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Rapport de stage - Énergie solaire à
concentration appliquée à l’industrie
Février 2017 - Juillet 2017
CIESOL - Universidad de Almería
Maître de stage : Manuel PÉREZ GARCÍA

Corentin CHAROUSSET
9 juin 2017

1

Table des matières
1.
1 Introduction

2

2. Thème du stage

3

3. Présentation de l’entreprise

4

4. Déroulement et résultats du stage
4.1. Collecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1. Parabole . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2. Tour . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3. Cylindro-parabolique . . . . . . . . .
4.1.4. Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5. Parabolique composé . . . . . . . . .
4.1.6. Tube à vide . . . . . . . . . . . . . .
4.1.7. Miroir fixe . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.8. Collecteur plan . . . . . . . . . . . .
4.1.9. Courbes de rendement . . . . . . . .
4.1.10. Hypothèse de l’affinité du collecteur
4.2. Demande . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1. Industrie du papier . . . . . . . . . .
4.2.2. Usine de Ludhiana . . . . . . . . . .
4.2.3. Simulation horaire . . . . . . . . . .
4.3. Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1. Meteonorm comparé à TMY2 . . . .
4.3.2. Meteonorm comparé à INTL . . . .
4.3.3. Meteonorm comparé à SUNY . . . .
4.3.4. Gemasolar . . . . . . . . . . . . . . .

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21
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23
24

5. Conclusion

27

6. Remerciements

28

A. Symboles

28

1. Introduction
Le stage que j’ai effectué au sein du laboratoire CIESOL portait sur un domaine connu
dès l’Antiquité grecque : l’énergie solaire à concentration. Dans un premier temps, j’ai
travaillé sur les différents collecteurs et leurs courbes de rendement. Dans un second
temps, j’ai travaillé sur la mise en accord entre l’offre et la demande dans une entreprise
de papier utilisant l’énergie solaire à concentration. Enfin, j’ai effectué des simulations
numériques avec les logiciels System Advisor Model, Meteonorm et Trnsys.

2

Le CIESOL (Centro de Investigación en Energía SOLar) est une antenne de la Plataforma Solar de Almería située sur le campus universitaire d’Almería. Le CIESOL étudie
des problématiques locales comme le traitement de l’eau par l’énergie solaire ou l’énergie
solaire thermique. Quant à la Plataforma Solar de Almería, elle est située au Nord de la
ville, dans le désert de Tabernas. Elle est néanmoins dotée d’un système d’eau. Elle comprend quasiment toutes les technologies d’énergie solaire à concentration et fait partie
des pionniers historiques de la tour solaire avec le site de Themis dans les années 1980.

Le choix du stage fut assez naturel. L’Espagne étant le premier pays au monde dans
l’énergie solaire à concentration, il me suffisait de voyager un peu pour bénéficier d’une
formation dans ce domaine. Par ailleurs j’étais intrigué par l’esthétique des tours solaires,
et je savais qu’il était possible d’en trouver dans ce pays. Uli WÜRFEL du FMF (Freiburger MaterialForschungszentrum) m’avait informé que de meilleurs rendements pouvaient
être obtenus par la concentration, le souci étant que cela ne fonctionne pas lorsqu’il y a
des nuages. Suite à l’Allemagne, ma prochaine destination était naturellement l’Espagne.
L’Espagne connaissant un taux de chômage terrible, j’ai eu beaucoup de mal à trouver ce
stage. La solution est venue lorsque j’ai décidé de solliciter les liens : les relations professionnelles, la famille, les amis... C’est finalement en prolongeant une discussion avec des
inconnus que j’ai eu l’idée de demander aux universités, celle d’Almería étant le choix
le plus naturel dans la mesure où l’université de Perpignan a un partenariat de longue
date avec elle. Je suis finalement tombé sur Manuel PÉREZ GARCÍA qui a bien voulu
me consacrer du temps pour cette formation difficile mais très enrichissante. Je possède
désormais de nouveaux concepts pour l’entreprise que je compte créer.

2. Thème du stage
Le sujet de mon stage est l’énergie solaire à concentration appliquée à l’industrie.
Énergie, car il s’agit d’alimenter un procédé.
Solaire, car elle est issue de la lumière du Soleil.
À concentration, car un système optique tel qu’une lentille ou un miroir concentre la
lumière du Soleil sur une zone précise.
Appliquée à l’industrie, car la chaleur générée par ce système sert à alimenter une industrie, contribuant à son autonomie énergétique.

De nombreux collecteurs existent : parabole, tour, cylindro-parabolique, Fresnel linéaire, parabolique composé... Ils correspondent chacun à une géométrie de concentration précise. Un des objectifs de mon stage a été de mieux connaître ces collecteurs afin
de faire un comparatif et de voir ce que chacun vaut. Au départ favorable au cylindroparabolique comme la plupart des industriels aujourd’hui, mon point de vue s’est affiné

3

et je suis aujourd’hui capable de voir où se situe l’intérêt de chaque système.

