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SOMMAIRE

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Bois nergieparet

Xavier DEGLISEAndr DONNOTLaboratoire dtudes et de recherches sur le matriau Bois (LERMAB)Facult des Sciences de Nancy

1.1.11.2

Prsentation gnrale.............................................................................Gestion durable et cycle de vie ..................................................................Place du bois dans les nergies renouvelables ........................................

2.2.12.2

Bois nergie dans le monde ..................................................................Pays dvelopps ..........................................................................................Pays en voie de dveloppement ................................................................

445

3.

Part du bois dans le bilan nergtique franais..............................

6

4.4.14.2

Ressources en bois nergiepar rapport aux autres utilisations du bois ......................................Fort franaise et filire bois ......................................................................Mobilisation du bois nergie ......................................................................4.2.1 Ressource industrielle ........................................................................4.2.2 Ressource sylvicole ............................................................................

77777

5.5.15.25.35.45.5

Composition et proprits du bois .....................................................Composition chimique du bois...................................................................Pouvoir calorifique du bois (PCI, PCS) .......................................................Capacit thermique massique pression constante................................Conductivit thermique ..............................................................................Masse volumique ........................................................................................

999111111

6.6.16.2

Voies sches de valorisation nergtique du bois..........................Les diffrents procds et produits............................................................Ractions mises en jeu................................................................................6.2.1 Pyrolyse du bois .................................................................................6.2.2 Combustion.........................................................................................6.2.3 Gazification........................................................................................

121212121414

7.7.17.27.3

Applications et utilisations des produits ..........................................Pyrolyse et carbonisation............................................................................Combustion : chaleur, lectricit, cognration........................................Gazification.................................................................................................

16161718

8.

Conclusion .................................................................................................

21

Pour en savoir plus ...........................................................................................

BE 8 535 - 223

Doc. BE 8 535

e bois nergie est encore et toujours, dans le public, associ avec le chauffage au bois dans les campagnes et la chemine ltre dans les rsidences secondaires. Pour les plus anciens, ce sont les gazognes sur lesvhicules pendant lOccupation, au dbut des annes 1940. Les deux chocsptroliers de 1973 et 1979 ont pourtant, surtout pour le second, gnr une activit foisonnante en recherche et dveloppement, sur de nouveaux procds oudes procds anciens mis au got du jour, pendant les annes 1980.Malheureusement dans notre pays et contrairement la plupart des payseuropens, ces efforts se sont arrts cause de la baisse du prix du ptrole.

L

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BE 8 535 1

BOIS NERGIE _________________________________________________________________________________________________________________________

Cest seulement depuis quelques annes que la prise de conscience de leffetde serre fait ressurgir la ncessit de sintresser au bois nergie, principalement sous sa forme chauffage au bois, mais aussi sous des formes plusvolues, gazication en particulier, qui ont toutes t dveloppes au coursdes annes 1980.Dans cet article, nous passons en revue les diffrents procds de valorisationnergtique du bois, qui sont en fait trs nombreux et pour la plupart oprationnels avec un minimum defforts et de moyens nanciers. Mais la constancedans leffort doit tre recommande si on ne veut pas rinventer leau chaudechaque fois quil y a une situation de crise. Malheureusement ou heureusement,leffet de serre va nous obliger tre constants si on veut limiter les dgagements de CO2 .Il faut cependant tre raliste, le bois est une matire premire diffuse qui vancessiter des procds de valorisation nergtique de taille raisonnable, pourune production dnergie de complment.

Notations et symbolesSymbolecp

Unit1

kJ kg

Dnomination1

K

chaleur massique pression constante

d

densit par rapport leau

H

%

humidit

Lv

kJ kg1

M

mol1

g

enthalpie de vaporisation de leaumasse molaire

PCI

kJ kg1

pouvoir calorifique infrieur

PCS

kJ kg1

pouvoir calorifique suprieur

T

K

tep

tep

x

m1

W

Son usage, qui tait en rcession, voire stagnant dans les paysdvelopps, connat actuellement un certain regain puisquelnergie issue du bois est une des voies choisies, dans le cadredu protocole de Kyoto, pour stabiliser les missions de dioxydede carbone (CO2). En effet, comme les combustibles fossiles(charbon, ptrole et drivs, gaz naturel), la combustion du boisproduit du CO2 , gaz effet de serre, mais, contrairement auxautres combustibles, il ne contribue pas laccroissementdu CO2 puisquil en fixe une quantit quivalente durant sacroissance.Ainsi, si le prlvement en bois de feu reste infrieur la production vgtale, 2 500 kg de bois sec permettent dconomiser, enmoyenne, 1 tep tout en rduisant le dgagement de CO2 danslatmosphre denviron 3 000 kg (masse de CO2 produite lors de lacombustion de 1 t de ptrole).

temprature thermodynamique

Enfin, on admet en zone tempre que la fort fixe 3 t ha1 an1de carbone (figure 1) comme le montrent A. Granier et al. [1] [2] enfaisant le bilan du carbone absorb par la photosynthse auquel ilfaut retrancher celui dgag par la masse vgtale hors sol et parle systme racinaire. Planter des arbres est donc extrmement utilepour rduire les missions de CO2 , sachant que tout le bois produitnest pas utilis en source dnergie. On admet pour les forts tropicales que la fixation de carbone est de 5 t ha1 an1.

tonne quivalent ptrolefraction massique

K1

kg m3

conductivit thermiquemasse volumique

Liste des indicesb

brut

H

hydrogne

s

sec

Limpact de lusage du bois comme source dnergie ne se limitepas seulement une rduction des missions de CO2 . Il permetdamliorer la gestion et lentretien des forts (les clairciespermettent de lutter contre les incendies) et par suite le maintiendes quilibres hydrologiques et climatiques ainsi que la qualit despaysages. Bien entendu, il faudra toujours veiller obtenir uneproduction annuelle de bois excdentaire vis--vis des usages afindviter les problmes de dforestation rencontrs dans la plupartdes pays dAfrique et dAmrique du Sud. Ils sont dus essentiellement la rcolte de bois de feu et la conversion des forts enterres agricoles..., de faible fertilit. En Europe, la fort crot naturellement et cette accroissement doit pouvoir tre utilis en partiecomme source dnergie pour remplacer les nergies fossiles, maisaussi comme matriau, ce qui conduit galement une rductionde la consommation de produits ptroliers (par exemple cas desmatires plastiques utilises en menuiserie industrielle).

1. Prsentation gnrale1.1 Gestion durable et cycle de vieLe bois, produit naturel, compos en majeure partie de carbone,dhydrogne et doxygne, est potentiellement un combustible etdonc une source dnergie thermique. Par son origine vgtale, lebois fait partie des nergies renouvelables et arrive en tte desnergies renouvelables en Europe o il reprsente en 2000 prs de54 % de la production dnergie primaire dorigine renouvelable.

BE 8 535 2

Une autre source importante et en croissance de la ressource enbois nergie est la fin de vie optimise des produits bois. Jusquprsent ils terminaient en enfouissement. De plus en plus, commelindique la figure 2, une partie est transforme en nergie.

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transformation du bois par pyrolyse et gazification devraient permettre daccrotre la part de production dnergie lectrique partirdu bois. Cette part, estime 15,2 % en 2000, devrait atteindre38,7 % en 2010. Cet objectif dpend en partie des dveloppementstechnologiques indiqus prcdemment, mais aussi de la volontpolitique des pays vis--vis du bois nergie.

Flux net annuel de carbone en t (de C) ha1. an1

Assimilation brute17,5 21,3

Respirationarienne + souterraine :15,1 17

2,4 4,3

1.2 Place du bois dans les nergiesrenouvelables

40 % 60 %

Par rapport aux nergies fossiles (qualifies dnergies stock)comme le charbon, le ptrole, le gaz et luranium, les nergiesrenouvelables (qualifies dnergies en flux) sont lies en principe des sources inpuisables comme le soleil, le vent, la mare, lnergie hydraulique, la gothermie, la biomasse, les dchets. Leurexploitation est accompagne dune mission minimale de dchetset de polluants contrairement au cas des nergies fossiles.

Stock C biomasse arienne

Les nergies renouvelables peuvent tre rparties en cinqgrandes familles selon lorigine de la source, savoir : lnergie solaire ; lnergie olienne ; lnergie hydraulique ; lnergie gothermique ; la biomasse, comprenant lincinration des dchets.

Stock C biomasse souterraine

Figure 1 Le cycle du carbone en fort tempre

En fonction de la finalit et/ou de la nature de lnergie obtenue partir de la source (chaleur, lectricit, carburant liquide, combustible gazeux), on distingue actuellement neuf types dnergiesrenouvelables, savoir : le solaire photovoltaque ; le solaire thermique ; lhydraulique ; lolien ; la gothermie ; le bois nergie ; les biocarburants ; le biogaz ; la valorisation nergtique des dchets.

Ressource

RecyclageMatirepremire

Fabricationdeproduits

nergie

En Europe [4], la consommation dnergie renouvelable est de81,3 Mtep hors dchets sur une consommation en nergie primairede 1 460 Mtep. Cela reprsente 5,6 % de lnergie brute consomme. La projection du Livre blanc europen pour 2010 correspondessentiellement un doublement de lnergie consomme doriginerenouvelable et de sa proportion dans lnergie brute consommequi devrait se situer autour de 11,4 %.

