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Tout ce que vous devez savoir sur le fonctionnement de l’énergie solaire thermique !
Hugues Defreville
Tout sur la plus vertueuse des énergies : le solaire thermique
Une centrale solaire thermique transforme l’irradiation solaire en chaleur à l’aide de capteurs solaires thermique.
Mais qu’est-ce qu’un capteur solaire thermique ? Comment ça marche ? Quelle est la différence avec un capteur solaire photovoltaïque ? Pas de panique, voici les réponses à toutes vos questions sur la plus vertueuse de toutes les sources de production d’énergie renouvelable !
Pour commencer, un petit point de terminologie : Capteur, panneau, module, collecteur… ces termes décrivent-ils des technologies différentes ? Pas du tout ! il s’agit de vocables utilisés indifféremment pour désigner les mêmes technologies. Chez Newheat nous préférons utiliser les termes de « capteurs » ou « collecteurs », plus précis et parlant que le terme générique « panneaux » ou « modules » !
Le solaire thermique vs le solaire photovoltaïque
Même si ces deux technologies utilisent l’énergie provenant du soleil, elles sont totalement différentes !
Elles ont pour objectif de collecter et transformer l’énergie solaire sous deux formes distinctes, l’électricité et la chaleur (ou énergie thermique / calorifique. Elles se basent pour cela sur des principes physiques différents :
Le capteur solaire thermique est l’équipement utilisé pour transformer le rayonnement solaire en chaleur.
Les principes physiques qui fondent cette production d’énergie sont notamment l’absorption et la conduction thermique. Dans le cas particulier des systèmes à concentration, la réflexion joue aussi un rôle important.
Le capteur solaire photovoltaïque utilise l’effet photoélectrique afin de transformer les photons (particules composant la lumière émise par le soleil) en électricité.
Cette transformation se fait grâce à un matériau semi-conducteur présentant des caractéristiques atomiques spécifiques. Lorsqu’un photon disposant du bon niveau d’énergie (c’est-à-dire à la bonne longueur d’onde) rentre en contact avec ce matériau, des électrons sont mis en mouvement au sein de celui-ci et créent un courant électrique.
Focus historique : Si vous souhaitez briller lors de vos dîners en société, sachez que l’on considère Edmond Becquerel, physicien français du 19ème siècle, comme le père du solaire photovoltaïque (il découvre en effet en 1839 l’effet photovoltaïque). Concernant le solaire thermique, c’est un autre ingénieur français, Augustin Mouchot, que l’on peut considérer comme le pionnier de l’usage de cette technologie à l’échelle industrielle. Il invente en 1866 le premier moteur solaire constitué par un réflecteur parabolique concentrant les rayons du soleil sur un cylindre en verre pour produire de la vapeur et ainsi alimenter des machines industrielles.
Les différents types de capteurs solaires thermiques
Un capteur solaire thermique, c’est donc une sorte d’échangeur de chaleur qui absorbe le rayonnement solaire et le transforme en énergie thermique, qui est ensuite transférée à un liquide caloporteur circulant dans le capteur.
Les liquides utilisés peuvent être de l’air, de l’eau, une huile ou encore un mélange d’eau avec du propylène glycol (liquide antigel biodégradable utilisé classiquement en additif alimentaire). Des matériaux à changement de phase (les sels fondus par exemple) peuvent aussi être utilisés pour les systèmes à concentration. Il existe différents types de capteurs solaires thermiques. Ils sont généralement classés en deux grandes familles, les capteurs sans concentration (stationnaires) et les capteurs à concentration équipés d’un système de suivi du soleil (« tracker »). Les caractéristiques d’un capteur déterminent sa plage de températures de fonctionnement et donc les applications pouvant être couvertes.
Ainsi, les capteurs sans concentration permettent de produire des niveaux de température inférieurs à 100-120°C et les technologies avec concentration vont permettre de produire jusqu’à des niveaux de température de 200 à 300°C voire même 800°C pour certaines.
Les technologies sans concentration
Ces technologies captent la globalité du rayonnement solaire et utilisent généralement de l’eau comme liquide caloporteur. Si elles sont limitées en termes de température de livraison, elles permettent toutefois un déploiement simple (pas de pression dans les circuits) et robuste (retour d’expérience d’une utilisation massive depuis plusieurs dizaines d’années).
Parmi les technologies sans concentration les plus utilisées, on retrouve :
- Les capteurs non vitrés, constitués d’un matériau absorbant, dans lequel circule directement le liquide caloporteur. Ils ne font appel ni à l’effet de serre, ni à un isolant. Ils sont souvent constitués à partir d’un polymère souple et noir dans lequel circule de l’eau. Ils sont bon marché et sont utilisés pour des applications simples en basse température comme le chauffage des piscines.
- Les capteurs plans vitrés, utilisent l’effet de serre et sont constitués successivement d’un vitrage, d’un espace d’air et d’un métal de bonne conductivité thermique recouvert d’un absorbeur sélectif. Le métal est en contact avec des tuyaux de cuivre dans lesquels circule le liquide caloporteur. Un isolant en face arrière permet de limiter les pertes thermiques. Ce type de capteur, le plus fréquent, est utilisé pour les applications courantes comme le chauffage de l’eau chaude sanitaire.
