L’énergie solaire

L’énergie solaire se produite par le rayonnement solaire et qui apporte l’énergie thermique et la lumière sur toute la surface terrestre. Elle est utile au bon fonctionnement de la vie sur notre planète.

En effet, l’énergie solaire est à l’origine du cycle de l’eau et du vent. Mais est également utile pour les plantes dans la mesure où l’action du soleil est à la base de la photosynthèse.

Le solaire existe sous 2 formes:

– Photovoltaïque transforme directement le rayonnement du soleil en électricité.

– Thermique capte sa chaleur. La chaleur collectée s’utilise comme telle ou bien transformée en énergie mécanique, puis en électricité. Dans ce dernier cas, on parle de solaire thermodynamique.

L’origine

Becquerel en 1839 découvrit l’effet photovoltaïque (c’est-à-dire la conversion de la lumière en électricité), les recherches n’ont cessé d’évoluer.

La première utilisation de l’effet photoélectrique fut la fabrication d’une batterie solaire par les Laboratoires Bell en 1954. Par la suite, il a été utilisé par l’industrie spatiale pour fournir les engins spatiaux en électricité. De nos jours, son utilité est largement répandue et on évalue à 0,75% de la production d’électricité Française de 2013 produite grâce à cet effet.

Pourquoi l’énergie solaire est la solution pour l’avenir ?

Étant donné que le soleil va briller encore des milliards d’année, les scientifiques considèrent qu’elle est l’energie de demain. Aujourd’hui nous la maîtrisons et la rude tâche des chercheurs est de minimiser son coût de production et de fonctionnement.

De plus en plus d’appareils et de machines fonctionnent au solaire. Les progrès de la science étant important, il est possible de se procurer des panneaux solaire à moindre coût, même pour des versions miniatures permettant de recharger son téléphone par exemple. Certaines voiture également voient le jour avec une recharge pour leur alimentation avec des stations solaire.

La puissance chez nos voisins

Depuis 2012, l’énergie photovoltaïque s’est décuplée dans le monde entier. Parmi les plus actif, nous trouvons la Chine. À elle toute seule elle a connecté 35 GW à son réseau électrique contre 15 GW en 2015. C’est un bon en avant en peu de temps.

Les USA arrivent en suivant avec une production doublée entre 2015 et 2016 pour arriver à 15 GW.

L’Inde vient en troisième position avec en début 2017 une production solaire de 12,3 GW.

L’union Européenne est en recul alors que les autres pays du monde progressent. Pour 2016 c’est 6,1 GW solaire connecté au réseau. C’est moins qu’en 2015.

Le boom de 2016 est terminé. Les différents pays participants à la course au solaire ont fortement ralenti. Le retrait ou la diminution des crédits d’impôts ainsi que la baisse du tarif des rachat du kwh en sont les causes principales.

De nos jours

A l’heure actuelle, le coût du MWh produit serait de 160 € pour des grandes centrales et de 180 € pour des installations domestiques (panneaux solaires sur des terrasses par exemple) mais il devrait fortement chuter d’ici 2030 pour se rapprocher de 90€ /MWh pour les centrales (proche du prix de de production par les centrales « classiques »)  et de 115€ /MWh pour les installations domestiques.

Zoom sur la France

L’électricité d’origine solaire est surtout utilisée en France pour la consommation des particuliers ou pour des habitations éloignées du réseau électrique.

Un panneau solaire de 1 m2 produit entre 100 et 200 Wc de puissance électrique par an mais cela dépend de l’ensoleillement du site et de la disposition des panneaux.

Ainsi un générateur installé dans le sud de la France produira en moyenne 40 à 50 % d’électricité en plus qu’une installation identique dans le nord.

Au 31 mars 2014, la France possède un parc photovoltaïque installé de 4 866 MW (DOM compris). Le Grenelle de l’environnement fixe un objectif de 5 400 MW en 2020.

La majorité des installations en service en France métropolitaine sont de faible puissance :

• Inférieure à 3 kWc : 82 % des installations pour 14,7 % de la puissance installée

• Entre 3 et 250 kWc : environ 17,6 % des installations pour environ 40,7 % de la puissance installée

• Supérieure à 250 kW : moins de 0,3 % des installations pour 44,6 % de la puissance installée

* kWc = Kilowatt-crête. Cette unité s’utilise pour caractériser uniquement les matériaux photovoltaïques. Le Watt-crête caractérise la puissance d’un panneau solaire.

