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Énergie solaire (exploitation)

Energie solaire
Les réserves gazeuses du soleil se comptant en milliards d’années de fusion, l’énergie solaire est, à l’échelle de l’homme, illimitée. Elle est classée parmi les énergies renouvelables. (©photo)

Définition et catégories

L'énergie solaire est l'énergie diffusée par le rayonnement du Soleil. Des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible, tous ces rayonnements sont constitués de photons, les composants fondamentaux de la lumière et les vecteurs de l’énergie solaire. L’énergie solaire est issue des réactions de fusion nucléaire qui animent le Soleil.

Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse du règne végétal. Le règne animal, y compris l’humanité, dépendent des végétaux sur lesquels sont fondées toutes les chaînes alimentaires.

L'énergie solaire est à l'origine de toutes les formes de production énergétique aujourd’hui utilisées sur Terre, à l'exception de l'énergie nucléaire, de la géothermie et de l'énergie marémotrice. L’homme utilise l'énergie solaire pour la transformer en d'autres formes d'énergie : énergie chimique (les aliments que notre corps utilise), énergie cinétique, énergie thermique, énergie électrique ou biomasse.

Par extension, l'expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l'électricité ou l'énergie thermique obtenue à partir de la source énergétique primaire qu’est le rayonnement solaire.

Actuellement, il existe deux voies principales d’exploitation de l’énergie solaire :

Il est relativement complexe de récupérer l’énergie solaire afin de la transformer en électricité ou en chaleur, et encore plus de la stocker. L’exploitation de cette source énergétique est récente et se développe rapidement dans les régions bien exposées. Elle reste néanmoins encore coûteuse. De nombreux programmes de recherche sont en cours afin d’améliorer les rendements des nouvelles technologies d’exploitation de l’énergie solaire.

Fonctionnement technique ou scientifique

Les caractéristiques du rayonnement solaire sur Terre

L'énergie solaire reçue en un point du globe dépend de :

  • l'énergie solaire envoyée par le Soleil, qui fluctue avec son activité de fusion ;
  • la nébulosité (nuages, brouillards, etc.), qui est par exemple importante à l'équateur et plus faible en milieu intertropical ;
  • la latitude, la saison et l'heure, qui influent sur la hauteur du soleil dans le ciel et donc l'énergie reçue par unité de surface au sol.


Modélisation de l’inégale répartition de l’énergie solaire dans le monde (d'après source ez2c.de, ©DR)

L’exploitation de l’énergie solaire

Trois familles de procédés de transformation de l’énergie solaire se distinguent aujourd’hui.

L’énergie solaire thermique

L'énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire :

  • en usage direct de la chaleur : chauffe-eau et chauffages solaires, cuisinières et sécheuses solaires ;
  • en usage indirect, la chaleur servant pour un autre usage : rafraichissement solaire, dessalement, etc.

De fait, elle est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau ou des locaux. On utilise pour cela des capteurs thermiques. Il en existe plusieurs catégories, mais le principe est toujours le même : le capteur thermique absorbe les photons solaires et les transforme en chaleur. Celle-ci est ensuite transmise à un liquide ou à un gaz qui la transporte (le gaz est alors dit « caloporteur ») vers un réservoir de stockage de chaleur.

L’énergie solaire thermodynamique

L’énergie thermique du Soleil permet également de produire de l’électricité par voie thermodynamique. Le principe est identique à celui d’une centrale électrique classique : la production de vapeur ou de gaz à haute pression est turbinée pour être ensuite transformée en électricité. Ce processus nécessite des températures importantes (de 250°C à plus de 1 000°C) que l’on atteint en concentrant la lumière solaire avec des miroirs vers un fluide caloporteur.