- Les capteurs tubulaires sous vide, sont constitués de tubes en verre sous vide entourant un récepteur tubulaire ou à ailette contenant un liquide intermédiaire (caloduc) ou directement le liquide caloporteur. Le vide permet de fortement limiter les pertes. A noter que des capteurs plans sous vide ont également récemment été développés, et permettent de combiner les intérêts techniques des 2 types de technologies.
Quel est l’état du marché pour ces technologies ? Les technologies sans concentration sont massivement utilisées depuis plusieurs dizaines d’années pour des applications de production d’eau chaude sanitaire (chauffe-eau solaire individuel ou collectif). Ce marché représente au niveau mondial plus de 350 millions de m² installés, et un CA annuel estimé à environ 10 milliards d’euros. Depuis 20 ans, des capteurs de grande dimension ont fait leur apparition. Ils permettent la réalisation de grandes installations de plus de 1 000m², notamment pour alimenter les réseaux de chaleur urbains et les procédés industriels.
Les technologies à concentration
Contrairement aux technologies sans concentration, elles captent uniquement la composante directe (et non la globalité) du rayonnement solaire et utilisent principalement de l’eau sous pression, de la vapeur ou de l’huile thermique comme liquide caloporteur.
Elles permettent d’atteindre des températures de livraison plus élevées, mais leur déploiement nécessite l’utilisation de système de suivi du soleil, et nécessite une conception respectant les contraintes de pression imposées par ces niveaux de températures. La robustesse et la fiabilité de ces installations sont également moindres du fait de cette complexité supérieure, et impliquent des opérations de maintenance et de nettoyage des capteurs plus importantes que les technologies sans concentration.
- Les collecteurs à miroirs cylindro-paraboliques, ils sont constitués de miroirs en forme de gouttière et d’un collecteur linéaire placé en leur centre. Un liquide caloporteur circule dans ce collecteur. Un système de suivi avec un seul axe permet de suivre le soleil d’est en ouest et de s’assurer que le rayonnement parvienne bien sur le collecteur après avoir été réfléchi par les miroirs.
- Les miroirs de Fresnel linéaires, on utilise ici une série de miroirs plans montés sur des mécanismes de suivi du soleil permettant un déplacement spécifique à chaque miroir pour que le rayonnement soit constamment dirigé sur le collecteur. Ce système permet une plus grande surface de miroir pour une surface donnée, moins de prise au vent et un collecteur totalement fixe qui ne tourne pas en même temps que le miroir. Le système mécanique et hydraulique en est ainsi simplifié.
- Les disques paraboliques, comme leur nom l’indique, ces systèmes ont la forme de paraboles, semblables aux paraboles de réception satellite. Le miroir est monté sur un pilier et orienté vers le soleil par un système de suivi à deux axes. Le fluide caloporteur est amené jusqu’à un système collecteur placé au foyer de la parabole, qui se déplace en même temps que le miroir. L’avantage ici est qu’on dispose d’un système totalement autonome permettant soit de faire de petites centrales adaptées aux besoins locaux, soit de faire des centrales de plus grande taille mais totalement modulaires.
- Les centrales à tour, ici on utilise un champ de grands miroirs plans nommés héliostats (en grec : qui fixe le soleil) comportant chacun leur propre moteur et leur propre système de suivi à deux axes. Ils pointent tous vers un point unique positionné au sommet d’une tour où est placé un collecteur. Le gros avantage de ce système est de minimiser la circulation de fluide caloporteur et d’obtenir un facteur de concentration potentiellement très élevé et en conséquence une température également très élevée.
Pour obtenir des performances satisfaisantes ces technologies doivent être mise en œuvre sous la forme d’infrastructure de très grandes dimensions (tours de plusieurs dizaines de mètres, champ d’heliostat de plusieurs hectares ou dizaines d’hectares), conduisant à des systèmes complexes soumis à des contraintes de température et de pression particulièrement élevées.
Quel est l’état du marché pour ces technologies ? Les technologies à concentration sont actuellement majoritairement utilisées pour des applications de production d’électricité grâce à des systèmes thermodynamiques (entraînement d’une turbine par la chaleur produite pour générer de l’électricité). Ce marché est confronté à la très forte concurrence des technologies solaires photovoltaïques, dont le prix a fortement chuté ces dernières années. Ses perspectives de développement paraissent ainsi limitées. On note toutefois l’apparition de nouvelles solutions de stockage thermique haute température, plus massives et plus compétitives, qui pourraient faire évoluer cette situation. Depuis quelques années, de nombreux fournisseurs de technologies à concentration ont lancé le développement de produits adaptés aux besoins thermiques des procédés industriels, produisant à des niveaux de températures adaptés et dont l’installation est plus simple et modulable.
Et les capteurs solaires photovoltaïques thermiques (PV-T) ? On en parle ou pas ?