Dgradationbiologique

Utilisationdeproduits

Hier

BOIS NERGIE

Parmi les nergies renouvelables, cest lnergie issue de la biomasse qui est de loin la plus importante. La rpartition donne surla figure 3 fait apparatre une consommation de 48,65 Mtep pourune consommation totale de 81,3 Mtep, soit prs de 60 %. La projection en 2010 devrait permettre de maintenir en tte la productiondnergie issue de la biomasse avec une proportion de lordre de75 %. Lnergie issue de la biomasse est essentiellement thermique.Lnergie lectrique produite est de 28,1 TWh sur une productiontotale dnergie lectrique dorigine renouvelable de 368,3 TWh,soit une proportion de lordre de 7,6 %. La proportion dnergielectrique obtenue partir de la biomasse est faible vis--vis desautres nergies renouvelables (voir rpartition de la figure 4). Lesprvisions du Livre blanc sont telles que la production dlectricit partir de la biomasse devrait tre considrablement augmente.Elle devrait passer en 2010 230 TWh pour une production totalednergie lectrique renouvelable de 655 TWh et se rapprocher dela production dlectricit dorigine hydraulique.

Dcharge

Figure 2 cobilan, cycle de vie dun produit

Le dveloppement de lusage du bois comme source dnergie aune incidence directe sur lemploi. Actuellement la mise en uvredu bois nergie fait appel diffrentes qualifications et elle reprsente globalement en France lquivalent de 20 000 emplois qui seretrouvent au niveau de la collecte, de lexploitation, du transportdes rmanents forestiers, du conditionnement, de lexploitation etde la maintenance des chaufferies, de leur construction et desbureaux dtudes. Daprs lAdeme [3], la valorisation de 2 000 m3de bois nergie permet la cration dun emploi, ainsi les rservesfranaises utilisables comme bois nergie tant estimes 12 Mm3par anne (soit lquivalent de 2 3 Mtep), ce sont donc potentiellement 6 000 emplois supplmentaires qui pourraient voir le jourdans cette filire.

Parmi les objectifs du Livre blanc, actuellement seules lnergieolienne et la gothermie connaissent une croissance suprieureaux prvisions. En ce qui concerne la biomasse et plus prcisment le bois nergie, la tendance actuelle de croissance nest passuffisante pour atteindre les prvisions et, sans une augmentationnotable du nombre des chaufferies industrielles et collectives de

En 2000, la finalit du bois nergie est essentiellement la production directe dnergie thermique. En Europe, le dveloppement deschaufferies urbaines et industrielles de plusieurs mgawatts, la

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BE 8 535 3

BOIS NERGIE _________________________________________________________________________________________________________________________

Gothermie 3,42 MtepPhotovoltaque 0,011 MtepHydrolectricit(hors pompage-turbinage)27 Mtep

olien 1,83 Mtep

Biomasse 48,65 Mtep

Solaire thermique 0,38 Mtep

Figure 3 Rpartition de la consommationbrute dnergies renouvelables en 2000 dans lespays de lUnion europenne, daprs [4]

Hydrolectricitpetites installations 40 TWhPhotovoltaque 0,13 TWhBiomasse 28,1 TWhGothermie 4,8 TWholien 21,3 TWh

Hydrolectricitgrandes installations274 TWh

Figure 4 Rpartition de la productiondnergie lectrique renouvelable en 2000 dansles pays de lUnion europenne, daprs [4]

nergie primaire tait quivalent celui de la France, la productiondnergie primaire passerait de 47,3 Mtep 67,6 Mtep, soit lquivalent dun nombre demplois crs compris entre 1 350 000 et2 000 000 pour lensemble de lUnion europenne.On observe dans les pays mditerranens (Grce, Italie) unrapport plus lev qui correspond lusage du bois comme moyende chauffage individuel, mais aussi comme nergie de cuisson sousforme de charbon de bois.Comme partout dans le monde, la production nergtique partirde bois dans la Communaut europenne est essentiellement sousforme thermique. Le tableau 2 donne les objectifs futurs raliseren 2010 [4].

puissances suprieures 15 MW et la mise en place dunits deproduction de gaz de synthse utilisable directement dans desmoteurs ou des turbines gaz, lobjectif de 2010 de doublement dela production dnergie via la biomasse ne pourra pas tre ralis.

2. Bois nergie dans le monde2.1 Pays dveloppsSi lon sintresse plus spcifiquement lUnion europenne, onconstate que la situation est trs contraste entre les pays de lacommunaut comme le montre le tableau 1. Il donne les surfacesboises dans les 15 pays de lUnion europenne avec leur production respective de bois ronds (appels aussi bois dindustrie) estime en 2000, dnergie primaire partir de bois et le rapport entreces deux quantits.Dans les pays o la production annuelle de bois ronds dpasse10 Mm3, la France, lEspagne et lAutriche ont un rapport productiondnergie primaire/production de bois ronds suprieur aux rapportsatteints en Allemagne, Finlande et Sude alors que ces pays reprsentent eux trois 62 % de la production annuelle de bois rondsdans lUnion europenne. Si le taux moyen dutilisation du bois en

LEurope sest engage pour produire 52,7 Mtep supplmentairesdici 2010. Les efforts les plus importants devront tre raliss dansle domaine de la production dlectricit. Il faudra alors surmonterdes problmes techniques, mais aussi financiers (prix dachat dellectricit dorigine bois vis--vis du prix de llectricit doriginefossile et nuclaire). Le rythme de croissance observ entre lesannes 2000 et 2002 nest pas suffisamment lev pour atteindreles objectifs de 2010. Seules des volonts politiques (taxation duCO2 non renouvelable) et linstallation de chaufferies de grandepuissance (possibilit de cognration) et dunits de gazificationconduisant des gaz propres pour lalimentation de turbinespermettront de se rapprocher des objectifs envisags en 2010 ennergie thermique, mais surtout en lectricit.

(0)

BE 8 535 4

(0)(0)

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BOIS NERGIE

Tableau 1 Comparaison des surfaces forestires, de la production annuelle de bois ronds

et dnergie primaire obtenue partir de bois dans lUnion europenneProductiondnergieprimaire en 2000(Mtep)

Surface totale

Forts

Taux deboisement

Productionde bois ronds

(Mha)

(Mha)

(%)

(Mm3)

Allemagne .................................Autriche .....................................Belgique et Luxembourg .........Danemark ..................................Espagne.....................................Finlande.....................................France ........................................Grce .........................................Irlande .......................................Italie ...........................................Pays-Bas ....................................Portugal .....................................Royaume-Uni ............................Sude ........................................

34,98,33,34,249,930,555,012,96,929,43,49,224,241,2

10,73,90,70,514,421,915,33,60,710,00,43,72,827,1

3147211229722828103412401266

36,410,83,71,612,449,632,90,52,24,40,98,47,454,3

5,03,00,30,93,67,59,80,90,24,60,51,71,08,3

0,140,280,080,560,290,150,301,800,091,040,550,200,130,15

Total ..........................................

313,3

115,7

37

225,5

47,3

0,21

Pays

Chaleur

lectricit

Total

Production en 2000 ......... (Mtep)

40,1

7,2

47,3

Prvision en 2010 ............ (Mtep)

61,3

38,7

Effort raliser ................ (Mtep)

21,2

31,5

(Mtep/Mm3)

Tableau 3 Rpartition du type de consommation de boisentre pays dvelopps et pays en dveloppement,selon le mmento AFOCEL

Tableau 2 Objectifs bois nergie selon le Livre blancde la commission europenne, daprs [4]Nature de lnergie

nergiebois ronds

Boisde feu(Mm3)

Pays

Pays en dveloppement ...................10052,7

Boisdindustrie(Mm3)

1 564

759

Pays dvelopps ...............................

189

1 222

Total au niveau mondial ..................

1 753

1 987

(0)

Tableau 4 volution du couvert forestier de 1990 2000Continent ou paysAfrique.........................................................................Amrique du Nord et centrale...................................Amrique du Sud .......................................................Asie - Ocanie .............................................................Europe .........................................................................Ex-URSS ......................................................................Total ............................................................................

Surface 1990(Mha)7035559237521808503 963

Surface 2000(Mha)6505498867461888513 870

2.2 Pays en voie de dveloppement

Variation de surface(Mha) 536 37681 93

Surface(%) 7,514 0,84,40,1 2,3

URSS connaissent un accroissement des surfaces boises entre1990 et 2000 (tableau 4).La diminution observe dans les pays peu industrialiss estdautant plus critique que lessentiel de la consommation de boiscorrespond au bois nergie. Le tableau 5 donne la rpartition de laproduction de bois en 1998 en bois nergie (bois de feu et charbonde bois) et en bois dindustrie. En Afrique, en Amrique du Sud eten Asie, la consommation la plus importante est de loin celle du

(0)

La situation est trs contraste si lon compare globalement lesvolumes de bois consomms et produits dans les pays en dveloppement et les pays dvelopps (tableau 3).Cette situation se traduit par une volution diffrente des surfaces forestires qui sont en forte diminution. Seules lEurope et lex.

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BE 8 535 5

lectricit photovoltaquePrincipespar

Jean-Claude MULLERMembre du Programme interdisciplinaire nergie du CNRSInstitut dlectronique du solide et des systmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP)

1.1.11.2

Physique du rayonnement solaire .......................................................Rayonnement du corps noir : soleil hors atmosphre, constante solaireRayonnement peru au sol : rle de latmosphre...................................

2.2.12.22.3

Physique du composant photovoltaque ...........................................lectrons dans un potentiel priodique, schma de bandes ...................Semi-conducteurs intrinsques et dops ..................................................Effet photovoltaque ....................................................................................