En 2016

Selon le tableau de bord de la production électrique française (Ministère de l’environnent, de l’énergie et de la mer), la production d’électricité par la filière solaire représentait 8,8 TWh (en hausse de 14% par rapport à 2015) soit 1,6% de la production électrique nationale toutes filières confondues. Elle est assurée par 382 000 installations  (la plupart de faible puissance correspondant à des panneaux domestiques), elle est concentrée dans le sud/sud-ouest de la France.

Les zones de production en France

Les régions du pourtour méditerranéen et les DOM représentent à eux seuls près de 30 % du parc photovoltaïque raccordé au réseau.

Quels sont les freins à l’utilisation de cette technologie ?

Ils sont au nombres de 2 et pas des moindres.

Premier frein :

Premièrement

Nous avons beaucoup de progrès à faire en ce qui concerne les cellules solaires. Elle sont encore onéreuse à fabriquer et surtout il faudrait améliorer le rendement pour la transformation de l’énergie solaire. Il existe déjà des alternatives au silicium pour les cellules, en particulier le tellurure de cadmium (un métal toxique malheureusement) et les séléniures de cuivre, d’indium et de gallium, leur rendement étant de 22,3%. Une autre solution consisterait à superposer plusieurs semi-conducteurs, on peut réaliser des cellules à haut rendement (proche de 40%) mais leur coût est aussi plus élevé.

Les chercheurs sont sur une autre voie, depuis près de dix ans, celle d’une nouvelle classe de matériaux : les pérovskites. Ces matériaux ne sont pas nouveaux mais des chercheurs japonais ont fait la synthèse de composés semi-conducteurs « mixtes » organiques et inorganiques (notamment des iodures de méthyl-ammonium et de plomb) appartenant à cette famille, les cellules solaires construites avec certains de ces matériaux ont un rendement proche de 22%. Toutefois, leur utilisation ne sera possible que lorsque leur stabilité chimique sera acquise ; leur utilisation en couches minces cristallines avec d’autre semi-conducteurs comme le nitrure de gallium les stabilise.

Deuxièmement

Il ne faut pas exclure, non plus des « ruptures », des phénomènes  qui permettraient d’utiliser dans un matériau tous les photons de la lumière solaire (le silicium n’en absorbe qu’une partie, notamment dans le rouge et l’infrarouge). On pourrait, peut-être y parvenir en déclenchant avec des photons solaires des cascades d’excitation dans des polymères semi-conducteurs, dopés avec des nanoparticules inorganiques, qui en produisant d’autres photons délogeraient plusieurs électrons du matériau, le rendement pourrait être proche de 100%…

Deuxième frein

Il nous faudrait améliorer le stockage de cette énergie. En effet, contrairement à une centrale classique, l’énergie est produite à heures fixes, sans ce soucier des heures avec les pics de consommations. Aujourd’hui, la meilleure solution pour stocker l’énergie produite est la batterie à décharge lente, communément appelée batterie solaire. Ce type de batterie peut être utilisé pour une installation isolée (logement), mais aussi pour un camping-car ou un bateau. Un régulateur, placé entre la batterie et le panneau solaire, est nécessaire pour que le niveau de charge ne soit ni trop bas ni trop élevé. Les batteries solaires se chargent pendant la journée, pour fournir de l’électricité durant la nuit et les jours de mauvais temps.

Il existe actuellement plusieurs types de batteries :

– Au plomb ouvert (entre 80 et 250 €) : idéales pour les utilisations momentanées, elles doivent se placer en plein air, tout en étant protégées du froid. Leur durée de vie peut dépasser 10 ans.

– AGM (entre 200 et 400 €) : leur durée de vie est plus courte, mais elles sont étanches, plus résistantes et nécessitent moins d’entretien que les batteries au plomb ouvert.

– GEL (entre 200 et 550 €) : appréciées pour leur excellente qualité et leur longévité, elles sont adaptées aux utilisations quotidiennes.

– Au lithium (plus de 600 €) : le haut de gamme. Elles peuvent réaliser plus de cycles que les autres batteries, à condition d’éviter les charges trop élevées et les décharges trop importantes.

Qu’en est-il du marché?