Le système le plus ancien est la parabole solaire. Étudiée par le grec Diocles[1] (240/-180), certaines sources affirment qu’on s’en servait pour allumer le feu des jeux
olympiques antiques. Archimède (-287/-212) est connu pour avoir mis le feu aux navires
de l’armée romaine à Syracuse avec des lentilles concentrant la lumière du Soleil. Bien que
certaines personnes disent que ceci n’est qu’une légende, d’autres affirment que Léonard
de Vinci dit s’en être inspiré pour l’un de ses nombreux concepts[2]. Par ailleurs le poète
Aristophane fait mention de la lentille solaire dans l’un de ses textes[3].

La concentration solaire est donc manifestement connue dès l’Antiquité, et il semblerait qu’à l’époque, elle ait été utilisée à des fins militaires ou esthétiques.

Il faudra attendre la révolution industrielle avec l’ingénieur états-unien Ericsson qui
met au point le système cylindro-parabolique en 1870, utilisé à des fins énergétiques[4].
Il faisait partie de ceux qui s’inquiétaient de la viabilité de l’économie de son époque :

"Deux millénaires tombés dans l’océan du temps épuiseront complètement les réserves de charbon en Europe, à moins que dans le même temps, la chaleur du Soleil
soit employée."[4].

Les études très documentées de Jared DIAMOND expliquent que l’épuisement des ressources est un des facteurs qui contribue à l’effondrement des sociétés[5].

C’est pourquoi les énergies renouvelables contribuent à la sortie de la crise. Elles apportent aux territoires qui en bénéficient prospérité et sérénité. C’est dans cette perspective de développement durable que j’ai choisi le thème de l’énergie solaire.

3. Présentation de l’entreprise
Le CIESOL (Centro de Investigación en Energía SOLar) est un laboratoire né en 2005
d’un accord entre l’université d’Almería, la Plataforma Solar de Almería et le CIEMAT
(Centro de Investigaciones Energéticas MedioAmbientales y Tecnológicas). Situé dans
le campus universitaire d’Almería, on remarquera les panneaux solaires thermiques et
photovoltaïques qui recouvrent son toit. Le projet a été financé par le fonds FEDER, la
Junta de Andalucia et ARFRISOL, le Projet National de Recherche à Caractère Singulier et Stratégique sur l’Architecture Bioclimatique et le Froid Solaire.

4

Figure 1 – Le laboratoire CIESOL.

Le CIESOL bénéficie de plus de 20 ans d’expérience entre l’université d’Almería et la
Plataforma Solar de Almería, aujourd’hui matérialisée dans ce laboratoire sur le campus
universitaire.

Dotée d’une importante économie de culture sous serres, la question de la qualité des
sols se pose naturellement à Almería. L’un des thèmes de recherche du CIESOL est le
traitement des eaux par l’énergie solaire.

Mon stage a été encadré par Manuel PÉREZ GARCÍA. Au travail derrière mon ordinateur se succédaient les réflexions en faisant les cent pas, à l’intérieur ou à l’extérieur,
ainsi que les visites à la Plataforma Solar de Almería, qui m’ont permis de bénéficier
d’un point de vue pratique.
Par ailleurs de nombreuses activités annexes ont été réalisées, comme la lecture d’un
livre sur l’énergie éolienne, le dessin d’une vue d’artiste d’une éolienne visant à fonctionner aux vents rapides, ou la mise sur le marché de vêtements promouvant les énergies
renouvelables.

4. Déroulement et résultats du stage
4.1. Collecteurs
Le but d’un collecteur est de créer de la chaleur à partir de la lumière du Soleil. Dans le
cas de notre étude, nous nous pencherons sur les systèmes qui impliquent une concentration de la lumière du Soleil, avec miroir ou lentille. Il n’est possible de concentrer qu’une
lumière directe, sans nuages.

5

Figure 2 – Organigramme du CIESOL.

Figure 3 – Surfaces mises en jeu dans la concentration solaire.
La concentration géométrique C est définie par C = SScollecteur
. C’est le rapport entre
recepteur
la surface concentrant et la surface réceptrice. Elle ne dépend pas de la géométrie : quelle
que soit la forme du filet à papillons, il attrape les papillons.
Concrètement, un facteur π ne doit pas apparaître, sa présence est une erreur courante
dans la littérature.

Le collecteur plan est donné par prolongation comme système avec un facteur de
concentration C=1.