3345

3.3.13.2

Caractristiques I-V et rponse spectrale.........................................Paramtres caractristiques et rendement de conversion dune celluleRendement quantique dune cellule ..........................................................

778

4.4.14.24.34.44.54.64.7

Convertisseur photovoltaque ..............................................................La cellule, un lment gnrateur de courant...........................................Le module photovoltaque ..........................................................................Problme du stockage de lnergie photovoltaque .................................Effet de la temprature dutilisation sur le module photovoltaque........Modules hybrides photovoltaque-thermique...........................................Champs de modules et cellules sous concentration ................................Dimensionnement dune installation photovoltaque ..............................

8891010101011

5.

Conclusion .................................................................................................

12

Rfrences bibliographiques .........................................................................

12

BE 8 578 222

e secteur des composants opto-lectroniques qui se dveloppe le plus rapidement est, sans conteste, celui du photovoltaque (PV), pour une production dlectricit base sur la conversion de la lumire du soleil.Le but de ce premier dossier est de donner au lecteur un minimum de connaissance des principes de la conversion photovoltaque. Dans le premier paragraphe, quelques notions relatives lnergie transmise par le soleil horsatmosphre (considr comme un corps noir) et au niveau du sol sont donnes.Dans le deuxime paragraphe, on prsente en termes simples quelques lments de physique des semi-conducteurs incluant les modles de schma debandes, les formules de base qui rgissent la rpartition des lectrons lquilibre thermodynamique et les mcanismes de la conduction lectrique. Lesparagraphes 3 et 4 dcrivent les caractristiques lectriques fondamentales (tension, courant et rendement de conversion) du dispositif photovoltaque et sonusage en tant que gnrateur de courant (convertisseur lumire-lectricit).Ce dossier se termine par une application pratique : on valuera rapidement ledimensionnement dune installation photovoltaque partir des donnesdensoleillement de la rgion pour une habitation individuelle afin de satisfaireles besoins en nergie lectrique dune famille de quatre personnes.

L

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BE 8 578 1

LECTRICIT PHOTOVOLTAQUE ___________________________________________________________________________________________________________

(0)

Abrviations

c-Si

Silicium microcristallin

a-Si

Silicium amorphe

CIS

Chalcognures

Cz

Tirage Czochralski

EMC

Croissance lectromagntique

FZ

Tirage par zone flottante

HIT

Htrostructure

mc-Si

Silicium multicristallin

pc-Si

Silicium polycristallin

p-i-n

Structure zone intrinsque

pm-Si

Silicium polymorphe

p-n

Structure jonction plane

1 700 K

E()

1 600 K

RCC

Cellule contacts arrires

Sc-Si

Silicium monocristallin

1 500 K1 400 K1 300 K1 200 K1 100 K

1

0

2

1 000 K3

1. Physique du rayonnementsolaire

Visible Infra-rouge

clairement solaire hors atmosphre (AM0)

O3

1,5

Raies d'absorption par l'atmosphreH2OO2 H2OComposante diffuse (lgre brume)H 2OH2OH2OComposante diffuse (ciel clair)

1,0

H 2O

0,5

H2O CO2

O3

00

1.1 Rayonnement du corps noir : soleilhors atmosphre, constante solaire

H2O CO2

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

H2O CO2

2,8

3,2

Longueur d'onde (m)Figure 2 Spectre de rayonnement du soleil

On peut considrer, en premire approximation, que lnergie durayonnement du soleil hors de latmosphre suit la loi du rayonnement du corps noir (figure 1). En effet, pour de grandes longueursdondes, cest--dire pour des photons peu nergtiques, la loi donnant lnergie moyenne rayonne (E(, T)) par unit de volume desphotons dans un intervalle de longueur donde d se rduit la loiclassique de Rayleigh-Jeans (1) :

1.2 Rayonnement peru au sol :rle de latmosphre Pour la fabrication de cellules photovoltaques pour un usage terrestre, il est ncessaire de connatre le spectre du rayonnementsolaire reu au niveau du sol (figure 2). Latmosphre terrestremodifie le spectre nergtique du rayonnement solaire par lactionde trois mcanismes principaux :

(1)

Ainsi, plus le corps noir met une temprature leve, plus sonrayonnement est nergtique, et la longueur donde du maximumnergtique diminue : cest la loi de dplacement de Wien. Le rayonnement devient visible par lil humain pour des couleurs allant durouge au violet.

labsorption par les gaz : chaque gaz possde des raies caractristiques. Les plus marquantes sont, dans lordre des longueursdondes croissantes : lozone (O3), loxygne (O2), toute une srie deraies dabsorption, dues la vapeur deau (H2O), et dans linfrarouge lointain au gaz carbonique CO2 ; la diffusion molculaire de Rayleigh est cause par les molcules dair, dont la taille est trs infrieure la longueur donde de lalumire. La diffusion de Rayleigh varie en 4 et explique la couleurbleu du ciel clair et le passage de la couleur du soleil lorange et aurouge lorsquil est bas sur lhorizon (lorsque le soleil est bas, le trajetoptique augmente et contribue lattnuation des UV et des longueurs donde du bleu) ; la diffusion par les arosols (de taille semblable la longueurdonde de la lumire), par les poussires et les fumes (dont la tailledes particules varie de 0,5 10 m) provoque galement unevariation spectrale en n, avec n compris entre 0 et 4. Par contre,

En intgrant la densit moyenne dnergie totale par unit devolume des photons sur toutes les frquences (ou longueurs donde), nous obtenons la clbre loi de Stefan-Boltzmann :(2)

E

flux nergtique par unit de surface, en W/m2,

constante de Stefan ( = 5,7 108 W m2 K4).

Le soleil a une temprature de surface estime 5 760 K. Le fluxnergtique, en provenance de cet astre, intercept dans langlesolide reprsent par la terre vaut : E0 = 1 350 W/m2. Il est connusous la dnomination : constante solaire hors atmosphre, cest-dire pour une masse atmosphrique nulle (AM0, Air Mass 0).

BE 8 578 2

Courbe relative au corps noir 5760 Kclairement solaire au niveau de la mer (AM1)

Pour plus de dtails sur lintensit et lnergie transmise par lesoleil (considr comme un corps noir), hors atmosphre et auniveau du sol, on peut se rfrer aux articles consacrs au rayonnement thermique des matriaux opaques [1] et semi-transparents [2]des Techniques de lIngnieur, ainsi qu louvrage dAlain Ricaud [3]sur les photopiles solaires.

E(T) = T4

(m)

clairement spectral (kW/m2 m)Ultraviolet

avec

5

Figure 1 Rayonnement du corps noir en fonction de sa temprature

2,0

E(, T) d = (8kT/4) d

4

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LECTRICIT PHOTOVOLTAQUE

pour les gouttelettes deau des nuages, dont la taille est nettementsuprieure la longueur donde, la diffusion est sans variation despectre. Elle provient de lensemble des phnomnes de rflexion,rfraction et de diffraction. Le rayonnement diffus des jours forte nbulosit peut reprsenter 10 15 % du rayonnement solaire arrivant au sol en provenancede toute la vote cleste. Il est sans orientation particulire, et il estdonc impossible de le concentrer au moyen de lentilles optiques.

Diffus

Direct

h

Ainsi le rayonnement qui arrive au sol possde au moins deuxcomposantes : une composante diffuse (D) et la composante directe (I)qui peut tre collecte par des systmes optiques concentration. Letout forme le rayonnement global (G) qui est le rayonnement pris encompte pour la dtermination du rendement des cellules solaires.

AlbedoFigure 3 Les trois composantes du rayonnement solaire global

nergie (ev)

Dans les rgions nordiques, o le ciel est souvent couvert, lerayonnement diffus peut reprsenter jusqu 80 % du rayonnementglobal, de sorte que lon peut poser directement les modules photovoltaques au sol. Par contre, dans ce cas, on ne bnficiera plus delalbdo (figure 3), cest--dire de la fraction du rayonnementrflchi par un sol blanc (albedo en latin).

4

Ge

Si

AsGa

3lectrons deconduction2E = 0,36 = V

Par convention, le rayonnement global (G) peru au niveau du solest donn en fonction de lpaisseur atmosphrique effectivementtraverse (Air Mass x, AMx) par rapport lpaisseur normalise 1(x = 1) pour un soleil au znith (Air Mass one, AM1).

1

Eg0

Exemple : on a un soleil sous AM1,5 lorsque le soleil fait un angle avec lhorizon, tel que lpaisseur datmosphre effectivement traverse est gale une fois et demi lpaisseur pour un soleil au znith.

TrouslgersLourds

Valleinfrieure

Eg

Eg

-1

-2

2. Physique du composantphotovoltaque

[111]

k

x

[100]

L

[111]

x

k

[100]

L

x

[111]

k

[100]

Figure 4 Exemple de structures de bandes dnergie de semiconducteurs gap indirects (Ge et Si) et direct (AsGa)

Exemple : les matriaux composs binaires, tels que larsnure degalium (AsGa) ou le tellurure de cadmium (CdTe), ou ternaires, commeles chalcognures (CuInSe2), sont des semi-conducteurs gap direct,alors que les semi-conducteurs de la colonne IV du tableau de classification priodique des lments, comme le silicium et le germanium(Si, Ge), sont gap indirect (figure 4).

