Le discours sur les énergies renouvelables est souvent centré sur la production d’électricité. Pourtant, les panneaux solaires et éoliennes ne sont pas suffisamment performants pour produire l’énergie dont nous avons le plus besoin, à savoir la chaleur.

Une source d’énergie thermique renouvelable serait incontestablement utile à l’alimentation de processus industriels tels que la fabrication industrielle de produits chimiques, la fonte de métaux ou encore la production de puces électroniques. Utiliser l’énergie solaire en direct serait la solution. En effet, créer de nouvelles centrales d’énergie renouvelable à partir de sites préexistantes, posant ainsi les jalons d’une civilisation industrielle réellement durable.

il manque un élément à notre stratégie d’énergie durable: une source d’énergie thermique renouvelable

L’énergie utilisée dans le monde est principalement issue de la chaleur. L’énergie domestique, par exemple, est essentiellement centrée sur le chauffage de l’habitat, de l’eau et la cuisson. Au Royaume-Uni, ces activités représentent 85 % de la consommation d’énergie domestique, en Europe 89 % et aux États-Unis 61 % (sans compter la cuisine).

Mais le secteur industriel est, lui aussi, essentiellement basé sur l’énergie par la chaleur. Au Royaume-Uni, 76 % de l’énergie consommée est la chaleur. En Europe, cela représente 67 %. Je n’ai trouvé aucune donnée pour les États-Unis ou à l’échelle du monde, mais les chiffres doivent être similaires/comparables à ceux du Royaume-Uni et de l’Europe (probablement même supérieurs à l’échelle mondiale, car de nombreuses industries énergivores ont été délocalisées dans des pays en développement). Peu de choses sont fabriquées sans chaleur.

Les panneaux solaires et les éoliennes ne produisent pas d’énergie thermique

L’importance de la chaleur dans la consommation d’énergie totale contraste fortement avec nos efforts pour rendre l’infrastructure énergétique plus écologique. Deepl propose (et c’est pas bon): L’importance de la chaleur dans la consommation totale d’énergie contraste fortement avec nos efforts pour rendre l’infrastructure énergétique plus écologique. Il s’agit là de mettre en place une énergie renouvelable à l’aide d’éoliennes et de panneaux solaires. S’il est possible de transformer de l’énergie en chaleur, comme avec le chauffage électrique ou encore la cuisson électrique, cette solution est non productive.

On s’imagine souvent que la parité réseau, c.-à-d. une fois que le coût de l’énergie renouvelable sera similaire à celui de l’énergie fossile, règlera le problème. Mais pour rivaliser avec les combustibles fossiles, les énergies renouvelables doivent également atteindre la ‘parité thermique’.

Bien qu’aujourd’hui, dans certaines régions, utiliser des éoliennes ou des panneaux solaires pour produire de l’électricité soit aussi peu coûteux que d’utiliser du gaz ou du charbon, il reste tout de même bien moins cher de générer de la chaleur avec du fioul, du gaz ou du charbon qu’à l’aide d’éoliennes et de panneaux solaires. La raison ? Il faut 2 à 3 kWh d’énergie thermique fossile pour produire 1 kWh d’éléctricité. Br^ler des comb. fossiles entraîne un coût alors 2 à 3 fois inférieur à celui d’une technologie électrique renouvelable ayant atteint la parité du réseau.

La fabrication d’éoliennes et de panneaux solaires nécessite une source de chaleur

Pour atteindre une vraie parité thermique, le coût des panneaux solaires et des éoliennes devra donc baisser de manière significative. Cela peut sembler raisonnablement faisable, surtout si l’on s’attend à ce que le prix des combustibles fossiles augmente. Non ! Dites-le naturellement, en français. Mais entendez bien : même si les sources d’énergie renouvelables comme les éoliennes et les panneaux solaires visent à remplacer les combustibles fossiles, nous ne devons pas perdre de vue qu’elles dépendent, de manière continue,de ces énergies fossiles.

Non pas pour leur fonctionnement, mais pour leur fabrication. Aucune usine fabriquant des panneaux solaires photovoltaïques ou des éoliennes n’utilise l’énergie générée par ses propres produits. Pourquoi ? Parce que produire la chaleur nécessaire à cette production reviendrait 2 à 3 fois plus cher. Par exemple, produire l’acier et le silicium utiles aux … demande beaucoup de chaleur. Ainsi, le coût de production sera négativement impacté par la flambée des prix des combustibles fossiles.

Aucun fabricant de panneaux solaires photovoltaïques n’utilise d’énergie générée par ses propres produits, car cela lui coûterait 2 à 3 fois plus cher de produire la chaleur nécessaire à la production d’acier et de silicone.

