Dernière édition : 13 juillet 2009 (édité suite à de riches commentaires que j'ai reçu. Merci en particulier à Yves, ainsi qu'aux spécialistes en transferts radiatifs du Laboratoire des Sciences du Climat et l'Environnement, CNRS, Gif-Sur-Yvette)

A synthesis of this article in english is available here :
http://www.electron-economy.org/article-35055205.html
And a response to Gerry Wolff is available here.

"J'ai toujours aimé le désert. On s'assoit sur une dune de sable. On ne voit rien. On n'entend rien. Et cependant quelque chose rayonne en silence."

Antoine de Saint-Exupéry

(Le petit prince)

L'amplification du réchauffement climatique au niveau de l'Arctique est aujourd'hui bien connue du grand public, notamment via le film Une vérité qui dérange d'Al Gore, et a été beaucoup médiatisée (voir par exemple cet article Une mécanique préoccupante de réchauffement dans l'Arctique) : le réchauffement fait fondre la banquise, or la banquise (claire, albedo d'environ 0,60 en fonction de l'état de la glace, de l'angle d'incidence etc.) a un albedo plus élevé que celui de l'eau de mer (sombre, albedo de l'océan arctique = environ 0,15). Même si l'énergie solaire incidente dans la région arctique est faible, cette baisse de l'albedo d'environ 0.45 conduit à modifier le bilan radiatif et à amplifier le réchauffement (rétroaction positive).

L'impact radiatif de l'installation d'immenses centrales thermosolaires dans le Sahara a été moins médiatisée, pour ne pas dire pas du tout médiatisée. Pourtant une variation d'albedo  sur de grandes surfaces du Sarara aurait potentiellement un impact sur le bilan radiatif bien plus important que dans la région arctique étant donné que l'insolation directe y est très élevée.

Pensant a priori que l'effet était marginal, j'avais souri en lisant il y a quelques mois les propos d'un climatologue français à ce sujet . Mais en étudiant la question de plus près, l'effet est tout sauf négligeable.

Yves Fouquart : "Petit détail non négligeable: la réflectivité des surfaces désertiques (l'albédo) est élevée (...) Changer l'albédo de surfaces aussi grandes ne sera pas sans conséquences, par exemple sur la nébulosité (...) Le problème est que cette énergie sera absorbée et non pas réfléchie et que, comme le rendement n'est pas égal à un , loin de là, il y aura un apport d'énergie supplémentaire dans la région." (Source)

[Yves Fouquart est physicien de l'atmosphère, spécialiste des transferts d’énergie par rayonnement dans l’atmosphère terrestre, il a dirigé le laboratoire d'optique atmosphérique de l'Université de Lille. Membre du comité scientifique du Programme Mondial de Recherche sur le Climat de 1986 à 1992, il a participé à la rédaction du rapport 1995 du Groupement Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (IPPC / GIEC). Il est notamment l'auteur du livre  Le climat de la Terre: fonctionnement de la machine climatique aux éditions Septentrion ]

Les centrales thermosolaires agissent comme des pièges à énergie solaire et comme de gigantesques radiateurs. Une centrale thermosolaire est un gigantesque four qui fonctionne en permanence, 24H sur 24 et 365 jours sur 365.

Les sables clairs (lègers et secs) du désert ont un albedo (= reflectance) relativement élevé (environ 0.25 à 0.45, retenons 0.35) : ils réfléchissent  35% de l'énergie solaire incidente vers l’espace. Si les sables sahariens étaient noirs, la température saharienne serait encore plus élevée.  "De nos jours, la température moyenne sur notre planète est de 15°C. Si la Terre était recouverte de forêts, la température serait de 24°C. Sur une Terre désertique, la température serait de 13°C. Si elle était entièrement recouverte par des océans, la température serait de 32°C, parce que les océans sont sombres, et ont un albédo faible, comme un objet noir. Notre planète, si elle était recouverte de glace, serait très froide (-52°C) !" Source : Espere

Source : wikipédia.fr

Albedo du Sahara : entre 0.47 et 0.49 pour les déserts de sable (les centrales thermosolaires sont construites au niveau des zones sableuses et relativement plates, pas au niveau des zones montagneuses basaltiques sombres) :