Lobjectif de cette section est de prsenter en termes simples quelques lments du modle physique du schma de bandes dans lessemi-conducteurs cristallins et de donner les formules de base quirgissent la rpartition des lectrons lquilibre thermodynamiqueet les mcanismes de la conduction lectrique. Pour plus de dtailssur cette partie, qui relve de la physique quantique des solides, onse rfrera louvrage dAlain Ricaud [3] sur les Photopiles solaires,ainsi que louvrage de Physique de ltat solide de Kittel [4].

Il y a une absorption optique ds que lnergie dun photon incident est suffisante pour dclencher le transfert dun lectron de labande de valence vers la bande de conduction. La dterminationexprimentale du seuil dabsorption optique constitue le moyen leplus simple de mesurer avec prcision la largeur de bande interdite.

2.1 lectrons dans un potentielpriodique, schma de bandes

La figure 5 donne la variation du coefficient dabsorption optique() en fonction de la longueur donde . Lintensit I de la lumireabsorbe une profondeur x dans le matriau suit la relation :

Dans un cristal o les atomes sont lis leurs proches voisins, ilfaut faire appel la solution de lquation de Schrdinger, proposepar Bloch en 1928, pour expliquer lexistence de bandes dnergiespermises spares par une bande dnergie interdite.

I(x) = I0 exp[ ()x]

(4)

partir de cette relation, on dtermine la profondeur dabsorption(chelle reporte droite de la figure 5) de chaque longueur dondedans le matriau. Les radiations de courtes longueurs donde danslultra-violet sont absorbes trs rapidement, cest--dire dans unezone proche de la surface du semi-conducteur. Le rayonnementinfrarouge est absorb sur une paisseur plus importante, dautantplus si le matriau est nergie de bande interdite indirecte, commecest le cas pour le silicium cristallin (c-Si sur la figure 5). Cettedpendance de la profondeur dabsorption la longueur dondelimite les performances des cellules (voir paragraphe 2.3.2).

Pour ne pas rentrer dans des dtails qui relvent de la physiquequantique des solides, il est suffisant de retenir quil existe unebande suprieure permise pour les lectrons dnergie (E) en fonction du vecteur donde (k) de londe lectromagntique associe auphoton :k = 2/

L

(3)

La bande permise pour les lectrons dnergie (E) est appellebande de conduction (Ec) avec des minimums dnergie permise. Labande infrieure est appelle bande de valence (Ev) (figure 4) avecdes maximums dnergie permise pour les vacances dlectrons,cest--dire des trous. Les bandes Ec et Ev sont spares par unebande dnergie interdite Eg (g pour la dnomination anglaise degap), et ne sont pas forcment en vis--vis, do la notion de semiconducteurs nergie de bande interdite directe ou indirecte.

Pour les semi-conducteurs nergie de bande de transitiondirecte (AsGa, CdTe, CuInSe2 ou silicium amorphe hydrogn (a-Si :H)), le front dabsorption en fonction de lnergie des photons, ou deleur longueur donde, est trs raide (figure 5). La transition de bandede valence bande de conduction est alors satisfaite sans faireintervenir une particule supplmentaire : le phonon, cette particuleest associe aux modes vibratoires du rseau du cristal. Elle rend la

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BE 8 578 3

lectricit photovoltaqueFilires et marchpar

Jean-Claude MULLERMembre du Programme interdisciplinaire nergie du CNRSInstitut dlectronique du solide et des systmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP)

1.1.1

Matriaux et filires technologiques ..................................................La filire silicium..........................................................................................1.1.1 Matire premire de silicium.............................................................1.1.2 Silicium monocristallin ......................................................................1.1.3 Silicium polycristallin gros grains, nomm siliciummulticristallin ......................................................................................1.1.4 Silicium en ruban autosupport ........................................................Silicium en couches minces........................................................................1.2.1 Silicium nanocristallin et amorphe ...................................................1.2.2 Mariage de lamorphe et du cristallin ...............................................Autres matriaux en couches minces mergeants...................................1.3.1 Matriaux base de tellurure de cadmium......................................1.3.2 Matriaux base de slniure de cuivre indium (CIS)....................Apparition de nouveaux matriaux et concepts .......................................1.4.1 Cellules multi-spectrales ....................................................................1.4.2 Composs organiques .......................................................................1.4.3 Apparition de nouveaux concepts ....................................................

BE 8 579 2233

344455555666

67

2.3

March du photovoltaque.....................................................................Les diffrents types de march photovoltaque ........................................Installations cumules : forte prdominance de la productiondlectricit connecte au rseau ...............................................................Adaptation du produit au march ..............................................................

78

3.

Perspectives davenir du photovoltaque ..........................................

8

Rfrences bibliographiques .........................................................................

9

1.2

1.3

1.4

2.2.12.2

vant la fin de la premire moiti de ce sicle, la conversion directe de lalumire du soleil en lectricit grce au photovoltaque (PV) devrait franchirle seuil qui le rendra comptitif par rapport aux autres sources de productiondlectricit.Dans le dossier [BE 8 578], les principes de la conversion photovoltaque ontt donns. Ils incluent des notions relatives lnergie transmise par le soleil,des lments de physique des semi-conducteurs, les mcanismes de conductionde charges lectriques, les caractristiques lectriques fondamentales du dispositif photovoltaque et son usage en tant que gnrateur de courant. Enconclusion, une application pratique donne une valuation rapide du dimensionnement dune installation photovoltaque.Dans les pages suivantes, on sintresse aux diffrentes filires dlaborationdu dispositif photovoltaque. En effet, il reste des verrous technologiques leverrelatifs la fabrication des cellules solaires, qui sont trop gourmandes en nergie et qui ont des rpercussions sur lenvironnement : si la cellule photovoltaque produit de llectricit sans aucun rejet dans latmosphre, beaucoup deprocds actuels de fabrication sont proches de ceux de la microlectronique etmettent en jeu trop doprations qui ncessitent lusage de produits chimiques

A

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BE 8 579 1

LECTRICIT PHOTOVOLTAQUE ___________________________________________________________________________________________________________

et de gaz extrmement toxiques. La dernire partie est consacre desexemples dapplications du photovoltaque en sites isols ou connects desrseaux, ainsi qu lvolution du march et des prix du kilowattheure photovoltaque lhorizon 2040.

(0)

c-Si

Silicium microcristallin

a-Si

Silicium amorphe

CIS

Chalcognures

Cz

Tirage Czochralski

EMC

Croissance lectromagntique

FZ

Tirage par zone flottante

HIT

Htrostructure

Rendement (%)

Abrviations

40

Nouv Mat

35

Films minces Si

302520

Si cristallin

15CIS

10

Organique

a-Si

5

mc-Si

Silicium multicristallin

MWc

Mgawatt crte, puissance mesure midi

pc-Si

Silicium polycristallin

p-i-n

Structure zone intrinsque

pm-Si

Silicium polymorphe

p-n

Structure jonction plane

RCC

Structure contacts arrires

Sc-Si

Silicium monocristallin

01940

1960

1980

2000

2020

2040

2060Annes

Figure 1 volution des rendements des diffrentes filires decellules photovoltaques : base de silicium cristallin, de couchesminces (silicium amorphe, polycristallin et chalcognures),de matriaux organiques et nouveaux concepts [1]

Ruban de Si0,9 %a Sia Si sur c Si3,4 %4%

1. Matriaux et filirestechnologiques

CdTeCIS0,5 % 0,4 %

Multi : mc Si61,8 %

Nous avons reprsent sur la figure 1 les volutions des rendementsde conversion des meilleures cellules de laboratoire pour les diffrentes filires dlaboration de dispositifs photovoltaques. La plusancienne est la filire du silicium cristallin (Sc-Si), avec des premirescellules ralises par Bel Lab. (USA) en 1954, en mme temps que laralisation des premires diodes et transistors. Elle reste toujours lavoie la plus avance sur le plan technologique et industriel. Pour les cellules base de plaquettes en silicium cristallin, les rendements en laboratoire sont de 24,7 % et on atteint les limites thoriques du silicium.Pour les rendements sur de grandes surfaces, lavenir passe par unerduction drastique des cots et une constante augmentation des rendements industriels au-del des 16 17 % actuels.

c Si sur c Si1,8 %Monoc Si26,9 %

Figure 2 Illustration de la prpondrance des matriaux basede silicium cristallin dans la production de cellules. Source AIE [2]

Les cellules du futur, base de matriaux nano-structurs, restentau niveau du concept, et une recherche fondamentale de base estencore ncessaire.

Les couches minces base de silicium amorphe (a-Si) et de cuivre-indium-slnium (CIS) ont commenc tre tudies dans lesannes 1970, avec une industrialisation trop rapide et dcevantepour la premire, et une progression du rendement de conversionplus prometteuse pour la seconde. Pour ces filires, les rendementsindustriels stagnent autour des 10 %. Lobjectif majeur reste laugmentation des rendements de conversion pour le silicium (amorphe, polymorphe, micro- et poly-cristallin) ainsi que pour lesmatriaux composs base de chalcognures (CIGS).

Comme prs de 95 % des cellules sont base de silicium cristallin(figure 2), nous donnons au lecteur un minimum de connaissancede ce matriau et de ses procds de fabrication.

Les filires base de films minces de silicium polycristallin et base de matriaux organiques sont encore au stade du laboratoireet peinent obtenir des rendements la hauteur des esprances(courbes dvolution escomptes pour les performances en traitplein ou pointill sur la figure 1). En effet, pour les cellules base dematriaux organiques, le rendement de conversion est de 3,5 % endbut de vie.

