Ces dernières années, la recherche dans l’industrie solaire thermique s’est principalement concentrée sur deux domaines : l’amélioration de l’efficacité optique grâce à l’utilisation de systèmes de suivi ; l’utilisation de fluides caloporteurs aux propriétés thermophysiques améliorées.
La consommation mondiale d’énergie au cours des 20 dernières années a été très importante et la tendance continue de croître principalement en raison de l’augmentation de la population mondiale. Bien que la demande d’énergie électrique représente une contribution de la plus haute importance, la demande d’énergie thermique ne doit pas être négligée, surtout dans des secteurs comme le civil et l’industriel.
Selon l’AIE, la production d’énergie thermique représente aujourd’hui environ 50 % de la consommation finale d’énergie dans le monde. Par exemple, en 2011, la demande d’énergie thermique pour l’industrie, les bâtiments et d’autres secteurs a atteint 172 EJ, dont 75 % au moins ont été satisfaits par des combustibles fossiles, ce qui a entraîné l’émission d’environ 10 milliards de tonnes d’équivalent CO2 en un an. Il est donc évident que cette importante demande d’énergie thermique doit être satisfaite autant que possible par l’utilisation de sources renouvelables.
Une source d’énergie illimitée avec le solaire
Comme on le sait, l’énergie solaire est la source d’énergie la plus abondante sur Terre. Outre la conversion en énergie renouvelable électrique possible grâce aux technologies photovoltaïques, l’énergie solaire peut être transférée sous forme de chaleur pour satisfaire divers usages : production d’eau chaude sanitaire, chauffage et refroidissement des locaux (ce dernier possible grâce à l’utilisation de cycles de réfrigération par absorption), processus industriels (production de vapeur technologique, pasteurisation, séchage, etc.), conversion en énergie électrique, mais aussi cuisson des aliments.
En ce qui concerne l’usage résidentiel, il convient de noter que l’énergie thermique produite par le solaire a connu une croissance rapide ces dernières années (croissance annuelle de 12% de 2000 à 2011). En revanche, la conversion en énergie électrique, pour garantir de bons rendements de conversion, nécessite des collecteurs capables d’atteindre des températures assez élevées, de l’ordre de 400 °C.
Une opportunité pour les pays en développement
Les centrales de ce type sont essentiellement basées sur les cycles de vapeur de Rankine où le générateur de vapeur traditionnel alimenté par des combustibles fossiles est remplacé (ou du moins intégré) par un système de capteurs solaires. En ce qui concerne la cuisson des aliments, ce mode présente un intérêt considérable, notamment pour les pays en développement, où le bois est généralement utilisé comme source principale pour la cuisine, avec toutes les conséquences que cela entraîne (déforestation, émissions dues à la combustion, maladies oculaires et pulmonaires, etc.)
Il convient de noter que dans la plupart des pays en développement, le rayonnement solaire est disponible en abondance tout au long de l’année (une moyenne journalière d’environ 5-7 kWh/m2), ce qui représente une opportunité à ne pas sous-estimer pour les pays qui connaissent de plus grandes difficultés sociales et économiques.
La conversion de l’énergie solaire en énergie thermique nécessite l’utilisation de systèmes capables de permettre un transfert de chaleur. Ces dispositifs sont appelés capteurs solaires thermiques. Leur principe de fonctionnement est bien connu : une surface noire est exposée au rayonnement solaire, de sorte qu’elle peut accumuler de l’énergie thermique et augmenter sa température. Une partie de cette énergie est ensuite transférée sous forme de chaleur à un fluide caloporteur, généralement de l’eau ou de l’air. Les capteurs solaires peuvent être classés en deux groupes : les capteurs stationnaires et les capteurs à concentration.
Capteur solaire à concentration et stationnaires
La différence entre les deux types réside dans le fait que dans le premier, la zone de capture du rayonnement solaire coïncide avec la zone d’absorption, tandis que dans le second, la zone de capture peut être considérablement plus grande que la zone d’absorption, car on utilise des surfaces réfléchissantes ou réfringentes qui interceptent et concentrent le rayonnement solaire sur une zone d’absorption plus petite.
Comme on peut le deviner à partir de la définition, les capteurs stationnaires restent fixes dans le temps dans une certaine position, tandis que les capteurs à concentration sont capables de suivre le Soleil dans son mouvement relatif par rapport à la Terre, grâce à des systèmes de poursuite particuliers, mono-axiaux ou bi-axiaux. Le suivi peut être effectué manuellement, en corrigeant l’orientation du collecteur une ou deux fois par jour, ou automatiquement, à l’aide de systèmes de manipulation dédiés. Les systèmes de suivi automatique permettent d’obtenir des rendements optiques plus élevés, mais ils sont plus coûteux et plus sujets à des dysfonctionnements.
