Principes de la concentration solaire

La seule alternative mondiale réaliste à l'usage des énergies fossiles et issues de la biomasse est une utilisation massive de l'énergie solaire et surtout locale de la concentration solaire.

Argument :

1. Le potentiel énergétique solaire
Le monde fait face actuellement à trois crises énergétiques. La première est que toutes les phases de l'exploitation des combustibles fossibles et de la biomasse pour la production d'énergie abîment l'environnement. De plus la vie quotidienne de plupart des gens dépend partiellement ou entièrement de ce type d'énergie. La seconde est que nous avons consommé près de la moitié de la totalité des réserves pétrolières et que nous avons déboisé de larges zones de la planète. Ces deux sources énergétiques ne sont pas durables. La troisième crise est qu'en dépit de cette énorme exploitation des combustibles fossibles et de la biomasse, un énorme pourcentage de la population n'a pas accès à suffisamment d'énergie pour faire désinfecter de l'eau sale.

Or le monde a de l'énergie en abondance... Selon Wikipedia, "En grande partie grâce au soleil, le monde dispose aussi d'un flux d'énergie renouvelable qui dépasse les 120 PW (soit 8000 fois supérieur aux besoins réels énergétiques de 2004), ou 3,8 YJ/yr, dépassant toutes les ressources non-renouvelables."

1 terrawatt = 1 trillion de watts

Ces images sont l'une des meilleures illustrations du potentiel énergétique solaire à notre disposition [1]. Sur la gauche, on peut observer que nous disposons de l'énergie géothermique (32 terrawatts), éolienne (870 terrawatts) et solaire (86 000 terrawatts) alors que notre consommation annuelle mondiale en énergie est de 15 terrawatts ! On voit sur la gauche la répartition de l'énergie solaire sur la planète. [2]

La plus grande partie du globe reçoit beaucoup de soleil, surtout là où la population est la plus importante. L'Amérique du Sud, l'Amérique Centrale, l'Afrique, le Moyen-Orient, l'Asie du Sud (Inde, Chine, Indonésie) et l'Autralie reçoivent d'énormes quantités d'énergie solaire. La seul alternative mondiale réaliste à l'usage des énergies fossiles et issues de la biomasse est donc une utilisation massive de l'énergie solaire et surtout locale de la concentration solaire.

L'énergie solaire n'est pas encore la première énergie planétaire car, contrairement à nos autres sources d'énergie comme celle des rivières ou des forêts, la nature n'a tout simplement pas prévu de concentrer directement les rayons du soleil.
L'humanité s'est développée en utilisant les sources d'énergie les plus concentrées à sa portée (les forêts, les rivières) et non les plus puissantes. Nous continuons actuellement à exploiter ces sources d'énergie même quand cela ne semble vraiment plus intelligent de le faire (comme c'est le cas avec la bio-masse et les énergies fossiles) car nous y avons investi toute notre technologie et nos habitudes culturelles en dépendent.

Par exemple, les arbres concentrent leur énergie dans des chaînes chimiques que la combustion va libérer. Il est assez facile d'abattre un arbre, il peut brûler à une température élevée et nous pouvons en stocker plein pour les utiliser quand nous le souhaitons. Ensuite, allumer un feu est facile avec une allumette. Un simple feu donnera immédiatement un peu de lumière et de chaleur. Ces qualités immédiates ont rendu le feu de bois plus attractif que les systèmes solaires... Mais au fil du temps malheureusement, trop de bois ayant été coupé nous sommes confrontés aux graves problèmes de l'érosion et de la disparition de la diversité. Les arbres sont de plus en plus éloignés des populations rendant le temps passé et l'effort consacré à la recherche de bois pour allumer un feu bien supérieurs ce qu'il faudrait fournir pour profiter d'un système solaire. Le coût de la résolution des problèmes environnementaux sera en outre bien supérieur à celui d'un passage à des sources d'énergie renouvelable. [3]

Même si la vie est plus facile quand la nature se charge de concentrer l'énergie, ce n'est pas forcément difficile d'apprendre à concentrer l'énergie solaire nous-mêmes. A différentes échelles, de nombreuses réalisations pratiques sont actuellement en cours dans le monde. Pour donner une image simple du niveau d'accessibilité on pourrait dire qu'un concentrateur solaire low-tech est à peu près aussi complexe qu'une porte et qu'un concentrateur high-tech est aussi complexe qu'une voiture. Il serait donc logiquement beaucoup plus facile de fabriquer un concentrateur solaire par personne que de construire les 600 millions de voitures annuelles (en 1997). [4]

