Énergie solaire thermique

Tableau de Parigi (1600) illustrant la défense de Syracuse par Archimède.

La première utilisation non passive répertoriée de l'énergie solaire thermique par l'Homme remonte à 212 av. J.-C. quand Archimède concentra l'énergie du soleil afin d'enflammer les navires romains assiégeant Syracuse. Des scientifiques ont cependant ensuite mis en doute la faisabilité technique d'une telle méthode[1]. Plus de 17 siècles plus tard, en 1561, Adam Lonitzer évoque un procédé utilisé par les alchimistes utilisant l'énergie du soleil concentrée dans le but d'élaborer des parfums[1].

En 1615, la pompe solaire de Salomon de Caus utilise des lentilles pour chauffer un récipient rempli d'un mélange air-eau. Cette invention est considérée comme étant la première utilisation de l'énergie solaire depuis l'époque classique[1].

Dans les années 1780, H. B. de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du Soleil, qu'il nomme « héliothermomètre », il utilise l’effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d’un absorbeur dans un caisson isolé ; il crée ainsi les premiers capteurs solaires thermiques à basse température.

En 1865, Augustin Mouchot construit le premier moteur solaire composé d'un récepteur conique muni d'un récipient métallique noirci recouvert d'un mince bocal en verre transparent dans sa ligne focale.

En 1868, John Ericsson, inventeur suédois, construit lui aussi plusieurs moteurs solaires, qui fonctionnent soit à la vapeur, soit en association avec son moteur à air chaud (ou moteur calorique).

En 1893, le physicien britannique James Dewar découvre l'effet thermos selon le principe d’un récipient à deux parois séparées par un vide d'air, assurant une isolation quasi parfaite. Le principe de la bouteille isotherme permet par la suite le développement des deux types de capteurs solaires thermiques à tubes sous vide existant, l'un par circulation directe, l'autre par caloduc.

Dans les années 1910, les premiers chauffe-eau solaires individuels apparaissent en Californie. Après une période essentiellement consacrée au développement de l'énergie hydraulique, les essais de développement industriel de centrales solaires thermiques ont été couronnés d'un succès technique, mais non économique, car arrivant au moment où le prix du pétrole diminuait à nouveau[2].

Néanmoins, depuis les années 1970 et 1980, son développement prend du retard alors que le développement de l'énergie solaire photovoltaïque est favorisé. Dès lors, seules de petites unités de solaire thermique (chauffe-eau individuel ou de petites collectivités, piscines, etc.) sont fonctionnelles, hors le solaire thermique lourd destiné à produire de l'électricité.

Pendant les années 2000, la nécessité de diminuer les émissions de gaz à effet de serre, la perspective du pic pétrolier et les doutes sur les solutions pour la gestion des déchets nucléaires et sur les risques liés à cette source d'énergie rendent le solaire thermique plus attractif. Les chauffe-eau solaires connaissent un développement rapide dans certains pays, en particulier en Chine, et des projets industriels de grande taille sont réalisés aux États-Unis, en Espagne, au Moyen-Orient, en Australie et au Maroc. Mais la baisse rapide des coûts du solaire photovoltaïque au début des années 2010 fait chuter les projets du solaire thermique individuel, devenu moins attractif, et du thermodynamique, devenu moins compétitif.^{[réf. nécessaire]}

Le captage de l'énergie solaire thermique a plusieurs avantages. En ce qui concerne le chauffage, les capteurs destinés au chauffage sont relativement simples, rustiques et durables.

Concernant l'électricité, les systèmes de turbine à vapeur classiquement utilisés reposent sur des composants parfaitement sûrs et éprouvés. Dans les zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermodynamique est au Maroc amortie au niveau énergétique en cinq mois[3] (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage), ce qui est comparable à l'éolien (quatre à sept mois), mais bien plus rapide que les modules photovoltaïques en silicium (qui nécessitent en 2009 trois à cinq ans pour rembourser leur « dette énergétique », mais qui nécessiteront moins de frais et de travail pour leur entretien et fonctionnement). Enfin, un fort potentiel de développement est disponible dans plusieurs pays en développement, qui présentent un impact a priori modéré sur l'environnement (déserts, zones arides, etc.). Selon le DLR, une capacité de plus de 3 GW est réaliste en Europe, tandis qu'elle serait de 15 GW pour toute la planète[4].