En effet, il existe des capteurs solaires photovoltaïque thermique (PV-T), ou capteurs solaires « hybrides », conçus à la fois pour produire de l’électricité photovoltaïque et pour recueillir l’énergie thermique provenant du soleil.
Ce type de capteur est composé d’une partie photovoltaïque « classique », à l’arrière de laquelle une partie « capteur thermique » récupère l’énergie calorifique envoyée par le soleil (notamment le rayonnement infrarouge habituellement perdu sous forme de chaleur dispersée) via un liquide caloporteur. Ce liquide peut être de l’air (on peut alors parler de capteurs « aérovoltaïque ») ou bien d’eau (éventuellement glycolée).
Les avantages de ces technologies sont multiples : elles permettent d’améliorer le rendement énergétique global grâce à ce double usage électrique et thermique, mais également permettent d’améliorer la performance de la composante photovoltaïque, les cellules photovoltaïques ayant un fonctionnement dégradé au-dessus d’un certain niveau de température.
Toutefois leur coût est forcément légèrement plus élevé que les technologies thermiques ou photovoltaïques « seules », et les applications permettant un usage optimal simultané des 2 énergies produites sont aujourd’hui limitées à des niveaux de températures relativement basses.
Quelle est l’efficacité d’un capteur solaire thermique ?
L’efficacité d’un capteur solaire thermique (ou son rendement), correspond au rapport entre l’énergie produite sous forme de chaleur par le capteur, et l’énergie solaire totale reçue par celui-ci.
Dans le cas du solaire thermique, ce rendement peut atteindre jusqu’à 80% pour des applications à basse température. Ces rendements sont très élevés comparativement au solaire photovoltaïque, dont le rendement (pour un capteur « commercial » utilisant des cellules au silicium mono-cristallin) se situe plutôt aux alentours de 15%.
Ainsi, le rendement des capteurs solaires thermiques est en moyenne 4 à 5 fois plus élevé que le rendement d’un capteur photovoltaïque.
Cela s’explique par la différence de nature des phénomènes physiques en jeu dans ces capteurs, comme présenté plus haut dans cet article. En effet, seule une petite partie de l’énergie solaire (certaines longueurs d’ondes du « spectre lumineux ») est utilisée par la technologie photovoltaïque, alors que c’est bien l’ensemble de l’irradiation solaire qui est utilisée dans le cadre des technologies solaires thermiques.
Il est toutefois important de comprendre un point essentiel lié aux technologies solaires thermiques : l’un des facteurs principaux influant sur la performance d’un capteur correspond à la température de la chaleur que l’on souhaite produire par celui-ci, et plus exactement la différence entre la température produite et la température extérieure (qui influe directement sur le niveau de pertes thermiques). Lorsque cette différence de température augmente, les pertes vont également augmenter, et la performance ainsi diminuer.
Il est donc toujours important de cibler les températures les plus basses possibles dans la plage souhaitée par le consommateur pour pouvoir optimiser le fonctionnement de ces technologies.
C’est un des principaux critères à prendre en compte lorsque l’on compare l’intérêt des différentes technologies solaires thermiques entre elles (avec leur coût de réalisation et de maintenance).
Le schéma ci-dessous vous permettra de visualiser les courbes de performance typique des principales technologies solaires thermiques utilisées.
Que fait Newheat dans tout ça ?
Chez Newheat, nous avons la volonté et la capacité de travailler avec tous les types de technologies solaires thermiques.
En effet, nous ne produisons pas de capteurs et ne signons aucune exclusivité avec les fournisseurs de technologie.
Cette indépendance complète est très importante : elle nous permet de sélectionner librement la technologie la plus adaptée à chacun des projets que nous étudions, en fonction de ses performances techniques et économiques objectives et des besoins spécifiques de nos clients.
Cette philosophie est particulièrement protectrice pour les intérêts de nos clients : elle permet d’éviter tout conflit d’intérêt consistant à préconiser des solutions n’étant pas optimales pour eux mais dans lesquelles nous aurions un intérêt économique direct !
Une fois la technologie la plus pertinente sélectionnée, grâce à notre expertise en ingénierie et modélisation, nous l’intégrons au sein d’un système énergétique complet que nous concevons et réalisons nous-même. Ainsi la fiabilité, l’efficacité et le coût de production sont optimaux par rapport à la demande de nos clients consommateurs de chaleur. Mais ceci est un autre sujet que nous aborderons dans un prochain article…stay tuned !
Quid des centrales déjà réalisées par Newheat ? Au 15 mars 2022, tous les projets réalisés et exploités par Newheat sont basés sur des technologies de capteurs plans vitrés, sans concentration. En effet, au vu des niveaux des besoins en températures pour ces premiers projets, ces technologies sont apparues comme les plus compétitives. Vous pouvez consulter les différents projets, ici.
Newheat étudie actuellement des projets utilisant d’autres types de technologies solaires thermiques, que ce soit à concentration, sous-vide, non-vitré ou hybride PV-T ! Vous pouvez suivre les annonces de nouveaux projets via nos actualités !