Centrale de chauffage solaire

Une centrale de chauffage solaire (en anglais, solar heating plant : SHP) est une centrale solaire thermique basse température (par opposition à une centrale solaire thermodynamique). Elle utilise l'énergie du rayonnement solaire afin de produire de l'eau chaude de manière centralisée, ensuite distribuée aux consommateurs via un réseau de chaleur. Cette chaleur peut répondre à des besoins de chauffage ou d'eau chaude sanitaire. Dans certains cas, la chaleur produite peut être utilisée pour des applications industrielles[2].

La centrale de chauffage solaire de Marstal au Danemark s'étend, en 2012, sur une surface de 18 365 m2, avant un agrandissement qui portera sa surface à 33 300 m2 en 2014[1].

Les capteurs solaires thermiques utilisés sont généralement placés au sol ou sur un vaste toit et couvrent des surfaces qui peuvent être importantes.

Le Danemark est un des pays les plus en pointe sur ce type de techniques et possède de nombreuses centrales[3], mettant ainsi à profit son réseau de chaleur développé depuis les années 1970[4]. En 2017, la plus grande centrale au monde, d'une superficie de 156 694 m2, se situe dans ce pays, à Silkeborg[5],[6], au centre du Jutland.

En Europe, la première centrale a été construite en Suède en 1979 et a été démantelée depuis. En 2010, la plus vieille centrale toujours en activité date de 1985[7].

Principe de fonctionnement
Stockage thermique pour chauffage urbain à Krems en Autriche, 50 000 m3 d'eau, 2 GWh.

Une centrale de chauffage solaire est composée de deux circuits. Le circuit primaire est composé de plusieurs rangées parallèles de panneaux solaires en série où circule un fluide caloporteur (généralement un mélange d'eau et de propylène glycol ou éthylène glycol). Grâce au rayonnement solaire, la température du fluide augmente lors de son passage dans les capteurs solaires. La chaleur emmagasinée est ensuite échangée au niveau d'un échangeur de chaleur pour chauffer de l'eau dans le circuit secondaire. Cette eau chaude est ensuite soit distribuée directement dans un réseau de chaleur, soit stockée dans des réservoirs pour être utilisée dans les heures qui suivent.

La production de chaleur dépend de différents facteurs, notamment :

  • l'ensoleillement ;
  • la position des capteurs solaires thermiques (orientation, inclinaison) ;
  • le type de capteurs solaires thermiques ;
  • la vélocité du fluide circulant dans les collecteurs ;
  • la température d'entrée du fluide circulant dans les collecteurs ;
  • la nature du fluide circulant dans les collecteurs.

Stockage

Le rayonnement solaire apportant plus d'énergie à un point donné de la surface terrestre pendant la saison estivale, des solutions apparaissent dans le but de stocker cette énergie pour une utilisation pendant les mois d'hiver, lorsque la demande en chauffage est importante.

Différentes initiatives existent utilisant la capacité thermique de certains matériaux pour conserver la chaleur sur des périodes longues. Le stockage souterrain est une technique employée, soit avec un stockage directement dans le sous-sol comme c'est le cas au sein de la Communauté solaire de Drake Landing (Canada) ou à Brædstrup (Danemark)[8], soit grâce à un stockage dans un réservoir d'eau enterré, technique mise en place dans les centrales solaires de Marstal[9] et Dronninglund (Danemark).

Types de capteurs

La plupart des installations utilisent des capteurs solaires vitrés plats. D'autres technologies existent cependant, notamment les capteurs tubulaires sous vides, qui présentent une meilleure efficacité pour des températures moyennes de fonctionnement supérieures à environ 60−65 °C, et les capteurs à concentration, présentant un rendement plus élevé à haute température[10]. Début 2015, un concept innovant est construit à Tårs, au Danemark, combinant des capteurs solaires plans (5 972 m2) et des capteurs à concentration (4 039 m2), afin de tirer profit des températures de fonctionnement optimales des deux types de capteurs[11],[12].