Dans le domaine de la purification de l'eau, le distillateur solaire peut fournir de l'eau potable en suffisance dans les zones tropicales et subtropicales.

La capacité des capteurs solaires thermiques en fonctionnement était répartie comme suit en 2017 (hors centrales solaires thermodynamiques) :

Capacité solaire thermique par pays en 2017[5]

Pays	Puissance installée (GWth)	Surface de capteurs (millions m²)	% 2017
Chine	334,52	477,9	70,6 %
États-Unis	17,89	25,56	3,8 %
Turquie	16,29	23,27	3,4 %
Allemagne	13,75	19,65	2,9 %
Brésil	10,41	14,87	2,2 %
Inde	8,02	11,45	1,7 %
Australie	6,58	9,41	1,4 %
Autriche	3,62	5,17	0,8 %
Israël	3,30	4,71	0,7 %
Grèce	3,23	4,62	0,7 %
Italie	3,20	4,57	0,7 %
Japon	2,91	4,16	0,6 %
Espagne	2,88	4,11	0,6 %
Monde	473,78	676,83	100 %

Cette capacité est estimée à environ 480 GWth fin 2018 ; elle a été multipliée par 7,7 depuis 2000 ; l'énergie solaire thermique produite s'élevait à 396 TWh cette année. Le marché a décliné de 3,9 % en 2018, malgré des progressions importantes en Pologne : +179 %, au Danemark : +128 %, en Inde : +14 %, au Mexique : +4 % et en Grèce : +4 %. Le recul du marché est surtout dû à la Chine, qui a connu un ralentissement pour la cinquième année consécutive ; cependant, ce recul s'atténue peu à peu : -5 % en 2018 après -9 % en 2016 et -17 % en 2014 et 2015[5].

Les dix pays les plus équipés en solaire thermiques étaient en 2017 :

Pays les plus équipés en solaire thermique en 2017[5]

Pays	Puissance installée (Wth par habitant)
Barbade	540
Chypre	440
Autriche	413
Israël	397
Grèce	300
Australie	276
Palestine	269
Chine	242
Turquie	201
Danemark	199

En France, le solaire thermique peine à se développer : la surface installée de capteurs thermiques n'est que de 3,225 Mm² (millions de mètres carrés) en 2018, soit 2 258 MWth, au 6^e rang européen, loin derrière l'Allemagne, n^o 1 avec 13 489 MWth, suivie par l'Autriche, la Grèce, l'Espagne et l'Italie, et au 18^e rang en surface installée par habitant[6] ; l'année 2018 a cependant connu un léger redressement avec une croissance du marché de 2 %[5]. Mais le secteur semble connaître, comme dans de nombreux autres pays, une renaissance sous la forme de grandes installations, qu'elles soient raccordées à des réseaux de chaleur urbains, ou qu'elles livrent les grandes quantités de chaleur que réclament les process industriels[7].

Le capteur solaire thermique est conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la communiquer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur.

Les différents types de capteurs se différencient principalement par la plage de température sur laquelle ils sont utilisés. Les capteurs non-vitrés sont optimaux pour les applications très basse température (chauffage de piscine principalement). Viennent ensuite les capteurs plans vitrés, qui peuvent être utilisés pour la production d'eau chaude sanitaire ou pour le chauffage de bâtiments. Les capteurs tubulaires sous vide sont eux plus adaptés pour des températures plus élevées (supérieures à 80 °C). Pour des températures encore plus élevées (au-delà de 100 - 110 °C), des systèmes à concentration sont normalement utilisés (miroir cylindro-parabolique, capteur linéaire de Fresnel, réflecteur parabolique tel que le réflecteur de Scheffler, tour solaire, etc.).

Quand il est intégré à la paroi (façade ou toiture) un tel capteur peut assumer différentes fonctions architecturales (paroi, décor, source d'ombre, mur anti-bruit, etc.), fournir de la chaleur et récupérer une partie des déperditions de chaleur du bâtiment lui-même.