2. Efficacité de la concentration solaire
D'une manière générale on peut dire que le principe de la concentration d'énergie est important car il rend la vie beaucoup plus facile. On dispose en effet avec le soleil d'une énorme quantité d'énergie potentiellement utilisable et, une fois concentrée, une masse d'énergie est bien plus simple à stocker, transformer et déplacer. Même s'il y a des exceptions, un accès à de très fortes concentrations d'énergie permet dans la plupart des cas de faire à peu près ce qu'on veut avec un minimum de puissance.

Par exemple, quand l'énergie solaire est diffuse, elle peut être utilisée pour sécher des fruits et du linge. Concentrée, de très hautes températures sont atteintes et permettent de cuire les aliments, bouillir l'eau, cuire de la poterie, travailler le métal, produire de la vapeur pour faire tourner une turbine produisant de l'électricité... et sécher le linge ou les fruits.

La différence se situe dans la température et l'efficacité. A une température (mesurée en degrés Celsius) et une puissance (en watts) élevées, plus de tâches diverses peuvent être réalisées avec une même quantité d'énergie (mesurée en joules). Par exemple, en plaçant votre journal au soleil, le papier réfléchira les rayons et vous pourrez lire facilement. Si vous placez une loupe devant, les rayons vont alors se concentrer sur un petit point et le papier prendra feu. La quantité d'énergie solaire en contact avec le papier est la même mais deux actions différentes sont possibles. [5]

L'autre point important est l'efficacité. Plus le concentrateur est bon, plus on a évidemment d'énergie potentielle. Par exemple :

De plus l'efficacité énergétique n'est pas synonyme d'augmentation des coûts. Pour déterminer les coûts réels d'un projet solaire, il faut déterminer les facteurs environnementaux ainsi que le matériel et les compétences à disposition afin d'obtenir un optimum et un ratio pratique en terme de concentration solaire. [8]

3. Faisabilité technique
Pratiquement toute l'énergie utilisée par les humains l'est sous forme de chaleur, principalement pour cuisiner, chauffer de l'eau et des pièces. Beaucoup de gens dans le monde vivent très confortablement avec des sources d'alimentation, d'eau, d'air, de chaleur et un abri. Une forme d'énergie comme l'électricité rend évidemment la vie plus facile mais on ne peut pas vraiment dire qu'elle soit absolument "indispensable" pour vivre. Dans les zones industrialisées et tempérées, 60% de l'énergie en moyenne est utilisée pour chauffer les maisons, 15% pour chauffer l'eau, 5% pour cuisiner et 5% pour laver et sécher, ce qui représente donc 85% des applications. Il est à notre que la plupart des gens ont donc une perception faussée du problème lorsqu'ils pensent que l'électronique et l'éclairage sont les principaux usages énergétiques. [9]

Il est très important de garder à l'esprit que l'électricité sert en fait essentiellement à alimenter des gadgets alors que la chaleur signifie la survie et la stabilité. L'électricité est certes pratique mais une économie basée sur l'électricité n'est pas efficace ni même réaliste à courts termes. En résumé, tout le monde a besoin d'avoir accès à la chaleur et ce à un tel point que c'est devenu un acquis. Cette accessibilité à la chaleur sont la base énergétique de la société : une fois que cette base est stable, efficace et durable, il devient facile de mettre en place d'autres formes d'énergies renouvelables comme l'électricité par exemple. L'énergie solaire est la meilleure, et probablement la seule, candidate énergétique capable de remplacer les combustibles fossibles et issus de la biomasse tout en nous fournissant une base mondiale énergétique en très peu de temps : le soleil brille à peu près partout dans le monde pratiquement tous les jours, il réchauffe et ce processus est on ne peut plus simple. En ce sens, aucune autre source d'énergie ne rivalise avec l'énergie solaire.

4. Une économie du solaire
Une économie basée sur la concentration solaire signifie que la première source énergétique serait la concentration solaire, où l'énergie éolienne, photovoltaïques et les autres énergies renouvelables trouvent leur place. Cette concentration pourrait exister en local, pour la production de chaleur, comme au niveau de l'industrie et des transports de masse.

Un usage domestique et communautaire (à échelle locale) de la concentration solaire est adapté pour la plupart des usages de la planète. Quand un concentrateur solaire est installé en local et que la chaleur qu'il génère est utilisée directement son efficacité se situe entre 60 et 90%.

