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Comme vous le savez sûrement déjà, il existe différentes méthodes pour transformer la lumière du soleil en énergie exploitable. On peut ainsi créer de l’électricité avec les panneaux photovoltaïques, de la chaleur avec les modules thermiques et les deux avec les panneaux hybrides. Mais connaissez-vous le solaire thermique à concentration ? Et, plus intéressant encore, avez-vous entendu parler du solaire photovoltaïque à concentration ?
Dans cet article complet, nous allons voir ensemble tout ce qu’il faut savoir sur le panneau solaire à concentration : fonctionnement, avantages par rapport au photovoltaïque, limites, rentabilité, vous saurez tout !
Panneau solaire à concentration : en bref
- Il existe 2 technologies solaires à concentration : le panneau photovoltaïque à concentration, et les centrales solaires thermiques à concentration
- Le solaire à concentration demande un taux d’ensoleillement très important, qui rend son fonctionnement presque impossible en France métropolitaine (sauf dans une petite zone des Pyrénées-Orientales)
- Leur coût d’installation et d’entretien est très élevé
- L’utilisation du solaire à concentration est réservée aux centrales professionnelles à très grande échelle
- Le photovoltaïque classique reste aujourd’hui bien plus rentable en France que le photovoltaïque à concentration
Qu’est-ce qu’un panneau solaire à concentration ?
Définition d’un panneau solaire à concentration
Un panneau solaire à concentration est composé de cellules photovoltaïques à haut rendement composées d’un empilement de 3 jonctions p-n. Pour simplifier grossièrement, c’est dans ces jonctions que se crée le mouvement des électrons qui aboutit à la création d’un courant électrique à partir de la captation de la lumière.
Contrairement aux cellules classiques en silicium, ces cellules haute performance associent différents semi-conducteurs, notamment de l’arséniure de gallium et ses alliages dérivés. Ces matériaux offrent une absorption de la lumière solaire sur un spectre beaucoup plus large que le silicium.
Pour tirer pleinement profit de ces cellules haut rendement, un panneau solaire à concentration est couplé à des miroirs qui permettent de concentrer la lumière afin de l’amplifier (d’où le nom de « panneau à concentration »). Voyons cela d’un peu plus près.
Fonctionnement d’un panneau solaire à concentration
Un panneau solaire à concentration, également appelé panneau CSP (pour Concentrated Solar Power), fonctionne en quelque sorte sur le même principe qu’une loupe utilisée pour démarrer un feu.
La loupe permet de concentrer l’énergie contenue dans la lumière du soleil en un point précis, qui génère alors une forte chaleur. Or, une forte concentration de chaleur n’est rien d’autre qu’une forte concentration d’énergie, qui peut être utilisée pour autre chose que créer une flamme !
Une centrale solaire à concentration fonctionne de la même façon, mais à bien plus grande échelle. Elle est équipée de nombreux miroirs orientables appelés héliostats. Leur rôle est de concentrer une quantité très importante de lumière solaire en un point précis, sur lequel est placée une cellule solaire à haute performance. Conçue pour traiter une forte quantité d’énergie, cette cellule permet de générer une importante production d’électricité.
Différence entre module photovoltaïque classique, panneau photovoltaïque à concentration et centrale solaire thermique à concentration
Avant de voir les différences entre ces trois technologies solaires, parlons de leur point commun : il s’agit de méthodes de production d’électricité à partir de l’énergie contenue dans la lumière du soleil. Mais les techniques utilisées pour atteindre ce but sont bel et bien différentes. Examinons cela plus en détail.
Panneaux solaires à concentration
Nous ne reviendrons pas sur le fonctionnement du panneau solaire à concentration, puisque nous l’avons déjà décrit précédemment. Retenons simplement qu’il s’agit d’un module constitué de cellules à très haut rendement composées d’une association de différents matériaux semi-conducteurs, associé à des miroirs permettant de concentrer l’énergie solaire en un point précis.
Centrales solaires thermiques à concentration
Qu’est-ce qu’une centrale solaire thermique à concentration ?
Une centrale solaire thermique à concentration, également appelée centrale solaire thermodynamique ou héliodynamique, est un système de production d’électricité basé sur le même principe que le panneau solaire à concentration : la centralisation de la lumière solaire en un point précis à l’aide de miroirs, qui génère une forte quantité d’énergie utilisable pour produire de l’électricité.
