L’énergie solaire

L’énergie solaire est une énergie renouvelable, obtenue par l’utilisation du rayonnement électromagnétique du Soleil. Le rayonnement solaire qui atteint la Terre a été utilisé par l’homme depuis l’antiquité, à travers différentes technologies qui ont évolué. Aujourd’hui, la chaleur et la lumière du soleil peuvent être captées par différents capteurs tels que des cellules photoélectriques, des héliostats ou des capteurs solaires, qui peuvent être transformés en énergie électrique ou thermique. C’est l’une des énergies dites renouvelables ou énergies propres, qui pourrait aider à résoudre certains des problèmes les plus urgents auxquels l’humanité est confrontée.

L’énergie solaire, une ressource inépuisable

Les différentes technologies solaires peuvent être classées comme passives ou actives en fonction de la manière dont elles captent, convertissent et distribuent l’énergie solaire. Les technologies actives comprennent l’utilisation de panneaux photovoltaïques et de capteurs solaires thermiques pour capter l’énergie. Parmi les techniques passives, il existe différentes techniques encadrées dans l’architecture bioclimatique : l’orientation des bâtiments vers le Soleil, la sélection de matériaux ayant une masse thermique favorable ou ayant des propriétés de dispersion de la lumière, ainsi que l’aménagement des espaces par ventilation naturelle.

L’Agence internationale de l’énergie a déclaré que le développement de technologies solaires propres, bon marché et inépuisables sera d’un énorme bénéfice à long terme. Elle renforcera la sécurité énergétique des pays grâce à l’utilisation d’une source d’énergie locale inépuisable et, plus important encore, indépendamment des importations, elle augmentera la durabilité, réduira la pollution, abaissera le coût de l’atténuation des changements climatiques et empêchera la hausse excessive des prix des combustibles fossiles. Ces avantages sont mondiaux. De cette façon, les coûts de leur incitation et de leur développement doivent être considérés comme des investissements, ils doivent être correctement et largement diffusés.

La source d’énergie solaire la plus développée aujourd’hui est l’énergie solaire photovoltaïque. Selon plusieurs rapports, l’énergie solaire photovoltaïque pourrait fournir de l’électricité aux deux tiers de la population mondiale d’ici 2030.

Grâce aux progrès technologiques, à la sophistication et aux économies d’échelle, le coût de l’énergie solaire photovoltaïque n’a cessé de baisser depuis la fabrication des premières cellules solaires commerciales, ce qui a permis d’accroître l’efficacité énergétique, et son coût moyen de production d’électricité est déjà concurrentiel par rapport aux énergies non renouvelables dans un nombre croissant de régions géographiques, atteignant la parité du réseau.45 Les autres technologies solaires, comme le thermoélectricité, permettent de réduire considérablement leurs coûts, également.

L’énergie solaire met à profit la nature

La Terre reçoit 174 petawatts de rayonnement solaire entrant de la couche la plus élevée de l’atmosphère. Environ 30 % retournent dans l’espace, tandis que les nuages, les océans et les masses terrestres absorbent le reste. Le spectre électromagnétique de la lumière solaire à la surface de la Terre est principalement occupé par la lumière visible et les rayons infrarouges avec une faible part de rayonnement ultraviolet.

La puissance du rayonnement varie en fonction de l’heure du jour, des conditions atmosphériques qui l’amortissent et de la latitude. Dans des conditions de rayonnement acceptables, la puissance est équivalente à environ 1000 W/m² à la surface de la Terre. Cette puissance est appelée irradiance. Il est à noter qu’à l’échelle mondiale, la quasi-totalité du rayonnement reçu est réémise dans l’espace. Cependant, il existe une différence notable entre le rayonnement reçu et celui émis.