"Ground and airborne measurements of the albedo of the Sahara desert are summarized. Large sand surfaces show albedo values 40% in airborne measurements, for volcanic, mountainous regions it is 30%. Ground measurements give values between 47% and 49% for sand. Comparison of plant coverage, albedo, and surface type gives average Saharan albedo = 32%; considering only bare surfaces, the albedo is 36%. For the last glaciation period average albedo is estimated at 38%. For the more humid period 5500yr ago, it is 27%." - Source : http://adsabs.harvard.edu/abs/1983smrb.rept...60T

" Les déserts et sols nus ont un albédo moyen entre 30 et 40 % "
- Source : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/motscles/savoirPlus/albedo.html



Photo : albedo moyenne annuelle à l'échelle du globe. Au niveau albedo, les déserts font partie des systèmes "refroidisseurs".


Global Albedo - Image en haute résolution ici : http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=2599
Source : Satellite Terra, Nasa

Les centrales thermosolaires possèdent des miroirs qui concentrent l’énergie solaire vers un tube collecteur (ou vers une tour collectrice), piègeant ainsi l'énergie solaire. Un fluide chauffe, ce qui permet de faire évaporer de l’eau et faire tourner une turbine et de génèrer de l'électricité. Il faut pour cela une source froide (eau douce, eau de mer ou air relativement "froid") pour que cela marche d’un point de vue thermodynamique (Carnot). Compte-tenu des pertes sur toute la chaîne (tubes collecteurs, canalisations de transfert, turbine, alternateur...), seule environ 15% * de l’énergie solaire incidente reçue par les miroirs est finalement convertie en énergie électrique…Le reste, soit 85%, est perdu sous forme de rayonnement infra-rouge et de flux de chaleur…et réchauffe l’atmosphère.

A noter que (même si cela ne change rien au bilan radiatif)) les miroirs reçoivent aussi des radiations provenant de toutes les directions de l'environnement (du sable avoisinant etc.), radiations qu'ils réfléchissent, et ils sont donc  visibles en vue aérienne.

Plus de 99% de l'énergie réfléchie par les miroirs paraboliques parvient au tube récepteur, les systèmes actuels étant de plus en plus précis. Une partie de l'énergie solaire incidente est absorbée par les miroirs, contribuant ainsi directement au réchauffement régional (les miroirs ont une réflectivité d'environ 97% - Source - ce qui signifie que 3% de l'énergie qui arrive aux miroirs est absorbée). En vieillissant, les miroirs perdent de leur réflexivité et aborbent plus d'énergie, contribuant encore plus au réchauffement régional.

Une partie de l'énergie absorbée par les récepteurs (tubes à vide) est également perdue dans l'environnement par rayonnement, contribuant ainsi au réchauffement régional. Seule une très faible partie de l'énergie arrivant à la surface des tubes récepteurs (moins de 1%) est réfléchie, les tubes sont recouverts d'une couche anti-réflexion. Une partie de l'énergie réfléchie par le récepteur est réfléchie à nouveau par le miroir et est de nouveau renvoyée vers le récepteur.

Les parties métalliques supportant le tube récepteur et les miroirs ont une albedo proche de celle du désert : elle n'ont pas d'impact significatif sur le bilan radiatif, ni négativement, ni positiviement.   Bref, les pertes par réflexion en direction de l'espace au niveau des miroirs et des tubes collecteurs sont très faibles (moins de 2% au total).

La nuit, le recours au stockage thermique amplifie les pertes par rayonnement : une partie de l'énergie s'échappe des cuves de stockage et d'autre part la baisse progressive de la température à l'intérieur des cuves s'accompagne d'une baisse de rendement au niveau de la turbine.

En se basant sur les données du Lawrence Berkeley National Laboratory :
- White Roofs Cool the World, Directly Offset CO2 and Delay Global Warming -
http://www.energy.ca.gov/2008publications/CEC-999-2008-031/CEC-999-2008-031.PDF
- La publication correspondante dans la revue Climatic Change est disponible ici :
http://www.energy.ca.gov/2008publications/CEC-999-2008-020/CEC-999-2008-020.PDF),

Une augmentation d'environ +0.20 de l'albedo permet un forçage négatif équivalent (mais de signe opposé) à celui d'environ 5 tonnes de CO2 émises dans l’atmosphère. On peut donc estimer que le remplacement d’un kilomètre-carré (= 1 million de m2) de désert par des miroirs de centrales thermosolaire (remplacement équivalent à un albedo qui passe de 0.35 à  0.15, soit une variation de - 0.20) conduit à un forçage radiatif positif équivalent à l’émission d'environ 50000 tonnes de CO2 dans l'atmosphère. 