Notons qu’actuellement, ce principe est utilisé pour créer de grandes centrales électriques, pas des installations solaires domestiques.
Comment fonctionne une centrale solaire thermique à concentration ?
Un grand parc de miroirs reflète la lumière du soleil et la concentre cette fois non pas sur une cellule photovoltaïque, mais sur un récepteur thermique. La chaleur absorbée par ce récepteur, qui peut atteindre plusieurs centaines de degrés Celsius, est transmise à un fluide caloporteur (« qui transporte la chaleur ») sur le même principe qu’un circuit reliant des panneaux solaires thermiques domestiques à un chauffe-eau solaire.
Ce liquide, généralement composé d’eau salée ou d’huile synthétique, est envoyé vers un échangeur qui va créer de fortes quantités de vapeur d’eau. Cette dernière va alors servir à activer des turbines dont la mise en mouvement produit de l’électricité.
Panneaux solaires photovoltaïques
Tout comme le panneau photovoltaïque à concentration, le module photovoltaïque classique fonctionne grâce à l’effet photovoltaïque. Revenons rapidement sur ce point.
L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel. Ce dernier remarque qu’une fois mis en contact avec un matériau semi-conducteur (le silicium, par exemple), les photons présents dans la lumière génèrent un déplacement d’électrons qui produit un courant électrique.
Nous résumons ici grossièrement ce phénomène afin de simplifier notre propos. Mais, si vous souhaitez en savoir plus, nous le développons plus en profondeur dans notre guide complet du fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques. N’hésitez pas à aller y jeter un œil !
Pour résumer :
- Le solaire photovoltaïque classique utilise l’effet photovoltaïque pour créer de l’électricité à partir de la lumière soleil.
- Le solaire photovoltaïque à concentration amplifie ce procédé grâce à la concentration de la lumière sur une cellule photovoltaïque à haut rendement.
- Le solaire thermique à concentration fonctionne grâce à la concentration de lumière sur un récepteur thermique, qui génère ensuite de la vapeur d’eau permettant d’actionner des turbines dont le mouvement crée de l’électricité.
Différences d’application entre panneaux solaires à concentration et modules solaires photovoltaïques
Maintenant que nous avons rappelé le fonctionnement de chacune de ces trois méthodes de production d’électricité solaire, il est plus clair d’en comprendre la principale différence d’application :
- Le photovoltaïque traditionnel est applicable à tout type de parcs solaires, puisque la puissance développée dépend simplement du nombre de panneaux mis en place. Il convient donc aussi bien aux petites installations domestiques de quelques kilowatts-crête (kWc) qu’aux énormes fermes solaires professionnelles.
- Le solaire à concentration (photovoltaïque ou thermique) est quant à lui plutôt réservé aux centrales électriques de très grandes tailles, car il demande l’utilisation d’équipements conséquents : un nombre important de miroirs installés sur un système de tracking solaire coûteux (nous y reviendrons plus loin dans cet article), ainsi qu’un circuit de tuyauterie étendu et de grosses turbines pour les centrales thermiques à concentration.
Avantages des panneaux solaires à concentration
Un bon rendement énergétique grâce à la concentration de la lumière
Le fait de concentrer la lumière avant de l’envoyer vers un capteur photovoltaïque ou thermique permet d’amplifier fortement la quantité d’énergie solaire utilisée. Cela se répercute sur le rendement de ce type de technologie, qui est plus de deux fois supérieur à celui du photovoltaïque classique.
On peut cependant noter que, pour tirer pleinement profit de cette énergie solaire ultra-concentrée, la centrale doit être équipée d’un capteur photovoltaïque adapté : les cellules multicouches à haute performance que nous avons décrites plus tôt dans cet article.
La possibilité de continuer à produire de l’électricité après le coucher du soleil
Ce point ne concerne que le thermique à concentration, pas le photovoltaïque à concentration. Il présente cependant un avantage de poids qui mérite d’être exposé ici : la capacité de produire de l’électricité pendant plusieurs heures après le coucher du soleil.
Cette « production solaire nocturne » est possible grâce à l’inertie thermique du liquide caloporteur, qui reste à une température suffisamment haute pour produire de la vapeur d’eau (et donc de l’électricité via des turbines) pendant 3 à 8 heures après la tombée de la nuit.