6

La chaleur peut être transformée en électricité avec un système de machine à vapeur et
un générateur. Mais ceci génère des pertes importantes en faveur du concurrent photovoltaïque, c’est pourquoi nous étudierons les systèmes solaires à concentration appliqués
à la chaleur industrielle.
4.1.1. Parabole

Figure 4 – Parabole solaire.
La parabole utilise une partie de paraboloïde comme réflecteur. Ce système a un très
bon rendement (70-85 % si utilisé comme cuiseur), mais son électricité est plus chère
que celle d’un système tour ou cylindro-parabolique : "le coût d’investissement est évalué
entre 2 800 e/kWe (centrale de 20 - 80 MWe à collecteurs cylindro-paraboliques et cycle
de Rankine) et 4 000 e/kWe (centrale à tour de 40 à 200 MWe à cycle combiné) et il
atteint 14 000 e/kWe pour une unité décentralisée de type parabole-Stirling de 10 à 25
kWe "[6].

Ce système n’a pas d’effet cosinus. Il nécessite néanmoins un système de suivi à deux
axes afin d’être bien en face du Soleil, autrement la réflexion ne focalise pas.

Le four solaire d’Odeillo, bâti suivant une géométrie similaire, chauffe jusqu’à plus de 3
500 ◦ C. Aucun matériau ne lui résiste, même le diamant fond. Ceci ouvre les perspectives
d’une métallurgie fonctionnant à l’énergie solaire.
4.1.2. Tour
La tour solaire est entourée d’un champ de miroirs qui focalisent la lumière du Soleil
sur la tour, ce qui chauffe un récepteur. S’ensuit un système de machine à vapeur avec
un générateur électrique.

7

Figure 5 – Tour solaire.

Le stockage avec fonctionnement jour et nuit, la tour multi-tâches, le champ d’héliostats
multi-tours, le rayon du haut vers le bas, la mise à profit d’un relief en cuvette, sont autant
de concepts qui ont été envisagés. Mais ce système est celui qui occupe le plus de surface,
or les industries doivent composer avec un terrain limité. C’est pourquoi elles optent pour
d’autres systèmes.
4.1.3. Cylindro-parabolique

Figure 6 – Collecteur cylindro-parabolique.
Le système cylindro-parabolique est constitué d’un demi-cylindre, mais de section parabolique. Le récepteur est un tube situé sur la ligne focale.

Ce système est complété par un système de suivi du Soleil à un axe. Si le système
est orienté Nord-Sud, le suivi se fera sur l’axe Est-Ouest. Si le système est orienté EstOuest, le suivi se fera suivant l’axe Nord-Sud. Un système orienté Nord-Sud produira
plus d’énergie sur une année. Un système orienté Est-Ouest produira comparativement
plus en hiver, moins en été, et aura une production plus constante.

8

4.1.4. Fresnel

Figure 7 – Collecteur Fresnel.
Le système Fresnel est une variante du cylindro-parabolique. Le récepteur est un tube,
mais cette fois-ci les miroirs sont des rectangles qui ont besoin d’un système de suivi
individualisé.

Fresnel se présente comme une alternative bon marché au cylindro-parabolique, les
miroirs plans coûtant moins cher à fabriquer que les miroirs courbes. Mais tel quel, il
occupe trop de surface pour une industrie. Néanmoins, des ouvertures existent : faire du
cylindro-parabolique avec une multitude de miroirs plans, ou encore inventer le Fresnel
démontable sur camion.
4.1.5. Parabolique composé

Figure 8 – Collecteur parabolique composé.
Le concentrateur parabolique composé utilise une géométrie particulière qui permet de
capter la lumière par tous les angles, sauf les rayons rasants qui sont toujours problématiques. Il n’a pas besoin de suiveur.

Son équivalent 3D, le cône de Winston, ressemble à la parabole, mais sans suiveur. Il
concentre la lumière à la sortie du cône. Il est réputé peu efficace. En 1988, l’équipe de

9

Winston aurait réussi à concentrer la lumière du Soleil 60 000 fois[7]. La théorie donne
un maximum de 46 165.
4.1.6. Tube à vide

Figure 9 – Tubes à vide.
Les tubes à vide utilisent le principe de l’isolation thermique par mise sous vide. Ils
existent avec ou sans concentration.
4.1.7. Miroir fixe

Figure 10 – Collecteur à miroir fixe.
Le collecteur solaire à miroir fixe fait se mouvoir le récepteur autour d’un miroir complexe. Ce système est réputé peu performant.
4.1.8. Collecteur plan
De façon beaucoup plus pragmatique, le collecteur plan ne concentre pas mais fournit
de l’eau chaude aux ménages espagnols. Ce sont des plaques noires avec une tuyauterie
dans laquelle s’écoule un fluide caloporteur.

Le système monte facilement à 80 ◦ C, ce qui permet de prendre la douche et de faire la
lessive. De par son prix attractif, sa simplicité et sa bonne prise en main, il est le système
solaire thermique qui a le plus de succès.

10

Figure 11 – Collecteur plan.
4.1.9. Courbes de rendement
Le rendement optique des collecteurs est variable, comme l’atteste la figure 12.

