État des lieux de la centrale solaire

publié le 23/04/2021 | mis à jour le 15/06/2023 | par Julien Reynaud

Les centrales solaires photovoltaïques

La production d’électricité d’origine photovoltaïque, longtemps demeurée marginale à une échelle industrielle, a pris ces dernières années une nouvelle envergure. Depuis la construction à Hesperia, en Californie, du premier parc solaire photovoltaïque en 1982, le nombre de centrales solaires photovoltaïques est d’abord resté insignifiant avant de suivre une courbe exponentielle à partir du milieu des années 2000. Deux raisons principales peuvent expliquer ce changement de tendance :

• la demande croissante en énergie renouvelable ;
• la chute vertigineuse du prix des panneaux photovoltaïques (passé de 24 €/Watt-crête (Wc) en 1980 à moins de 1 € en 2012).

Au niveau mondial, le solaire photovoltaïque connaît chaque année une croissance supérieure à 10 %. En 2019, près de 115 GWc de panneaux photovoltaïques ont été installés sur la planète, l’immense majorité pour assembler de grandes centrales solaires. C’est 12 % de plus qu’en 2018. Fin 2019, la puissance totale installée dans le monde représentait près de 627 GWc et produirait près de 3 % de l’électricité mondiale d’après une estimation de l’Agence internationale de l’énergie (AIE).

À titre de comparaison, un réacteur nucléaire affiche une puissance moyenne de 1 GW, mais comme il produit de l’électricité 24 h/24, son facteur de charge, c’est-à-dire sa production effective d’électricité, est 4 à 5 fois plus élevée que son équivalent en panneaux photovoltaïques qui ne fonctionnent à plein régime qu’en milieu de journée, lorsque le soleil est au plus haut dans le ciel.

Principe de fonctionnement d’une centrale solaire photovoltaïque

Une centrale photovoltaïque produit de l’électricité en captant l’énergie lumineuse du soleil. Le rayonnement solaire y est transformé en courant continu par les cellules photovoltaïques, fabriquées en silicium le plus souvent, qui sont montées en série sur des panneaux. Le courant continu ainsi produit est ensuite transformé en courant alternatif par un onduleur afin de pouvoir être injecté dans le réseau de distribution de l’électricité puis être utilisé par le consommateur final.

La cellule photovoltaïque est le composant électronique de base d’une centrale solaire photovoltaïque. Elle est composée d’une couche d’un matériau semi-conducteur qui libère des électrons en étant percuté par les rayons du solaire. C’est ce phénomène qui est à l’origine de la production d’électricité. Le semi-conducteur le plus utilisé est le silicium polycristallin ou monocristallin. D’autres matériaux peuvent être employés, comme le tellurure de cadmium, mais sont beaucoup moins fréquents.

La plupart des centrales solaires photovoltaïques, dites « à champs libres », consistent en un assemblage de panneaux photovoltaïques directement montés au sol et qui peuvent être :

• soit installés sur un support fixe (à même le sol ou sur une toiture pour les installations domestiques) ;
• soit installés sur un tracker solaire.

La multiplication des centrales photovoltaïques

Le nombre et la puissance des centrales photovoltaïques ont connu une croissance exponentielle ces dernières années. On en construit partout, aussi bien dans les régions septentrionales que sous les tropiques. À la fin des années 2000, les pays pionniers, comme l’Espagne ou l’Allemagne, comptaient tout au plus quelques dizaines de centrales solaires photovoltaïques de plus de 10 MWc, une puissance encore relativement modeste comparée à celle des centrales nucléaires par exemple.

Aujourd’hui, la Chine, les États-Unis ou l’Inde sont passés à la vitesse supérieure en faisant sortir de terre des centrales solaires photovoltaïques affichant des puissances atteignant plusieurs centaines de MWc. La plus grande de toutes, mise en service en Inde en décembre 2020, à Bhadla, couvre près de 50 km², la moitié de la superficie de Paris, et atteint une puissance record de 2 245 MWc, l’équivalent d’une petite centrale nucléaire.

