples importants de ces dernières années : l'utilisation de mélanges de sel ternaire ayant des points de fusion plus faibles, réduisant le risque de solidification et permettant le fonctionnement à des températures ambiantes plus froides. Les nouveaux matériaux isolants et les nouveaux réservoirs ont réduit les pertes thermiques à moins de 1% par jour. Les sels à base de lithium sont étudiés pour obtenir une capacité thermique encore plus élevée, bien que le coût demeure un obstacle.

Stockage des particules et des solides

Les laboratoires nationaux de Sandia ont démontré un récepteur et un système de stockage de particules qui utilise le sable de silice comme matériau absorbant et comme support de stockage. Le sable est chauffé dans un rideau de chute libre directement exposé à la lumière du soleil concentrée, puis stocké dans un silo isolé. Cela élimine le besoin d'échangeurs de chaleur coûteux et réduit la complexité de l'usine. La technologie promet de réduire les coûts de stockage du CSP de moitié par rapport au sel fondu.

Stockage thermochimique

Le stockage thermochimique utilise des réactions chimiques réversibles (par exemple, dissociation de l'ammoniac, cycles de rédox d'oxyde métallique) pour stocker la chaleur sans perte pendant des semaines ou des mois. Bien que toujours en phase de recherche, des projets pilotes en Allemagne et en Australie ont montré que de tels systèmes peuvent atteindre des densités d'énergie cinq à dix fois plus élevées que le sel fondu.

Réduction des coûts et viabilité économique

Selon l'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA), le coût moyen pondéré global des projets du PSC commandés en 2021 était de 9,4 cents par kWh, en baisse par rapport à 34 cents en 2010 – une réduction de 72 %. Cependant, le PSC demeure plus cher que le PV à échelle de service et le vent terrestre sur une base normalisée sans stockage. Lorsque le stockage est pris en compte, le PSC devient compétitif par rapport au PV plus batteries pour les applications de longue durée (4+ heures).

Les politiques gouvernementales et les collaborations internationales ont été des moteurs clés.Des pays comme l'Espagne, le Maroc, l'Afrique du Sud et les Émirats arabes unis ont mis en place des tarifs d'alimentation, des normes de portefeuille renouvelables et des financements concessionnels qui dérisquent les investissements du PSC.]L'Atlas mondial d'IRENA[] montre que la région MENA, le sud-ouest des États-Unis, le Chili et l'Australie ont l'irradiation normale directe la plus élevée (DNI), ce qui les rend idéales pour le PSC.

Industrie manufacturière Élargissement et innovation

La production massive de composants tels que les miroirs, les récepteurs et les entraînements de suivi a entraîné des coûts réduits. Les réflecteurs de films minces fabriqués avec des processus de roulis sont moins chers et plus légers que le verre. Les fabricants chinois et indiens entrent sur le marché avec des héliostats et des récepteurs à prix concurrentiels, ce qui exerce une pression à la baisse sur les prix mondiaux.

Projets et études de cas mondiaux du PSC

Plusieurs usines CSP phares démontrent la maturité et la polyvalence de la technologie.

Noor Ouarzazate Complex (Maroc):[ La plus grande installation de CSP au monde, d'une capacité totale de 580 MW sur trois phases (Noor I, II, III). Noor I utilise des bacs paraboliques avec 3 heures de stockage thermique; Noor II et III ajoutent la technologie tour et jusqu'à 8 heures de stockage. Le complexe fournit de l'énergie à plus d'un million de Marocains et réduit les émissions de carbone de 760 000 tonnes par an.

Ivanpah Solar Electric Generating System (Californie, États-Unis):[ Une centrale de 392 MW sans stockage, Ivanpah utilise plus de 170 000 héliostats pour chauffer l'eau directement dans le récepteur, produisant de la vapeur surchauffée. Bien qu'elle ait démontré l'évolutivité de la technologie de la tour de puissance, sa production est restée en deçà des projections en raison de l'atténuation des nuages et des problèmes de chaudière.

Crescent Dunes Solar Energy Project (Nevada, USA): Une tour de 110 MW avec stockage de sel fondu (10 heures), première installation commerciale à utiliser un stockage direct de sel fondu, prouvant la viabilité du concept malgré des difficultés opérationnelles (défauts de pompe, lignes de sel congelées).

Démonstrations commerciales d'Héliogen: Une startup issue d'Idealab, Heliogen a déployé des héliostats contrôlés par ordinateur sur des sites industriels pour produire de la chaleur à haute température pour la production de ciment et d'acier.

Pour une liste complète des projets, la base de données SolarPACES[ suit les installations de CSP dans le monde entier et fournit des données sur les performances.

Orientations futures et frontières de la recherche

L'industrie du CSP ne repose pas sur ses lauriers. Plusieurs concepts avancés pourraient améliorer considérablement les performances et étendre les applications.

Cycles de puissance supercritiques en CO2

Le remplacement de la vapeur par du dioxyde de carbone supercritique (sCO2) dans un cycle de Brayton fermé offre un rendement thermique plus élevé (jusqu'à 50% contre 37% pour la vapeur), une plus petite turbomachine et une utilisation moins élevée de l'eau. L'installation de démonstration STEP (Supercritic Transformational Electric Power) de la DOE américaine teste une turbine de 10 MW de SCO2 qui pourrait être jumelée avec des récepteurs CSP. Si cela réussit, cela réduirait les coûts d'investissement de 20-30% et permettrait la modularisation des blocs d'alimentation.

Production thermochimique de combustibles solaires

La chaleur solaire concentrée peut diviser l'eau par des cycles thermochimiques (par exemple, l'oxyde de cérium redox) ou réformer le gaz naturel avec moins d'intensité de carbone. L'usine pilote HYDROSOL en Europe utilise le solaire pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau et de la vapeur.

Intégration avec le Desalining

Dans les régions arides, les centrales CSP peuvent fournir à la fois de l'énergie et de la chaleur basse température pour la distillation à effet multiple ou la préchauffage des membranes d'osmose inverse. La région MENA, où coïncidaient la rareté de l'eau et le DNI élevé, est la principale région pour les hybrides CSP-dessalement.

Intelligence artificielle et Jumelles numériques

L'apprentissage automatique est appliqué pour optimiser l'alignement de l'héliostat, prévoir les besoins de maintenance et maximiser le rendement énergétique. Des jumeaux numériques d'installations entières permettent aux opérateurs de faire des simulations et d'ajuster les opérations en temps réel. Par exemple, ]]Le modèle de conseiller système (SAM) de NREL permet aux ingénieurs de modéliser des installations CSP avec différentes configurations de stockage et de prévoir des performances annuelles.

Conclusion

Avec une innovation continue dans les matériaux, les fluides de transfert de chaleur, les cycles d'énergie et les configurations hybrides, CSP est prêt à jouer un rôle vital dans l'alimentation des processus industriels, la stabilisation des réseaux et la production de carburants propres. Les décideurs, les entreprises publiques et les investisseurs devraient reconnaître que CSP n'est plus une technologie expérimentale mais une solution éprouvée pour l'énergie solaire 24 heures sur 24. La route à suivre consiste à augmenter la production, réduire davantage les coûts et construire la prochaine génération de centrales CSP super-efficaces qui combinent la chaleur solaire avec des blocs d'énergie de stockage et de cascade avancés.