A noter : 

a - qu'une variation d'albedo de 0.20 dans le désert a un impact plus important que dans une région où l'albedo est plus faible, car l'impact sur le bilan radiatif dépend non seulement de la variation d'albedo mais aussi de l'intensité de l'insolation directe (qui est de 2800 kWh/m2/an en moyenne dans le Sahara) de la région considérée. J'ai retenu ici une hypothèse basse. Avec une insolation directe de 2800 kWh/m²/an, on passe à 5,7 tonnes.

b - que j'ai retenu l'hypothèse de 0.35 pour l'albedo du Sahara, alors qu'elle est entre 0.40 et 0.49 pour les déserts de sable, zones favorables à l'installation des centrales thermosolaires. Si la variation d'albedo est de 0.30, et non de 0.20, la traduction en équivalent CO2 passe de 5 à 7,5 tonnes.

a+ b : L'impact radiatif des centrales thermosolaires du désert est en réalité bien plus élevée.

c - Il s'agit d'estimations grossières : la traduction en équivalent CO2, basée ici sur les données du LBNL, doit intèger notamment les spécificités de la composition atmosphérique saharienne, et également l'impact de la production de vapeur d'eau par les centrales thermosolaires, ainsi que les flux convectifs, de chaleur latente etc. De plus,  si la température locale augmente (suite à la diminution de l'albédo), le flux infrarouge va lui aussi augmenter. Tout ceci nécessite de faire appel à des modélisations informatiques.

Continuons cependant avec les hypothèses retenues  :
Une méga-centrale thermosolaire ayant une surface réceptrice carré de 10 km de coté installée dans le Sahara (= 100km2 ) conduit à un forçage radiatif équivalent à l'émission d'environ 5 millions de tonnes de CO2 dans l'atmosphère.

Une méga-centrale thermosolaire ayant une surface réceptrice  carré de 300 km de coté installée dans le Sahara (= 90000km2   =  environ 1% de la surface du Sahara qui est de 9 065 000 km²) conduit à un forçage radiatif équivalent à l'émission d'environ 4,5 milliards de tonnes de CO2 dans l'atmosphère, soit 45 fois les émissions annuelles de CO2 de la France (La France émet chaque année environ 105 millions de tonnes de CO2, tous secteurs confondus) ou encore  les 3/4 des émissions de CO2 annuelles des USA, le pays le plus émetteur de la planète (25% des émissions mondiales de CO2), pays rejoint par la Chine ces dernières années. Le moins que l'on puisse dire, c'est que ce n'est pas vraiment négligeable. Et aggraver le réchauffement dans les régions qui sont les plus affectées par le réchauffement (Afrique), je ne suis pas sûre que cela soit une bonne idée. 

Mon avis : c'est surtout au niveau régional que l'impact est préoccupant. La construction de centaines de centrales thermosolaires (= gigantesques radiateurs) en Afrique du nord a le potentiel pour modifier le climat régional, avec potentiellement des impacts sur le cycle de l'eau (nébulosité, précipitations, lacs, rivières etc.), la désertification, les activités agricoles, les forêts, la biodiversité, le tourisme etc. Bien entendu, la construction de quelques centrales thermosolaires pour alimenter une partie de l'électricité des villes d'Afrique du nord (Le Caire, Alexandrie, Alger, Tunis, Rabbat...) a un impact thermique. Mais un impact bien moindre que si des centaines de centrales thermosolaires sont construites pour alimenter en électricité l'Europe (Europe qui consomme beaucoup d'électricité).  Le rapport MED-CSP (sur lequel est basé l'initiative DESERTEC) mentionne de manière vraiment très discrète (un quart de ligne page 164) l'impact des centrales thermosoloaires sur l'albedo : "Impact of large plants on regional albedo".

