Centrale solaire à tour

Une centrale solaire à tour se sert d’un champ de miroirs qui suivent le soleil, les héliostats, pour renvoyer la lumière sur un récepteur placé au sommet d’une tour. La lumière concentrée change l’eau en vapeur, ou chauffe un sel fondu que l’on peut stocker, et cette chaleur fait tourner une turbine à vapeur. Giovanni Francia construisit la première centrale à tour à Sant’Ilario, près de Gênes, au milieu des années 1960.

Ce que c’est

Une centrale solaire à tour, qu’on appelle aussi centrale à récepteur central, recueille la lumière du soleil sur une grande surface de terrain grâce à des centaines ou des milliers de miroirs plans, les héliostats. Chaque héliostat tourne au fil de la journée pour continuer à renvoyer le soleil vers la même cible : un récepteur perché en haut d’une grande tour, au milieu ou au bord du champ. La lumière concentrée chauffe un fluide qui circule dans le récepteur. Dans certaines centrales c’est de l’eau, qui se change en vapeur ; dans d’autres c’est un sel fondu, qui descend la chaleur au bas de la tour.

Au pied de la tour, cette chaleur alimente une centrale électrique ordinaire. La vapeur, produite directement dans le récepteur ou dans un générateur de vapeur chauffé par le sel chaud, fait tourner une turbine à vapeur accouplée à un alternateur. Une cellule solaire transforme la lumière directement en électricité ; une tour la transforme d’abord en chaleur, et la chaleur gardée dans du sel chaud permet à la centrale de continuer à produire après le coucher du soleil ou sous les nuages.

Comment ça marche

L’héliostat doit regarder à mi-chemin entre le soleil et le récepteur pour que la lumière tombe sur la cible.

Un miroir renvoie la lumière sous le même angle que celui sous lequel elle arrive. Pour garder le faisceau réfléchi sur le récepteur, un héliostat doit donc être orienté à mi-chemin entre le soleil et le récepteur, et comme le soleil se déplace dans le ciel, cette direction change toute la journée. Chaque héliostat repose sur un pied équipé de moteurs qui le font pivoter autour de deux axes, en général un axe vertical pour la direction et un axe horizontal pour l’inclinaison. Comme chaque héliostat occupe une place différente dans le champ, chacun suit sa propre course. Un automate calcule les deux angles de chaque héliostat d’après la date, l’heure et sa position dans le champ.

Le récepteur est une paroi de tubes sur laquelle convergent tous les faisceaux réfléchis.

Le récepteur est un échangeur de chaleur fait de tubes. À Solar Two, en Californie, c’était un cylindre de panneaux de tubes autour du sommet de la tour : le sel fondu, pompé depuis un réservoir froid, en ressortait à environ 565 °C avant de redescendre vers un réservoir chaud. De là, on le pompait à travers le générateur de vapeur puis vers le réservoir froid. Dans ce type de centrale, le sel reste en général entre 290 °C et 565 °C environ. Les centrales qui chauffent de l’eau produisent la vapeur dans le récepteur lui-même, comme Solar One en Californie et PS10 en Espagne. Dans les deux cas, le récepteur doit encaisser un flux de lumière intense et changeant. Quand un nuage passe, la lumière qu’il reçoit tombe d’un coup, et une centrale sans stockage perd sa puissance avec elle.

Comment faire

Quelques miroirs de poche et une boîte noire font une petite tour dont on peut lire la température.

Quelques petits miroirs plans et une boîte sombre suffisent pour une maquette qui fonctionne par beau temps. Peignez en noir mat une petite boîte de conserve vide, remplissez-la d’eau à moitié et placez-y un thermomètre. Fixez la boîte au sommet d’un bâton ou d’une pile de briques, à hauteur de genou environ, dehors, sur un sol dallé ou caillouteux. Posez quatre à six miroirs de poche sur des boulettes de pâte à modeler, sur le sol autour d’elle, à un ou deux pas.

Notez la température de l’eau, puis tournez un miroir jusqu’à ce que sa tache lumineuse tombe sur la boîte et lisez le thermomètre toutes les deux minutes. Ajoutez les autres miroirs un à un, chacun visant la boîte. L’eau chauffe plus vite à chaque miroir ajouté, et une boîte blanche ou une boîte à l’ombre chauffe plus lentement, ce qui montre pourquoi les récepteurs sont sombres et les champs si grands.

Consignes de sécurité. Ne regardez jamais le soleil ni le reflet d’un miroir, et ne dirigez jamais une tache réfléchie vers une personne, un animal, une fenêtre ou une voiture : la lumière solaire concentrée peut abîmer les yeux et brûler la peau. N’utilisez que de petits miroirs plans, jamais de loupe ni de miroir courbe, qui peuvent enflammer des matières sèches, et tenez le papier, l’herbe et le bois à l’écart de la boîte. Protégez les bords des miroirs avec du ruban adhésif et laissez la boîte refroidir avant d’y toucher. Les enfants ne font cette expérience qu’avec un adulte, et l’on pose les miroirs face contre terre une fois l’essai terminé.

Histoire et évolution

Le mathématicien et ingénieur italien Giovanni Francia cherchait à Gênes des moyens de recueillir la chaleur solaire à haute température. Il se tourna vers des miroirs qui concentraient le soleil et, au milieu des années 1960, à Sant’Ilario près de Gênes, il construisit un champ de miroirs presque plans qui renvoyaient la lumière sur une chaudière et produisaient de la vapeur. Les récits de ses travaux en datent les premiers essais de 1965, tandis que l’institut agricole sur le terrain duquel il se trouvait en date l’installation de 1964. Francia décrivit ses installations pilotes dans la revue Solar Energy en 1968.

Les tours construites pour produire de l’électricité arrivèrent au début des années 1980. Eurelios, une centrale de 1 MW à Adrano, en Sicile, entra en service en 1981. Solar One, près de Barstow en Californie, produisit 10 MW de 1982 à 1988 avec un récepteur qui changeait l’eau en vapeur. Elle fut ensuite transformée en Solar Two, qui fonctionna à la fin des années 1990 avec un récepteur à sel fondu et gardait sa chaleur dans des réservoirs de sel chaud et de sel froid, si bien qu’elle pouvait fournir du courant après le coucher du soleil.

Des tours commerciales suivirent en Espagne. PS10, près de Séville, produit 11 MW avec de l’eau et de la vapeur. Gemasolar, mise en service en Andalousie en 2011, produit environ 20 MW et stocke assez de sel chaud pour tourner environ 15 heures sans soleil, ce qui lui a permis de fournir de l’électricité jour et nuit.