Le rayonnement est utilisable dans ses composantes directe et diffuse, ou dans la somme des deux. Le rayonnement direct est celui qui arrive directement du foyer solaire, sans réflexions ou réfractions intermédiaires. La voûte céleste diurne émet un rayonnement diffus dû aux multiples phénomènes de réflexion et de réfraction solaire dans l’atmosphère, dans les nuages et le reste des éléments atmosphériques et terrestres. Le rayonnement direct peut être réfléchi et concentré pour être utilisé, alors qu’il n’est pas possible de concentrer la lumière diffuse provenant de toutes les directions.
L’éclairement énergétique direct normal (ou perpendiculaire aux rayons du soleil) en dehors de l’atmosphère est appelé constante solaire et a une valeur moyenne de 1366 W/m² (correspondant à une valeur périhélie maximale de 1395 W/m² et une valeur minimale de 1308 W/m²).

Le rayonnement absorbé par les océans, les nuages, l’air et les masses terrestres augmente leur température. L’air chaud est celui qui contient de l’eau évaporée provenant des océans, mais aussi d’une partie des continents, ce qui provoque la circulation atmosphérique ou convection. Lorsque l’air monte vers les couches supérieures, où la température est basse, sa température diminue jusqu’à ce que la vapeur d’eau se condense et forme des nuages. La chaleur latente de la condensation de l’eau amplifie la convection, produisant des phénomènes tels que le vent, les grains et les anticyclones. L’énergie solaire absorbée par les océans et les masses terrestres maintient la surface à 14 °C. Pour la photosynthèse des plantes vertes, l’énergie solaire est convertie en énergie chimique, qui produit de la nourriture, du bois et de la biomasse, dont dérivent également les combustibles fossiles.

On estime que l’énergie totale absorbée par l’atmosphère, les océans et les continents peut atteindre 3 850 000 exajoules par an. Cette énergie en une heure est équivalente à la consommation énergétique mondiale pendant un an. La photosynthèse capte environ 3000 EJ par an dans la biomasse, ce qui représente seulement 0,08 % de l’énergie reçue par la Terre. La quantité d’énergie solaire reçue annuellement est si importante qu’elle est environ deux fois plus importante que toute l’énergie jamais produite par d’autres sources d’énergie non renouvelables comme le pétrole, le charbon, l’uranium et le gaz naturel.

Les débuts de la technologie solaire

Le développement précoce des technologies solaires, à partir des années 1860, était motivé par l’espoir que le charbon serait bientôt rare. Cependant, le développement de l’énergie solaire a stagné au début du XXe siècle en raison de la disponibilité croissante et des économies d’échelle des sources non renouvelables comme le charbon et le pétrole. En 1974, on estimait que seulement six maisons privées en Amérique du Nord étaient alimentées par des systèmes solaires. Cependant, la crise pétrolière de 1973 et la crise de 1979 ont entraîné un changement majeur de la politique énergétique dans le monde et ont remis à l’honneur les technologies solaires émergentes. Les premières stratégies de développement ont été élaborées, axées sur des programmes incitatifs comme le FPUP aux États-Unis et le Sunshine Program au Japon. D’autres efforts ont été déployés, comme la création d’organismes de recherche aux États-Unis, au Japon et en Allemagne. Entre 1970 et 1983, les installations photovoltaïques ont connu une croissance rapide, mais la chute des prix du pétrole dans les années 1980 a modéré la croissance de l’énergie solaire entre 1984 et 1996.

L’évolution au fil du temps

Au milieu des années 1990, le développement du photovoltaïque sur toiture, tant résidentiel que commercial, ainsi que des centrales raccordées au réseau, a commencé à s’accélérer en raison des préoccupations croissantes concernant l’approvisionnement en pétrole et en gaz naturel, le Protocole de Kyoto et les changements climatiques, ainsi que de la compétitivité accrue des coûts du photovoltaïque par rapport aux autres sources d’énergie. En ce début de XXIe siècle, l’adoption de mécanismes de subvention et de politiques de soutien aux énergies renouvelables, qui leur donnaient la priorité d’accès au réseau, a accru de manière exponentielle le développement de l’énergie photovoltaïque, d’abord en Europe, puis dans le reste du monde. L’énergie solaire thermoélectrique (CSP), bien qu’elle ait également progressé au cours des dernières décennies, ne représente encore qu’une petite fraction de la contribution mondiale de l’énergie solaire à l’approvisionnement énergétique.

