Sujet technique : le solaire thermique

En France, en 2024, l’industrie a consommé 285 TWh toutes sources d’énergie confondues, soit 18% de la consommation d’énergie finale du pays.
Près des 2/3 de cette consommation reposent encore sur des énergies fossiles, mais également EnR et déchets. Une partie importante de cette énergie est consacrée à la production de chaleur, qui constitue ainsi un enjeu majeur de décarbonation du secteur.

Répartition des sources d’énergie utilisées pour produire de la chaleur dans l’industrie française.

Plus de la moitié des besoins de chaleur de l’industrie française concernent des températures inférieures à 400 °C, et une part importante se situe même sous les 250 °C. Pourtant, ces besoins restent très majoritairement couverts par des énergies fossiles.

Pour une partie de ces usages, le solaire thermique constitue aujourd’hui une solution mature et compétitive. Il représente ainsi un levier pertinent de décarbonation, à condition que son intégration soit adaptée aux procédés industriels.

ÉTAT DU DEPLOIEMENT DU SOLAIRE THERMIQUE EN FRANCE

En 2022, la filière solaire thermique représente 0,2 % de la consommation finale de chaleur en France métropolitaine, grâce à un parc de 2,4 millions de m² de capteurs solaires thermiques en service, produisant 1,3 TWh/an de chaleur renouvelable.
L’objectif de la Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) 2026 – 2035 est de porter à 6 TWh la consommation de chaleur solaire thermique en 2030, et 10 TWh en 2035.

On distingue deux grandes catégories d’installations solaires thermiques :

• Les installations individuelles ou collectives pour le chauffage de locaux et la production d’eau chaude sanitaire (chauffe-eau solaire, système solaire combiné, pompe à chaleur solaire, etc.) alimentées par des champs de capteurs plans*,
• Les grandes installations solaires thermiques (GIST) de puissance supérieure à 1 MWth, alimentées par des champs de capteurs plans* ou par des capteurs solaires à concentration.

*Un capteur solaire plan est un équipement conçu pour capter l’énergie solaire et la transformer en chaleur. Contrairement aux capteurs photovoltaïques qui produisent de l’électricité, les capteurs solaires plans sont principalement utilisés pour des applications de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire (ECS).

POURQUOI LE SOLAIRE THERMIQUE EST UNE SOLUTION PERTINENTE POUR DECARBONER LES BESOINS DE CHALEUR ET QUELLES SONT LES LIMITES A SON DEPLOIEMENT ?

Une grande part des besoins thermiques industriels peuvent être satisfaits par les températures offertes par cette technologie.
Ils sont regroupés en deux grandes plages de température :

• Les températures de 30°C à 200°C sont très diversifiés et parfaitement adressables avec des capteurs vitrés. Ils peuvent concerner tous les secteurs industriels tels que la chimie, l’agroalimentaire, l’industrie du papier, la plasturgie ou encore la fabrication d’équipements. Ces plages de température sont notamment utilisées pour des opérations de cuisson, séchage, pasteurisation, lavage, traitement de surface ou pressage.
• Les températures comprises entre 200 et 400 °C correspondent à des procédés plus spécifiques : oxydation, réduction, séchage bois…  et nécessitent d’utiliser des capteurs à concentration.

Le rendement des capteurs diminue avec l’augmentation de leur température de fonctionnement. Les applications à basse température sont donc généralement les plus favorables sur les plans énergétique et économique.

Principaux points à retenir :

• Le solaire thermique convertit directement le rayonnement solaire en chaleur, sans étape intermédiaire de production d’électricité, ce qui limite les pertes énergétiques.
• Le stockage thermique constitue souvent l’élément clé permettant d’augmenter le taux de couverture solaire tout en limitant les phénomènes de surproduction estivale.
• Les émissions de CO₂ sur l’ensemble du cycle de vie sont généralement comprises entre 10 et 30 gCO₂/kWh, contre environ 200 à 230 gCO₂/kWh PCI pour une chaudière gaz naturel.
• Les coûts d’exploitation sont réduits et insensibles à la fluctuation du prix des matières

Dans la plupart des projets industriels, la question n’est pas de savoir si le solaire thermique est performant, mais s’il est pertinent pour le procédé considéré.
L’analyse des profils de consommation, l’identification du bon point d’intégration, le dimensionnement du stockage et l’évaluation des interactions avec les équipements existants conditionnent la performance technico-économique du projet.
C’est pourquoi une étude de faisabilité constitue une étape nécessaire.

