Dossier: Énergie solaire (exploitation)
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 ainsi 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 :
- le
solaire photovoltaïque qui transforme directement le rayonnement
solaire en électricité ;
- le
solaire thermique qui transforme directement le rayonnement en
chaleur. Le solaire dit « thermodynamique » est
une variante du solaire thermique. Cette technique se différencie en cela
qu’elle utilise l’énergie thermique du soleil afin de la transformer dans
un second temps en électricité.
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 : ici la « GHI »
ou « Global Horizontal Irradiation »(1) (source
: Global Solar Atlas, Banque mondiale)
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 : rafraîchissement 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 (dit « caloporteur ») qui la transporte vers
un réservoir de stockage de chaleur.
L’énergie
solaire thermodynamique (CSP)
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 (PV)
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.
Bien
que comptant encore pour une très faible part de la production mondiale
d'électricité (environ 2% en 2017 selon l'AIE(2)),
le solaire photovoltaïque se voit promettre un grand avenir grâce aux progrès
attendus, à la baisse des coûts, à sa simplicité et à sa polyvalence. 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’électricité 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
renouvelable et potentiellement inépuisable à l'échelle humaine. L’enjeu est de
taille dans le contexte de dérèglement climatique et de fortes
variations des cours des ressources fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole).
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.
Accroître
la rentabilité et le rendement
L’investissement
initial dans une centrale solaire est toujours important mais, une fois
l’installation amortie, ses frais de fonctionnement sont faibles. 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 désormais essentiellement
concentrée en Chine, pays qui compte les principaux fabricants en 2019
(Jinko Solar, JA Solar, Trina Solar, etc.)(3).
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. La filière s'est historiquement déployée en Espagne mais
l’essentiel du développement actuel de ces centrales se situe désormais « dans
des pays où les conditions d’ensoleillement sont très propices, tels que la
Chine, l’Inde, l’Australie, l’Afrique du sud, les Pays du golfe ou du Maghreb »,
rappelle EurObserv’ER dans son baromètre de juillet 2019 consacré à la filière.
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 1 000 J.
1 MJ = 106 J soit 1 000 kJ.
1 GJ = 109 J, soit 1 000 MJ.
1 MJ = 106 J soit 1 000 kJ.
1 GJ = 109 J, soit 1 000 MJ.
L'énergie
solaire totale absorbée chaque année par l'atmosphère terrestre, les océans et
les terres avoisinerait 3 850 zettajoules (1 ZJ = 1021J)(4).
Pour
rappel, la
consommation mondiale d’énergie primaire a atteint 14 301 Mtep en 2018
selon le rapport annuel « Global Energy and CO2 Status » de
l’AIE, soit environ 600 exajoules (1 EJ = 1018 J).
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 français, 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.
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.
2012 :
la puissance photovoltaïque mondiale raccordée aux réseaux dépasse la barre des
100 GW.
À
fin 2017 : les capacités photovoltaïques
mondiales avoisineraient 400 GW électriques selon l'AIE. Les capacités solaires
thermiques déployées dans le monde atteindraient quant à elles 472 GW
thermiques(5).
Avec
19 269 490 m2 de capteurs solaires thermiques à fin
2018 (et 573 500 m2 installés en 2018), l'Allemagne est de
loin le pays où la filière s'est le plus développée dans l'Union européenne.
(©Connaissance des Énergies, d'après EurObserv'ER)
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
d'origine solaire (solaire photovoltaïque et thermodynamique
confondus) pourrait représenter jusqu'à 20% à 25% de la production mondiale
d'électricité d'ici 2050, estimait l'AIE en mai 2010 lors de la Conférence plan
solaire méditerranéen organisée par la présidence espagnole de l'UE.
Sources
/ Notes
- « Le
rayonnement global (GHI) s’obtient en ajoutant trois types de rayonnement
: le rayonnement direct, le rayonnement diffus et le rayonnement
réfléchi », définition EDF ENR.
- Selon
l'AIE, le parc solaire photovoltaïque mondial a produit plus de 460 TWh en
2017.
- « What are the top solar panel companies &
manufacturers in 2019 ? », energysage.
- « Solar Lighting Systems Module Students Guidebook »,
Ministère indien en charge de l'énergie.
- Données
de l'AIE sur l'énergie solaire.
Ademe,
CEA, Ines.
Thanks for your input.
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