De tels systèmes sont actuellement utilisés individuellement, mais présentent des potentialités d'intégration dans les écoquartiers, comme mur antibruit, dans la rénovation énergétique ou dans le neuf au travers et dans les approches de type smart grid, réseaux énergétiques collaboratifs tels que proposés par la TRI (troisième révolution industrielle notamment promue par Jeremy Rifkin).

En été, la nuit les panneaux peuvent collecter de l’air plus frais et le jour, selon les fabricants[8], la structure joue le rôle d’un « surisolant » limitant l’échauffement ; et 5 m² de SolarWall économiserait une tonne de rejet de CO₂/an en moyenne.

Le 6 février 2014 ArcelorMittal a annoncé qu’il produira en France (à Haironville, en Moselle) les capteurs (plats ou incurvés) en acier des murs et toitures solaires du système de chauffage d’air « SolarWall » qui est une « peau additionnelle » à poser sur les bâtiments (orientation Sud Est - Sud - Sud-Ouest) pour économiser 20 à 50 % des besoins classiques en énergie. La mise sur le marché européen de ce produit et concept développé par le groupe canadien « Conserval Engineering »est prévue dès 2014. Les capteurs conçus sur mesure sont adaptés à chaque projet de chauffage individuel ou collectif, ou d’installations de séchage industriel et agricole et doivent être installés par des bardeurs/couvreurs ou étancheurs. Leur durée de vie prévue est de 30 ans sans maintenance. Ils sont reconnus par le système d’écocertification LEED[9] (procurant jusqu’à dix « points LEED »[9]).

chauffe-eau solaire

À l'échelle d'une habitation individuelle ou collective, il est possible d'installer un chauffe-eau solaire ou un chauffage solaire : des capteurs vitrés sont installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur chauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur à un réservoir d'eau ou dans le dispositif appelé plancher solaire direct (PSD), intégré à une dalle de sol.

Ce procédé permet de couvrir 2/3 à 3/4 des besoins annuels en eau chaude (en France) et d'apporter éventuellement un complément important au chauffage (installation dite système solaire combiné, SSC). La réglementation thermique 2012 (RT 2012) a fait évoluer l'utilisation des énergies renouvelables (EnR) pour la construction neuve^{[réf. nécessaire]}. Toute maison individuelle doit depuis utiliser une EnR. À ce titre, un nouveau type de chauffe-eau solaire individuel (CESI) minimaliste est proposé^{[Par qui ?]}, de dimensions réduites au minimum (capteur de 2 m² et ballon de 150 litres) et à coût réduit[10].

Dans le logement collectif, l'utilisation du solaire trouve également toute son utilité pour produire prioritairement l'eau chaude sanitaire[11].

Il existe aussi des centrale de chauffage solaire, fonctionnant sur le même principe que le chauffage solaire individuel, mais à plus grande échelle. L'eau chaude produite est ensuite distribuée via des réseaux de chaleurs.

Il existe des types de machines frigorifiques qui utilisent, paradoxalement, une source de chaleur : le réfrigérateur à absorption de gaz par exemple, assez commun pour les camping-car et caravanes. Cette chaleur peut être fournie par le soleil, avec des capteurs comparables à ceux des autres applications. La dépendance au soleil n'est pas gênante lorsqu'il s'agit justement d'assurer l'évacuation d'un excès de chaleur solaire, et pour d'autres applications il reste possible d'assurer le fonctionnement à l'aide d'un système d'appoint par combustion.

Cuiseur solaire

Les cuiseurs solaires sont très répandus en Chine et en Inde. Outre le cuiseur-boîte et le cuiseur à panneaux, des cuiseurs paraboliques ont été développés.

Une plaque de carton recouverte d'une feuille d'aluminium et découpée de façon à former une coquille permet déjà d'obtenir l'échauffement d'une marmite (de préférence noire) placée dans un sac en plastique transparent limitant les pertes en chaleur et en vapeur d'eau. Grâce à des systèmes de ce genre, de nombreux aliments peuvent être cuits, mijotés ou chauffés et de l'eau peut être bouillie. La pièce la plus fragile est le sac en plastique.

