L’énergie solaire thermique

L’énergie solaire thermique est une technologie de production d’énergie renouvelable qui transforme le rayonnement solaire en chaleur utilisable. Elle constitue une alternative renouvelable et respectueuse de l’environnement aux sources d’énergie conventionnelles comme le gaz et l’électricité.

Principe de fonctionnement

Le système solaire thermique repose sur des capteurs solaires qui absorbent l’énergie solaire et la transforment en chaleur. Il existe différents types de capteurs, tels que les capteurs plans vitrés et les capteurs à concentration. Le fluide caloporteur circule à travers ces capteurs et se réchauffe en absorbant la chaleur. Cette énergie thermique est ensuite stockée dans un ballon de stockage et utilisée pour chauffer l’eau sanitaire, le chauffage des bâtiments ou encore la production d’électricité.

Pour comprendre le fonctionnement de l’énergie solaire thermique, il est important de connaître les différents éléments qui composent un système solaire thermique et leur rôle dans la conversion de l’énergie solaire en chaleur.

Capteurs solaires thermiques

Les capteurs solaires thermiques sont les composants clés d’un système solaire thermique. Ils sont responsables de la capture et de la conversion du rayonnement solaire en chaleur. Il existe plusieurs types de capteurs solaires thermiques, dont les plus courants sont les capteurs plans vitrés et les capteurs à tubes sous vide.

• Capteurs plans vitrés : Ce type de capteur est constitué d’un cadre, d’une plaque d’absorption (généralement en métal) et d’un revêtement sélectif qui absorbe le rayonnement solaire et minimise les pertes de chaleur. Le capteur est recouvert d’un verre transparent qui permet au rayonnement solaire de pénétrer tout en empêchant les pertes de chaleur par convection et rayonnement.
• Capteurs à tubes sous vide : Ces capteurs sont composés de tubes en verre sous vide contenant un absorbeur métallique et un revêtement sélectif. L’absence d’air dans le vide réduit les pertes de chaleur par convection, ce qui rend ce type de capteur plus efficace, en particulier par temps froid ou nuageux.

Système de transfert de chaleur

Le système de transfert de chaleur est responsable du transport de la chaleur captée par les capteurs solaires vers le point d’utilisation ou de stockage. Dans la plupart des systèmes solaires thermiques, un fluide caloporteur (généralement de l’eau ou un mélange d’eau et d’antigel) circule à travers les capteurs et absorbe la chaleur. Le fluide caloporteur chauffé est ensuite transporté vers un échangeur de chaleur, où il transfère la chaleur à l’eau sanitaire, au système de chauffage ou au système de stockage d’énergie.

Stockage de l’énergie thermique

Le stockage de l’énergie thermique est un aspect crucial des systèmes solaires thermiques, car il permet d’utiliser l’énergie captée même lorsque le soleil ne brille pas. Les systèmes de stockage d’énergie thermique les plus courants utilisent des ballons ou des réservoirs d’eau chaude isolés pour stocker l’énergie sous forme de chaleur sensible.

Des technologies plus avancées, comme les matériaux à changement de phase, sont également en cours de développement. Ces matériaux stockent la chaleur en changeant de phase (par exemple, en passant de l’état solide à l’état liquide) et peuvent stocker de grandes quantités d’énergie thermique dans un petit volume.

Systèmes de régulation et de contrôle

Les systèmes de régulation et de contrôle sont essentiels pour assurer le bon fonctionnement et la gestion efficace des systèmes solaires thermiques. Ils surveillent et contrôlent la température, la pression et le débit du fluide caloporteur, et régulent la circulation du fluide entre les capteurs solaires, l’échangeur de chaleur et le système de stockage. Les systèmes de contrôle peuvent également être utilisés pour optimiser la production d’énergie en ajustant l’orientation des capteurs solaires en fonction de la position du soleil ou en modulant le fonctionnement des pompes de circulation.

Intégration aux systèmes existants

L’énergie solaire thermique peut être intégrée aux systèmes existants de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire. Dans le cas du chauffage, l’énergie solaire thermique peut être utilisée pour préchauffer l’eau de la chaudière ou du système de chauffage par le sol, réduisant ainsi la consommation d’énergie des combustibles fossiles ou de l’électricité. Pour la production d’eau chaude sanitaire, l’énergie solaire thermique peut être utilisée en combinaison avec des chauffe-eau électriques, au gaz ou à la pompe à chaleur, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre.