[8]
Figure 12 – Courbes de rendement optique pour deux systèmes cylindro-paraboliques.
L’efficacité optique de ces deux collecteurs cylindro-parabolique décroît avec l’angle
d’incidence. Cela signifie que le rendement sera plus faible le matin et le soir. PTC90,
avec son angle d’ouverture de 90◦ , offre un meilleur rendement que PTC45 avec son angle
d’ouverture de 45◦ .

Le rendement des collecteurs est donné par les formules

11

2

−Ta
a)
η = FR (τ α) − c1 TiG
− c2 (Ti −T
pour les collecteurs plans
Gt
t

2

−Ta )
a
et η = FR η0 − c1 TiG−T
− c2 (TiG
pour les systèmes à concentration
B
B



— η est le rendement du collecteur ;
— FR est le rendement de conversion de la lumière en chaleur par le fluide ;
— τ est la transmittance ;
— α est l’absorptivité ;
— Ti est la température d’entrée du fluide ;
— Ta est la température ambiante ;
— Gt est le rayonnement solaire reçu par la surface inclinée ;
— GB est le rayonnement solaire direct ;
— η0 est le rendement optique ;
— c1 et c2 sont des coefficients propres au système[9].

Ces formules sont associées aux normes européennes ISO 9806-3 :1995 et EN 12975-1. De
façon plus poétique, on pourrait les appeler formules d’Icare, car le rendement s’écrase en
montant en température. Dans la mythologie grecque, Icare et son père doivent s’enfuir
du labyrinthe dans lequel ils sont enfermés. Ils se fabriquent des ailes avec des plumes et
de la cire pour s’envoler. Mais Icare s’approche trop près du Soleil donc la cire fond et il
s’écrase dans la mer.

Ces formules donnent des courbes paraboliques décroissantes exprimées de préférence
avec la différence de température ∆T comme montré dans la figure 13.

Parmi tous ces collecteurs, le collecteur plan offre le meilleur rendement jusqu’à ∆T =

12

Figure 13 – Rendements de différents collecteurs. FPC pour les collecteurs plans,
ETC pour les tubes à vide, LFR pour Fresnel et PTC pour le cylindroparabolique.
50◦ C, ce qui est amplement suffisant pour l’eau domestique. Mais s’il y a nécessité de
faire bouillir de l’eau pour la cuisine, il faudra se tourner vers un système à concentration.
4.1.10. Hypothèse de l’affinité du collecteur
Avec une automobile, chaque vitesse, 1, 2, 3, 4 ou 5, a une affinité avec la vitesse en
km/h du véhicule. La vitesse 2 sera adaptée à une conduite à 30 km/h, mais pas 100
km/h. De même, la vitesse 5 sera adaptée à une conduite à 100 km/h, mais pas 30 km/h.

À chaque collecteur est associé une concentration géométrique et une température
d’équilibre, comme montré dans la figure 14.

Figure 14 – Températures d’équilibre associées aux concentrations géométriques.
La tour fonctionne à des concentrations et des températures plus élevées que le cylindro-

13

parabolique. Le four (parabole) fonctionne à des concentrations et des températures plus
élevées que la tour.
Or, l’énergie de la tour coûte plus cher que celle du cylindro-parabolique, et l’énergie de
la parabole coûte plus cher que celle de la tour[6].
Par extrapolation, plus on concentre, plus on monte en température et en prix de l’énergie.

En outre, une étude a montré que le concentrateur parabolique composé et Fresnel
sont économiquement compétitifs lorsqu’on les utilise à la bonne température : "From
the point of view of thermal energy production per unit area the CPC technology stands
out as the most recommended option when the temperature of the working fluid is almost 373 K. By increasing the temperature of the working fluid, at least until 523 K, the
recommended technology is LFC."[10].
Par extrapolation, chaque système est économiquement compétitif lorsqu’on le fait travailler à sa température d’affinité.

Ces deux extrapolations constituent l’hypothèse d’affinité du collecteur, qui peut s’exprimer par le graphe hypothétique de la figure 15.

Figure 15 – Courbes hypothétiques des prix.

14

L’hypothèse d’affinité du collecteur affirme que chaque collecteur est économiquement
compétitif, à condition de le faire fonctionner dans sa plage d’affinité. Elle correspond à
une concentration et une variation de température précise.

Le collecteur plan est le moins cher et la parabole offre les gains de températures les
plus importants. Sur le long terme, je pense que ce sont les systèmes qui s’en sortiront
le mieux, car ils ont les caractères les plus marqués.

4.2. Demande
Nous allons étudier l’offre et la demande en énergie solaire pour une usine de papier
en Inde.
4.2.1. Industrie du papier
L’industrie du papier nécessite de grandes quantités d’énergie, mais pas autant que la
métallurgie.

Une étude a estimé que l’énergie solaire pouvait fournir 4,7 PJ pour la demande annuelle des procédés de l’industrie du papier en Allemagne[11]. Une autre étude par GIZ
a estimé que l’énergie solaire pourrait fournir 1,88 PJ pour la demande annuelle des
procédés de l’industrie du papier en Inde[12]. Ceci est en contradiction avec les cartes
d’ensoleillement car l’Inde est plus grande et plus ensoleillée que l’Allemagne. L’étude de
GIZ était en fait incomplète, considérant uniquement les basses températures.