Limites des panneaux solaires CSP
La dépendance à un fort ensoleillement
Pour exprimer pleinement son potentiel, la technologie solaire à concentration doit bénéficier d’un fort taux d’ensoleillement, au minimum de 2 000 kWh/m²/an. Cela limite grandement son utilisation sur le territoire français : elle ne serait rentable que dans les Régions d’Outre-mer, pas en France métropolitaine (sauf dans une zone très précise des Pyrénées-Orientales, autour de Cerdagne).
Les zones géographiques idéales pour le solaire à concentration sont plutôt les zones extrêmement ensoleillées comme le sud des États-Unis, la péninsule arabique ou encore les zones désertiques d’Afrique ou d’Australie. Le problème de ces régions est qu’elles ne disposent pas facilement des fortes quantités d’eau nécessaires au nettoyage des miroirs, qui doivent être immaculés pour réfléchir un maximum de lumière.
Ce dernier point remet d’ailleurs fortement en question la pertinence écologique de ce type de centrales électriques solaires.
Le coût élevé des équipements et de l’installation
Comme vous l’avez vu au fil de cet article, le solaire à concentration demande des équipements de pointe et une importante logistique :
- De nombreux miroirs
- Des turbines et un capteur thermique ultra performant dans le cadre des centrales thermodynamiques
- Des cellules haute performance associant plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs différents en ce qui concerne les panneaux photovoltaïques à concentration.
Le prix unitaire de ces technologies et la quantité d’équipement nécessaire imposent un coût d’achat et d’installation très élevé, qui réduit d’autant la rentabilité de ce type de projet. Celle-ci n’est en effet envisageable qu’à très long terme et pour des centrales à grande échelle.
A contrario, le photovoltaïque classique voit ses prix diminuer au fil des ans, aussi bien pour les petites installations domestiques que pour les énormes centrales professionnelles. Cette diminution des coûts s’accompagne d’une augmentation de son efficacité grâce à l’apparition d’innovations qui boostent ses performances (technologie bifaciale, TOPCon, PERC, etc.).
À NOTER
Pour être réellement opérationnels, les miroirs d’une installation solaire à concentration doivent être orientés en continu selon un angle précis permettant de capter un maximum de lumière solaire et de la renvoyer efficacement vers le capteur thermique ou photovoltaïque.
Cela impose donc de les équiper d’un système de tracking automatique coûteux assurant le suivi continu de la course du soleil.
Une maintenance complexe
Comme nous l’avons expliqué un peu plus tôt, il est crucial que la surface des miroirs soit toujours propre pour pouvoir renvoyer un maximum de lumière solaire et assurer un fonctionnement optimal de la centrale.
Cela demande un entretien constant et une quantité d’eau très importante, qui rend le nettoyage de ces infrastructures complexe et coûteux.
Coût et rentabilité des panneaux solaires à concentration
Comme nous venons de l’expliquer, les tarifs d’installation et d’entretien d’une installation solaire à concentration sont très élevés.
D’une part, ce type d’infrastructure demande l’installation de nombreux miroirs et d’équipements coûteux : dispositif de tracking solaire sur les miroirs, cellule photovoltaïque spécifique ou capteur thermique couplé à des turbines, etc.
D’autre part, une centrale à concentration impose un entretien constant de ses miroirs, ce qui implique un coût de maintenance très lourd.
Au-delà de ces contraintes financières liées à la mise en place et à la maintenance, un projet d’installation solaire à concentration impose par ailleurs les critères suivants :
- Un financement important permettant la mise en place d’une centrale de grande échelle
- Un très grand terrain offrant la possibilité de poser la centrale et de nombreux miroirs
- Un taux d’ensoleillement élevé (> 2 000 kWh/m²/an)
- Un accès facile à d’importantes quantités d’eau pour son entretien
La rentabilité du solaire à concentration est donc aujourd’hui bien plus faible que celle du photovoltaïque traditionnel, et n’est possible qu’au prix de contraintes élevées.
Quel avenir pour le solaire à concentration ?
Selon l’AIE (l’Agence Internationale de l’Énergie), le solaire à concentration pourrait représenter 11,3 % de la production mondiale d’électricité en 2050, soit plus de 5 000 TWh (térawattheures) par an.
Ce chiffre est cependant à remettre en perspective à l’échelle nationale : de par ses conditions d’ensoleillement, la France métropolitaine restera probablement très peu concernée par cette méthode de production d’électricité et continuera de privilégier d’autres procédés de production d’énergie renouvelable (le photovoltaïque classique, l’hydraulique et l’éolien).
Questions fréquentes sur le panneau solaire à concentration
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