Cuisiner, rôtir, bouillir, cuire (des briques, de céramiques, etc.), réchauffer des pièces, recycler le plastique, travailler les métaux et tant d'autres activités requièrent pour la plupart des peuples une source de chaleur directe qui peut être mise en place avec la concentration solaire au niveau locale ou régional.

Plusieurs bénéfices sont envisageables dans cette économie solaire :

Une production locale et centrale d'électricité renouvelable peut facilement fournir un réseau électrique.
Ceci présente plusieurs avantages :

Acgtuellement la transformation du solaire en électricité est déjà commencée et voisine autour de 14% d'efficacité. Un maximum de 20% semble actuellement réaliste. [10] Cette électricité peut ensuite être transportée sur un réseau électrique avec une perte de 14 à 20%. [11]

Si l'on considère ces pertes, il semble peu raisonnable de construire tout un système reposant sur la conversion de la chaleur en électricité, qui l'achemine à une réseau puis la restitue en chaleur à l'utilisateur. Il semble tout aussi peu raisonnable d'imaginer une économie basée sur ce réseau. Avec le solaire, on peut donc aussi imaginer des usages industriels très directs de l'énergie au coeur même des centrales solaires, comme la métallurgie par exemple.

On commence donc maintenant à voir se dessiner les bases réalistes d'un système énergétique renouvelable. Quand le soleil brille, les concentrateurs solaires domestiques sont utilisés pour les taches domestiques ou communautaires. Dans les pays industrialisés, les panneaux photovoltaïques et les moteurs Sterling peuvent être automatiquement placés sur le point focal quand les concentrateurs ne sont pas utilisés. Dans les pays non-industrialisés, l'excès de concentration solaire peut être utilisée pour faire du charbon. Et dans les deux, pour une majeur stabilité, une combinaison d'énergies renouvelables peut alimenter le réseau électrique utile à l'industrie comme aux transports. Plus la technologie se développera, plus les usages directs se multiplieront afin de parvenir à remplacer les énergies fossiles avec un maximum d'efficacité.

5. En conclusion
Ainsi que nous l'avons mentionné, l'énergie solaire n'est pas exclusive. L'énergie solaire étant tellement abondante qu'une "guerre aux rayons solaires" n'aurait aucun sens alors qu'elle est possible pour du pétrole ou de l'uranium surtout si ce sont les ressources premières d'une économie... Si l'énergie solaire ne résoudra évidemment pas tous les conflits, mais du moins elle risque peu d'en causer. L'accès étant universel pour les pays industrialisés comme pour les pays non-industrialisés, ils bénéficieront mutuellement des progrès en la matière et ces progrès serviront à augmenter leurs accords ainsi que leurs marchés économiques. [12]

Tous les compétences et les talents existent déjà pour exploiter l'énergie solaire dans pratiquement toutes ses applications possibles. Il est également prouvé qu'elle est moins chère que les combustibles fossibles dans bien des domaines de production électrique. Le coût en est faible puisqu'aucun matériau exotique ni compétences ultra-spécialisées ne sont nécessaires. Les bénéfices sont énormes puisque cette source d'énergie n'a pratiquement pas d'impact environnemental et qu'elle est accessible à tous.

Eerik Wissenz
Mai 2008
article publié pour le site www.solarfire.org

*** NDT. La traduction du texte anglais n'a pas été réalisée par une experte en traductions techniques. Si vous pensez que vous pouvez l'améliorer, notamment dans les note en bas de page, n'hésitez pas et contactez-nous, merci.

