Solaire thermodynamique : LA solution pour l'énergie propre?

Face aux menaces qui pèsent sur les approvisionnements en pétrole, gaz et charbon des pays industrialisés, l'indépendance énergétique est devenue un enjeu géo-stratégique majeure. C'est cette nouvelle donne politique qui pousse nos dirigeants à soutenir les énergies dites renouvelables, qui ont outre leur moindre impact environnementale la particularité appréciable d'être des sources locales (comprendre nationales) d'énergie.
L'énergie solaire (dont le solaire thermodynamique), les biocarburants, le biogaz,le bois, l'énergie hydraulique et éolienne ont un point commun :  le soleil. En effet, ces énergies ont toutes pour origine l'énergie de notre étoile de manière directe comme pour le solaire thermodynamique ou photovoltaïque ou indirecte comme l'énergie hydraulique. Les énergies hydrauliques et éoliennes sont le fruit de la circulation atmosphérique induite par le rayonnement solaire (mouvement de convection) et de l'évaporation des océans.
Quant aux biocarburants, biogaz et bois, ils tirent leur énergie de la photosynthèse c'est à dire du rayonnement solaire.

Le soleil constitu de très loin la principale source d'énergie du "système terre". La seconde source est l'énergie interne de la terre provenant de la décomposition radioactive naturelle, cette source est de l'ordre de 10 000 fois moins importante (1). L'énergie hydraulique est une méthode efficace d'exploiter de manière indirecte l'énergie solaire car la nature travaille pour nous. En effet, le ruissellement de l'eau générant les fleuves a pour effet de concentrer l'énergie la rendant plus facile à exploiter. Malheureusement, les gisements hydrauliques sont déjà exploités dans les pays industrialisés. L'énergie éolienne ne bénéficie pas de cette forte concentration naturelle, le gisement naturelle est beaucoup plus diffus et seule une petite fraction de l'énergie incidente est exploitée. Alors pourquoi ne pas exploiter l'énergie solaire de manière directe? Quand on parle d'énergie solaire on pense souvent aux panneaux photovoltaïques qui restent encore très coûteux (50Ct/Kwh (2)). Il existe d'autres techniques. Le solaire thermique où l'on utilise directement la chaleur solaire pour chauffer une maison ou pour l'eau chaude sanitaire.

Une autre méthode consiste à produire de l'électricité à partir de cette chaleur comme le font les centrales thermiques classiques, c'est ce qu'on appelle l'énergie solaire thermodynamique. L'efficacité d'une centrale thermique dépend de la différence de température entre la source froide et la source chaude. Pour obtenir de bon rendements, il faut donc disposer d'une source chaude à haute température. Pour cela, il faut concentrer le rayonnement solaire à l'aide de miroirs pour chauffer un fluide caloporteur (comme de l'eau). Deux techniques existent, celle de la centrale à tour avec héliostats et celle des concentrateurs cynlindro-parabolique. Le fluide caloporteur permet ensuite de produire de la vapeur d'eau pour faire tourner des turbines électriques. C'est le système utilisé par les centrales dites à concentration solaire ou CCS. L'avantage de ce type de système c'est que l'énergie est alors stockable sous forme de chaleur dans de vastes cuves contenant le fluide caloporteur. Ce stockage permet aux centrales de produire de l'électricité en permanence y compris la nuit. On peut aussi utiliser la chaleur en cogénération pour dessaler de l'eau de mer. Le coût (en euro) du Kwh est fortement réduit par rapport au solaire photovoltaïque (15ct/Kwh) pour les modèles pré-commerciaux actuels (3). Ce coût devrait chuter vers les 8ct/Kwh avec des centrales de grandes dimension et pouvoir avoisiner les 3-4ct/Kwh pour une utilisation massive (4). Cette énergie est donc potentiellement compétitive par rapport aux centrales à charbon et à gaz et même aux centrales nucléaires et hydrauliques (3). Cette technique a néanmoins une contrainte importante c'est qu'elle nécessite un rayonnement solaire direct, elle n'est donc rentable que dans les zones très ensoleillées. Ci-dessous la carte du monde présentant les régions du monde où cette technique est rentable.