Le stockage thermique essaye également de percer sur le marché, mais bien que cette méthode soit fiable, elle reste très anecdotique. Le stockage thermique consiste à stocker les énergies renouvelables sous la forme d’air comprimé dans des cavernes souterraines. Ces réservoirs pressurisés permettent de stocker l’énergie mais pas de la transporter, ce qui offre donc très peu de souplesse dans la gestion du réseau. Cette méthode de Compressed Air Energy Storage a été mise au point il y a une trentaine d’années et il existe déjà deux sites de stockage dans le monde, un en Allemagne et l’autre aux Etats-Unis.

Tesla fait partie des entreprises qui sont les plus avancées dans la production de batteries à grande échelle.

La solution la plus répandue à ce jour consiste à utiliser des fermes de batteries. Le stockage de l’énergie solaire grâce aux batteries devient d’ailleurs de plus en plus compétitif : son prix a baissé de moitié en l’espace de cinq ans. Les prix proposés affichent désormais un tarif de 250 euros par kilowattheure. Il y a quelques années encore, il fallait compter 450 euros pour cette même charge. L’explication tient à l’évolution de la technologie : tout comme pour les panneaux solaires, les coûts de production des batteries ont baissé en même temps que la technologie a encore évolué.

Les batteries font désormais l’objet d’une fabrication à grande échelle, notamment chez les grandes entreprises Samsung et LG. La taille des batteries a aussi évolué : désormais le stockage d’énergie réclame moins de place tout en étant plus fiable et plus performant. Mais hormis la solution des fermes de batteries, les propositions en termes de stockage de l’énergie demeurent limitées.

Une nouvelle méthode de stockage liquide

Pour répondre à cette question énergétique cruciale, plusieurs équipes de recherche travaillent à mettre au point les solutions futures. Leur but, stocker plus facilement l’énergie solaire. Parmi les différentes méthodes en développement, c’est celle de l’université technologique de Chalmers, à Göteborg (Suède), qui semble actuellement la plus prometteuse. Le projet de recherche a été lancé il y a déjà six ans. Il vise à mettre au point une transformation de l’énergie solaire sous forme liquide. Deux avantages à cette méthode :

  • L’énergie peut être stockée très facilement
  • Elle peut ensuite être retransformée rapidement pour être injectée dans le réseau.
Les nouvelles molécules

Les chercheurs ont travaillé sur des molécules synthétiques qui sont sensibles à la lumière du soleil et peuvent la capter. Quand elles sont éclairées, ces molécules peuvent stocker l’énergie solaire grâce à leurs liaisons chimiques. Elles se chargent ainsi un peu à la manière de batteries tout en gardant une forme liquide. Pour récupérer l’énergie stockée dans les molécules, il suffit de les exposer à un catalyseur qui libère l’énergie et permet de la récupérer sous forme de chaleur.

Il y a quatre ans, cette même équipe de chercheurs avait réussi l’expérience en utilisant une molécule faite de ruthérium. Mais ce matériau posait problème car il est rare et donc très cher, ce qui entraînait un coût de production tellement élevé que les chercheurs ne pensaient pas alors pouvoir déployer leur méthode à une échelle industrielle. Par ailleurs, cette première molécule utilisée ne pouvait restituer qu’une très faible quantité d’énergie solaire : à peine 0,01%.

Grâce à des molécules de synthèse, l’énergie solaire se capte et se stockée sous forme liquide avant de se restituée sous forme de chaleur à l’aide d’un catalyseur.

Un tournant dans la recherche

Mais depuis, les chercheurs de Chalmers ont révisé leur copie afin d’améliorer le rendement de leur procédé. Ils ont mis au point une nouvelle molécule artificielle fabriquée à base de carbone. Les résultats sont impressionnants. Le mois dernier l’équipe a publié ses nouveaux résultats de recherche en précisant qu’elle avait réussi à atteindre un taux de restitution énergétique de 1,1% grâce à la nouvelle molécule de synthèse. Le rendement est donc multiplié par 100 en l’espace de quatre ans.

Cette percée démontre la viabilité du processus mis en place et cette nouvelle méthode de stockage de l’énergie pourrait bien déboucher sur des applications industrielles dans les prochaines années. Les chercheurs planchent déjà sur un nouveau modèle hybride qui embarquerait des panneaux solaires pour convertir encore plus de lumière.

En conclusion

Depuis quelques années déjà, c’est la course au solaire qui dirige bon nombre de projets futuriste. Je dirai, “qui controle la puissance du soleil, contrôle la vie”. Malheureusement ce sont les plus fortunés qui sont sur le coup.

J’espère que cet article vous a plus?

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Bruno.

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