Le silicium est lun des lments les plus abondants sur terre, parfaitement stable et non toxique. lavenir dautres matriauxcontribueront lenrichissement de la gamme des produits PV disponibles et stimuleront ce march trs prometteur. Aujourdhui ilssont au stade prindustriel, au niveau de la recherche ou mme dela validation des concepts. Nous prsenterons brivement ces nouveaux matriaux.

BE 8 579 2

1.1 La filire silicium

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LECTRICIT PHOTOVOLTAQUE

1.1.3 Silicium polycristallin gros grains, nommsilicium multicristallin

1.1.1 Matire premire de silicium la base de toute lindustrie lectronique moderne, le silicium estobtenu par rduction de la silice dans un four lectrique arc plusde 200 C. On obtient ainsi un matriau dit mtallurgique , dont lapuret est denviron 98 %. Ce produit est purifi par chlorination 300 C, ce qui donne du silicium sous forme gazeuse (trichlorosilaneou silane). Aprs pyrolyse et rduction par de lhydrogne 1 100 C, le matriau obtenu est sous la forme dune poudre dehaute puret ; les traces dimpurets rsiduelles sont infrieures auppm. Il sert alors de produit de dpart pour la croissance de lingots,qui sont utiliss dans les industries de la microlectronique et photovoltaque. Cette matire premire cote de plus en plus chre enraison de la forte augmentation de la demande. De ce fait de grandsgroupes chimiques se proccupent de dvelopper un matriau dequalit solaire avec des techniques de purification simplifies [3].

Dans un polycristal, les monocristaux sont spars les uns desautres par des zones perturbes, les joints de grains. Chaque cristalde plus petite dimension na pas la mme orientation que son voisin. On privilgie les techniques de croissance qui assurent la formation dune structure colonnaire avec de gros cristaux (dnommsilicium multicristallin, mc-Si) afin de limiter les effets nfastes desjoints de grains. Cette technique par solidification directionnelle at initie par Wacker ds 1975 [5].Une variante de cette technologie de croissance, le procd Polix[6] de Photowatt, est reprsente sur les figures 4 et 5. Des blocs deplus de 250 kg sont ainsi obtenus par refroidissement contrl dusilicium en fusion dans un moule de nature approprie (souvent enquartz). Cette mthode est plus rapide et moins coteuse en nergiequune croissance dun lingot Cz ou FZ (24 48 h contre quelquessemaines pour ces derniers).

1.1.2 Silicium monocristallin

Afin de diminuer le bilan nergtique de la croissance de lingotsde silicium, de nouveaux matriaux produits par coule continue encreuset lectromagntique sont en cours dindustrialisation auJapon et en France [7].

Il est possible davoir des monocristaux par la mthode Czochralski (note Cz), qui consiste tirer un cristal parfaitement cristallin de 30 cm de diamtre, long de plus de 1 m, partir dun germeplong dans un bac de silicium fondu. Cependant, en partant de 1 kgde minerai de silice, on nobtient pas plus de 100 g de siliciummonocristallin pour une dpense nergtique considrable, delordre du MWh. Le reste est perdu dans les diffrentes phases depurification. De plus, la moiti du cristal part en poussire au coursde la dcoupe en tranches de 300 m dpaisseur. Le silicium ainsiobtenu est de type p, cest--dire dop avec du bore, par apport depoudre. La concentration est comprise entre 1016 et 1017 atomes cm3,de faon prsenter une rsistivit de lordre de 0,1 1 cm. Cechoix rsulte dun compromis entre une rsistivit la plus faible possible et un dopage modr afin dviter la dgradation de lalongueur de diffusion des porteurs photognrs.

Cependant le matriau multicristallin est dune part contraint etdisloqu, et dautre part contamin par des impurets rsiduelles dela matire premire de silicium. Cette dernire est en partieconstitue par des rebuts de lindustrie de la microlectronique,cest--dire de silicium monocristallin Cz ou FZ. Les rendements de conversion industriels, qui taient de lordrede 8 10 % avant 1980, sont actuellement de 16 17 % pour de grandes plaquettes de 12,5 12,5 ou 15 15 cm2. Ces progrs sexpliquent par lamlioration constante de la qualit des matriaux et parlaccroissement des connaissances de neutralisation des dfauts etdes impurets rsiduelles [8].Actuellement, on sait parfaitement passiver les effets nfastes de laplupart des dfauts cristallographiques. Par exemple, le dpt parplasma dune couche de 70 nm de SiN (H) assure une diminution despertes par rflexion (effet anti-reflet), et neutralise galement desdfauts de surface et de volume par lhydrogne. Les atomes dhydrogne se fixent sur les liaisons pendantes (ou brises) du silicium.

Par la suite, on cre une barrire de potentiel ncessaire la collecte des charges, cest--dire la structure mettrice des cellulesphotovoltaques. Cette tape nest pas dtaille dans le cadre decette prsentation (figure 6 du dossier [BE 8 578]).Il existe une seconde mthode : on chauffe jusqu la fusion unezone que lon dplace le long dun lingot. On rcupre le silicium,ainsi purifi, et que lon nomme FZ.

On peut galement dbarrasser partiellement les plaquettes desilicium de leurs impurets mtalliques rsiduelles lors dun traitement thermique haute temprature : par un effet de migration, lesimpurets se dplacent vers des sites situs en dehors des zonesactives, o elles sont piges. Ce phnomne est plus connu soussa dnomination anglaise : getter [9].

Avec les matriaux Cz et FZ, dits de la micro-lectronique, il estpossible dobtenir un rendement de conversion record enlaboratoire : 24,7 % (Universit de New South Walles, Australie [4]),soit suprieur de huit points ceux de lindustrie.Larchitecture de la cellule la plus performante au monde estreprsente sur la figure 3.

Spires radiofrquences(chauffage)Pyramidesinverses

Doigts

Creuset en quartzIsolation

Doublecoucheantireflets

Bainde siliciumIsolationthermiqueamovible

n

n+

Silicium de type p

Lingotsolidifi

Support graphite

p+p+

p+Contactarrire

Oxyde

Oxyde mince(20 nm)

1re tape : fusion

Figure 3 Structure de la cellule de laboratoire la plus performante.Source Photovoltaics Special Research Center UNSW [4]

2e tape : cristallisation

Figure 4 Principe de croissance par solidification directionnelledu type Polix [6] dvelopp par Photowatt S.A. FR

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BE 8 579 3

Fours solairespar

Gilles FLAMANTIngnieur ENSCP, directeur de recherches au CNRSDirecteur du laboratoire Procds, matriaux et nergie solaire Promes-CNRS/VPR 8521

1.1.11.21.31.41.51.61.7

Principe et technologies ........................................................................... BE 8849 Systmes concentration ..............................................................................Facteurs de concentration ..............................................................................Concentration maximale thorique...............................................................Systmes non imageants ...............................................................................Causes dlargissement de la tache focale ...................................................Distribution de lclairement au foyer...........................................................Fours solaires en Europe................................................................................

2.

Mtrologie au foyer ....................................................................................

5

3.

Applications dans le domaine des matriaux haute temprature ...................................................................................laboration de matriaux ...............................................................................Test et qualification de matriaux .................................................................

779

Applications dans le domaine de la production de vecteursnergtiques .................................................................................................Composants pour la conversion thermodynamique ...................................Production hydrogne par voies thermochimiques ....................................

101011

Rfrences bibliographiques.............................................................................

12

3.13.24.4.14.2

22233444

es fours solaires sont des outils uniques de recherche dans le domaine deshautes tempratures (matriaux et procds).Ce dossier prsente les lments doptique dfinissant les caractristiquesdu flux solaire concentr au foyer dun four solaire. Il dfinit aussi la problmatique de la mesure des tempratures, en prsence de perturbations lies aurayonnement rflchi. Y seront ensuite dtailles les caractristiques des fourssolaires europens.La dernire partie est consacre une revue de leurs applications dans lesdivers domaines scientifiques et technologiques, allant de llaboration desmatriaux la production dhydrogne.

L

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BE 8 849 1

FOURS SOLAIRES ___________________________________________________________________________________________________________________

Ra

Nomenclature des symbolesSymbole

Dsignation

C

Facteur de concentration

E

clairement nergtique oudensit de flux

yo

Units

em

en

t in

cid

en

t

H

C

W m2

H

f

distance focale

h

paramtre dans les quations(10) et (11)

L

luminance

W m2 sr1

L0

luminance dans la directionnormale

W m2 sr1

L0

luminance du corps noir

W m2 sr1

n

indice de rfraction

r

distance dans le plan focal

R

facteur de rflexion du parabolode

rapport de tempratures

angle entre les directions observateur/centre du soleil et observateur/point sur le disque solaire(0, diamtre apparent du soleil)

F

m

HH

Figure 1 Schma de principe dun four solaire

On peut distinguer quatre grands types de systmes concentration par rflexion :

deux mettent en uvre des rflecteurs et des rcepteurs mobiles ; deux autres utilisent des rflecteurs mobiles et des rcepteurs fixes. Les concentrateurs cylindro-paraboliques et parabolodauxconstituent la premire famille. Ils se distinguent par le mode desuivi du soleil et le facteur de concentration : un axe pour le cylindro-parabolique (concentration infrieure 100) ; deux axes pour le concentrateur parabolodal (concentrationpouvant dpasser 10 000).

m

Les centrales tour et les fours solaires constituent ladeuxime famille. Une centrale tour est un systme simplerflexion constitu dun champ dhliostats et dune tour en hautde laquelle est plac le rcepteur solaire.

facteur dmission

rapport dans lgalit (17)

efficacit ou rendement

longueur donde

m

angle entre laxe focal et ladirection dfinie par un point duconcentrateur et le foyer

rad

facteur de rflexion dun corpsplac au foyer du concentrateur

constante de Stefan-Boltzmann

facteur de transmission

angle solide

Les hliostats sont mobiles autour de deux axes de rotation demanire renvoyer constamment le rayonnement solaire dansune direction fixe, celle du rcepteur. Ils sont, gnralement, lgrement focalisants afin dassurer un meilleure concentration (assure par le facteur de concentration individuel des hliostats et lasuperposition de leurs images, elle peut atteindre un facteur de3 000 environ). Les fours solaires reposent sur le principe de la double rflexion(voir figure 1). Ils se composent dun ou plusieurs hliostats plansqui renvoient le rayonnement dans une direction commune, celle delaxe du systme de concentration. Celui-ci est fixe et assure la focalisation en une zone appele foyer . Le concentrateur est gnralement constitu dun ensemble de facettes rflectrices disposes surun parabolode de rvolution, ou une sphre.