Il en va de même pour les batteries, un élément essentiel des voitures électriques et du stockage d’électricité renouvelable ainsi que pour de nombreuses autres technologies vertes modernes comme les LED et les pompes à chaleur.Mal dit => Deepl : Il en va de même pour les batteries, qui sont un élément essentiel des voitures électriques et du stockage de l’électricité renouvelable, ainsi que pour de nombreuses autres technologies vertes modernes, telles que les LED et les pompes à chaleur. MAL DIT, reformuler => La chaleur nécessaire à leur production peut être générée pour un prix 2 à 3 fois plus bas en brûlant des combustibles fossiles qu’en utilisant des éoliennes ou des panneaux solaires (l’électricité bon marché des centrales hydroélectriques est également une option, mais son potentiel est limité). Voilà donc un nouveau problème auquel nous devons faire face, car nous devrons produire de nouvelles éoliennes et de nouveaux panneaux solaires tous les 20 à 30 ans, ainsi que de nouvelles batteries tous les 5 à 10 ans.

Source renouvelable d’énergie thermique

Pour fonctionner, notre stratégie d’énergie renouvelable a besoin d’une source thermique renouvelable. En effet, l’énergie géothermique produit de la chaleur. Mais celle-ci se limite aux régions volcaniques. Nous pourrions également considérer la biomasse, mais elle se heurte à de nombreux obstacles. Malheureusement, notre planète connaît des limites de production qui ne sauraient satisfaire nos besoins de consommation. Il ne nous reste alors qu’une source d’énergie thermique efficace et inépuisable : l’énergie solaire, .

On voit souvent l’énergie solaire comme un moyen complémentaire de produire de l’électricité via des panneaux photovoltaïques ou des centrales d’énergie solaire thermique. Mais elle peut être utilisée directement sans nécessiter de générer d’électricité. Il existe deux méthodes pour collecter l’énergie solaire directe. La première consiste à utiliser des capteurs plans, fonctionnant avec de l’eau ou des capteurs à tubes sous vide qui captent les rayons solaires dans n’importe quelle direction et qui peuvent atteindre les 120°C. La deuxième méthode est fondée sur l’utilisation de capteurs à concentration, capables de générer des températures bien plus importantes, ils suivent la trajectoire du soleil et concentrent ses rayons.

Ces derniers peuvent utiliser des miroirs cylindro-paraboliques, des miroirs de Fresnel, des miroirs paraboliques ou encore des tours solaires. La majorité de ces technologies a vu le jour au début du 20ème siècle.

Énergie solaire thermique contre chaleur solaire thermique

Le problème avec cette technologie, c’est qu’on l’utilise principalement pour les mauvaises raisons. Dans les centrales actuelles d’énergie thermique solaire, on convertit l’énergie générée en vapeur (grâce à une chaudière à vapeur), on transforme ensuite la vapeur obtenue en électricité (via une turbine à vapeur qui alimente un générateur électrique). Ce procédé est tout aussi efficace que de convertir de l’électricité en chaleur : on perd deux tiers de l’énergie en convertissant de la vapeur en électricité. C’est une des raisons principales pour lesquelles utiliser l’énergie solaire thermique pour produire de l’électricité n’est rentable que dans les régions désertiques.

Utiliser l’énergie solaire concentrée pour générer de la chaleur au lieu de la convertir en électricité - ce qui gaspillerait deux tiers de l’énergie - serait rentable partout dans le monde.

Utiliser l’énergie des centrales solaires thermiques pour générer de la chaleur au lieu de la convertir en électricité permettrait de produire de l’énergie pour un coût trois fois plus bas que son prix actuel et deviendrait rentable même dans les régions peu ensoleillées. La différence cruciale entre l’énergie solaire thermique et les autres énergies renouvelables produisant de l’électricité est que le solaire thermique se fonde sur l’énergie thermique. Par conséquent, contrairement au coût des autres énergies renouvelables, celui de l’énergie thermique utilisant cette technologie est bien inférieur au coût de l’électricité, ce qui lui permet de concurrencer l’utilisation de combustibles fossiles au niveau thermique.

Chaleur solaire à basse température

On peut le constater grâce aux capteurs plans et aux capteurs à tubes sous vide, utilisés pour chauffer l’eau des foyers et, dans une moindre mesure, pour chauffer les intérieurs. Cette technologie est utilisée sans aucune perte lors de la conversion et son coût rivalise avec celui des combustibles fossiles presque partout sur Terre. Selon les données de 2011 provenant du programme «  Solar Heating and Cooling » de l’Agence Internationale de l’Énergie (IEA-SHC), la chaleur solaire thermique est devenue la deuxième source d’énergie renouvelable la plus utilisée après l’énergie éolienne. Elle est bien plus utilisée que l’énergie provenant de panneaux photovoltaïques ou de centrales solaires thermiques.La Chine compte pour près de 60 % de la part de chaleur solaire thermique utilisée dans le monde et l’Europe pour 20 %. Les États-Unis et le Canada (où cette énergie est utilisée principalement pour chauffer les piscines) comptent pour moins de 9 %.