Le tableau suivant donne les températures requises pour quelques procédés de l’industrie du papier. Il existe aussi des procédés nécessitant des températures supérieures à 400
◦ C.

Procédé
Température (◦ C)

Blanchissement
120-150

Désencrage
60-90

Séchage papier
90-200

Préparation pulpe
120-170

Quelle est la demande en énergie pour produire du papier ? Le tableau suivant donne
les besoins en énergie pour les meilleures techniques de production du papier[13].

15

Produit
Blanchi fin
Papier kraft liner
Blanchi recouvert fin
Blanchi non-couvert fin
Papier journal
Papier magazine
Carton
Carton (sans désencrage)
Papier journal
Tissu (désencré)

Matière première
Bois
Bois
Bois
Bois
Bois
Bois
Bois
Papier régénéré
Papier régénéré
Papier régénéré

Chaleur (kWh/t)
3 889
3 889
4 722
5 000
361
83
972
2 222
1 111
1 944

Électricité (kWh/t)
1 200
1 000
1 500
1 200
2 200
2 100
2 300
900
1 000
1 200

Pour faire une tonne de papier blanchi fin à partir du bois, il faut 3 889 kWh d’énergie
thermique. Le blanchissement est le procédé qui rend le papier plus blanc en enlevant
la pulpe. Il requiert de détruire la lignine, du moins enlever les chromatophores qui
font partie de la lignine. Les substances chimiques impliquées peuvent être le dioxygène,
le peroxide d’hydrogène, l’ozone, le gaz dichlore... Le chlore est connu pour causer des
émissions de nombreuses substances toxiques. Il a été banni de ce procédé aux États-Unis
et au Canada. Les températures impliquées dans le procédé de blanchissement sont le
plus souvent en-dessous de 100 ◦ C, et l’usine de Ludhiana a besoin de ces températures.
4.2.2. Usine de Ludhiana
Dans la ville de Ludhiana en Inde, le B.S. Paper Mill fabrique du papier avec l’aide de
l’énergie solaire. Le système qu’ils ont choisi est un champ de paraboles[14].

Figure 16 – Champ de paraboles solaires pour B.S. Paper Mill.
On peut se demander pourquoi ils ont acheté un système aussi cher alors qu’ils n’ont

16

Total
5 089
4 889
6 222
6 200
2 561
2 183
3 272
3 122
2 111
3 144

besoin que de 90-98 ◦ C. Peut-être qu’ils ont oublié de mentionner un procédé à haute
température. En fait, le système a coûté 27 266,99 $, dont 10 512,58 $ ont été subventionnés, ce qui fait 39 % de subventions.

L’usine de papier se trouve à Ludhiana, dans la région de Punjab, qui est l’un des endroits les plus ensoleillés d’Inde. Si on devait cartographier l’activité psychique en énergie
solaire, il faut s’attendre à ce que dans chaque pays, la région la plus activée soit aussi
la plus ensoleillée. La raison à cela est que les gens se disent "On a du soleil.".

Penchons-nous sur l’ensoleillement direct à Ludhiana.

Figure 17 – Histogramme de l’ensoleillement direct à Ludhiana.
On peut remarquer les trois saisons de Ludhiana : l’hiver d’octobre à février, l’été de
mars à mai, et la mousson de juin à août. Nous sommes en zone tropicale, il faut s’attendre à ce que l’hiver ne soit pas si froid.

Le tableau suivant donne l’ensoleillement direct moyen mensuel à Ludhiana.

Mois
DNI moyen (kWhm−2 jour−1 )

Janvier
3,81

Mois
DNI moyen (kWhm−2 jour−1 )

Juillet
3,36

Février
4,63
Août
4,26

17

Mars
5,57

Septembre
5,17

Avril
5,81

Mai
6,06

Octobre
5,07

Juin
4,29
Novembre
4,03

Décembre
3,53

Un arbre peut être coupé à n’importe quelle saison. En outre, dans de nombreux cas le
bois a besoin de sécher plusieurs années pour se débarrasser de la moisissure. Il apparaît
des descriptions de la fabrication du bois que l’apport en bois dans l’industrie du papier
est indépendant de la saison. Par ailleurs, les gens utilisent du papier à n’importe quelle
saison. On considérera donc une demande constante en énergie thermique pour cette
usine.

Nous n’avons pas de données pour le débit d’entrée de papier, mais nous pouvons faire
des estimations. La fabrication de papier à petite échelle est donnée comme inférieure à
30 tonnes de papier par jour. Nous prendrons donc 15 tonnes par jour dans notre calcul.