1.2 Facteurs de concentration

5,67 108 Wm2 K4

On peut dfinir le facteur de concentration gomtrique et lefacteur de concentration local.

Le facteur de concentration gomtrique (ou concentration

sr

moyenne) Cg dun systme collecteur dnergie solaire est dfini[1] comme le rapport de la surface dentre S du systme unesurface image S , situe dans le plan focal, et satisfaisant la condition suivante : S contient tous les rayons solaires collects parla surface S et rflchis par le systme.

1. Principe et technologies

Il vient :

De nombreux lments de ce paragraphe sont emprunts larfrence [31].

Cg = S / S

(1)

Dans le cas dun instrument doptique, le diamtre apparent dusoleil ntant pas nul, S est au moins gale la surface de limagede Gauss et Cg ne peut donc pas devenir infini.

1.1 Systmes concentrationLa concentration du rayonnement solaire peut tre ralise parrfraction (lentille), ou par rflexion (miroir). Les fours solairesappartiennent cette dernire catgorie.

Le facteur de concentration local (ou ponctuel) CM est dfinicomme le rapport de lclairement solaire, concentr en un pointM de foyer not EM lclairement solaire direct, ou constantesolaire E0. E0 est lclairement nergtique reu par une surfacenormale aux rayons solaires en provenance exclusive du disquesolaire.

Un systme concentration permet daugmenter la densit deflux arrivant sur un dispositif charg dabsorber le rayonnement etdnomm rcepteur .

BE 8 849 2

nn

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___________________________________________________________________________________________________________________ FOURS SOLAIRES

Hors atmosphre, la valeur de E0 est 1 351 W/m2 ; sur terre cettevaleur est infrieure, elle dpend de la position du soleil dans leciel, de laltitude du lieu et des conditions atmosphriques. Partemps clair, midi solaire, E0 peut dpasser 1 000 W/m2 ; cettevaleur est souvent prise comme rfrence.

Temprature C

4 000

Finalement, le facteur de concentration local sexprime par :CM = EM/E0

(2)

1.3 Concentration maximale thorique

3 000

La concentration maximale thorique en un point est note Cmax.ExempleSupposons, en premire approximation, que le soleil est un disque de luminance uniforme Ls de diamtre apparent 0, avec0 = 4,654 mrad = 16 . Le point M est situ sur laxe dun concentrateur de rvolution dont louverture maximale est m (voirfigure 2).La contribution lclairement en M dune couronne lmentairede largeur d scrit :

d

Cmax = (n / n0 )

La relation (4) indique que le rayonnement uniforme est reu detoutes les directions contenues dans le cne dangle au sommetm. Le parabolode de rvolution satisfait cette condition, cest pourquoi la majorit des fours solaires existants utilisent un concentrateur parabolique.

(8)

Trombe [2] a propos des limites de concentration idales pratiques pour les systmes double rflexion :

Le mme raisonnement que prcdemment appliqu, sansconcentrateur, au disque solaire permet dcrire :

jusqu 10 000, facile obtenir ; 10 000 - 20 000, technologie trs soigne ; 20 000 - 30 000, difficile (figure 3).Dans le cas dun parabolode de rvolution (systme optiquenon aplantique) [3], on montre quil est thoriquement possibledobtenir, sur tous les points appartenant limage de Gauss, lemme clairement quau foyer. En effet les rayons solairesrflchis en tout point P du parabolode forment, dans le planfocal, des ellipses qui, toutes, contiennent limage de Gauss. Enconsquence un point M de cette image est clair par toute lasurface du miroir.

(5)

Compte tenu de la relation (2), la concentration en M scrit :(6)

La valeur de m tant limite /2 (pour la valeur /2, le rayonest tangent au plan foyer, en consquence sa contribution nergtique dans le plan sannule), Cmax est dfinie par :Cmax = 1 / 20 46 200

2

La valeur limite de 46 200 correspond une temprature ducorps noir gale celle du soleil, valeur irraliste pour plusieursraisons : labsorption atmosphrique, les pertes par rflexion, lesmasques invitables entre rflecteurs (hliostat et concentrateur)et rcepteur, les imperfections des surfaces rflchissantes ; sansvoquer le cot.

(4)

CM = sin2 m / 20

30 000

Ce rsultat peut tre gnralis au cas de milieu objet et imagedindice de rfraction n et n respectivement [1] :

En intgrant sur entre 0 et m, il vient :

E0 = Ls sin2 0 Ls20

20 000

Figure 3 Relation concentration/temprature maximale et technologie du concentrateur (daprs [2])

angle solide sous lequel est vue la couronne dupoint M et d = 2 sin d.

EM = Ls sin2 m

10 000

Difficile

Concentration

(3)

dEM = Ls cos davec

Facile obtenir

2 0002 000

Ncessiteune constructionsoigne

(7)

La conclusion pratique de ces considrations est quun bonsystme concentrateur dnergie solaire nest pas ncessairementun bon systme optique, et rciproquement.

1.4 Systmes non imageantsmM

Une formulation, diffrente des conclusions du paragrapheprcdent, est que, pour bien concentrer le rayonnementsolaire, limportant nest pas de former une image parfaite dusoleil, mais den superposer un grand nombre afin de produire une concentration locale dnergie.

Axe

d

La rfrence [4] recense diffrentes surfaces supports pour systmes de concentration. Les deux systmes les plus utiliss sontles parabolodaux et les sphriques. Dans ce dernier cas, une surface support de rayon 2f (f tant la focale du concentrateur) permetdutiliser un seul type de facettes sphriques de mme rayon 2f.Cette configuration a t particulirement tudie par [5].

Figure 2 Schma de principe pour le calcul de lclairementau point M du foyer

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BE 8 849 3

Centrales solaires thermodynamiques

par

Alain FERRIREIngnieur ESE (cole Suprieure dlectricit)Charg de recherche au CNRSLaboratoire Procds Matriaux nergie Solaire (PROMES)

1.1.11.2

1.3

Technologies solaires concentration ..............................................Intrt de la concentration ..........................................................................Systmes concentrateurs............................................................................1.2.1 Concentrateur parabolique ................................................................1.2.2 Concentrateur tour...........................................................................1.2.3 Concentrateur cylindro-parabolique .................................................1.2.4 Conclusion...........................................................................................Composants pour la production de chaleur et la conversionen lectricit .................................................................................................1.3.1 Rcepteur solaire ................................................................................1.3.2 Fluide de transfert...............................................................................Stockage et hybridation ..............................................................................

BE8903

3333567

77911

1212

2.3

tat de lart des centrales solaires thermodynamiques................Centrales solaires de premire gnration et travaux exploratoires ......Centrales solaires de deuxime gnration : des prototypesprcommerciaux ..........................................................................................Tours solaires...............................................................................................

1517

3.3.13.2

Perspectives ..............................................................................................Stratgie de pntration du march ..........................................................Centrales du futur et efforts de recherche .................................................

171717

4.

Conclusion .................................................................................................

20

1.42.2.12.2

Pour en savoir plus ...........................................................................................