Les limites des centrales solaires photovoltaïques

Malgré la construction de nombreuses centrales photovoltaïques chaque année, la part du solaire photovoltaïque dans le mix énergétique mondial demeure extrêmement faible, comme l’attestent les chiffres rapportés dans le tableau ci-dessous détaillant la production mondiale d’énergie en 2019 estimée au total à 584,9 exajoules d’après une étude menée par la société BP.

Pourtant l’énergie photovoltaïque disponible est en théorie inépuisable, contrairement par exemple à l’hydroélectricité qui a déjà quasiment atteint son potentiel maximum. On estime qu’il faudrait couvrir à peine 1 % du territoire français de panneaux solaires pour couvrir tous les besoins en énergie du pays. Dans un contexte où le recours aux énergies fossiles est de plus en plus controversé, quelles sont les raisons qui empêchent donc l’énergie photovoltaïque de se développer encore plus rapidement ?

Le coût financier et environnemental des matières premières

Si l’énergie du soleil est a priori gratuite, la fabrication des cellules photovoltaïques permettant de la transformer en énergie électrique coûte encore très cher malgré les progrès importants réalisés dans ce domaine. La production d’un kWh d’origine photovoltaïque coûte encore en moyenne de 2 à 3 fois plus cher qu’un kWh d’origine nucléaire et jusqu’à 4 fois plus cher qu’un kWh issu du charbon.

Ce manque de compétitivité est dû essentiellement au coût et à la complexité de fabrication du silicium qui nécessite l’utilisation de produits chimiques dont l’impact environnemental est également problématique. Des recherches récentes portant sur le recours à d’autres types de semi-conducteurs pourraient toutefois améliorer la compétitivité du solaire photovoltaïque dans un avenir proche.

Les performances intermittentes du photovoltaïque

Contrairement à une centrale conventionnelle, une centrale photovoltaïque produit de l’électricité seulement quelques heures par jour, surtout en milieu de journée. Un réseau électrique fonctionnant 24 h/24 ne peut donc uniquement dépendre du solaire photovoltaïque pour ses approvisionnements, à moins éventuellement de parvenir à stocker une partie de l’électricité produite en journée pour la restituer la nuit.

Or, il n’existe à ce jour qu’une seule manière de stocker efficacement de grandes quantités d’électricité : les batteries lithium-ion, les mêmes qui font rouler les voitures électriques. Néanmoins, leur coût, aussi bien financier qu’environnemental, et leur faible longévité ne permettent pas d’en faire une réponse à grande échelle au problème de l’intermittence de l’énergie solaire photovoltaïque.

En l’état actuel des connaissances, les centrales solaires photovoltaïques ne peuvent s’envisager que comme une source complémentaire d’approvisionnement en électricité en parallèle des autres sources d’énergie, à la fois renouvelables et conventionnelles.

Le volant solaire VOSS : une réponse au problème du stockage de l’énergie solaire ?

Pour tenter de résoudre la question de l’intermittence de l’énergie photovoltaïque, la société française Energiestro a développé un prototype de volant de stockage solaire à inertie, le VOSS. L’idée est simple : en journée, l’électricité produite par les panneaux d’une centrale solaire photovoltaïque met en mouvement un cylindre en béton qui accumule peu à peu de l’énergie cinétique. La nuit, le système s’inverse. L’énergie cinétique est retransformée en énergie électrique via un alternateur.

Bien que prometteuse sur le papier, cette innovation peine pourtant à trouver des débouchés industriels. Ses dimensions sont en effet difficilement compatibles avec un déploiement massif. Le problème du stockage de l’électricité d’origine photovoltaïque demeure entier.

Les centrales solaires thermodynamiques

Les centrales solaires thermodynamiques exploitent la chaleur du rayonnement solaire pour produire de l’électricité. Si d’aspect elles peuvent ressembler à des centrales solaires photovoltaïques, leur fonctionnement n’a pourtant rien à voir.