Le transport de l'électricité peut se faire via des lignes HTDC pour alimenter les zones éloignées des sources comme l'Europe du nord. Pour nous faire une meilleure idée du potentiel de cette énergie, calculons la surface nécessaire pour produire la consommation mondiale d'électricité. Nous disposons des chiffres suivants :

Production mondiale d'électricité : 19 000Twh (1Twh = 10^12Wh) (5)
Rendement Net annuel sur toute la surface de la centrale : 14% (3)
Energie solaire en zone ensoleillée : 250W/m^2 (2)

Rapportons la production mondiale à une puissance moyenne :

19 * 10^15 /(365*24) = 2168 Gw

Quelle surface en m^2 de centrale solaire?

2168 * 10^9 /(250*0.14) = 62 * 10^9 m^2 Soit 62 000 Km^2 ce qui correspond à un carré de 250km de côté.

Rapporté à la surface terrestre (S = 4PiR^2) cela représente : (4*3,1416*6380*6380)/62000 = 0,012% de la surface de la terre. On comprend donc que le potentiel est largement suffisant pour subvenir à nos besoins. Ce qu'il faut voir c'est que ces centrales n'utilisent que des matériaux nobles : cuivre, bauxite, acier (4).

Le solaire thermodynamique à concentration se place aujourd'hui comme l'énergie renouvelable la plus crédible pour une production de masse d'électricité. Son potentiel est énorme, son coût réduit. Son exploitation se ferait pour l'essentiel en zone désertique et semi-désertique n'entrant ainsi pas en concurrence avec les sols agricoles. Et même plus, puisque la désalinisation de l'eau permettrais l'irrigation de nouvelles surfaces agricoles à proximité de la mer dans les zones désertiques. J'ajouterais que je ne suis pas le seul de cet avis, en effet, la commission européenne, la DLR allemande, le CIEMAT espagnol, le CNRS, Larry Page et Sergey Brin (fondateurs de google), Vinod Khosla (cofondateur de sun microsystem) et la banque mondiale adoptent ce type de position (11).
A titre d'illustration le projet DESERTEC qui projette la construction au total d'une capacité de production de 500GW répartie sur le pourtour méditerranéen, au maroc et dans le golf Persique. Ce projet ayant pour objectif de couvrir les besoins en eau et en électricité de tous ces pays ainsi que de fournir jusqu'à 60% des besoins européens en électricité (6). Plus concrètement, de nouvelles centrales de grande dimensions sont construites aux USA, les projets se multiplient en Espagne au Quatar, en Inde, en Chine, en Israel (7)(8). L'administration Obama souhaite développer massivement cette énergie (9).
Il faut noter que la totalité des besoins américains pourrait être couverts à un prix de reviens équivalent au prix actuel (10). Actuellement, les projets commencent à se multiplier. Environ 1GW sont en fonctionnement aux USA et 4GW en projet. Les projections estiment à 1,2GW par an la cadence de construction dès 2011 aux USA avant de poursuivre sa progression (9). Les premières centrales construites en Californie sont d'ailleurs visibles sur google map.

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Références :

(1) Flux géothermique

(2) Solaire photovoltaïque et carte d'insolation

(3) Solaire à concentration et perspective (gouvernement français)

(4) Prix de reviens à grande échelle

(5) Production mondiale d'électricité (AIE)

(6) DESERTEC

(7) Exemple d'un projet CSP

(8) Lien sur le Site Objectif Terre
(Vous y trouverez des articles sur chaque projet et beaucoup d'autres informations)
(9) Obama, les USA et le solaire concentré

(10) Etude sur le Solaire concentré aux USA

(11) Réponse de TREC à Science et vie