Dans ce cadre, et afin de maximiser les chances de concrétisation et de réaliser le bon projet, l’ADEME accompagne les industriels pour :

• Réaliser une étude de décarbonation du site afin d’analyser en amont la solution de solaire thermique au regard des besoins de l’usine et des autres solutions de décarbonation. L’étude vise à fournir une vision exhaustive à travers une analyse multicritères (technique, énergétique, environnementale et économique) et conduit à l’établissement d’une feuille de route de décarbonation.
• Réaliser ensuite, et après validation de la 1^ère étape, une étude de faisabilité d’installation de solaire thermique, une étape nécessaire avant d’investir dans la conception d’une installation solaire thermique.

DES LIMITES DOIVENT ETRE CONSIDEREES

L’intégration des capteurs requiert de la surface disponible : en première approche, il faut garder les ordres de grandeurs suivants :

• Une productivité solaire de 0.4 à 0.6 MWh/an par m2 de capteur (dépendant de la zone géographique, du profil de charge du site, de l ‘existence d’un stockage et de la saisonnalité du besoin)
• Une emprise foncière de 3 à 4 m² pour chaque m² de capteur (pour prendre en compte les circulations et espacements entre capteurs, les zones de local technique et de stockage)

La technologie des capteurs sélectionnée conditionne très fortement les températures possibles.
Sa rentabilité dépend du profil de consommation de l’usine.

Ainsi, le solaire thermique est rarement une solution unique pour l’industrie, mais il constitue un excellent complément dans une stratégie de décarbonation combinant efficacité énergétique, récupération de chaleur et autres technologies bas carbone.

FONCTIONNEMENT

Le fonctionnement d’une installation solaire thermique industrielle repose sur quatre fonctions principales : le captage de l’énergie solaire, son stockage éventuel, sa conversion lorsque cela est nécessaire (production de vapeur notamment), puis sa distribution vers les procédés industriels.

Les choix technologiques associés à chacune de ces fonctions dépendent principalement du niveau de température recherché et du profil de consommation du site.

TECHNOLOGIES

La nature et la technologie des capteurs solaires utilisée varie selon le niveau de températures visées. On peut néanmoins souligner que les développements et recherches en cours ont principalement pour but d’augmenter les températures de travail vers des cibles de 300 à 500°C.

On retrouve aujourd’hui :
(cliquer sur les titres pour voir l’image correspondante)

1. Capteurs non vitrés

Il s’agit du plus simple des capteurs : un matériau EPDM ou acier absorbe la chaleur et la restitue à un fluide caloporteur.

Température : <40°C
Rendement : Très élevé

2. Capteurs plans vitrés

Ce sont les capteurs les plus connus en Europe : un absorbeur en tôle qui maximise l’absorption du rayonnement solaire est associé avec un échangeur thermique en face arrière. On ajoute un vitrage en face avant et en isolant en face arrière de l’absorbeur.

Température : <90°C
Rendement : Très élevé

3. Capteurs tubes sous vide

Majoritaires sur le marché mondial grâce à la Chine, utilisent une isolation par le vide pour limiter les pertes thermiques et améliorer leur rendement. Ils se déclinent en plusieurs technologies (double ou simple enveloppe en verre, avec circulation directe ou caloduc), offrant des niveaux de performance différents. Plus efficaces que les capteurs plans à haute température, ils sont particulièrement adaptés aux applications industrielles nécessitant une production de chaleur performante.

Température : <200°C
Rendement : Elevé

4. Capteur à concentration cylindro-paraboliques

Une parabole munie d’une surface réfléchissante va réfléchir les rayons solaires vers le tube absorbeur. L’ensemble du capteur est monté sur un axe de rotation afin de suivre la course du soleil.
Température : 180 à 400°C
Rendement : Moyen

5. Capteurs à concentration à miroir de FRESNEL

Des segments de miroir (plans ou segments de parabole selon les capteurs) sont fixés sur un châssis support. Les miroirs sont montés sur des axes de rotation et orientés au cours de la journée pour réfléchir le rayonnement solaire vers l’absorbeur, qui est fixe et situé en hauteur.
Température : 250 à 500°C
Rendement : Moyen

Le stockage thermique est indispensable pour l’intégration de système de production de chaleur par capteurs solaires.