Parmi les technologies de concentration majeures peuvent être citées :

  • les centrales solaires cylindro-paraboliques avec concentration linéaire, équipées d’auges paraboliques ;
  • les centrales solaires à miroirs de Fresnel avec concentration linéaire, équipées de lames de miroirs légèrement incurvées ;
  • les centrales solaires à tour avec héliostats renvoyant le rayonnement sur le concentrateur ;
  • les paraboles solaires Dish-Stirling avec une concentration ponctuelle, équipées d’un moteur Stirling (moteur à air chaud).

Elles permettent le stockage d'une partie de l'énergie sous forme de chaleur. Ce stockage permet de diminuer les conséquences de l'intermittence de la ressource solaire en permettant, par exemple, de continuer à produire de l'électricité après le coucher du soleil.

L’énergie solaire photovoltaïque

Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839), ou la technique associée. L’intérêt de cette technique est de convertir l’énergie du Soleil directement en électricité.

L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire dans une cellule photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, produits à partir d’une matière première de très grande pureté.

Cette forme d'énergie reste aujourd'hui quantitativement limitée ; on lui prédit néanmoins un grand avenir grâce aux progrès attendus, à la baisse des coûts, à sa simplicité et à sa polyvalence. Sans entretien et durable, pouvant fonctionner avec ou sans raccordement à un réseau, elle peut répondre aux besoins en énergie électrique d'une maison (capteurs sur le toit) ou d'une industrie.

La première application est apparue dans le domaine spatial pour les satellites. D’autres secteurs ont ensuite utilisé la technologie photovoltaïque, notamment les télécommunications, le balisage maritime et aérien, l’éclairage domestique et le pompage de l’eau. Mais comme le Soleil n’est pas visible en un point de la Terre 24 heures sur 24, cette application nécessite l’utilisation de batteries ou autres systèmes qui assurent le stockage de l’énergie en vue d’une consommation hors période d’ensoleillement.

Enjeux par rapport à l'énergie

Répondre aux enjeux économiques et environnementaux

L’énergie solaire est souvent considérée comme l’énergie de l’avenir : elle est potentiellement inépuisable à échelle humaine, renouvelable et propre. L’enjeu économique est de taille dans un contexte où les prix du charbon, du gaz naturel et du pétrole sont amenés à augmenter avec la diminution irrémédiable à long terme de ces ressources. Ce fort potentiel couplé à la nécessité de réduire les gaz à effet de serre font de l’énergie solaire un axe de développement privilégié aujourd’hui.

La Commission européenne pour les énergies renouvelables s'est fixé pour objectif de porter la part de l'énergie solaire à 20 % dans le mix des énergies renouvelables, celles-ci devant elles-mêmes apporter 20 % de l'énergie en 2020 et 50 % en 2040.

Accroître la rentabilité et le rendement

L’investissement initial est toujours très important. Mais une fois l’installation amortie, ses frais de fonctionnement sont faibles et l’énergie produite peut rivaliser avec les énergies fossiles. De nombreux pays ont mis en place des systèmes d'incitation financière (sous forme de détaxation, de subventions, ou de tarifs avantageux pour le rachat de l'énergie produite) afin d’encourager l’innovation et les premières installations.

L'utilisation de ces systèmes de production d'énergie solaire se justifie immédiatement dans les situations où il est très coûteux de transporter des combustibles (fossiles), de procéder à un raccordement au réseau électrique, comme pour des appareils isolés (balises marines, horodateurs) ou dans des zones isolées ou peu peuplées.

Acteurs majeurs

La production mondiale de panneaux photovoltaïques est principalement répartie entre la Chine, l'Allemagne et les États Unis. De grandes marques comme l’entreprise américaine First Solar, ou l’entreprise espagnole Abengoa Solar font en partie produire leurs modules en Asie afin de réduire les coûts. Ces entreprises, du fait de leur taille, peuvent répondre aux appels d’offres des États. Elles réalisent donc des économies d’échelle substantielles et reçoivent souvent des subventions publiques. Des entreprises de plus petite taille prennent en charge l’installation de panneaux photovoltaïques chez les particuliers intéressés.