La Suède, le Danemark, l’Espagne, l’Allemagne et l’Autriche constituent les marchés les plus complexes en matière de solaire thermique. Ces pays disposent notamment d’installations de chauffage urbain à grande échelle, ainsi que d’un nombre grandissant de systèmes de climatisation et de refroidissement (utilisant un refroidisseur à absorption). On comptait, fin 2009, 115 réseaux de chauffage urbain et 11 systèmes de refroidissement fonctionnant à l’énergie solaire en Europe. Le Canada, l’Arabie saoudite et Singapour ont également fait construire quelques systèmes de chauffage solaire à grande échelle pour produire de l’eau chaude et chauffer et climatiser des intérieurs.

Le potentiel de la chaleur solaire appliquée aux processus industriels

Il ne fait aucun doute que nous devrions poursuivre nos efforts dans le développement de la chaleur solaire à des fins domestiques car son potentiel reste important. Mais ce n’est pas tout. Selon un rapport de 2008 (pdf) analysant la situation en Europe, la chaleur solaire pourrait être encore plus intéressante dans le processus industriel que pour le marché domestique. On estime à 30 % les besoins de chaleur de l’industrie inferieurs à 100 °C eu Europe. Cette chaleur pourrait être produite par des capteurs plans (< 80 °C) et des capteurs a tubes sous-vide qu’on utilise aujourd’hui à des fins domestiques.

Près de 60 % des besoins de chaleur de l’industrie européenne pourraient être satisfaits à l’aide de technologies rentables dont nous disposons déjà en nous servant d’énergie renouvelable sans aucun désavantage écologique.

Une autre part de cette demande, représentant 27 %, nécessite des températures moyennes (allant de 100 °C à 400 °C ). Elles pourraient être obtenues grâce à des versions améliorées de ces capteurs (jusqu’à 160 °C, voir ici) ainsi qu’à des outils de concentration solaire disponibles dans le commerce, actuellement utilisés principalement pour produire de l’électricité utilisant des miroirs cylindro-paraboliques, des miroirs paraboliques ou encore des miroirs de Fresnel.

Cela signifie qu’au moins 57 % des besoins de chaleur de l’industrie européenne (ou près de 40 % des besoins énergétiques industriels totaux) pourraient être satisfaits à l’aide de technologies rentables dont nous disposons déjà en nous servant d’énergie renouvelable sans aucun désavantage écologique. Cela serait bien plus avantageux (autant au niveau des coûts d’investissement que de l’énergie) que de remplacer une quantité similaire d’énergie fossile à l’aide de panneaux solaires ou d’éoliennes. Et bien sûr, cela pourrait se faire n’importe où, pas seulement en Europe.

Chaleur solaire dans l’industrie : ses utilisations aujourd’hui

À basse et moyenne températures, la chaleur solaire peut être utilisée de différentes manières dans les processus industriels. Elle peut servir à chauffer de l’eau pour nettoyer des bouteilles ou pour des processus chimiques. Elle peut également chauffer de l’air qui peut être ensuite utilisé dans des processus de séchage et de cuisson, par exemple dans l’industrie alimentaire et l’industrie du papier. Enfin, elle peut servir à générer de la vapeur qui peut être introduite dans les réseaux de distribution de chaleur, largement utilisés dans de nombreuses industries. Ce qui est intéressant, c’est qu’aucune de ces utilisations ne nécessiterait de remplacer les machines industrielles ou l’infrastructure de distribution déjà en place. Seule la source d’énergie serait modifiée.

Certains fabricants de concentrateurs solaires ont commencé à promouvoir le fait que leurs produits sont capables de produire de la chaleur pouvant être utilisée dans l’industrie, en plus du fait qu’ils produisent de l’électricité. On peut citer, par exemple, Sopogy (entreprise hawaïenne qui vend des systèmes modulaires à miroirs cylindro-paraboliques - image ci-dessus), Solar Power Group (entreprise allemande qui vend des concentrateur à miroirs de Fresnel) ou encore HelioDynamics (vendeur américain qui propose une technologie similaire - image ci-dessous).