Les centrales solaires thermiques dans le monde

Diffusion

Les centrales de chauffage solaire représentent une part très marginale du marché du solaire thermique dans le monde, marché largement dominé par les applications domestiques. À l'échelle mondiale en 2011, moins de 1 % de la capacité installée sur l'année était destinée à des centrales de chauffage solaire[13].

Quelques exceptions existent malgré tout. Au Danemark notamment, deux tiers de la capacité installée en 2011 l'a été pour des applications centralisées de chauffage solaire[13].

La première centrale française, d'une surface de 458 m2 a été inaugurée en 2014 près de Toulouse[14].

Liste des principales installations
Principales installations de chauffage solaire[15],[16]
No. Ville Pays Surface
collecteurs [m2]		 Puissance
[MW]		 Production annuelle
(estimée) [GWh]		 Année d'installation Fabricant des panneaux Stockage saisonnier
1 Silkeborg[5],[17] Danemark 156 694 110 80 2016 Arcon Sunmark
2 Vojens[18],[19] Danemark 70 000 50 35 2012/2015 Sunmark/ARCON (Danemark) Réservoir de 200 000 m3
3 Gram[20] Danemark 44 000 31 20,8 2008/2015 ARCON Réservoir de 120 000 m3
4 Gaby mine[21] Chili 39 300 - 50 2011 Sunmark (Danemark)
5 Dronninglund[22],[23] Danemark 37 573 27 18 2014 ARCON (Danemark) Réservoir de 60 000 m3
6 Riyad[24] Arabie saoudite 36 305 25 - 2011 GREENoneTEC (Autriche)
7 Marstal[1] Danemark 33 300 23,3 - 1996-2001-2014 Sunmark/ARCON Réservoir de 75 000 m3
8 Ringkøbing Danemark 30 000 22,6 14,25 2010-2014 ARCON
9 Vildbjerg Danemark 21 234 14,5 9,5 2014 ARCON
10 Nykøbing Danemark 20 084 14,06 9,6 2014 ARCON
11 Helsinge Danemark 19 588 14 9,4 2012-2014 ARCON
12 Hadsund Danemark 20 513 14 11,5 2015 ARCON
13 Gråsten Danemark 19 024 13 9,7 2012 ARCON
14 Brædstrup Danemark 18 612 14 8,9 2007/2012 ARCON
15 Tarm Danemark 18 585 13,1 9 2013 ARCON
16 Kaida Chine 15 000 - - - -
17 Changshu Chine 15 000 - - - -
18 Oksbøl Danemark 14 745 9,9 7,78 2010-2013 Sunmark
19 Jægerspris Danemark 13 405 8,6 6 2010 Sunmark
20 Hangzhou Chine 13 000 - - - -
21 Lillestrøm[25] Norvège 12 810 8,8 4,2 2012 Sunmark

Sources [26],[3],[27],[2].

Économie

Il est estimé que les coûts de production d'une centrale de chauffage thermique solaire sont au minimum de 30 €/MWh en Europe du Nord et 20 €/MWh en Europe méridionale[28]. Avant d'implanter une centrale solaire, une étude économique doit être menée afin de comparer les coûts de production de la centrale solaire avec les coûts des moyens de production existants, ou des alternatives envisageables.

En fonction du contexte, une centrale solaire ne sera pas toujours rentable. Si de la chaleur résiduelle est disponible (centrale d'incinération, processus industriel...), la centrale solaire ne sera pas compétitive. À l'inverse, le contexte le plus favorable est une association avec une centrale de cogénération au gaz naturel ou à la biomasse. En effet, le coût marginal de production d'une centrale à biomasse est de 20−30 €/MWh, ce qui la situe dans le même ordre de grandeur qu'une centrale solaire. Dans le cas d'une centrale au gaz, le prix du combustible est en Europe très élevé, ce qui rend les centrales solaires compétitives (46 €/MWh en Autriche et en Allemagne, 61 €/MWh en Italie par exemple)[28].