Comme expliqué dans la partie sur l’industrie du papier, le papier blanchi fin compte
pour 3 889 kWh/t dans la consommation d’énergie. Nous prendrons ce nombre dans notre
calcul.
4.2.3. Simulation horaire
La demande P est donnée par la formule

P = Eprod Dt Nprod



— P est la puissance thermique demandée ;
— Eprod est l’énergie thermique requise pour fabriquer une unité de produit ;
— Nprod est la quantité de produit ;
— Dt est l’opérateur dérivée par rapport au temps.
Ici, Eprod = 3 886kW h/t
et Dt Nprod = 15 t jour−1
donc P = 2, 10 × 1011 J jour−1 = 2, 43 MW.

Ce n’est pas si peu. En fait, bien que les températures semblent raisonnables, l’industrie du papier consomme beaucoup d’énergie.

Le B.S. Paper Mill a installé 112 kW de chaleur solaire. Sur la base de données SHIP, il
était évoqué l’usage de biomasse. Il semblerait que malgré un ensoleillement très important, ils utilisent quelque chose comme du bois car l’énergie solaire n’est pas suffisante.

18

Je pense qu’il faut savoir s’adapter aux saisons, chauffer au solaire en été, au bois en
hiver.

Étudions maintenant l’ensoleillement heure par heure. Nous nous intéresserons au 14
mai, et nous supposerons un ciel très pur comme le ciel de mai est très ensoleillé. Nous
raisonnerons avec le temps solaire vrai. Nous utiliserons un petit arsenal de formules de
Bernard[15].

DN I = 1 210 exp(− 6

1
sin(h+1) )



— h est la hauteur du Soleil ;
— tous les angles sont exprimés en degrés.
h = sin−1 (cos δ cos ω cos ϕ + sin δ

sin ϕ)



— δ est la déclinaison du Soleil ;
— ω est l’angle horaire ;
— ϕ est la latitude.
δ = 23, 45 sin( 360
365 (n − 81))



— n est le nombre du jour (1 pour le premier janvier, 365 pour le 31 décembre dans
une année normale) ;
— δ est exprimé en degrés.
n = 31 + 28 + 31 + 30 + 14 = 134.

ω = (T SV − 12) × 15

où TSV est le temps solaire vrai.

19

À Ludhiana, ϕ = 30, 91◦ .

Nous avons donc tout ce qu’il faut pour calculer. La figure 18 donne le calcul avec le
tableur.

Figure 18 – Calcul du DNI horaire moyen pour Ludhiana le 14 mai.
Manifestement la simulation n’est valable que durant la durée du jour. Les nombres
irrationnellement hauts sont probablement associés au lever et coucher du Soleil. Il est
fréquent que le lever et coucher du Soleil posent des problèmes avec l’énergie solaire.

Pour faire une simulation horaire avec le tableur, il faut choisir le nombre du jour considéré, recalculer δ, recalculer h, et recalculer le DNI. À l’université, nous avons travaillé
avec Excel, mais cette méthode a quelques limites. En fait, la programmation offre la
possibilité d’avoir le DNI horaire sur toute l’année. Cependant, il faut se souvenir qu’une
simulation est basée sur des hypothèses.

20

4.3. Simulation
Nous allons comparer les données météorologiques de différents systèmes. Meteonorm
est capable de calculer des données météorologiques pour n’importe quel endroit par interpolation entre plusieurs stations météorologiques existantes. Les autres systèmes TMY2,
INTL et SUNY peuvent tous être trouvés sur le System Advisor Model du NREL. Nous
comparerons Meteonorm à ces systèmes.

4.3.1. Meteonorm comparé à TMY2

Figure 19 – Données Meteonorm pour Phoenix.
La donnée en jaune pour Meteonorm est en fait l’ensoleillement direct. Je le sais car
pour la même convention de surface, global = direct + diffus, ce qui n’était pas le cas à
Reykjavik, donc j’ai supposé que le jaune était en fait l’ensoleillement direct.

Le profil pour Meteonorm correspond à l’énergie, tandis que le profil pour TMY2 correspond à la puissance. Comme la durée d’un mois est presque toujours la même, on peut
faire une approximation et supposer que les deux profils sont proportionnels.

Phoenix est une ville en Arizona, un endroit très ensoleillé des États-Unis. Les profils
sont similaires, mais Meteonorm donne moins de différence entre l’été et l’hiver. Voyons
ce que donnent les autres comparaisons.

21

Figure 20 – Données TMY2 pour Phoenix.
4.3.2. Meteonorm comparé à INTL

Figure 21 – Données Meteonorm pour Matsumoto.
Matsumoto est une ville montagnarde au Japon, dans les Alpes japonaises. Elle se
trouve dans la préfecture de Nagano, une région qui a beaucoup investi dans l’énergie
solaire.

22

Figure 22 – Données INTL pour Matsumoto.