NOTES

[1]Image de gauche, 1a, de Frank van Mierlo ; image de droite, 1b, de Matthias Loster (2006 - Wikicommons et HS Science & Vie "Construire un monde durable", juin 2008). On peut lire une description plus approfondie :
"In 2005, total worldwide energy consumption was 500 EJ (= 5 x 1020 J) with 86.5% derived from the combustion of fossil fuels, although there is at least 10% uncertainty in that figure.[1] This is equivalent to 15 TW (= 1.5 x 1013 W) of power. Not all of the world's economies track their energy consumption with the same rigor, and the exact energy content of a barrel of oil or a ton of coal will vary with quality. [...] Most of the world energy resources are from the sun's rays hitting earth - some of that energy has been preserved as fossil energy, some is directly or indirectly usable e.g. via wind, hydro or wave power. The term solar constant is the amount of incoming solar electromagnetic radiation per unit area, measured on the outer surface of Earth's atmosphere, in a plane perpendicular to the rays. The solar constant includes all types of solar radiation, not just the visible light. It is measured by satellite to be roughly 1366 watts per square meter, though it fluctuates by about 6.9% during a year - from 1412 W/m2 in early January to 1321 W/m2 in early July, due to the earth's varying distance from the sun, and by a few parts per thousand from day to day. For the whole Earth, with a cross section of 127,400,000 km², the power is 1.740×1017 W, plus or minus 3.5%. [...] The estimates of remaining worldwide energy resources vary, with the remaining fossil fuels totaling an estimated 0.4 YJ (1 YJ = 1024J) and the available nuclear fuel such as uranium exceeding 2.5 YJ. Fossil fuels range from 0.6-3 YJ if estimates of reserves of methane clathrates are accurate and become technically extractable. Mostly thanks to the Sun, the world also has a renewable usable energy flux that exceeds 120 PW (8,000 times 2004 total usage), or 3.8 YJ/yr, dwarfing all non-renewable resources"
- Source: Wikipedia article World energy resources and consumption

"1.4 PW - geo: estimated heat flux transported by the Gulf Stream.
4 PW - geo: estimated total heat flux transported by earth's atmosphere and oceans away from the equator towards the poles.
174.0 PW - astro: total power received by the earth from the sun."
-Source: WikiPedia article Orders of Magnitude (unfortunately, this article is not sourced)

[2] Source de la photo : "Solar power systems installed in the areas defined by the dark disks could provide a little more than the world's current total primary energy demand (assuming a conversion efficiency of 8 %). That is, all energy currently consumed, including heat, electricity, fossil fuels, etc., would be produced in the form of electricity by solar cells. The colors in the map show the local solar irradiance averaged over three years from 1991 to 1993 (24 hours a day) taking into account the cloud coverage available from weather satellites."
- Source: Total primary energy supply: Land area requirements.

[3] L'exploitation de la biomasse n'est écologique que dans des zones de faible densité démographique. A chaque fois qu'une matière organique est retirée de son éco-système, cet éco-système est perturbé. La productivité d'un éco-système ne dépend pas seulement d'une aire, de l'hydrométrie et de l'ensoleillement mais de quantité et de la qualité du sol. Des sols sains ont un besoin constant de matières organiques et sont très érodés par l'arrachage des arbres et des plantes (qui les protège). "L'Equilibre sacré" du canadien David Suzuki est une excellente introduction à l'écologie (trad. français aux éditions FIDES).

[4] On peut trouver des exemples pratiques de concentrateurs solaires sur ce site (voir Technique) ou d'autres sites (voir Liens). Beaucoup d'entre eux sont présentés dans l'article de Wikipédia sur l'énergie solaire. En ce qui concerne la production annuelle de voitures : "There are over 600 million motor vehicles in the world today. If present trends continue, the number of cars on Earth will double in the next 30 years." Cars Emit Carbon Dioxide. Global Warming, Focus on the Future, 1997.

[5]Pour être tout à fait précis, la somme d'énergie est un peu inférieure avec la loupe puisque un peu de lumière est réfléchie. Dans des proportions plus importantes, un capteur passif d'énergie solaire peut chauffer de l'eau. on observ 60% d'efficacité avec ce type de capteurs, ce qui est vraiment bon. Mais ces systèmes ne parviennent qu'à une température maximale de 100°C et de peuvent pas réellement produire de la vapeur. Avec une surface équivalente, un concentrateur solaire atteint très facilement 1000°C (et des concentrateurs extrêmement précis montent même à 2500°C, proches du maximum théorique).

