Thémis (centrale solaire)

Laboratoire CNRS PROMES

Depuis 2006, le laboratoire PROMES (PROcédés Matériaux et Énergies Solaires) du CNRS exploite la tour solaire et 107 héliostats comme plateforme de recherche sur le solaire à concentration à taille industrielle, complétant les travaux faits sur le site d'Odeillo avec le Grand Four Solaire. L'accent est mis sur des procédés à plus hautes température que le système original pour obtenir de meilleur rendement de conversion thermodynamique : 700 voire 1 000 °C plutôt que 350 °C (température de fonctionnement de la centrale dans les années 80).

Différents projets ont eu lieu ou sont en cours sous le pilotage de ce laboratoire :

• Projet "PÉGASE" (Production d'Électricité par turbine à Gaz et Énergie Solaire)^[4] : ce projet visait à remettre en place sur le site de THÉMIS une boucle thermodynamique telle qu’elle existait à l’origine mais en l’améliorant. Il s'agissait plus précisément de réaliser et tester un système hybride solaire/gaz d'une puissance électrique de l'ordre de 1,2 Mégawatt, utilisant la chaleur solaire pour surchauffer l'air entrant dans une turbine à gaz. Le dispositif avait pour but d'ouvrir la voie vers des centrales solaires présentant un meilleur rendement (30 % et plus) utilisant des cycles combinés solaire/gaz^[5]. Ce programme a inclus^[6] une rénovation du champ d'héliostats afin d'y déployer un nouveau système de contrôle commande dérivé de celui des astrophysiciens de l'IN2P3 ainsi qu'une rénovation optique (remplacement des miroirs cassés, réglages optiques…).
• Projet "Next-CSP"^[7],[8](2016-2020) : Ce projet bénéficiant de financements européens a repris certains éléments du projet pégase (turbine, tour) pour développer un système hybride solaire/gaz d'1,2 MW environ^[9]. L'innovation testé était l'utilisation d'un circuit d'air contenant des particules solides comme fluide caloporteur. Ce dernier était chauffé lors de son passage dans le récepteur solaire placé en haut de tour (zone de concentration du rayonnement solaire réfléchi par les héliostats au sol) pour atteindre 800°C afin de transférer la chaleur via un échangeur à un circuit d'air qui alimente la turbine à gaz^[9]. Les tests réalisés en 2018 avec l'utilisation d'une boucle d'air avec des particules (comme du sable) a permis de tester le stockage de l'énergie emmagasinée dans les particules via des réservoirs pour stocker l'énergie thermique plusieurs heures, permettant de s'affranchir des fluctuations météo, de s'adapter à la demande du réseau ou encore de différer la production d’électricité le soir voire la nuit.
• Projet "CLÉ-DE-SOL" : En 2021 et 2022, le projet CLÉ-DE-SOL^[10] (financement européen FEDER région Occitanie) a été mené notamment principalement sur le site de Thémis. L'objectif majeur était d'améliorer la performance de la plateforme pour héberger les procédés à tester. À ce titre, une rénovation complète des 107 héliostats utilisés par le CNRS a été réalisée : entretien mécanique, nouvelle alimentation électrique, nouveau système de communication, mise à jour des logiciels…
• Projet "P2P" (Powder To Power) : ce projet européen actuellement en cours permet d'étudier les lits fluidisés circulants gaz-solides comme une alternative aux fluides caloporteurs conventionnels utilisés pour transporter la chaleur issue du rayonnement solaire dans les centrales solaires à concentration.

CPV Thémis avec le projet "Thémis PHOC"

Installé en 2009, ce projet pilote de solaire photovoltaïque à concentration a été porté par plusieurs structures : NUR ENERGIE SAS, NEOEN, SOITEC et enfin CPV Thémis (depuis 2015). Cette installation, d'une puissance de 170kW, est équipée de la technologie Concentrix. Chaque module est composé de lentilles de Fresnel sur la partie supérieure qui concentrent 500 fois l'intensité du rayonnement lumineux sur les cellules solaires à haute performance situées sur la partie inférieure. Le montage ainsi que le système de suivi nécessitent une grande précision afin que les rayons du Soleil s’alignent parfaitement sur les cellules solaires mesurant moins de 3mm. Ces cellules multi couches permettent de capter un spectre de lumière plus large, ce qui permet d'améliorer leur rendement de 50 % par rapport à la technologie du silicium amorphe. Cette technologie Concentrix a d'ailleurs été une référence mondiale avec un rendement de conversion du rayonnement solaire en électricité de 31.8%.

ENGIE GREEN avec le projet "PV Thémis biface / VOSS"

Construit en 2022 puis mise en service en novembre 2023, ce projet de production d'énergie d'origine solaire a pour but de tester les différences de rendement entre des panneaux photovoltaïques classiques et des panneaux photovoltaïques bifaciaux. Ces derniers permettent, via les 2 faces du module PV, de récupérer à la fois le rayonnement direct émis par le Soleil mais aussi le rayonnement diffus et réfléchi par l'environnement (effet albédo). Les installations produisant de l'électricité ont été complétées par un système de stockage de l'énergie : VOSS (VOlant de Stockage Solaire). Développée par Energiestro, cette technologie innovante lowtech permet de stocker l'électricité produite en mettant en mouvement un volant d'inertie en béton autour d'un axe en minimisant les forces de frottement. Ce mouvement pourra, par la suite et quand cela sera nécessaire, être re-transformé en électricité grâce à un alternateur. Le but de ce système est de proposer une alternative aux batteries pour le stockage de l'énergie.