Notes et références
  1. Il est prévu que l'agrandissement de la centrale actuelle de 18 365 m2 s'achève en 2014.(en) Solar District Heating, « Marstal Solar District Heating - EU supports the extension to a 100% renewable energy system », sur solar-district-heating.eu, (consulté le ).
  2. (en) H. Runqing, S. Peijun et al., « An overview of the development of solar water heater industry in China », Energy Policy, L.A. Greening, vol. 51,‎ , p. 46-51 (DOI 10.1016/j.enpol.2012.03.081, lire en ligne).
  3. (en) Site recensant une grande partie des centrales danoises ainsi que les données de production heure par heure, sur SolarHeatData.eu (consulté le ).
  4. (en) Energistyrelsen, « Public heat planning (1970s and 1980s) », sur ens.dk (consulté le ).
  5. (en) Baerbel Epp, « Denmark: New Solar District Heating World Record », sur solarthermalworld.org, (consulté le ).
  6. (en) « Denmark home to the world’s largest solar plant – again », sur The Post, (consulté le )
  7. [PDF](en) CIT Energy Management AB, « Success Factors in Solar District Heating » [PDF], sur solar-district-heating.eu, (consulté le ).
  8. (en) « Extension of the Braedstrup solar district heating plant », sur Solar District Heating, (consulté le ).
  9. (en) P. A. Sørensen, L. Holm et al., « Water Storages, Solar thermal and Heat pumps in District Heating », Proceedings of EuroSun 2008 Conference, Lisbonne,‎ (lire en ligne[archive du ] [PDF]).
  10. (en) Jan Erik Nielsen, « Solar District Heating - Experience from Denmark » [PDF], sur alpconv.org, (consulté le ).
  11. (en) Diarmaid Williams, « Solar-district heating plant opens in Denmark », sur cospp.com, (consulté le ).
  12. (en) Baerbel Epp, « Denmark: Combined CSP and Flat Plate Collector System Supplies Solar District Heating », sur solarthermalworld.org, (consulté le ).
  13. (en) Mauthner, Franz et Weiss, Werner, « Solar Heat Worldwide - Markets and Contribution to the Energy Supply 2011 (Edition 2013) », sur iea-shc.org, (consulté le ), p. 39-40.
  14. (en) SDH.eu, « The first solar district heating plant in France is in operation », sur solar-district-heating.eu, (consulté le ).
  15. (en) « solarheatdata.eu », carte en temps réel des centrales solaires danoises, sur www.solarheatdata.eu (consulté le ).
  16. (en) « Ranking List of European Large Scale Solar Heating Plants », sur Solar District Heating (consulté le ).
  17. (en) « Silkeborg: solar history in the making », sur Euroheat & Power, (consulté le ).
  18. (en) Flemming Ulbjerg, « South-Jutland stores the sun’s heat in the world's largest pit heat storage », sur ramboll.com, n/a (consulté le ).
  19. Mauthner 2016, p. 37.
  20. (en) « Large-scale solar water heating and seasonal heat storage pit in Gram », sur stateofgreen
  21. La centrale doit ouvrir en juin 2013. (en)« Chile: World’s Largest Collector Field to Provide Heat for Copper Mine », sur Global Solar Thermal Energy Council, (consulté le ).
  22. (en) Nordic Folkecenter, « The World's Largest Solar Heating Plant in Dronninglund, Denmark », sur folkecenter.net, (consulté le ).
  23. (en) Baerbel Epp, « Denmark: Construction Start on Dronninglund’s Solar District Heating Plant », sur solarthermalworld.org, (consulté le ).
  24. (en) Solar District Heating, « The world biggest solar thermal plant in Riad », sur solar-district-heating.eu, (consulté le ).
  25. (en) Solar District Heating, « Norway’s largest solar district heating plant inaugurated », sur solar-district-heating.eu, (consulté le ).
  26. [PDF] (en) Weiss, Werner et Mauthner, Franz, « Solar Heat Worldwide - Markets and Contribution to the Energy Supply 2010 », sur iea-shc.org, (consulté le ), p. 43.
  27. (en) ARCON, « Kungälv Energy AB - S », sur arcon.dk (consulté le ).
  28. Solar district heating guidelines, p. 9-12.

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes
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