Les installations industrielles visant à utiliser la chaleur solaire sont encore rares, mais elles existent. Le fabricant allemand de systèmes de chauffage Viessmann a installé 260 m² de ses propres capteurs plans sur son usine en France afin de chauffer une eau destinée à un processus chimique, faisant ainsi un premier pas vers une production d’énergie renouvelable à partir d’énergie renouvelable. En Égypte, une centrale solaire thermique composée de 1 900 m² de capteurs cylindro-paraboliques fournit de la vapeur à une usine de produits pharmaceutiques.

Une installation solaire thermique similaire a été construite pour une laiterie en Grèce. En Californie, une usine de transformation alimentaire a installé 5 000 m² de capteurs paraboliques pour produire la vapeur utilisée dans son processus de fabrication. Plusieurs installations industrielles utilisant des capteurs plans et des concentrateurs ont été construites en Inde.

À basse et moyenne températures, la chaleur solaire peut être utilisée de différentes manières dans les processus industriels utilisant des machines et des conduites de distribution de chaleur déjà existantes.

Le système de concentrateur solaire ARUN utilise un miroir parabolique de Fresnel à focalisation ponctuelle et permet d’obtenir des températures comprises entre 80 °C et 400 °C. Il a été installé dans six installations industrielles, allant d’une usine laitière à un constructeur automobile (photo de gauche). L’Inde compte également plusieurs grandes installations de cuisson fonctionnant à l’énergie solaire pour des cuisines collectives (écoles, hôpitaux, usines, centres religieux).

La plus grande comprend 84 miroirs paraboliques et peut générer des températures de 650 °C et produire jusqu’à 38 500 repas par jour. La plus grande installation utilisant le chauffage solaire à ce jour a été récemment mise en place à Hangzhou, en Chine, où 13 000 m² de capteurs solaires installés sur le toit d’une usine textile servent à chauffer de l’eau utilisée pour la teinture.

Le Global Solar Thermal Energy Council (Conseil mondial de l’énergie solaire thermique) met continuellement à jour sa liste de nouvelles installations industrielles utilisant la chaleur solaire.

Utilisation des énergies renouvelables pour générer plus d’énergie renouvelable

Les 43 % restants des besoins industriels de chaleur en Europe sont ceux des installations nécessitant une température supérieure à 400 °C. Nombre d’entre elles sont nécessaires à la fabrication de sources d’énergie renouvelables (éoliennes, panneaux solaires, capteurs plans et concentrateurs solaires) ainsi que d’autres technologies vertes (comme les LED, les batteries et les vélos). On peut citer comme exemples la production de verre (nécessitant des températures allant jusqu’à 1 575 °C) et de ciment (1 450 °C), le recyclage de l’aluminium (660 °C) et de l’acier (1 520 °C), la production d’acier (1 800 °C) et d’aluminium (2 000 °C) à partir de minerais, la cuisson de céramiques (1 000 à 1 400 °C) et la fabrication de micropuces en silicium et de cellules solaires (1 900 °C).

Les fours solaires peuvent atteindre des températures allant jusqu’à 3 500 °C, suffisantes pour produire des puces électroniques, des cellules solaires, des nanotubes de carbone, de l’hydrogène et tous les métaux.

Ces températures peuvent être atteintes à l’aide de concentrateurs solaires. Les capteurs à réflecteurs linéaires (utilisant des miroirs paraboliques et des miroirs de Fresnel à focalisation ponctuelle) ne peuvent atteindre que 400 °C, mais les concentrateurs ponctuels peuvent atteindre des températures plus élevées. Parmi ces systèmes on trouve ceux à paraboles, les tours solaires et les fours solaires, qui sont en fait une combinaison de tours solaires et de systèmes à paraboles.

Les fours solaires peuvent atteindre des températures allant jusqu’à 3 500 °C, suffisantes pour produire des puces électroniques, des cellules solaires, des nanotubes de carbone, de l’hydrogène et tous les métaux (dont le tungstène qui a un point de fusion de 3 400 °C). Ces températures peuvent être atteintes en quelques secondes seulement - exemple dans cette courte vidéo d’acier fondu à l’aide d’un four solaire. Le four solaire le plus puissant est celui d’Odeillo en France. Construit en 1970, il concentre 10 000 fois la lumière du soleil et a une puissance de 1 MW.

Plus de 60 héliostats (un seul est visible sur la photo ci-dessus, dans le coin inférieur droit) dirigent les rayons du soleil vers un miroir parabolique de plus de 1 800 mètres carrés, à partir duquel ils se concentrent sur un point focal d’un diamètre de seulement 40 centimètres sur la tour située en face.Il existe un four solaire similaire en Ouzbékistan, construit en 1976, il est toutefois un peu moins puissant en raison de l’insolation plus faible de la région. L’image ci-dessous le montre en action, en train de faire fondre du métal.