Pour le solaire purement thermique qui reste un marché essentiellement domestique faiblement technologique, les intervenants sont des sociétés de taille modeste pour la production des constituants et plus encore pour l’installation.

Du fait de sa portée strictement industrielle et de son état précoce, le secteur du solaire thermodynamique n’a permis qu’à quelques grandes entreprises de se développer comme l'entreprise espagnole Cobra, filiale du groupe ACS, et la compagnie allemande Solar millenium toutes deux en charge de la construction des centrales à tour solaire dans le sud de l’Espagne. Les groupes Siemens, Areva et Alstom, via des acquisitions ou prises de participation, sont devenus acteurs de l’énergie solaire thermodynamique.

Dans les trois cas, les aides financières proposées par les États jouent un rôle clé dans le développement des filières. Elles peuvent prendre la forme de subventions directes ou de tarifs de rachat préférentiels.

Unités de mesure et chiffres clés

Joule

L'énergie est mesurée en joules (J) et la puissance est mesurée en watts (W). Un joule égale un watt pendant 1 seconde.

1 kJ = 103 J soit 1000 J
1 MJ= 106 J soit 1000 kJ
1 GJ= 109 J, soit 1000 MJ

L'énergie totale absorbée par la Terre sur une année est de 3 850 zettajoules (1021 joules, ZJ).

La France reçoit près de 200 fois sa consommation annuelle en énergie primaire (267 Mtep en 2011)(1).

Passé et présent

1839 : Antoine Becquerel (1788-1878) découvre le phénomène photovoltaïque et invente la pile photovoltaïque.

1912 : première mise en œuvre d’un capteur cylindro-parabolique inventé par Charles Vernon Boys (1855-1944), un physicien anglais.

1949 : Félix Trombe (1906-1985), un chimiste française, développe les systèmes passifs de chauffage solaire et notamment le "mur Trombe". Il participe également au développement des fours solaires successifs du site d’Odeillo.

1959 : lancement de Vanguard I, le premier satellite fonctionnant à l’énergie photovoltaïque.

Années 70 : les deux chocs pétroliers relancent l’intérêt porté aux énergies solaires.

Années 80 : les développements sont freinés pour des raisons de rentabilité liées notamment aux technologies trop coûteuses.

Années 1990 : un nouvel essor s’amorce.(2)

Années 2000 : les énergies solaires thermique et photovoltaïque se développent rapidement en France. Entre 2007 et 2009, leurs productions énergétiques respectives ont été multipliées par 2 et par 7.

Evolution du parc solaire thermique et photovoltaïque en France dans les années 1990 et 2000 (Source d'après Observ'Er et ERDF, ©DR)

2012 : la puissance photovoltaïque mondiale raccordée aux réseaux dépasse la barre des 100 GW.

Futur

Dans le monde, des projets de centrales électriques voient le jour presque partout. Selon Patrick Jourde et Jean-Claude Muller, chercheurs au Commissariat de l'énergie atomique (CEA) et au CNRS, 5 % de la surface des déserts permettraient de produire toute l'électricité dont a besoin la planète.

L'électricité solaire pourrait représenter jusqu'à 20% à 25% de la production mondiale d'électricité d'ici 2050. Cette constatation émane de deux nouvelles analyses de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) sur le solaire photovoltaïque (PV) et l’énergie solaire à concentration (CSP), lancées à Valence en Espagne en mai 2010 lors de la Conférence plan solaire méditerranéen organisée par la présidence espagnole de l'UE.

Le saviez-vous ?

Les photons, composants de la lumière et donc du processus de transmission de l’énergie solaire, voyagent dans le vide à 299 792 458 mètres par seconde. C’est la vitesse maximale qu’un objet puisse atteindre dans notre univers, selon la physique relativiste. La lumière émise par le Soleil ne met ainsi que 8 minutes pour parcourir les 150 millions de kilomètres qui séparent la Terre du Soleil.