SUNERGIE avec le projet "Thémis-PV"

Ce projet a pour objectif d'équiper 80 héliostats de la partie haute non utilisée du champ d'héliostats avec des panneaux photovoltaïques.

Autres projets terminés

• EDF Renouvelables avec le projet "Censol-PV" : Ce projet mené entre 2008 et 2023 a eu pour objectif de tester les performances de panneaux photovoltaïques à faible concentration couplés à un système de suivi solaire spécifique (aussi appelés trackers solaires) afin d'améliorer la faisabilité technico-économique des centrales solaires photovoltaïques, qui constitue aujourd’hui une véritable alternative aux énergies fossiles polluantes^[11].

  

• Solar Euromed avec le projet "Augustin Fresnel 1" : Ce projet mené entre 2008 et 2019 utilisait des miroirs plans (aussi appelé miroirs de Fresnel) pour concentrer le rayonnement solaire sur un récepteur solaire (tuyau horizontal placé au dessus des miroirs) afin de chauffer l'eau qui circulait à l'intérieur et générer ainsi de la vapeur. D'une puissance de 250KW thermique, ce procédé innovant a eu pour but d'expérimenter les applications de chaleur industrielle et de production d'électricité.

1977 - 1986 : Les origines

En France, le principe de centrale électro-solaire à tour a commencé à être étudié en 1976 par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), et Électricité de France (EDF) dans le cadre du programme de conversion de l'énergie solaire en électricité THEM (Thermo-Hélio-Électrique-Mégawatt). Le 30 septembre 1977, le Conseil des ministres décide de la construction de la centrale solaire thermodynamique dans les Pyrénées-Orientales : THEM1 renommé par la suite THEMIS, dans le but d'étudier les système à hautes températures en utilisant des sels fondus. Le Conseil Départemental des Pyrénées-Orientales acquiert en 1979 des terrains sur la commune de Targasonne, et conclut un bail emphytéotique avec EDF pour la construction de cette centrale. En octobre 1979, un protocole avec le Commissariat à l'énergie solaire (COMES) est signé, désignant EDF comme maitre d'ouvrage et maitre d'œuvre de l'ensemble des travaux. La centrale solaire THÉMIS est inaugurée par EDF en 1983. Elle devient opérationnelle et emploie 48 personnes. Elle constitue alors une véritable référence internationale en matière de conversion de l'énergie solaire en électricité.

Principe de fonctionnement : Des héliostats (miroirs géants orientables) concentrent les rayons du Soleil vers une tour qui héberge à son sommet un récepteur solaire dans lequel circule un fluide caloporteur. Chauffé par les rayons, celui-ci transfère ensuite son énergie à un circuit d'eau grâce à un échangeur. La vapeur alors produite actionne une turbine puis un alternateur pour produire de l'électricité. La centrale Thémis (en fonctionnement de 1983 à 1986) disposait alors de 201 héliostats, d'une tour et de réservoirs de sels fondus (fluide caloporteur utilisé) qui permettaient de produire de l'électricité même en l'absence de Soleil en utilisant la chaleur stockée dans la cuve (stockage thermique).

La gestion complexe des sels fondus ainsi que l'absence de moyens informatiques performants génèrent des pannes et des interruptions de production récurrentes. Le coût trop élevé des réparations, une production faible et un pétrole à nouveau à prix raisonnable conduisent à l’arrêt du financement de la centrale par EDF en septembre 1986.

Toutefois, les technologies et leurs applications développées à THÉMIS sont reprises avec succès à l’étranger (Espagne, États-Unis).

1986 - 2004 : La recherche en astrophysique

Des astrophysiciens prennent alors le relai et installent, sur les socles mobiles des héliostats, des dispositifs destinés à la détection des rayons cosmiques. De 1987 à 2004, le site de Thémis est mis à disposition du CNRS (via l'IN2P3), du CEA et du CERN, qui tentent et réussissent à détecter le rayonnement gamma de très haute énergie produit par les objets astrophysiques, à partir du rayonnement Čerenkov généré par les particules secondaires créées dans l'atmosphère. Le site accueille ainsi successivement les télescopes Thémistocle et ASGAT (1987-1996), CAT (Čerenkov Array at Thémis, 1996-2000) et enfin Céleste (2000-2004)^[12].

Depuis 2004 : Le renouveau de l'énergie solaire en France

Le Conseil Départemental des Pyrénées-Orientales décide en 2004 de réhabiliter la centrale THEMIS pour lui rendre son usage premier : la recherche dans les technologies pouvant produire de l’électricité^[13] à partir de l'énergie solaire. Entre 2012 et 2014, le Départemental des Pyrénées-Orientales, en partenariat avec la Région Languedoc Roussillon, engage d'importants travaux avec notamment la réhabilitation des bâtiments. THÉMIS devient Thémis Solaire Innovation (TSI) labellisé par le pôle de compétitivité DERBI (Développement des Énergies Renouvelables dans le Bâtiment et l’Industrie)^[14]. TSI commence alors sa troisième vie. Le programme de reconversion du site vise à en faire l'un des premiers sites européens de valorisation solaire multi-technologique tout en intégrant un développement touristique nouveau en Cerdagne.