[6] En général, tous les équipements solaires thermiques fonctionnent comme un four : un volume entouré de surfaces (murs ou parois). Quelles que soient les géométries, plus les parois du four sont isolées, plus l'énergie peut être captée dans ce volume. Evidemment, si le four est isolé à 100%, aucune énergie ne peut y entrer car aucun mécanisme ne permet d'avoir un flux parfait d'énergie sans perte. Avec un four bien isolé, on observera donc des pertes significatives proportionnelles à la surface de l'ouverture, à sa nature et à la différence énergétique entre les côtés. Certaines techniques peuvent augmenter l'efficacité : 1. le verre laisse passer plus de lumière mais bloque l'air chaud et les infra-rouge sortant ; 2. l'ouverture peut être placée au fond du four pour que l'air chaud monte là où l'isolation est la meilleure - mais il n'y pas de solution idéale donc plus l'ouverture sera petite, moins il y aura de pertes.
Quand les rayons du soleil sont concentrés à un ratio très fort, une ouverture peut être acceptable (si elle est vraiment petite proportionnellement à l'ensemble du four). Pour des ratios inférieurs, une fenêtre/isolateur peut être utilisé mais c'est souvent plus cher. [A traduire = For instance, ceramic glass and vacuum sealed glass tubes are harder to find and more expensive than the widely available forms of insulation; furthermore, they are less efficient: ceramic glass does not insulate better than an oven wall, and vacuum sealed glass tube does not insulate better than vacuum sealed metal tubes or thick oven walls, and are much more fragile. Use of these materials should therefore be kept to a minimum (the limit being concentration ratios reaching temperatures where any sort of would-be-cost-effective window breaks or melts, in which case the opening must simply be tolerated)].

See "Exell's Notes for Students for a basic introduction to the Principles of Solar Thermal Conversion".

[7] Quelle est le plus haut degré d'efficacité d'une installation solaire thermique ?

[8] Common things that affect cost effectiveness are too high a concentration and commonly available materials, such as steal, melt. Clearly, the more accurate the design, the more costly. High wind speeds for instance can un-calibrate heliostat designs, and not enough direct sunlight can make solar concentration impractical (such areas would require a different solution).

[9] Source: Wikipedia Domestic energy consumption , Eandismagazine, wegwijs in energie, page 4.

[10] "Therefore, the annual system efficiency of a today’s solar thermal trough power plant varies between 10 % and 14 % for the considered irradiation range." - Contribution of concentrated solar thermal power for a competitive sustainable energy supply. However, though electric production doesn't compare to local concentration for heat applications, Solar Concentrating Power (SCP) is cost competive with fossil fuels and Nuclear for producing electricity (in sunny regions). It can even be produced in high solar radiation areas and transported long distances too less sunny places. "Satellite-based studies by the German Aerospace Center (DLR) have shown that, using less than 0.3% of the entire desert areas of the MENA region [Middle East, North Africa], solar thermal power plants can generate enough electricity and desalinated seawater to supply current demands in EU-MENA [Europe, Middle East, North Africa] and anticipated increases in those demands in the future. [...] Solar and wind power can be distributed in MENA and transmitted via High Voltage Direct Current (HVDC) transmission lines to Europe with transmission losses that would be no more than 10-15%." - DESERTEC.

[11] A maintained electricity grid loses around 7 or 8 in resistance (grid) loss. However, a buffer must always exist between electric production and electric consumption; since the moment consumption tries to overtake production the grid fails. Since power consumption is somewhat unpredictable, to avoid a grid failure requires some power stations to run as a buffer. A typical buffer in industrial countries is 5 percent of total energy production. This loss must be added to the resistance loss of the grid, making a total of 13 or 14 percent. However, in none-industrial countries where the equipment is less sophisticated losses can be higher.

"Older power plants in many developing countries consume from 18% to 44% more fuel per kilowatt hour of electricity produced than those in OECD countries ... Transmission and distribution losses represent about 31% of generation in Bangladesh, 28% in Pakistan, and 22% in Thailand and the Philippines. (In the United States only 8% of electricity is lost during transmission, in Japan 7%.)" - 1992 World bank development brief
(figures are out of date, but still serve to give a general idea).

[12] Research, development and implementation in high-tech (industrial) solar concentration benefits low-tech (none-industrial) solar concentration. Low-tech designs can benefit from research in materials, geometries and environmental factors. Likewise, research, development and implementation of low-tech solar concentration benefits high-tech, since it pioneers domestic use, and local applications, all of which high-tech machinery scaled down can also perform in more industrial or affluent areas. Also, many components are the same in both low and high tech (such as mirrors); industrialized and none-industrialized demand for these components lowers prices and increases availability. "For solar thermal parabolic trough power plants the progress ratio is about 0.88 /3/. In other words, a price reduction by 12 % can be expected when doubling the market volume." Contribution of concentrated solar thermal power for a competitive sustainable energy supply. And of course, everyone benefits from clean energy on a global scale and geopolitical stability. None-industrial countries can easily take advantage of solar energy, compared to other energies such as wind and nuclear..