Mais une telle structure n’est pas nécessaire pour atteindre des températures élevées. Plusieurs plus petits fours solaires, certains n’utilisant qu’un seul héliostat, ont déjà été construits. Ils atteignent généralement des températures similaires ou légèrement inférieures (entre 1 500 et 3 000 °C) à celles des géants mentionnés plus tôt, mais offrent une puissance nettement inférieure (entre 15 et 60 kW). Ils sont capables de produire les mêmes matériaux ou produits chimiques que les plus grands fours solaires, mais en plus petites quantités.

On peut trouver quelques exemples de petits fours solaires à l’Institut Paul Scherrer en Suisse (photo ci-dessus), au National Renewable Energies Laboratory aux États-Unis, à la Plataforma Solar de Almería en Espagne, au German Aerospace Center en Allemagne ou encore au Weizmann Institute of Science en Israël (tour d’énergie solaire). Leurs taux de concentration se situent entre 4 000 et 10 000. Dans la concentration solaire, la température dépend du degré de concentration, alors que la puissance, elle, dépend de la taille et de la productivité (principalement déterminée par la température).

L’énergie solaire améliore la qualité des produits

Les fours solaires ont la capacité de remplacer les combustibles fossiles dans la production énergivore de matériaux de construction, de produits chimiques et de composants high-tech tels que les puces et les cellules solaires, mais ils offrent également des avantages supplémentaires grâce à leur capacité de combustion pure et de chauffage sélectif. En 1999, un document de recherche traitant de l’utilisation d’un four solaire dans la fabrication de cellules solaires en silicium voit le jour. Il conclut qu’utiliser un four solaire dans ce contexte pourrait permettre d’améliorer l’efficacité des cellules ainsi que de rendre leur fabrication moins coûteuse et plus respectueuse de l’environnement. Les chercheurs ont également démontré qu’un four solaire permettait de cristalliser le silicium amorphe en phase solide très rapidement.

Contrairement aux processus industriels à basse et moyenne température, où seule la source d’énergie est remplacée et où les machines et l’infrastructure de distribution ne nécessitent aucune modification, la plupart des applications de chaleur solaire à haute température requièrent de remplacer les machines. On doit alors reconstruire les fours. Certaines actions ont été effectuées. L’Institut Paul Scherrer en Suisse a conçu plusieurs fours à chaux et à ciment fonctionnant à l’énergie solaire (pdf), et les chercheurs ont conclu qu’ils pourraient bien faire concurrence, en termes de coûts, aux fours alimentés par des combustibles fossiles (pdf) après quelques améliorations technologiques. Encore une fois, les produits se sont avérés être de meilleure qualité grâce à l’énergie solaire, qui permet d’éliminer les sous-produits de la combustion.

Bien que les fours solaires existants prouvent que tous les produits fabriqués avec des combustibles fossiles pourraient l’être avec la chaleur solaire directe, la rentabilité n’est pas encore suffisante (l’utilisation de combustibles fossiles est plus économique). Cependant, comme les fours solaires pourraient permettre de fabriquer tous les matériaux nécessaires à la construction d’autres fours solaires, ils pourraient devenir rentables, même sans améliorations techniques, si les combustibles fossiles venaient à devenir plus chers.

De plus, certaines innovations récentes visant à simplifier la technologie ont rapidement fait chuter les coûts d’investissement des concentrateurs solaires. Cela pourrait non seulement conduire à la baisse du prix des concentrateurs de chaleur solaire à haute température à l’avenir, mais aussi rendre l’utilisation de la chaleur solaire pour les températures moyennes plus abordable et plus compétitive aujourd’hui.

L’exemple le plus spectaculaire est le Solar Fire P32 (photos ci-dessus et ci-dessous), un concentrateur solaire conçu en 2010 par l’ONG française Solar Fire Project. Il s’agit d’un modèle open source (en collaboration avec le Open Source Ecology project). Il peut également être acheté au prix de 7 500 dollars, un prix inférieur à celui d’une éolienne urbaine.

Le Solar Fire P32 est conçu à partir de matériaux simples, abondants et non toxiques. Il ne requiert pas de terres rares ou d’outils avancés que l’on ne trouve pas dans un atelier de métallurgie ordinaire, contrairement à la majorité des autres technologies vertes modernes. Il constitue essentiellement une source renouvelable d’énergie thermique comparable aux moulins à vent artisanaux utilisés dans la production d’énergie mécanique.