Les centrales solaires thermiques

Il existe principalement trois types de centrales solaires thermiques, qui diffèrent par la manière dont elles capturent et concentrent l’énergie solaire. Ces types sont les suivants :

1. Dans les centrales à concentrateur parabolique (CSP), des miroirs paraboliques sont utilisés pour concentrer la lumière du soleil sur un tube récepteur situé au point focal de la parabole. Le fluide caloporteur circulant dans le tube récepteur est chauffé par la lumière concentrée, atteignant des températures élevées (jusqu’à 400 °C). La chaleur est ensuite utilisée pour produire de la vapeur, qui alimente une turbine et un générateur pour produire de l’électricité.
2. Les centrales à tour solaire utilisent un grand nombre de miroirs plans (héliostats) pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur situé en haut d’une tour. Les héliostats suivent la course du soleil tout au long de la journée et ajustent leur orientation pour maximiser la concentration de la lumière sur le récepteur. Le fluide caloporteur dans le récepteur, souvent du sel fondu, est chauffé à des températures très élevées (jusqu’à 1000 °C). La chaleur est ensuite utilisée pour produire de la vapeur, qui alimente une turbine et un générateur pour produire de l’électricité.
3. Les centrales à miroir de Fresnel linéaire utilisent des miroirs plats et inclinés pour concentrer la lumière du soleil sur un tube récepteur situé au-dessus des miroirs. Les miroirs de Fresnel linéaires sont moins coûteux à fabriquer et à installer que les miroirs paraboliques, mais ils sont généralement moins efficaces pour concentrer l’énergie solaire. Tout comme les autres types de centrales solaires thermiques, la chaleur captée est utilisée pour produire de la vapeur, qui alimente une turbine et un générateur pour produire de l’électricité.

Avantages et inconvénients de l’énergie solaire thermique

Avantages

• Énergie renouvelable et propre : L’énergie solaire thermique est une source d’énergie renouvelable et non polluante qui contribue à réduire la dépendance aux combustibles fossiles et à diminuer les émissions de gaz à effet de serre.
• Efficacité énergétique : Les capteurs solaires thermiques sont généralement plus efficaces que les panneaux solaires photovoltaïques pour convertir l’énergie solaire en énergie utile, en particulier pour les applications de chauffage et de production d’eau chaude.
• Réduction des coûts énergétiques : L’énergie solaire thermique permet de réduire les coûts énergétiques en fournissant une source d’énergie gratuite pour le chauffage et la production d’eau chaude.
• Amélioration de l’autonomie énergétique : Les systèmes solaires thermiques peuvent être installés sur des bâtiments ou des sites isolés, améliorant ainsi l’autonomie énergétique et réduisant la dépendance au réseau électrique.

Inconvénients

• Coût initial élevé : L’installation d’un système solaire thermique nécessite un investissement initial important, bien que les coûts puissent être amortis au fil du temps grâce aux économies d’énergie réalisées.
• Variabilité de l’ensoleillement : Le rendement des systèmes solaires thermiques dépend de l’ensoleillement, qui peut varier en fonction de la saison, de la météo et de la latitude.
• Maintenance : Les systèmes solaires thermiques nécessitent une maintenance régulière pour garantir un fonctionnement optimal et une longue durée de vie.
• Espace nécessaire : L’installation de capteurs solaires thermiques nécessite un espace disponible, généralement sur le toit ou à proximité des bâtiments, ce qui peut être un défi dans les zones urbaines densément peuplées.

Applications du solaire thermique

Production d’eau chaude sanitaire (ECS)

L’une des applications les plus courantes du solaire thermique est la production d’eau chaude sanitaire pour les ménages et les bâtiments commerciaux. Les capteurs solaires thermiques absorbent l’énergie solaire et la transfèrent à un fluide caloporteur, qui chauffe ensuite l’eau stockée dans un ballon. Cette eau chaude peut être utilisée pour les besoins quotidiens tels que la douche, la cuisine et le lavage.

Chauffage des bâtiments

Le solaire thermique peut être utilisé pour compléter ou remplacer les systèmes de chauffage traditionnels dans les bâtiments résidentiels et commerciaux. Les systèmes solaires thermiques peuvent être intégrés aux systèmes de chauffage central, tels que les chaudières ou les pompes à chaleur, pour préchauffer l’eau et réduire la consommation d’énergie. Les systèmes de chauffage par le sol et les radiateurs peuvent également être alimentés par l’énergie solaire thermique.