Dans une centrale solaire thermodynamique, l’énergie du soleil est captée par des miroirs appelés héliostats qui permettent de la concentrer pour chauffer un fluide. Porté à haute température, ce fluide caloporteur, de l’eau le plus souvent ou bien des sels fondus (des sels en phase liquide), permet de produire de la vapeur via un échangeur de chaleur qui fait ensuite tourner une turbine produisant de l’électricité.

Il existe à ce jour trois grands types de centrales solaires thermodynamiques :

• la centrale à capteurs cylindro-paraboliques : des miroirs paraboliques concentrent la chaleur du soleil et la transmettent à des tubes creux dans lesquels un liquide caloporteur est chauffé à haute température. Un échangeur de chaleur permet ensuite à ce liquide primaire de transformer de l’eau en vapeur pour faire tourner des turbines et produire de l’électricité grâce à un alternateur ;
• la centrale à tour : au lieu de chauffer un liquide caloporteur sous chaque miroir, ce système concentre l’énergie du soleil sur un seul point situé au sommet d’une tour qui domine toute l’installation. Ce type de centrale évite les déperditions de chaleur en rapprochant le liquide caloporteur du système de production mais nécessite que les miroirs pivotent sur leur axe tout au long de la journée pour rediriger correctement les rayons du soleil vers la tour ;
• la centrale solaire à miroir de Fresnel : ce type de centrale est constitué de petits miroirs rectangulaires qui pivotent sur eux-mêmes pour rediriger les rayons du soleil vers un miroir secondaire situé juste au-dessus d’eux. Ce second miroir permet de chauffer directement un liquide caloporteur, des sels fondus en général, qui est ensuite acheminé vers une chaudière afin de produire la vapeur d’eau qui entraîne le générateur d’électricité.

Notez qu’aucune de ces technologies ne trouve à ce jour d’application domestique. Le solaire thermodynamique concerne à ce jour uniquement de grandes installations de production d’électricité directement reliées au réseau de transport de l’électricité.

Principe de fonctionnement du solaire thermodynamique

Quelle que soit la technique employée pour capter l’énergie du soleil, une centrale thermodynamique est toujours constituée de 4 éléments principaux :

• les miroirs qui captent et concentrent l’énergie thermique du soleil ;
• la chaudière qui permet au liquide caloporteur de transformer de l’eau en vapeur sous pression via un échangeur de chaleur ;
• les turbines qui permettent de faire fonctionner un générateur ;
• l’alternateur qui transforme l’énergie cinétique des turbines en courant continu.

Ce système de production d’électricité est un système dit thermodynamique, le même qui est utilisé pour produire de l’électricité dans une centrale nucléaire, les déchets radioactifs en moins.

En concentrant le rayonnement solaire, les miroirs d’une centrale thermodynamique peuvent générer des températures très élevées, jusqu’à plus de 1 000 °C pour les centrales à tour, leur conférant une certaine inertie. En conservant le liquide caloporteur à haute température pendant quelques heures, une centrale thermodynamique peut produire de l’électricité même après le coucher du soleil.

Une source d’énergie encore confidentielle

Sur le papier, les centrales thermodynamiques semblent présenter de nombreux avantages : elles utilisent une source d’énergie renouvelable et contrairement aux centrales photovoltaïques elles peuvent continuer à fonctionner la nuit, résolvant le problème de l’intermittence de l’énergie solaire.

Pourtant, en 2019, la puissance installée au niveau mondial dépassait à peine 6,2 GWc, soit plus de 100 fois moins que celle des centrales solaires photovoltaïques.

Il existe quatre principales raisons à cela, à savoir :

• l’ensoleillement nécessaire. Pour être rentables, les centrales solaires thermodynamiques ont besoin de beaucoup de soleil, ce qui limite leur installation aux régions proches de l’équateur ;
• la durée de vie limitée des héliostats. Soumis à d’importantes contraintes thermiques, les miroirs des centrales thermodynamiques sont fragiles et se dégradent rapidement en perdant en productivité au fil du temps ;
• des capacités de stockages toutes relatives. La possibilité de stocker la chaleur pour produire de l’électricité la nuit présente l’inconvénient de faire baisser la productivité d’une centrale solaire thermodynamique le jour ;
• le coût de fabrication élevé des centrales. La construction d’une centrale thermodynamique solaire et sa maintenance coûtent cher et les matériaux utilisés pour la conception des miroirs sont rares et présentent un mauvais bilan environnemental.