Doc. BE 8 903

es centrales solaires thermodynamiques recouvrent lensemble des techniquesqui visent transformer lnergie rayonne par le soleil en chaleur temprature leve, puis convertir cette chaleur en nergie mcanique et lectrique aumoyen dun cycle thermodynamique moteur coupl une gnratrice lectrique.La premire tape, la captation du rayonnement solaire, fait appel des systmesoptiques. Les systmes sans concentration captent les composantes directe etdiffuse du rayonnement et produisent la chaleur un niveau de temprature infrieur 250 C, pour une utilisation en chauffage et climatisation de btiments ousous forme de chaleur industrielle pour alimenter des procds thermiques. Il fautinscrire dans cette catgorie les tours (ou chemines) solaires qui sont des centrales thermodynamiques sans concentration. cette dernire exception prs, lescentrales solaires thermodynamiques mettent en uvre des systmes concentrateurs, qui permettent de produire la chaleur une temprature suprieure 250 Cavec dexcellents rendements thermiques, suprieurs 70 %. Notons toutefois queces systmes ne captent que la composante directe du rayonnement solaire. Lachaleur solaire transfre dans labsorbeur au fluide caloporteur peut tre stockede manire fugitive pour saffranchir des passages nuageux, ou sur des priodesde quelques heures pour dcaler lutilisation en dehors des plages ensoleilles de

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CENTRALES SOLAIRES THERMODYNAMIQUES ___________________________________________________________________________________________

la journe. Lhybridation avec une source de chaleur fossile ou biomasse permetdaccrotre la disponibilit des installations et de produire la chaleur de maniregarantie. Cette chaleur est convertie en lectricit par des cycles thermodynamiques, bien matriss par lindustrie de la production lectrique. Selon les machinesutilises et les cycles mis en uvre, les rendements de conversion varient de 23 % plus de 50 % pour les cycles combins. Au final, le rendement instantan de conversion solaire-lectricit est compris entre 20 % et 30 % selon la taille du groupe etle cycle utilis. En moyenne annuelle, le rendement net de production dnergielectrique se situe entre 10 % et 20 % selon la technologie mise en uvre. Selonles estimations du GEF (Global Environment Facility [16]), le cot dinvestissementest valu entre 2 800 /kWe (centrale de 20 80 MWe collecteurs cylindro-paraboliques et cycle de Rankine) et 4 000 /kWe (centrale tour de 40 200 MWe aveccycle combin), et il atteint 14 000 /kWe pour une unit dcentralise de type parabole-Stirling de 10 25 kWe. Selon les mmes sources, le cot de llectricitproduite dans des conditions favorables cest--dire sous un ensoleillement suprieur 2 000 kWh/(m2.an) se situe dans la fourchette 0,16 0,24 /kWhe pour unegrosse centrale et de lordre de 0,30 /kWhe pour une parabole-Stirling (on citera titre comparatif 0,04 /kWe pour les centrales nuclaires).Limpact environnemental constitue aujourdhui un critre de choix importantdans la slection de technologies concurrentes. Avec un taux dmission estiminfrieur 20 kg CO2/MWhe, llectricit solaire thermodynamique se situe de cepoint de vue au mme niveau que llectricit dorigine hydraulique (4 kg CO2/MWhe) ou nuclaire (6 kg CO2/MWhe), et sans commune mesure avec llectricitphotovoltaque (100 kg CO2/MWhe) ou encore llectricit issue de la combustiondu charbon (900 kg CO2/MWhe). Les chiffres indiqus ici tiennent compte desmissions lies la construction des centrales et le cas chant lextraction descombustibles. Compar aux technologies conventionnelles de production dechaleur (hors nuclaire), chaque mtre carr de collecteur install sous un ensoleillement de 2 000 kWh/(m2.an) vite lmission de 250 400 kg de CO2 par an.Le temps de retour nergtique (dure dexploitation dune installation ncessaire pour produire lnergie ncessaire sa fabrication) des installations solaires concentration nest que de 5 mois [17]. Leur dure de vie est estime 25 30 ans, et une partie des composants en fin de vie est rutilisable (acier, verre).Dans ce dossier, nous dressons ltat des lieux des technologies mises enuvre dans les centrales solaires. Nous dtaillons leurs composants essentielsen discutant leurs critres de slection et de dimensionnement.

Notations et symboles

Notations et symbolesTrec

K

temprature du rcepteur solaire

Tamb

K

temprature ambiante

Tfl

K

temprature du fluide caloporteur

W.m2.K4

constante de Stefan-Boltzmann

Smir

m2

surface du collecteur, ou surfacede miroirs

Sabs

m2

surface de labsorbeur

Cg

Isol

W.m2

coefficient dchange par conductionet convection

Putile

W

puissance utile, ou puissancetransfre au fluide caloporteur

opt

efficacit optique dun concentrateur

rec

rendement du rcepteur (rapport de lapuissance utile sur la puissance reue)

concentration gomtrique (rapportde la surface de miroirs sur la surfacede labsorbeur)

ex

rendement de conversiondune installation

ensoleillement instantan

Carnot

rendement de Carnot dune installationIndices

absorptivit solaire

solhxc

hcv

W.m2.K1

W.m2.K1

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missivit totale hmisphrique

th

grandeur thermique (exemple : Wth ou kWhth)

coefficient de transfert thermiqueentre fluide et paroi

e

grandeur lectrique (exemple : We ou kWhe)

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Rendement

1. Technologies solaires concentration1.1 Intrt de la concentration

0,6

3 000

00

2 500

10 0

2 000

00

1 500

50

1 000

3 500

4 000

Temprature de rcepteur (K)

Temprature (K)

Figure 1 Rendement de conversion dun systme concentrateur

(1)

2 0001 8001 6001 4001 2001 000800

(2)

600400

Le rendement de conversion idal dun systme solaire concentration est donc le produit des deux rendements prcdents, soit :4 Trec Tamb ex = 1 1 Trec Cg Isol

500

0

0

80 0

0

1 50

0,1

Le rendement de Carnot de la transformation de lnergie disponible la temprature Trec est donn par :

Carnot

ion

0,2

constante de Stefan-Boltzmann.

T= 1 ambTrec

trat

0,3

10 0

(W.m2.K4)

cen

0,4

10

avec

Con

0,5

La concentration du rayonnement solaire permet dlever latemprature de labsorbeur de plusieurs centaines de degrs parrapport la temprature dquilibre obtenue sans concentration.En supposant que le rcepteur solaire se comporte idalementcomme un corps noir et quil nchange que par rayonnement aveclextrieur, le rendement du rcepteur solaire port la temprature Trec est exprime en fonction de la concentration gomtriqueCg du systme et de lensoleillement instantan Isol par :4TrecCg Isol

0,80,7

Le flux solaire intercept par le disque terrestre considrcomme un corps noir est denviron 1 350 W/m2 en dehors delatmosphre (constante solaire). Le rayonnement solaire subit uneattnuation lors de la traverse de latmosphre, par absorption etdiffusion. Le flux solaire incident la surface de la Terre dans lesrgions dsertiques est denviron 1 000 W/m2.

rec = 1

10,9

1

10

100

1 000

10 000100 000Concentration

Figure 2 Rendement de conversion maximal dun systme solaire concentration

(3)

Les dispositifs concentrateurs associs sont schmatiss sur lafigure 3. Ces dispositifs se distinguent par leurs dimensions lmentaires, donc leur puissance, leurs performances optiques etthermiques et leur cot. Ces caractristiques principales sont indiques dans le tableau 1.

Les courbes de la figure 1 prsentent les variations de ce rendement avec la temprature pour plusieurs niveaux de concentration.On observe que le rendement sannule aux tempratures suprieures la temprature dquilibre du corps noir, et quil prsente unmaximum prononc une temprature infrieure. On observeaussi que pour une temprature rcepteur donne, le rendementaugmente avec la concentration.

1.2.1 Concentrateur parabolique

La temprature correspondant au rendement maximal est exprime sur la figure 2 en fonction de la concentration Cg. Cettecourbe permet par exemple de situer le niveau optimal de concentration pour produire la chaleur solaire une temprature voulue.

Le concentrateur parabolique met en uvre la surfacerflchissante idale pour concentrer au mieux les rayons lumineux, savoir la parabole de rvolution. La contrainte est dorienter en permanence laxe de la parabole dans la direction du soleil. Les rayonssolaires rflchis par la parabole convergent alors vers une zone deconcentration maximale, le foyer. La ncessit de mobiliser la parabole selon deux axes de rotation pour assurer la poursuite de lacourse diurne du soleil entrane une limitation de la dimension unitaire de ce type dinstallation. Le plus grand prototype ralis cejour atteint 400 m2. La plupart des paraboles mobiles se situe dans lafourchette 50 100 m2. Outre le systme de dplacement, qui doittre la fois prcis et robuste, une difficult majeure au plan technologique est de fabriquer un miroir parabolique. Des miroirs paraboliques unitaires en verre poli et argent sont utiliss pour desdiamtres infrieurs 2 m. Pour de plus grands diamtres, dautressolutions sont adoptes, moins coteuses et surtout plus lgres. Unfilm mtallique tendu sur un tambour dans lequel est maintenu unvide partiel prend une forme concave proche de la parabole. Cettesolution a t teste, mais abandonne en raison de sa trop grandefragilit et de sa mdiocre longvit. On lui prfre aujourdhui lasolution de la coque en matire plastique ou en matriau compositede type fibres de verre et rsine polymre, sur laquelle sont collsdes miroirs lmentaires dformables en verre mince, dpaisseurinfrieure au millimtre. La coque peut fort bien tre constitue deplusieurs segments identiques assembls la faon dune corolle.

On constate quune concentration de lordre de 100 est optimalepour une temprature de rcepteur de 700 K, tandis quune concentration voisine de 1 000 permet de produire la chaleur 1 100 K avecla meilleure performance.

1.2 Systmes concentrateursParmi les trs nombreux dispositifs optiques permettant dedvier les rayons du soleil pour les concentrer, nous ne considrons ici que ceux qui se prtent une mise en uvre industriellepour des puissances moyennes ou fortes et qui conduisent laproduction de chaleur une temprature suprieure 250 C. Cesdispositifs optiques mettent en uvre des surfaces rflchissantesconstitues de miroirs. La nature gomtrique des surfaces misesen uvres et la complexit des structures supportant les miroirsdfinissent les systmes concentrateurs.On distingue trois familles de centrales solaires concentration : les centrales collecteurs cylindro-paraboliques ; les centrales tour rcepteur central ; les systmes parabole-moteurs.