Il peut fournir jusqu’à 15 kW et atteindre une température focale de 700 °C, suffisante pour faire fondre (et donc recycler) l’aluminium, utilisé pour fabriquer ses miroirs. Cela signifie qu’un Solar Fire P32 peut être utilisé pour fabriquer un autre Solar Fire P32. Ou presque. Le récepteur et le support sont en acier, qui nécessite une température de fusion plus élevée pour être recyclé. Cependant, on pourrait tout aussi bien fabriquer la structure en bois, en vannerie ou en aluminium, et le récepteur en acier à partir de matériaux recyclés. Il est possible d’améliorer le fonctionnement du Solar Fire P32 en utilisant du verre, mais cela n’est pas strictement nécessaire.

Le Solar Fire P32 coûte 7 500 dollars et peut être utilisé pour fabriquer un autre Solar Fire P32.

Le Solar Fire P32, est composé de 360 petits miroirs qui couvrent une surface totale de 32 m² et qui concentrent la lumière du soleil sur une chaudière à vapeur située au-dessus d’eux. Sa vapeur peut être utilisée directement pour purifier de grandes quantités d’eau, faire bouillir du lait, préparer des huiles alimentaires, fabriquer du charbon de bois, cuire des briques, produire du papier, etc.

Améliorer l’autonomie énergétique

La vapeur peut également servir, via une machine à vapeur, à alimenter une pompe à eau, des moulins à huile et à grains, des filatures de coton ou toute autre application fixe nécessitant de l’énergie mécanique. Reliée à un générateur de vapeur, elle peut produire jusqu’à 3 kW d’électricité. Ces deux dernières méthodes entraînent des pertes de conversion, mais elles sont intéressantes pour ceux qui veulent parvenir à l’indépendance énergétique, en particulier dans les régions où il y a beaucoup de soleil, mais pas de vent. Le Solar Fire P32 peut générer de la chaleur, de l’électricité et de l’énergie mécanique directe.

Il est principalement conçu pour les pays en développement, pour être rentable face au charbon et au bois, pour limiter la déforestation et la pollution, pour améliorer l’autonomie énergétique, ainsi que pour offrir une source d’énergie à l’échelle des pratiques traditionnelles et des petites industries. Il a été construit au Mexique, à Cuba, au Burkina-Faso, au Mali, en Inde et au Kenya, mais aussi au Texas, en France et au Canada. Bien entendu, il pourrait également servir dans les pays développés, dans lesquels il pourrait devenir plus difficile d’accéder aux combustibles fossiles.

Simplifier la technologie

En plus de l’équipement supplémentaire nécessaire pour produire de l’électricité, les concentrateurs solaires conventionnels exigent d’importants investissements financiers pour plusieurs raisons. La production des miroirs incurvés des systèmes à miroirs paraboliques et cylindro-paraboliques est très coûteuse. De plus, ces miroirs ne peuvent pas être fabriqués localement et doivent souvent être transportés sur de grandes distances, ce qui a pour effet d’augmenter encore les coûts. Les miroirs incurvés de ces deux systèmes sont larges et lourds, et nécessitent des supports rigides, des fondations solides, des systèmes hydrauliques puissants et des trackers solaires complexes. Pour les systèmes à paraboles, le moteur thermique ou la chaudière à vapeur fait partie de la structure mobile, ce qui augmente le poids total et rend les choses encore plus complexes.

Les tours solaires, inventées en 1878, règlent certains de ces problèmes : elles utilisent des miroirs presque plats et tous les miroirs partagent un récepteur fixe. Mais elles nécessitent la construction d’une grande tour. De plus, tous ces systèmes ont des exigences très importantes en matière de terrain en raison des problèmes d’ombrage. Les concentrateurs à miroirs de Fresnel utilisent, pour la plupart, des miroirs plats, ont des trackers solaires plus simples et sont plus compacts, mais ils ne peuvent générer que des températures allant de de 250 °C (en utilisant des matériaux relativement low-tech) à 450 °C (en utilisant une technologie plus complexe).

Le Solar Fire est un réflecteur parabolique de Fresnel à focalisation ponctuelle, tout comme l’ARUN, à la différence près qu’il est placé à l’horizontale et que son récepteur n’a pas besoin d’être tourné simultanément avec ses miroirs, d’où sa légèreté et sa forte résistance au vent. Il utilise des miroirs légèrement incurvés, obtenus par pliage mécanique pouvant être effectué sur place. Le suivi des miroirs par le soleil se fait à la main, ce qui élimine entièrement le besoin d’électronique et de moteurs électriques (plusieurs miroirs peuvent être tournés en même temps à l’aide de roues actionnées à la main). Cela peut vous paraître bête, mais les applications industrielles nécessitent que la machine soit supervisée de toute façon.