Pour toutes ces raisons, et malgré une progression annuelle conséquente, le solaire thermodynamique demeure confidentiel et réservé aux pays recevant un bon ensoleillement, comme les États-Unis ou L’Espagne notamment. C’est d’ailleurs une différence importante avec le solaire photovoltaïque qui conserve de bonnes capacités même sous des latitudes peu clémentes.

Des perspectives encourageantes pour le futur

Selon l’Agence internationale de l’énergie, le solaire thermodynamique devrait malgré tout continuer à progresser pour atteindre jusqu’à 11 % de la production mondiale d’électricité d’ici une trentaine d’années. La baisse des coûts de production et l’amélioration des capacités de stockage devraient lui permettre de gagner en compétitivité dans les régions profitant d’un bon ensoleillement, en Afrique notamment, un continent très prometteur pour le développement de cette technologie.

Pour le moment, le coût du kWh d’origine thermodynamique demeure plus élevé que celui du kWh d’origine photovoltaïque. En théorie, le solaire thermodynamique offre néanmoins davantage de débouchés potentiels que le photovoltaïque. En plus de permettre de stocker l’énergie du soleil pour la restituer la nuit, il peut également produire de la chaleur utilisée à des fins industrielles ou de chauffage. Il peut également servir à produire de l’hydrogène ou à dessaler de l’eau de mer.

Les centrales solaires thermiques

Contrairement aux centrales photovoltaïques et aux centrales thermodynamiques, les centrales thermiques utilisent l’énergie du soleil pour produire de la chaleur alimentant un système de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire. La chaleur produite atteint des températures beaucoup moins élevées que dans une centrale thermodynamique car il ne s’agit pas ici de produire de la vapeur pour faire tourner des turbines.

Principe de fonctionnement du solaire thermique

Une centrale thermique est constituée de panneaux solaires qui captent la chaleur du rayonnement solaire pour chauffer un fluide caloporteur. Ce fluide permet ensuite de chauffer de l’eau chaude sanitaire via un échangeur de chaleur ou être utilisé pour alimenter un système de chauffage central.

Hormis leur couleur noire, les panneaux solaires thermiques ressemblent à s’y méprendre aux panneaux solaires photovoltaïques. Pourtant, ils n’ont rien à voir. On distingue trois types de panneaux solaires thermiques :

• les capteurs solaires à plans vitrés : composé d’une simple vitre teintée en noir, ils captent la chaleur puis la restituent directement au fluide caloporteur placé sous le panneau. Ce sont les capteurs les plus courants ;
• les capteurs non-vitrés : composés de tubes en plastique noir peu coûteux à l’intérieur desquels circule le fluide primaire à chauffer, ils ne permettent pas d’atteindre des températures très élevées (30 °C au mieux) ;
• les capteurs à tubes sous vides : ce type de panneaux utilise le même principe que les capteurs non-vitrés mais les tubes sont composés de cuivre et sont vides d’air pour améliorer les échanges de chaleur avec le fluide caloporteur.

Avec un rendement supérieur à 80 %, les performances du solaire thermique sont assez intéressantes. La plus grande partie de l’énergie captée peut être restituée sous forme d’eau chaude, à condition que les conduits transportant le fluide caloporteur soient correctement isolés et que la distance entre les capteurs solaires et le lieu de consommation ne soit pas trop importante.

Un usage essentiellement domestique

Le solaire thermique est principalement destiné à un usage domestique. L’installation est composée de quelques capteurs positionnés sur la toiture occupant une superficie de 2 à 4 m² le plus souvent.

Aussi appelés chauffe-eau solaires, ces systèmes permettent de couvrir l’essentiel des besoins en eau chaude d’un foyer. Ils doivent cependant être complétés d’un autre système de production d’eau chaude, fonctionnant à l’électricité par exemple, pour prendre le relais des panneaux thermiques quand le soleil se fait discret plusieurs jours d’affilée.