Dans les données, on remarque une chute soudaine de l’ensoleillement direct pour
INTL, alors que Meteonorm reste plus régulier.
4.3.3. Meteonorm comparé à SUNY

Figure 23 – Données Meteonorm pour Jaipur.

23

Figure 24 – Données SUNY pour Jaipur.
Jaipur est une ville dans le Punjab, une des régions les plus ensoleillées en Inde. Ici,
les données Meteonorm et SUNY sont similaires.

Pour conclure, Meteonorm peut être utilisé pour tous les endroits, mais il faudrait penser à utiliser des données plus fiables, car le temps est moins régulier et plus complexe
que ce que Meteonorm nous laisserait penser.

4.3.4. Gemasolar
Il se trouve que j’ai visité la tour solaire Gemasolar. Prenons cet endroit pour l’interpolation Meteonorm.

Wikipédia donne 37◦ 23’29,11”N pour la latitude et 5◦ 19’44,60”O pour la longitude.
Une fois entrées dans Meteonorm et après le calcul d’interpolation, Meteonorm donne les
résultats présentés sur les figures 26 et 27.

Le meilleur mois pour l’énergie solaire à concentration est juillet car c’est là où il y
a le plus d’ensoleillement direct. Selon Meteonorm, l’hiver n’est pas si mal. Mais deux
jours avec des nuages sont suffisants pour mettre le système hors service, 15 heures de
stockage n’étant alors pas suffisant. Le réseau pourrait rester fonctionnel plus longtemps

24

Figure 25 – Carte papier. La croix indique Gemasolar.

Figure 26 – Données Meteonorm d’ensoleillement pour Gemasolar.
avec une station de transfert d’énergie par pompage, un système hydraulique de stockage
de l’énergie, qui permet de stocker l’énergie à grande échelle avec des rendements de 6585 %. C’est l’une des raisons pour lesquelles je pense que l’Espagne devrait développer
l’eau, Almería étant un exemple extrême avec son désert et sa structure fragile, basée sur

25

une unique usine de dessalement. Regardons les précipitations sur la figure 27 pour avoir
une vue globale.

Figure 27 – Données Meteonorm des précipitations pour Gemasolar.
En juin, juillet et août, les précipitations sont très faibles. Pendant les cours d’Outil
développement durable, nous avons appris que 50 % de l’eau en France est consommée
par le refroidissement pour la production électrique, et que la consommation en eau pour
l’énergie solaire concentrée est similaire à celle du nucléaire. Comme l’industrie nucléaire
compte pour 75 % de la production électrique en France, il y a bien 37,5 % de l’eau en
France qui est consommée par le nucléaire. En fait, nous nous sommes mis d’accord en
classe pour dire que l’énergie solaire concentrée consomme beaucoup d’eau.

Si on construit du solaire à concentration dans un lieu désertique, on n’autorise pas
l’eau pour des choses plus utiles, comme l’agriculture. Dans l’énergie solaire, les déserts
sont tentants par leur haut niveau d’ensoleillement, mais je pense qu’il faudrait avoir
une vue globale du territoire et utiliser l’eau pour planter des arbres et lutter contre la
désertification.

Il faut se souvenir que la Terre reçoit sous forme d’énergie solaire plus de 10 000 fois
l’énergie que l’humanité consomme[16]. Même l’Écosse et le Canada ont construit des
installations solaires dans leur pays. En général, la ressource solaire est suffisamment
abondante.

26

Au final, l’ingénieur doit avoir une vue globale du territoire basée sur la compréhension
profonde des liens qui soutiennent l’écosystème, en utilisant les données météorologiques,
la chimie environnementale, la biologie locale, l’intuition psychique, et beaucoup d’empathie pour trouver une harmonie entre l’humain et la Nature.

Figure 28 – La tour solaire Gemasolar.

5. Conclusion
L’hypothèse d’affinité du collecteur affirme que chaque collecteur est économiquement
compétitif, si on le fait travailler à sa température d’affinité. Si l’on veut le système le
moins cher, on se portera vers les collecteurs plans. Mais si l’on veut de plus hautes
températures, il faudra augmenter la concentration et payer plus cher.
L’offre et la demande est un jeu de saisons. Le solaire étant insuffisant en hiver, on songera à compléter avec le bois, dont on recherchera une consommation minimale.
L’ingénieur en énergies renouvelables doit d’abord faire une étude du terrain, avec une
compréhension profonde des liens qui soutiennent l’écosystème.

À l’avenir, je compte faire le tour du monde diplôme en poche. Je veux aller de pays
en pays, afin de voir dans quel endroit je pourrais le mieux m’enraciner et m’épanouir. Il

27

me sera nécessaire de travailler sur place, aussi ce sera sûrement l’occasion de tisser des
liens internationaux dans le réseau des énergies renouvelables.