Pour résumer, le stockage thermique peut être réalisé sous 2 formes :

• Chaleur sensible :
  L’eau (eau chaude, eau surchauffée) est largement utilisée pour cette solution en raison de son coût et de la facilité d’utilisation. La solution de stockage utilise des cuves à pression atmosphérique, sous pression ou encore des stockages en fosses pour des temps de stockage plus importants.

• Chaleur latente :
  Même si peu rencontrés à l’échelle industrielle, le principe est d’utiliser le changement d’état d’un matériau pour stocker une quantité de chaleur importante avec une faible différence de température.

Les facteurs clés principaux pour la sélection et le dimensionnement du stockage seront :

• La puissance maximale lors des phases de charge/décharge du stockage : cette puissance conditionnera notamment les échangeurs de chaleur assurant le transfert entre le fluide caloporteur et le matériau de stockage,
• La quantité d’énergie à stocker, qui prendra notamment en compte la variabilité de la ressource solaire et des besoins énergétiques au cours du temps, mais également la durée de stockage souhaitée (de quelques heures à plusieurs mois),
• La température de stockage et de déstockage,
• Le nombre de cycles prévisibles au cours de la durée de vie du stockage : c’est notamment ce nombre de cycles qui aura un impact majeur sur le coût additionnel de la fonction stockage.

Pour la mise en œuvre de la distribution de chaleur, cette énergie peut être :

• Intégrée au niveau de production de la chaleur du site (ex :  Préchauffage eau appoint, réchauffage de la boucle retour)

Source : https://www.solar-payback.com/

• Intégrée au niveau des process (préchauffage du fluide entrant utilisé dans le process au plus proche du process (air), eau de lavage, lait…)

Source : https://www.solar-payback.com/

• Utilisée pour produire directement de la vapeur

Source : https://www.solar-payback.com/

L’objectif du PPE est d’atteindre 1 million de mètres carrés de capteurs installés par an dans le segment des Grandes Installations Solaires Thermiques (GIST).
Le dispositif central de financement est le Fonds Chaleur de l’ADEME pour aider à financer une partie de ces projets.

Pour les projets où la surface de capteurs est inférieure à 500 m², l’aide apportée par l’ADEME est calculée de manière forfaitaire en fonction du lieu d’implantation et de la production solaire utile annuelle (entre 50 et 63€ par MWh selon le barème )

Au-delà de 500 m², le projet relève du dispositif « Grandes Installations Solaires Thermiques » et fait l’objet d’une analyse économique individualisée par l’ADEME. De façon annexe, le Fonds Chaleur peut financer également des études d’opportunité, des études de faisabilité.

Enfin, des financements privés issus des CEE (Certificats d’économie d’énergie) peuvent compléter le dispositif de financement mais ils doivent être déclarés à l’ADEME et ne s’appliquent pas pour les projets qui reçoivent déjà une aide forfaitaire de l’ADEME.

D’autres possibilités régionales ou européennes sont à même de compléter un plan d’investissement.

Il revient au porteur de projet de réaliser une étude de faisabilité (elle-même potentiellement aidée) puis rentrer en contact avec son conseiller ADEME pour avoir un éclairage exhaustif et à jour sur les critères d’éligibilité et les modalités de financement avant de commencer les travaux.

La décarbonation de la chaleur industrielle constitue aujourd’hui l’un des principaux leviers de réduction des émissions de gaz à effet de serre de l’industrie française. Dans ce contexte, le solaire thermique apparaît comme une technologie mature, fiable et particulièrement pertinente pour couvrir certains besoins de chaleur à basse et moyenne température, qui représentent une part importante des usages industriels.

Bien que son déploiement reste conditionné par la disponibilité foncière, le profil de consommation des procédés et les conditions économiques du projet, cette technologie trouve pleinement sa place dans une stratégie énergétique combinant sobriété, efficacité énergétique, récupération de chaleur et recours aux énergies renouvelables. Soutenu par des dispositifs publics tels que le Fonds Chaleur de l’ADEME, le solaire thermique est appelé à jouer un rôle croissant dans l’atteinte des objectifs nationaux de décarbonation fixés par la Programmation pluriannuelle de l’énergie.

Le potentiel du solaire thermique ne réside pas uniquement dans la performance des capteurs, mais dans leur capacité à s’intégrer intelligemment aux procédés industriels existants. L’ingénierie d’intégration devient alors le principal levier de performance énergétique et économique.