A noter que la centrale de 300km de coté permet de produire l'intégralité de l'électricité mondiale. Pour produire l'intégralité de l'énergie mondiale grâce au thermosolaire des déserts, il faudrait une centrale bien plus grande...(sans parler de l'impact CO₂ lié à la production des centrales thermosolaires et des énormes cuves de sels fondus issus de la chimie lourde nécessaires au stockage thermique pour la production électrique sans soleil).

Moralité : on en apprend tous les jours et il est bon de remettre en cause ses dogmes à la lumière de nouvelles données...Il n'y a que les imbéciles qui ne changent pas d'avis. "Le serpent qui ne peut changer de peau, meurt. Il en va de même des esprits que l'on empêche de changer d'opinion : ils cessent d'être esprit." -  Friedrich Nietzsche

Photo : power-block et tours de refroidissement, centrale thermosolaire du désert du Mojave (sud-ouest des USA). Des chauffeuses de l'atmosphère...Construire des centrales thermosolaires a du sens d'un point de vue climatique...au niveau des déserts sombres qui ont une albedo inférieure à 0.15, ce qui est assez rare. Les centrales thermosolaires espagnoles, construites sur des terres plus sombres que dans le désert saharien, ont un impact thermique plus faible.



Michael Hogan (Directeur du Programme électricité à la Fondation européenne pour le climat) : " (...) Potentially more important concern is the reduction in albedo effect from the capture of solar energy that would otherwise have been reflected, which at the scale we’re talking about might become significant.That can be alleviated by, for instance, siting a given acreage of reflecting mirrors to compensate for the concentrating mirrors (...)"
http://climateprogress.org/2009/04/29/csp-concentrating-solar-power-heller-water-use/

Michael Hogan souligne que la baisse de l'albedo liée à l'installation de centrales thermosolaires est un important problème et propose qu'une partie des miroirs réfléchissent l'énergie solaire vers les ciel pour compenser le réchauffement induit par les miroirs qui concentrent l'énergie solaire vers un collecteur. Utiliser ainsi une partie  des miroirs de la centrale (et réduire d'autant la production électrique de la centrale) conduirait à faire flamber le coût du kWh thermosolaire qui est déjà élevé. De plus, poussières et sable (en fonction de la région considérée) nécessitent un nettoyage régulier et une consommation en eau douce. Compte-tenu des surfaces très importantes en jeu et de la rareté de la ressources eau douce dans le désert, ce n'est pas forcément une bonne idée.  D'autre part diriger de grands miroirs vers le ciel est pose des problèmes de sécurité aérienne (aveuglement des pilotes). L'impact sur l'avifaune reste à déterminer. Bien sûr, une compensation albedo pourraît être proposée ailleurs dans le monde, par exemple en peignant en blanc les toits d'une ville. Mais cela serait totalement inefficace étant donné qu'il s'agit d'un problème de pollution thermique régionale.

Photo : Le miroir d' Archimède (à droite, en 250 avant JC) - " Afin de détruire la flotte romaine, Archimède aurait conçu et utilisé des miroirs concaves, les "miroirs ardents" pour déclencher des incendies par concentration des rayons solaires. Archimède aurait d'ailleurs écrit une "Optique" que l'on n'a pas retrouvée." (Thuillier, Pierre. - "Une énigme : Archimède et les miroirs ardents". - La Recherche, mai 1979, n° 100, p. 444-453. L'objet lui-même était effectivement connu. Euclide le mentionne dans "Optique et catoptrique".) - Source 

Un deuxième problème, après celui de la pollution thermique régionale : les centrales thermosolaires nécessitent, pour un fonctionnement jour et nuit, d'énormes capacités de stockage thermique. Les centrales construites utilisent des sels fondus (nitrates etc.) issus de la chimie lourde. Exemple : la centrale ANDASOL I (d'une puissance de 0,05 GW, dans le sud espagnol) possède deux cuves de 14 mètres de haut permettant une autonomie d'environ 6 heures sans soleil. Le développement en masse des centrales tehrmosolaires conduirait à recourir à des volumes astronomiques de sels fondus. Ces installations sont classées SEVESO en France.

Troisième  problème sérieux des centrales thermosolaire vapeur installée en zone aride ou désertique : elles consomment beaucoup d'eau : nettoyage des miroirs, purge des circuits, et surtout source froide.

Photo ci-contre, nettoyage des miroirs d'une centrale thermosolaire dans le sud-ouest des USA.

