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L’énergie solaire

Dossier - L'énergie sous toutes ses formes
DossierClassé sous :physique , énergie , énergie humaine

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L’énergie baigne notre monde, omniprésente dans notre quotidien et dans le débat public. Sans elle, pas un mouvement, pas de vie. Quelles énergies pour demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défis techniques, quels risques ? Voici quelques éléments de réponse.

  
DossiersL'énergie sous toutes ses formes
 

Le Soleil est notre source d'énergie par excellence. C'est lui qui fournit l'énergie qui rend possible la vie sur Terre. Nous lui devons aussi un héritage bien utile sous la forme de réserves de pétrole, de gaz naturel et de charbon.

Il suffirait de capter une minuscule fraction de l'énergie solaire pour approvisionner en énergie l'humanité tout entière. En l'absence de nuages, quand le soleil et haut dans le ciel, chaque mètre carré reçoit 1 kW, soit l'équivalent d'un chauffage électrique standard.

Pour de nombreuses applications, c'est le flux d'énergie solaire moyen net qui importe. Il prend en compte l'influence des nuages et de la nuit et varie beaucoup au fil des saisons. La moyenne européenne est de 125 W/m2, ce qui est l'équivalent en énergie d'environ 100 litres de pétrole par mètre carré et par an ! Comment capter cette manne d'énergie solaire ?

Irradiation annuelle moyenne en France sur une surface horizontale (données 2004-2010). © GeoModel Solar, 2011

La photosynthèse

La nature a développé un système efficace, qui inclut le stockage : la photosynthèse. Serait-ce une solution viable en termes d'approvisionnement énergétique ? Pour satisfaire la consommation actuelle d'énergie de la France en cultivant des plantes de façon renouvelable, il faudrait mettre en culture la totalité du pays ! Il ne faut donc pas trop attendre des agrocarburants. Le problème de la photosynthèse, c'est son faible rendement : seule une petite partie du flux d'énergie solaire est exploitée (moins de 1 % dans nos pays). Les cellules photovoltaïques sont bien plus efficaces, et elles ne concurrencent pas la production alimentaire.

Capteurs solaires et usage passif

La meilleure façon d'utiliser l'énergie solaire est aussi la plus simple : mettre à profit directement la chaleur du soleil. Une fenêtre retient presque 80 % du flux de chaleur incident. Le principe des capteurs solaires thermiques est simple : une plaque noire à température ambiante absorbe presque tout le rayonnement solaire. Si on les utilise pour chauffer de l'eau, ils peuvent tirer parti du flux solaire intense durant les mois d'été. Pour le chauffage, il faut leur associer un stockage sur le long terme. C'est envisageable dans le cas de grandes unités d'habitation, comme un lotissement ou un immeuble de bureaux. Une unité d'appoint s'impose, alimentée par exemple au gaz naturel.

Des systèmes de stockage chimique sont en cours de développement. Ils ne présentent pas de pertes thermiques d'une saison sur l'autre.

Les cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques convertissent directement le rayonnement solaire incident en électricité. Le rendement des cellules actuelles (à base de silicium) atteint 25 % en laboratoire et 14 à 20 % pour les modèles commerciaux. Pour améliorer le rendement, on peut combiner différents matériaux dont la sensibilité à la couleur est différente : la lumière transmise par une couche pourra être absorbée par la suivante. On parle de cellules multijonctions. Un rendement record de 44,7 % a été atteint en 2013 par une équipe de recherche franco-allemande comprenant le CEA, avec une nouvelle structure de cellule solaire à quatre jonctions. De nombreux autres développements sont en cours.

Les cellules solaires sont bien plus efficaces que la photosynthèse, mais de grandes surfaces restent nécessaires pour une production substantielle d'électricité. Pour produire l'équivalent d'une centrale conventionnelle (1.000 MW), il faudrait en France une surface nette de 53 km2 de cellules solaires avec un rendement (optimiste) de 15 % !

Première tour solaire commerciale d'Europe (2007) située près de Séville, en Espagne. La poussière de l'air rend ici la lumière convergente visible. © Afloresm, cc by 2.0

Concentrer la puissance solaire

Dans les régions les plus ensoleillées de la planète, l'énergie solaire thermodynamique par concentration est une bonne alternative aux panneaux photovoltaïques. Plusieurs centrales pilotes produisant de l'électricité ont déjà été construites aux États-Unis et en Espagne, par exemple. Leur rendement va de 15 à 30 %.

Le four solaire d’Odeillo, dans les Pyrénées-Orientales, de 54 mètres de haut et 48 m de large comprenant 63 héliostats, est un four fonctionnant à l’énergie solaire, mis en service en 1970. © Ian macm, cc by sa 3.0