De plus, comme elle est open source, tout le monde peut l’améliorer. Eerik Wissenz, le concepteur du Solar Fire, pense qu’il n’y a qu’une seule issue : « Les entreprises qui cherchent à breveter des capteurs solaires sont tombées dans le piège de la complexité. L’énergie solaire étant gratuite, il est beaucoup plus simple d’ajouter 5 % de surface supplémentaire plutôt que de créer des équipements complexes trop coûteux pour être rentables. Le Solar Fire est si simple qu’il ne peut pas être breveté. »

Fours solaires à faible technicité

Les fours solaires à haute température peuvent également être autonomes et low-tech. On peut citer, par exemple, la grosse lentille utilisée par Sundrop Jewelry, qui permet d’atteindre des températures suffisamment élevées pour faire fondre du verre de bouteille coloré pour en faire des bijoux artisanaux. Bien entendu, la puissance de sortie est faible, une telle installation est donc inutile si l’on veut produire des quantités industrielles de verre. Mais cela nous prouve que la chaleur solaire peut être utilisée à n’importe quelle échelle.

Le projet Solar Sinter de Markus Kayser, est également un exemple intéressant, il permet de produire du verre en utilisant uniquement la lumière du soleil et le sable du désert. Je tiens à paraphraser ici l’artiste : « Cette expérience vise à proposer une nouvelle piste de réflexion, sans pour autant apporter des réponses définitives. »

Stockage de l’énergie

Comment peut-on alimenter des usines en utilisant une source d’énergie qui n’est pas constamment disponible ? L’ensoleillement varie en fonction de l’heure et des saisons, et il n’y a pas de soleil la nuit. De plus, les concentrateurs solaires ne fonctionnent qu’avec des rayons solaires non dispersés, ce qui signifie que le passage d’un nuage interrompt la production d’énergie. Deux questions se posent alors. Certains processus industriels fonctionnent bien avec un approvisionnement énergétique intermittent, mais comment garantir une énergie continue à un processus qui le nécessite ? Et que faire quand il n’y a pas de soleil pendant toute une semaine ?

Stocker de la chaleur est beaucoup moins cher et plus rentable que de stocker de l’électricité dans une batterie.

Il existe trois différentes manières de gérer l’intermittence de l’énergie solaire. La première solution consiste à concevoir des systèmes hybrides : utiliser des sources d’énergie existantes en complément de l’énergie solaire. C’est cette méthode qu’on retrouve dans la plupart des centrales solaires thermiques d’aujourd’hui. Elle offre une solution de stockage à court et à long terme, les processus industriels sont alimentés par la chaleur solaire dès qu’elle est disponible. Quand elle ne l’est pas, l’énergie solaire est instantanément remplacée par des combustibles fossiles ou de l’électricité. Ce n’est pas la solution idéale, mais elle pourrait permettre d’économiser de grandes quantités d’énergie. De plus, elle ne nécessite pas de nouvelle technologie.

La seconde solution serait de stocker l’énergie solaire de manière à ce qu’elle puisse être utilisée pour réguler les processus industriels (comme un volant d’inertie régule un processus mécanique) et pour garantir un approvisionnement en énergie par temps nuageux ou pendant la nuit. Stocker de la chaleur est bien moins coûteux et plus efficace que de stocker de l’électricité. La méthode la plus low-tech consiste à stocker cette chaleur dans des réservoirs d’eau bien isolés, une autre technologie vieille de plus de 100 ans.

Cette technique présente quelques inconvénients : elle nécessite beaucoup d’espace et il n’est possible de stocker de l’eau que jusqu’à une température de 100 °C. Il existe des moyens plus compacts de stocker la chaleur à des températures plus élevées, on peut, par exemple, utiliser des céramiques ou des matériaux à changement de phase (comme certains sels). Une centrale solaire thermique utilise déjà ces méthodes de stockage, mais les utiliser dans un système uniquement thermique les rendraient encore plus efficaces. Des innovations pourraient encore améliorer les méthodes de stockage de la chaleur.

Reporter le travail au lieu de stocker l’énergie

La troisième solution permettant de répondre à l’intermittence de la chaleur solaire consiste à stocker du travail plutôt que de l’énergie. Il faudrait garder les usines en activité quand il y a du soleil, et uniquement quand il y a du soleil. Tout comme on attend une journée de soleil pour faire sa lessive, nous pourrions attendre une journée de soleil pour cuire des briques, recycler du métal ou produire des smartphones. La production industrielle serait concentrée sur les mois d’été. Bien entendu, il y a un prix à payer. La production industrielle serait moins élevée. Cependant, si l’on tient compte du fait que nos problèmes énergétiques et environnementaux sont en grande partie dus à la surproduction et à la surconsommation, cette idée n’est pas aussi farfelue qu’il n’y paraît.