Pour alimenter 15% de l'électricité européenne avec des centrales thermosolaires sahariennes (du même type que celles qui sont installées dans le sud-ouest saharien ou dans le sud de l'Espagne), il faudrait fournir chaque année aux centrales une quantité d'eau équivalente à environ 5 à 10 fois la consommation d'eau douce de l'intégralité de la région parisienne. Il existe des systèmes pour réduire la consommation en eau mais là encore, ils font monter le coût du kWh thermosolaire. Lire aussi : Le dessalement de l'eau de mer est-il écologique ?.

- Olivier




NB 1 - L'installation de panneaux photovoltaïques sur un toit sombre (ou sur un parking couvert de bitume) n'a pas d'impact au niveau bilan radiatif. Ceci est faux si le toit est blanc. Une éolienne (l'éolien, comme démontré par le département énergie et atmosphère de l'université de Stanford, est l'énergie renouvelable la plus écologique, mais peu de personnes en ont conscience - Et comme souligné par François Lempérière, Stephen Chu et Hermann Scheer, le problème de l'intermittence de la ressource éolienne est complètement règlé par le couplage avec le pompage/turbinage) n'a aucun impact sur le bilan radiatif...Quoi que si, peintes en blanc (c'est souvent le cas) et installées au niveau de prairies ou de mers  (l'herbe et l'eau de mer sont sombres), elle ont un effet refroidissant et contribuent ainsi doublement à lutter contre le réchauffement climatique :)

NB 2 - les autres types de centrales thermiques (nucléaires ou à combustibles fossiles) sont également de gigantesques radiateurs. Comme le souligne Hermann Scheer, il est faux d'affirmer que les centrales nucléaires ne contribuent pas au réchauffement climatique. Certes, l'intensité carbonique du nucléaire est faible, mais la pollution thermique inhérente au fonctionnement de ce type de centrale est énorme (l'impact écologique de cette pollution thermique est variable en fonction de la région considérée). Le rendement d'une centrale thermique est d'environ 30%. 70% de l'énergie est perdue sous forme de chaleur ! Il semble donc fondamental d'abandonner les filières thermiques ("Thermos", en grec, signifie "chaud"...) et de se focaliser sur les technologies vraiment durables comme par exemple l'éolien, l'énergie marémotrice, l' énergie houlomotrice ou l'hydroélectricité (en prenant soin dans ce dernier cas de valoriser la biomasse avant l'inondation de la région considérée afin d'éviter la fermentation méthanogène, notamment en zone tropicale).  A noter que les centrales à charbon ou à hydrocarbures contribuent doublement au réchauffement climatique :  émissions de CO2 (impact majeur, un kWh-électrique-charbon = émission de 990 grammes de CO2)  + pollution thermique (1 kWhe-charbon  = "émission" de 2 kWh-thermiques), tandisque que les centrales thermosolaires et nucléaires induisent une pollution thermique mais pas d'émissions de CO2. Mais les centrales thermosolaire ont un important défaut : elles doivent être installées là où l'insolation directe est élevée, c'est à dire bien souvent dans des secteurs déjà très chauds. Avec des centrales de grande dimension, l'impact régional est à étudier de manière approfondie.
 

NB 3 - (...) Afrik.com : Que pensez vous, en tant qu’ingénieur et en tant que Africain, du projet Desertec selon lequel 15 entreprises allemandes veulent produire l‘énergie solaire au Sahara afin de transmettre de l’électricité vers l’Allemagne. Le coût de l’opération est chiffré à 400 milliards d’euros.
Guy Tchuilieu Tchouanga : Personnellement, je ne suis pas pour ce type d’initiative. Elle va se révéler désastreuse pour les pays africains car ils vont pomper toute l’eau de la nappe souterraine, qui va s’évaporer, pour faire tourner les turbines. Cela va entraîner l’assèchement des nappes avec des conséquences irréversibles (...)" - http://www.afrik.com/article17206.html

NB 4 - L'Afrique peut-elle développer d'autres énergies renouvelables que les centrales thermosolaires pour produire de l'électricité nécessaire aux populations africaines  ? Oui, bien sûr. Plus d'informations ici : http://inga-we-can.over-blog.org/


Photo : Tempête de sable, Sahara

Lire aussi :

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