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Rcepteur

RcepteurConcentrateur

Hliostats

Rcepteur

Concentrateura concentrateur cylindro-parabolique

b concentrateur tour

c concentrateur parabolique

Figure 3 Schma de principe des principales filires solaires concentration

Tableau 1 Caractristiques actuelles des dispositifs concentrationTechnologieRendement thermique nominal (1)Puissance des installationsTemprature de travailPrix du champ solaire (2)Cot total dinvestissement

Cylindro-parabolique

Tour

Parabole

70 %

73 %

75 %

80 300 MWth

10 100 MWth

1 100 kWth

270 450 C

450 1 000 C

600 1 200 C

210 250 /m2 (3)

140 220 /m2

150 /m2

2,8 3,5 /We

3 4 /We

10 14 /We

(1) Ce rendement est la fraction de lnergie solaire incidente disponible en sortie de rcepteur sous forme dnergie thermique, au rgime nominalde fonctionnement.(2) Source : Solar Thermal Power Plants, EUREC-Agency, 2000.(3) Ce prix comprend le cot du rcepteur tubulaire.

amricain SES (Stirling Energy Systems)), ce qui est excellent. Lecot spcifique dinvestissement encore lev (14 /W pour lemodule Eurodish) sera rduit au moins de moiti lorsquun march existera pour ce type dinstallation et quune fabrication desrie pourra tre lance. Ces machines subissent de nombreuxcycles de dmarrage/arrt et les composants du rcepteur sontsoumis des chocs thermiques violents. Le cot dexploitation etde maintenance est lev. Les systmes parabole-moteur sont destins en premier lieu la production dcentralise dlectricit. Larecherche de solutions hybrides dans lesquelles une source dechaleur non intermittente (fossile ou biomasse, par exemple)prend le relais de la source solaire lorsque lensoleillement disparat est un enjeu capital pour conqurir des parts de march. Lacognration dcentralise lectricit/chaleur ou froid, tout faitenvisageable avec ce type de machine, ouvre galement des perspectives de pntration de march cibl. Toutefois, la productioncentralise dlectricit nest pas totalement exclue du champdapplication. La modularit de ces systmes permet denvisagerune monte en puissance progressive de la capacit installe surun mme site, en talant les investissements sur une longue durece qui facilite le financement.

Le facteur de concentration moyen obtenu au foyer dune parabole dpasse le millier, ce qui permet de produire de la chaleur trs haute temprature, typiquement 700 C et plus (voir figure 2).La conversion en lectricit est ralise par un cycle thermodynamique trs haut rendement du fait de la temprature leve de lasource chaude. Dans la gamme de puissance concerne, cest lecycle Stirling, qui recueille les faveurs des concepteurs des systmes parabole-moteur. Le gaz de travail du cycle est aussi le fluidede transfert qui collecte les calories dans le rcepteur solaire. Onutilise couramment de lhlium ou de lhydrogne. Ce dernier estplus performant au plan thermique mais plus dlicat mettre enuvre en raison de sa propension fuir et du niveau de risque li son utilisation. Le moteur est plac au foyer de la parabole, demme que la gnratrice lectrique. Un circuit deau refroidit lecycle et vacue vers lair ambiant les calories basse tempratureau moyen dun radiateur-convecteur. Le module parabole-moteurainsi constitu est un convertisseur nergie solaire-lectricit quiopre au fil du soleil. Le seuil minimal densoleillement exploitableest denviron 300 W/m2 pour le module Eurodish de 10 kW duconstructeur allemand SBP-SOLO.La socit Schlaich Bergermann und Partner (SBP) est associe auconstructeur de moteurs Stirling SOLO pour produire le moduleEurodish.

Ce point de vue semble partag par le constructeur amricain SES,qui a annonc en 2006 des projets trs audacieux dinstallation demilliers de modules de 25 kW pour raliser en Californie des centralessolaires de 300 MW et plus.

On tient l une solution sduisante et trs efficace : le rendement instantan de conversion nergie solaire-lectricit est suprieur 22 % (29 % pour le module de 25 kW du constructeur

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Concernant le cycle de Stirling, le lecteur se reportera au dossier [BE 8 051] Convertisseurs thermomcaniques, cycles moteurs gaz : Stirling et Joule.

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1.2.2 Concentrateur tourPour chapper aux limitations de taille, donc de puissance, rencontres avec la parabole sans trop cder aux performances enterme de concentration, on dveloppe la surface collectricerflchissante en disposant au sol des miroirs lmentaires mobiles appels hliostats. Ces hliostats sont anims dun mouvement selon deux axes. Ils poursuivent la course du soleil etdirigent le rayonnement solaire vers un point unique qui est lefoyer de linstallation, plac au sommet dune tour. On parle alorsde tour rcepteur central CRS. Les hliostats ont une surfacesitue entre 50 m2 et 120 m2. Ils sont lgrement focalisant ; leurfocale est voisine de leur distance au rcepteur solaire.Aux latitudes moyennes la tour est place en bordure du champdhliostats (au Nord ou au Sud selon lhmisphre terrestre). Auxfaibles latitudes (< 35), elle occupe une position plus centrale. Lesschmas de la figure 4 illustrent ces deux configurations. Lombreporte de la tour sur le champ de miroirs affecte directementlefficacit du concentrateur. Les ralisations pratiques sont desconstructions en bton ou en poutres mtalliques.Loptimisation de la distribution des hliostats et de la hauteurde tour rsulte de calculs optiques qui prennent en comptelensemble des causes de pertes. Les pertes optiques sont duesaux effets dombre et de blocage, leffet cosinus et, bien entendu, la rflectivit des miroirs. Il faut y ajouter la perte lie la disponibilit des hliostats, labsorption atmosphrique, et enfin audbordement de la tache focale lentre du rcepteur. Lefficacitoptique dun champ dhliostats dpend de la position au soleil. Enpratique, les valeurs extrmes varient de 40 % aux grands angles plus de 80 % aux quinoxes midi. On peut situer une valeurmoyenne reprsentative des installations actuelles autour de 70 %.Les pertes thermiques du rcepteur sont issues de la rflexion durayonnement solaire, du rayonnement mis par la surface chaudede labsorbeur Trec et des pertes par conduction et convection verslair libre. On exprime sous forme simple le bilan de puissance par :

(

1 000(m)800

400

200

0 600

200

0

200

400

600(m)

800(m)600400

)

200

absorptivit solaire,surface de miroirs,efficacit optique dun concentrateur,surface de labsorbeur,missivit totale hmisphrique,coefficient dchange par conduction etconvection.La puissance transfre au fluide caloporteur, ou puissance utilePutile, est proportionnelle la surface de labsorbeur Sabs, au coefficient dchange avec le fluide hxc, et lcart de tempratureentre le rcepteur Trec et le fluide Tfl :Putile = hxcSabs(Trec Tfl)(5)solSmir (m2)optSabs (m2)hcv (W.m2.K1)

Exemple dapplication :sol = 0,92 = 0,40hxc = 800 W.m2.K1Smir = 75 000 m2

400

a configuration latrale (Nord)

4 T 4(4)sol Smir opt Isol = Putile + Sabs Trecamb + hcv Sabs (Trec Tamb )

avec

600

0 200 400 600 800 800

opt = 0,75Isol = 950 W.m2Tamb = 20 CTfl = 500 C

600

400

200

0

200

400

600

800(m)

b configuration circulaireLa tour est place lorigine des repres (position 0, 0)

On nglige les pertes par conduction et convection. Les courbes dela figure 5 illustrent dans ce cas linfluence de la surface de labsorbeur sur les performances du rcepteur. Dans la gamme de concentration infrieure 500, correspondant ici une surface dabsorbeursuprieure 150 m2, le rendement du rcepteur varie trs peu autourde son maximum. Pour des concentrations suprieures, le rendementchute rapidement. La temprature du rcepteur augmente avec laconcentration. Dans la pratique, on choisit la surface dabsorbeur quipermet de ne pas dpasser la temprature critique admissible pour lercepteur, et qui demeure assez bon march. Cette limite de temprature dpend en premier lieu de la nature des matriaux utiliss.

Figure 4 Exemples de configurations de champ dhliostatpour les concentrateurs tour

La technologie de labsorbeur, la nature et lcoulement dufluide caloporteur utilis conditionnent le coefficient dchange laparoi hxc. Un coefficient plus lev permet de rduire la surface delabsorbeur.Les bonnes performances des centrales tour dans une gammede puissance leve les destinent la production centralisedlectricit.

Dans les conditions illustres ici et dans le cas dun rcepteurmtallique limit 750 C, on dimensionne labsorbeur 250 m2.

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Amnagements hydrolectriquespar

Pierre-Louis VIOLLETDirecteur Coordination et Partenariats dEDF R&DProfesseur Honoraire lcole nationale des ponts et chaussesPrsident du Comit scientifique et technique de la Socit hydrotechnique de France

1.1.11.2

1.3

2.2.1

Principe des amnagements hydrolectriques ................................Principe de conversion de lnergie hydraulique ......................................Types damnagements ..............................................................................1.2.1 Hautes chutes, chutes moyennes, basses chutes ............................1.2.2 Ouvrages accumulation/ouvrages au fil de leau ..........................Services rendus et problmes poss par les amnagements..................1.3.1 Services rendus...................................................................................1.3.2 Aspects environnementaux ...............................................................1.3.3 Scurit ................................................................................................

BE 8 580 - 333366667

Composants dun amnagement hydrolectrique ..........................Ouvrages de prise deau, barrages.............................................................2.1.1 Prises deau .........................................................................................2.1.2 Barrages...............................................................................................Galeries, canaux et conduites ..............................................................