Les centrales solaires à concentration : des milliers de miroirs pour un seul point
Des champs de miroirs pilotés un à un renvoient le soleil vers le sommet d'une tour, où il chauffe des sels fondus jusqu'à plus de 500 °C. Assez pour produire de l'électricité la nuit. Des Pyrénées au désert marocain, histoire d'une technique née dans un laboratoire.
Avec une loupe, on enflamme une feuille de papier au soleil. Les centrales solaires à concentration font la même chose à l'échelle industrielle : elles rassemblent la lumière tombée sur des hectares de terrain pour obtenir une chaleur intense, qui fait tourner une turbine comme dans une centrale classique. Leur atout, face aux panneaux photovoltaïques, est de produire de la chaleur, bien plus facile à stocker que l'électricité. Leur pièce maîtresse est un objet discret mais exigeant : l'héliostat.
L'héliostat, un miroir qui suit le soleil
Un héliostat est un miroir monté sur une structure motorisée qui pivote selon deux axes. Au fil de la journée, il s'oriente de façon que la lumière du soleil, réfléchie, tombe toujours au même endroit, alors même que le soleil se déplace dans le ciel. Chaque miroir d'un champ a sa propre orientation, calculée en permanence selon sa position.
On distingue deux grandes familles de centrales. Dans les centrales à tour, des milliers d'héliostats renvoient la lumière vers un récepteur placé au sommet d'une tour. Dans les centrales cylindro-paraboliques, de longs miroirs incurvés concentrent la lumière sur un tube qui court le long de leur foyer. Il existe aussi des fours solaires, des outils de recherche capables d'atteindre des températures extrêmes en un point.
Odeillo et Thémis, les pionniers français
La France a joué un rôle de premier plan. Après des essais menés à Meudon à partir de 1946 par Félix Trombe et ses collègues, puis un four de 50 kilowatts à Mont-Louis, le CNRS installe ses laboratoires en 1968 dans le grand four solaire d'Odeillo, dans les Pyrénées-Orientales, mis en service en 1970. Soixante-trois héliostats plans, répartis sur 2 835 mètres carrés de la pente, renvoient la lumière vers un immense miroir parabolique de 1 830 mètres carrés, qui la concentre sur une cible au sommet d'une tour. Le four, d'une puissance de 1 mégawatt, concentre plus de 10 000 fois le rayonnement solaire et dépasse 2 000 °C. Le laboratoire PROMES y teste aujourd'hui encore des matériaux, notamment destinés à l'espace.
Non loin, à Targasonne, l'État décide en 1977, après le premier choc pétrolier, de construire une centrale électrique à tour : Thémis, bâtie par EDF et le CNRS et inaugurée en 1983. Environ 200 héliostats y entourent une tour de 101 mètres, et des sels fondus à 350 °C transportent la chaleur. Mais le pétrole redevient bon marché, et EDF arrête de financer le projet dès 1986. Le département des Pyrénées-Orientales relance le site en 2004 ; il accueille aujourd'hui des recherches, dont des essais de particules solides chauffées à 800 °C pour transporter et stocker la chaleur.
Le stockage par sels fondus
Le grand intérêt de ces centrales est de pouvoir produire après le coucher du soleil. L'astuce : chauffer un fluide qui stocke bien la chaleur. On utilise des sels fondus, des mélanges de nitrates de sodium et de potassium, liquides à haute température.
La centrale Gemasolar, près de Séville, en Espagne, en fournit un exemple. En service depuis 2011, elle compte 2 650 héliostats de 120 mètres carrés chacun, disposés en cercle autour d'une tour de 140 mètres. Les sels sont pompés d'un réservoir « froid » à 290 °C vers le récepteur, où ils sont portés à 565 °C, puis stockés dans un réservoir chaud. Quand on a besoin d'électricité, on fait passer ces sels brûlants dans un générateur de vapeur. Avec 15 heures de stockage, la centrale de 20 mégawatts peut continuer à produire longtemps après le crépuscule.
Noor, au seuil du Sahara
Le complexe Noor, près d'Ouarzazate, au Maroc, illustre le passage à grande échelle. Construit par étapes entre 2015 et 2018, il atteint 582 mégawatts installés et alimente près de 2 millions de Marocains, selon la NASA. Noor I et Noor II utilisent des miroirs cylindro-paraboliques. Noor III est une centrale à tour de 150 mégawatts : environ 7 400 héliostats y forment un grand disque autour d'une tour de près de 250 mètres, avec 7 heures de stockage en sels fondus. Noor IV, enfin, est photovoltaïque.
Selon un article du physicien Gilles Flamant, le coût de l'électricité solaire thermique a baissé de 47 % entre 2010 et 2019. Les héliostats pèsent pourtant lourd dans la facture : le département américain de l'Énergie estime que les collecteurs représentent souvent au moins 25 % du coût de construction d'une centrale. Un héliostat installé coûte aujourd'hui un peu plus de 100 dollars le mètre carré ; l'objectif américain est de descendre à 50 dollars.
Et sur Terre ? Des miroirs pour viser les étoiles
Les champs d'héliostats ont un défaut pour l'astronome : ils sont bon marché parce qu'ils ne forment pas d'image nette. Il leur suffit de renvoyer la lumière sur un récepteur. À l'inverse, un télescope doit être précis à une fraction de longueur d'onde, et coûte bien plus cher. Le projet LFAST de l'université d'Arizona vise ainsi 1 200 mètres carrés de surface collectrice pour environ 60 millions de dollars, soit environ 50 000 dollars le mètre carré.
Or le grand projet de voile laser vers Alpha du Centaure, Breakthrough Starshot, aurait besoin d'ouvertures optiques immenses : le modèle publié en 2018 par Kevin Parkin chiffre l'installation de lancement au sol à 8 milliards de dollars en supposant une optique à 500 dollars le mètre carré. La marche « Champ de Miroirs » (voir la marche B-LGT-16) vise ce compromis : des miroirs à quelques centaines d'euros le mètre carré, assez précis pour émettre le faisceau de propulsion et recueillir les rares photons renvoyés par une sonde. Sur Terre, ces mêmes miroirs serviraient aux champs d'héliostats des centrales solaires, à des télescopes peu coûteux pour les universités et la surveillance du ciel, et aux stations qui échangent des données par laser avec les satellites.