Combiner ces trois stratégies pourrait être une solution. Nous laisserions alors en activité une partie de nos usines uniquement lorsqu’il y aurait du soleil (et lorsque le vent soufflerait), en stockant la chaleur et en utilisant les combustibles fossiles, la biomasse ou l’électricité pour réguler les processus industriels si nécessaire. Les marchandises essentielles pourraient être produites en continu en associant la chaleur solaire et le stockage de la chaleur, les combustibles fossiles ou la biomasse. Bien entendu, tous les climats ne disposent pas de suffisamment de soleil pour faire de la chaleur solaire une option viable pour alimenter l’ensemble de l’industrie. On parle aujourd’hui de délocaliser la production d’électricité dans les régions désertiques, nous pourrions alors tout aussi bien délocaliser nos usines dans les régions très ensoleillées. Il est beaucoup plus efficace de transporter des produits sur de grandes distances que de transporter de l’électricité.

Récupération assistée du pétrole à l’aide d’énergie solaire

Comme toujours, une technologie durable peut être employée à des fins non durables. La chaleur solaire est un excellent moyen d’extraire le pétrole restant dans les gisements aujourd’hui considérés comme épuisés. Extraire le pétrole restant à l’aide de gaz coûterait plus d’argent et d’énergie que le pétrole ne pourrait en rapporter, mais utiliser une source d’énergie gratuite remettrait tout en question.

Au moins une entreprise est spécialisée dans ce domaine. Glasspoint, une entreprise américaine fondée à l’origine pour utiliser la chaleur solaire pour sécher les plaques de plâtre, a enregistré une croissance remarquable après avoir fait la promotion de la récupération assistée du pétrole grâce à l’énergie solaire.

Certains ont déjà tenté l’expérience, mais Glasspoint utilise une technologie innovante : des miroirs cylindro-paraboliques sont suspendus au plafond d’énormes serres équipées de systèmes de nettoyage robotisés. Ces miroirs peuvent être extrêmement légers et ne pas comporter de couches de verre protectrices, car ils sont protégés du vent, du sable et de la poussière par la serre, ce qui réduit leur coût et augmente leur efficacité. La vapeur générée par la chaleur solaire est pompée dans le réservoir de pétrole. Plus il y a de soleil, plus le pétrole remonte à la surface. Les techniques standard ne permettent de récupérer que 20 à 40 % d’un gisement de pétrole, alors que la chaleur solaire permet d’en récupérer 60 à 80 %. Au final, la chaleur solaire pourrait donc augmenter la production de combustibles fossiles et les émissions de CO2.

Sources, inspiration & plus d’information (en anglais) :

• Le problème thermique et la solution solaire (thermique) (The thermal problem and the solar (thermal) solution), Eerik Wissenz, 2011.
• Concentrateurs solaires (Concentrating Solar Collectors) sur le site de Build it Solar. Quelques liens vers différents DIY (en anglais). Remerciements à Paul Nash.
• Collecteurs solaires de haute température (High temperature solar collectors), Robert Pitz-Paal, dans « Solar Energy Conversion and Photoenergy Systems ».
• Utilisation directe de l’énergie solaire(Direct Use of the Sun’s Energy)!", Farrington Daniels, 1964.
• Tâche 33 - La chaleur solaire au service des processus industriels (Task 33 - Solar heat for industrial processes), programme « Solar Heating and Cooling » de l’Agence Internationale de l’Énergie.
• Potentiel de la chaleur solaire dans les processus industriels (Potential for Solar Heat in Industrial Processes) (pdf), Claudia Vannoni, Riccardo Battisti et Serena Drigo, Tâche 33.
• Collecteurs de chaleur industrielle - état de l’art dans le cadre de la tâche 33/IV (Process Heat Collectors - state of the art within task 33/IV) (pdf), Werner Weiss et Matthias Rommel.
• La technologie des procédés thermochimiques solaires (Solar thermochemical process technology), Aldo Steinfeld et Robert Palumbo, 2001.
• Chaleur solaire à travers le monde 2011 (Solar Heat Worldwide 2011) (pdf), SHC, Werner Weiss et Franz Mauthner, mai 2011.
• L’intérêt de concentrer l’énergie solaire et de stocker l’énergie thermique (The Value of Concentrating Solar Power and Thermal Energy Storage), National Renewable Laboratory, 2010
• Comprendre les capteurs solaires (Understanding solar collectors), George Kaplan, 1985.
• Conseil mondial de l’énergie solaire thermique (Global Solar Thermal Energy Council).
• So-Pro : Projet européen sur la chaleur solaire industrielle.
• Association européenne de l’industrie solaire thermique (European Solar Thermal Industry Association).
• Alliance européenne SolLab.
• SolarPACES.
• Énergie solaire concentrée - Comment ça marche (CSP- how it works).