Une fois le lieu choisi, je compte créer une entreprise d’un genre nouveau. Ce serait
une entreprise avec égalité des salaires et égalité du pouvoir de décision. Le bâtiment
serait un prisme hexagonal peint en vert, au sommet duquel seraient posés des panneaux
solaires. Au rez-de-chaussée, musée, boutique, salle de discussion et projection. Deux
ailes en losange formeraient les ateliers, ouverts sur l’extérieur. Aux étages du milieu, il
y aurait les bureaux, où on mettrait les ordinateurs et les livres. Enfin, au dernier étage,
il y aurait une cuisine, un coin café, et un jardin à ciel ouvert.

Tout comme mon entreprise, avec l’énergétique, je suis à la recherche d’un idéal. Or
les idéaux sont comme des étoiles pour les marins : on ne peut pas les atteindre, mais ils
montrent le chemin à suivre.

6. Remerciements
Je tiens à remercier mes parents pour leur soutien financier et humain. Ils m’ont pousser à travailler pour réussir mes études, tout comme ils ont réussi leurs études en leur
temps.
Je tiens à remercier Salvador PULIDO, pour m’avoir présenté la nécessité d’une énergie
propre, renouvelable, efficace et pas chère.
Je tiens à remercier Christine CHBICHEB, pour m’avoir offert un cours de thermodynamique de qualité en classe préparatoire.
Je tiens à remercier Jens Peter REINHARDT, pour m’avoir enseigné la théorie et la
pratique du photovoltaïque, lors de mon stage à Freiburg.
Je tiens à remercier Manuel PÉREZ GARCÍA pour m’avoir guidé dans mes recherches,
et pour m’avoir donné des contacts précieux, lors de mon stage à Almería.
J’adresse un merci tout particulier au magazine Wapiti, qui m’a sensibilisé aux énergies
renouvelables et à l’écologie pendant mon enfance.
Je remercie honorablement Félix TROMBE, pour ses travaux avant-gardistes sur l’énergie solaire.

Je tiens enfin à remercier tous les anciens, scientifiques ou militants, qui ont cru en les
énergies renouvelables. Nous leur devons tout.

A. Symboles
Les unités sont données avec leur équivalent dans le système international.

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C : concentration géométrique
CPC : Compound Parabolic Concentrator (collecteur parabolique composé)
DNI : Direct Normal Irradiation (ensoleillement direct normal)
ETC : Evacuated Tube Collector (tube à vide)
FPC : Flat Plate Collector (collecteur plan)
J : Joule
k : kilo (c’est-à-dire 1 000)
LFC : Linear Fresnel Collector (collecteur Fresnel linéaire)
LFR : Linear Fresnel Receiver (récepteur Fresnel linéaire)
M : Mega (c’est-à-dire 1 000 000)
NREL : National Renewable Energy Laboratory
P : Peta (c’est-à-dire 1 000 000 000 000 000)
PTC : Parabolic Trough Collector (collecteur cylindro-parabolique)
Scollecteur : surface du collecteur (indépendamment de la forme)
Srecepteur : surface du récepteur (indépendamment de la forme)
SHIP : Solar Heat for Industrial Processes (chaleur solaire pour les procédés industriels)
t : tonne (c’est-à-dire 1 000 kg)
Teq : température d’équilibre
W : Watt
Wc : Watt-crête
We : Watt électrique
∆T : différence de température

Références
[1] Diocles, Des Miroirs Brûlants
[2] Sixto Malato m’a rapporté en 2017 Léonard de Vinci sourçant Archimède pour ses
lentilles solaires.
[3] "Strepsiades. As-tu jamais vu une belle pierre transparente chez l’apothicaire, avec
laquelle tu peux allumer un feu ?", Aristophane, Les Nuages, -424
[4] http ://solarenergy.com/power-panels/history-solar-energy
[5] Jared DIAMOND, Effondrement, 2005
[6] Alain FERRIÈRE, Centrales solaires thermodynamiques, Techniques de l’Ingénieur
[7] http
://www.nytimes.com/1988/03/11/us/scientists-using-mirrors-match-energyintensity-of-sun-s-surface.html
[8] Parabolic trough concentrators for low enthalpy processes, Jaramillo et al., Elsevier
Renewable Energy, 2013
[9] Soteris KALOGIROU, Solar Energy Engineering, Academic press, 2009
[10] Lillo et al., Process Heat Generation Potential from Solar Concentration Technologies in Latin America : The Case of Argentina, Energies, 2017

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[11] Lauterbach et al., 2012
[12] GIZ. Identification of Industrial Sectors Promising for Commercialization of Solar
Energy in India, 2011. http ://mnre.gov.in/file- ComSolar.pdf
[13] BREF, Best Available Technologies (BAT) Reference Document for the Production of Pulp, Paper and Board, European Commission, Industrial Emissions Directive,
Brussels, 2013
[14] http ://ship-plants.info/solar-thermal-plants/
[15] Jacques BERNARD, Energie solaire - Calculs et optimisation, Ellipses
[16] http ://www.photovoltaique.info/-Le-soleil-source-d-energie-.html

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