Des cuiseurs-boîtes avec un couvercle vitré ou un plastique rigide sont assez faciles à fabriquer avec des matériaux locaux (coquilles vides et sèches pour l'isolation thermique, etc.). Il existe de nombreux modèles de fours solaires[12] pour la cuisson des aliments, ces derniers atteignent des températures de 100 à 220 °C en général.

L'utilisation de l'énergie solaire remonte à l'Antiquité, mais ce n'est qu'au XIX^e siècle que les premiers moteurs solaires apparaissent. Les plus connus sont les moteurs solaires d'Augustin Mouchot et de John Ericsson, ce dernier cherchant à associer l'énergie solaire au moteur à air chaud, dans certains cas plus performant que la machine à vapeur.

Les moteurs solaires transforment l'énergie du soleil en énergie mécanique qui est ensuite transformée en énergie électrique ou toute autre énergie. Les moteurs solaires fonctionnent soit à air chaud, soit avec la vapeur d'eau. Dans les deux cas, ils concentrent l'énergie solaire pour chauffer le fluide de travail (air ou eau) qui en est la force motrice.

Projet de recherche à Font-Romeu-Odeillo, France. Un moteur Stirling est placé au foyer de la parabole

Des systèmes de production d'énergie permettent de concentrer l'énergie solaire en un point précis qui peut alors atteindre une température considérable^[Combien ?]. Une production électrique est alors possible via, entre autres, des turbines à vapeur ou d'autres moteurs thermiques.

Pour cela, des collecteurs paraboliques chauffent un fluide caloporteur (eau, sels fondus, huiles synthétiques, ou directement vapeur) circulant dans des tuyaux placés au niveau de leur foyer géométrique.

L'irrégularité propre à l'énergie solaire peut être contournée, soit en stockant la chaleur (avec un réservoir de fluide chaud), soit en hybridant les concentrateurs solaires avec une centrale thermique classique (la chaudière et la chaleur solaire nourrissant la même turbine à vapeur).

• La centrale de Mojave en Californie, vers 1980, avait fait figure de projet pionnier. Quelque peu oubliée depuis, cette filière revient d'actualité dans les années 2000 (les inquiétudes sur le réchauffement climatique et sur les réserves d'hydrocarbures aidant), avec de nombreux projets pilotes dans une dizaine de pays.
• La centrale thermo-solaire Nevada Solar One est construite à partir de février 2006 à Boulder City. En 2009 elle est raccordée au réseau et développe une puissance de 64 mégawatts (troisième puissance au monde[13]. Selon ses concepteurs, elle permet d'éliminer une pollution équivalente à celle d'un million de voitures en circulation sur le territoire des États-Unis.
• La Pacific Gas and Electric a annoncé en novembre 2007 une centrale solaire à San Luis Obispo, qui produit 177 MW d'électricité pour 120 000 foyers[14].
• La centrale solaire Thémis, expérimentale, a également en France produit de l'électricité dans les années 1980 avant sa mise en sommeil « faute de rentabilité »^{[réf. nécessaire]} face à la chute du prix du pétrole et à une électricité nucléaire moins chère. Elle est en cours de reconversion.
• La centrale d'Almeria en Espagne n'a pas eu de suite majeure pour les mêmes raisons.

Le 31 mars 2007, à 25 km de Séville a été officiellement inaugurée une centrale solaire nommée PS10 d'une puissance de 11 MW électrique, dont la production prévue est d'environ 23 GWh/an (soit la production à pleine puissance de 2 000 h/an)[15]. D'autres centrales similaires sont prévues[16].

En 2011, Alba Nova 1, située en Corse, est la première centrale solaire thermodynamique française d'envergure à avoir obtenu un permis de construire depuis plus de 30 ans[17].

Une tour solaire de 1 000 m de hauteur, prévue à Buronga en Australie, était l'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie alternative. Ce serait une usine d'énergie renouvelable qui fournirait la même puissance qu'un petit réacteur nucléaire tout en étant plus sûre et plus propre.

Un moteur Stirling relié à une génératrice peut aussi bien utiliser un système de concentrateurs paraboliques ou des capteurs plats à fluide caloporteur, selon son gradient thermique de fonctionnement.