Généralités sur les centrales solaires à concentration

Depuis des décennies, la production d’énergie est principalement assurée par les combustibles fossiles. En 2017, le pétrole par exemple a fourni 32% de l’approvisionnement mondiale en énergie primaire, et le charbon 27,1% (1). Cependant, face à l’épuisement des ressources carbonées d’origine fossile et les problèmes environnementaux que leur utilisation engendre, la transition vers les énergies renouvelables prend de plus en plus d’ampleur. Parmi elles, l’énergie solaire est une ressource utilisée dans plusieurs domaines, dont la production d’énergie thermique et électrique, avec les filières photovoltaïque, thermique et thermodynamique. Ces dernières font appel à des centrales solaires à concentration ou CSP (pour Concentrated Solar Power en anglais) pour la production d’électricité.

Les centrales solaires CSP se composent de champs solaires, concentrant l’énergie solaire à l’aide de miroirs et la convertissant en énergie thermique (chaleur) à l’aide d’absorbeurs, qui transfèrent ensuite cette chaleur à un fluide caloporteur. Le champ solaire est combiné à un cycle thermodynamique pour convertir cette énergie thermique en travail (turbine), puis en électricité (alternateur). Les technologies CSP ont le grand avantage de pouvoir stocker efficacement l’énergie à grande échelle sous forme de chaleur, contrairement au photovoltaïque qui produit directement de l’électricité injectée dans le réseau. Les centrales CSP sont donc des solutions pour pallier les intermittences solaires, enjeu majeur pour l’utilisation de cette ressource. Cet avantage mène actuellement au développement de technologies hybrides combinant le photovoltaïque et le solaire thermodynamique, afin de baisser les coûts de production d’électricité (grâce au PV), tout en rendant l’approvisionnement disponible 24h/24 (restitution de la chaleur stockée par le CSP et production d’électricité CSP la nuit) (2).

De nombreux projets de développement du CSP sont en cours dans le monde (Chine [1,35 GWélectriques-20 projets], Chili [240 MW], Afrique du Sud [100 MW], etc.), pour rendre le solaire thermodynamique compétitif avec une baisse des offres de tarifs de l’électricité produite (#9,45 ç$/kWh : ACWA Power – Arabie Saoudite, Shanghai Electric – Chine, Brightsource – USA). Il est prévu que 7% de l’énergie électrique mondiale soit fournie par le CSP en 2030, avec une part devant croître jusqu’à 25% en 2050 (3). Le réseau SolarPACES, l’association européenne ESTELA et l’organisation Greenpeace évaluent cette contribution entre 5 et 12% en 2050, ce qui correspondra à une capacité d’environ 800 GW et le déploiement de 61 GW par an (4). En France, les technologies CSP se développent au travers de démonstrateurs industriels, avec par exemple la centrale eLlo, première centrale à concentrateurs linéaires Fresnel située à Llo dans les Pyrénées Orientales, construite et exploitée par la société SunCNIM à proximité du four solaire d’Odeillo (9 MWélectriques, soit la consommation de 6000 foyers).

Afin d’atteindre les objectifs visés pour la production d’énergie par les technologies CSP, il est nécessaire d’améliorer leurs rendements et de réduire leur coût d’investissement et de fonctionnement. Ceci appelle à une augmentation du niveau de concentration du flux solaire et par conséquent de la température de fonctionnement des absorbeurs. De plus, le champ solaire représente entre 30% et 50% des pertes de cette technologie : pertes optiques au niveau des miroirs qui concentrent le rayonnement solaire (imperfections de surface, erreurs de visée, etc.), pertes optiques et thermiques au niveau des absorbeurs utilisés pour la conversion de l’énergie solaire en énergie thermique (réflexions parasites, émission radiative, convection, etc.). La réduction de ces pertes est donc un autre enjeu majeur pour améliorer les rendements, d’autant que les pertes thermiques augmentent avec la température de fonctionnement.

Dans ce contexte, cette thèse propose des solutions innovantes de matériaux pour améliorer les performances thermo-optiques des récepteurs solaires, et plus particulièrement des tubes absorbeurs utilisés dans les centrales cylindro-paraboliques et linéaires Fresnel (température ≤ 600°C).

Pour convertir au mieux l’énergie solaire, les récepteurs se doivent de présenter une forte absorptivité dans la gamme de rayonnement UV-Visible et Proche infra-rouge (0.25 – 2.5 µm). Ceci peut être obtenu grâce à un revêtement de surface très absorbant déposé sur le récepteur. L’utilisation actuelle des peintures absorbantes classiques, de type Pyromark® entraine cependant la perte d’une partie de l’énergie thermique produite, par réémission de rayonnement infra-rouge, car ces peintures sont également très émissives. Le développement de revêtements à sélectivité spectrale, c’est-à-dire à la fois très absorbants et peu émissifs à des températures supérieures à 500°C, présentant de bonnes propriétés mécaniques, et une résistance au vieillissement thermique sous air, pour les centrales cylindro-paraboliques, linéaires Fresnel, voire à tour, permettrait d’améliorer le rendement de ces centrales.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART
Généralités sur les centrales solaires à concentration
Principe de fonctionnement des technologies CSP
Les différents types de technologies CSP
Les récepteurs solaires : principe de fonctionnement d’un tube absorbeur
Les absorbeurs sélectifs
Les différents types d’absorbeurs sélectifs
Le choix des matériaux
Fabrication d’absorbeurs sélectifs : procédés de dépôt par plasma et modes de croissance des couches
Généralités sur le plasma
Les techniques de dépôt par plasma
Les différents modes de croissance des films minces
Mécanismes de vieillissement des absorbeurs sélectifs
La diffusion atomique
L’oxydation
CONCLUSION
CHAPITRE 2 : MOYENS D’ÉLABORATION, DE CARACTÉRISATION, ET SIMULATION DES FILMS MINCES
Présentation du réacteur de dépôt IDEFIX
Le porte-substrat
Système de pompage
Système d’injection des gaz
Système de génération du plasma
Synthèse
Diagnostic de la phase plasma : la spectroscopie d’émission optique (SEO)
Concentration d’espèces : actinométrie
Estimation de la température électronique
Dispositif expérimental et analyse des données
CONCLUSION GENERALE