Les centrales thermiques de chauffage collectif solaire

Le solaire thermique est également utilisé pour faire fonctionner de grandes centrales destinées à alimenter un réseau de chauffage collectif, à l’échelle d’un quartier ou d’une petite ville. Ce type de centrale thermique, aussi appelée centrale solaire thermique à basse température, utilise le même principe que les chauffe-eau solaires domestiques mais à une échelle beaucoup plus importante.

Comme c’est le cas pour la majorité des installations domestiques, les centrales de chauffage solaire utilisent principalement des capteurs solaires à plans vitrés. L’eau chaude produite est ensuite :

• soit distribuée directement aux habitations via un réseau de chaleur ;
• soit stockée dans des réservoirs souterrains pour être utilisée plus tard.

La plus grande centrale solaire thermique au monde se trouve au Danemark et couvre une superficie de 156 694 m². Ce type d’installation destiné à un usage collectif demeure cependant très marginal et représente moins de 1 % du marché mondial du solaire thermique.

La faible compétitivité du solaire thermique collectif par rapport à d’autres systèmes de production de chaleur, comme les centrales à biomasse ou les centrales d’incinération, empêche un développement de cette technologie à grande échelle. Le solaire thermique demeure très majoritairement une technologie à usage domestique.

Les centrales solaires hybrides

Les centrales solaires hybrides actuellement en service sont des centrales de production d’électricité qui combinent une unité de production solaire et une unité de production thermique conventionnelle (au charbon, au gaz ou au pétrole). Ce type de centrale permet de résoudre le problème de l’intermittence de l’énergie solaire. Lorsque les panneaux produisent moins, ou plus du tout pendant la nuit, l’unité de production thermique prend le relais pour assurer une production continue d’électricité.

Une solution intéressante pour les zones isolées

En résolvant le problème de l’intermittence de l’énergie solaire, les centrales solaires hybrides permettent d’alimenter un réseau d’électricité autonome avec une part d’énergie renouvelable sans craindre de coupure de courant. Ce type d’installation commence à se multiplier dans les zones isolées non raccordées à d’importants réseaux d’électricité pouvant supporter les variations importantes de consommation, comme c’est souvent le cas en Afrique subsaharienne notamment.

Au Cameroun, par exemple, la ville de Djoum a inauguré en décembre 2017 une centrale solaire hybride couplant une ancienne installation fonctionnant au diesel avec la pose de panneaux solaires photovoltaïques. Ce système permet d’absorber les pics de consommation en journée et d’éviter les pannes de courant tout en réduisant la consommation de diesel de l’ensemble de l’installation.

L’hybridation solaire/thermique : un outil de la transition énergétique

Plus proche de nous, en France notamment, l’hybridation est envisagée pour reconvertir d’anciennes centrales thermiques et amortir leur empreinte environnementale en leur adjoignant une unité de production solaire photovoltaïque. Ce modèle d’hybridation pourrait permettre de décarboner en douceur la production nationale d’électricité sans fermer les centrales thermiques de but en blanc.

Néanmoins, le bilan énergétique de ce type d’hybridation n’est pas tout à fait satisfaisant car il continue à utiliser des combustibles fossiles. Son intérêt est essentiellement de pouvoir maintenir en place des sites industriels et les emplois qui y sont attachés tout en réduisant leur impact environnemental.

Les centrales solaires hybrides photovoltaïque / thermodynamique

EDF doit mettre en service en 2022 au Maroc, à Midelt, une centrale solaire qui combinera photovoltaïque et thermodynamique, une première mondiale.

En associant ces deux façons de produire de l’électricité à partir de l’énergie du soleil, cette centrale d’un nouveau genre disposera d’un meilleur rendement et pourra continuer à produire de l’électricité jusqu’à 5 heures après le coucher du soleil. Ce mode d’hybridation, totalement renouvelable pour le coup, constitue peut-être le futur des centrales électriques solaires.

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