Chauffage des piscines

Les capteurs solaires thermiques sont souvent utilisés pour chauffer les piscines, prolongeant ainsi la saison de baignade et réduisant les coûts énergétiques associés au chauffage de l’eau. Dans ce cas, le fluide caloporteur circule dans les capteurs solaires et transfère la chaleur à l’eau de la piscine à travers un échangeur de chaleur.

Climatisation solaire

La climatisation solaire est une application moins courante mais prometteuse du solaire thermique. Les systèmes de climatisation solaire utilisent la chaleur produite par les capteurs solaires thermiques pour alimenter des machines frigorifiques à absorption ou à adsorption, qui refroidissent ensuite l’air intérieur. Ce type de système permet de réduire la consommation d’énergie électrique pour la climatisation, surtout pendant les périodes de forte demande, comme l’été.

Production de vapeur et d’électricité

Dans les centrales solaires thermiques à grande échelle, l’énergie solaire est utilisée pour produire de la vapeur à haute pression et à haute température, qui peut être utilisée pour alimenter des turbines à vapeur et générer de l’électricité. Les centrales solaires thermiques utilisent généralement des miroirs paraboliques ou des héliostats pour concentrer le rayonnement solaire sur un récepteur central, où un fluide caloporteur est chauffé à des températures élevées. La vapeur produite est ensuite utilisée pour actionner une turbine à vapeur et un générateur électrique.

Processus industriels

L’énergie solaire thermique peut être utilisée pour alimenter des processus industriels nécessitant de la chaleur, comme la pasteurisation, la stérilisation, le séchage et la concentration. En intégrant des capteurs solaires thermiques dans les installations industrielles, les entreprises peuvent réduire leur consommation d’énergie et leur dépendance aux combustibles fossiles, tout en diminuant leurs émissions de gaz à effet de serre.

Dessalement solaire thermique

Le dessalement solaire thermique est une application prometteuse pour fournir de l’eau potable dans les régions arides et les zones confrontées à des pénuries d’eau. Les systèmes de dessalement solaire thermique utilisent l’énergie solaire pour chauffer l’eau salée, provoquant ainsi l’évaporation de l’eau pure, qui est ensuite condensée et collectée. Les technologies de dessalement solaire thermique incluent la distillation solaire, l’osmose inverse solaire et les procédés d’évaporation multiple.

Projets et entreprises dans le domaine du solaire thermique

Plusieurs projets et entreprises ont contribué au développement de l’énergie solaire thermique en France et en Europe. Parmi eux, on peut citer :

• Le projet PSD (Pôle Solaire de Démonstration) en France, visant à développer et démontrer des technologies solaires thermiques avancées.
• La société française BRGM, qui travaille sur l’amélioration des capteurs solaires thermiques et des systèmes de stockage.
• Les fabricants de capteurs solaires thermiques, tels que la société française Thermor.

Perspectives d’avenir et innovations

Le marché de l’énergie solaire thermique est en constante évolution, et les innovations technologiques contribuent à améliorer l’efficacité et la rentabilité de cette source d’énergie renouvelable. Parmi les développements futurs et les innovations en cours, on peut citer :

• L’amélioration des matériaux et des techniques de fabrication des capteurs solaires thermiques, qui permettra d’augmenter leur rendement et de réduire leurs coûts de production.
• Le développement de nouveaux systèmes de stockage de l’énergie thermique, comme les matériaux à changement de phase, qui offrent une meilleure densité énergétique et une plus grande capacité de stockage.
• L’intégration de l’énergie solaire thermique avec d’autres technologies renouvelables, comme la géothermie ou l’énergie éolienne, pour créer des systèmes énergétiques hybrides plus efficaces et fiables.
• L’expansion des centrales solaires thermiques à grande échelle pour la production d’électricité, en particulier dans les régions à fort ensoleillement, comme le sud de l’Europe, le Moyen-Orient ou l’Afrique du Nord.

Le développement du solaire thermique dans le monde

oici quelques-uns des principaux pays utilisant l’énergie solaire thermique et les centrales les plus importantes dans ces pays :