L’énergie solaire passive

La technologie solaire passive est l’ensemble des techniques visant à exploiter directement l’énergie solaire, sans la transformer en un autre type d’énergie, pour une utilisation ou un stockage immédiat sans qu’il soit nécessaire de recourir à des systèmes mécaniques ou à une alimentation externe en énergie, bien qu’elle puisse être complétée par eux, par exemple pour la régulation.
La technologie solaire passive comprend des systèmes à gain direct et indirect pour le chauffage des locaux, des systèmes de chauffage de l’eau à base de thermosiphon, l’utilisation de masse thermique et de matériaux à changement de phase pour atténuer les oscillations de la température de l’air, des fours solaires, des cheminées solaires pour améliorer la ventilation naturelle et la protection même du sol.
L’architecture bioclimatique est l’application de ce principe à la conception des bâtiments. L’énergie n’est pas utilisée au moyen de collecteurs industrialisés, mais les éléments du bâtiment absorbent eux-mêmes l’énergie pendant la journée et la redistribuent la nuit.

Énergie solaire thermique

L’énergie solaire thermique est l’utilisation de l’énergie solaire pour produire de la chaleur qui peut être utilisée pour la cuisson des aliments ou pour la production d’eau chaude pour la consommation d’eau domestique, soit pour la production d’eau chaude sanitaire, soit pour le chauffage ou pour la production d’énergie mécanique et, par conséquent, d’énergie électrique. De plus, il peut être utilisé pour alimenter une machine frigorifique à absorption, qui utilise la chaleur au lieu de l’électricité pour produire du froid, qui peut être utilisé pour climatiser l’air dans les locaux.
Les capteurs solaires thermiques sont classés en capteurs basse, moyenne et haute température :

• Capteurs à basse température : ils fournissent de la chaleur utile à des températures inférieures à 65 °C au moyen d’absorbeurs métalliques ou non métalliques pour des applications telles que le chauffage de piscines, le chauffage domestique des eaux de baignade et, en général, pour toutes les activités industrielles dans lesquelles la chaleur industrielle ne dépasse pas 60 °C, par exemple la pasteurisation, le lavage textile, etc.
• Capteurs de température du fluide : ce sont les appareils qui concentrent le rayonnement solaire pour fournir de la chaleur utile à une température plus élevée, généralement entre 100 et 300 °C. Cette catégorie comprend les concentrateurs stationnaires et les augets paraboliques, qui effectuent tous la concentration au moyen de miroirs dirigés vers un récepteur plus petit. Ils ont l’inconvénient de ne travailler qu’avec la composante directe du rayonnement solaire, de sorte que leur utilisation est limitée aux zones à fort ensoleillement.
• Capteurs haute température : ils ont été inventés par Frank Shuman et existent aujourd’hui en trois types différents : les collecteurs paraboliques, la nouvelle génération d’auge parabolique et les systèmes à tour centrale. Ils fonctionnent à des températures supérieures à 500 °C et sont utilisés pour produire de l’électricité et la transmettre au réseau électrique. Dans certains pays, ces systèmes sont exploités par des producteurs indépendants et sont installés dans des régions où les possibilités de jours nuageux sont rares ou éloignées.

Énergie solaire thermique à basse température

Un système solaire thermique à basse température se compose de capteurs solaires, d’un circuit primaire et secondaire, d’un échangeur de chaleur, d’un réservoir de stockage, d’un vase d’expansion et de tuyauteries. Si le système fonctionne au thermosiphon, la différence de densité due au changement de température déplacera le fluide. Si l’installation est forcée, il est également nécessaire d’équiper l’installation d’une pompe de circulation et d’un système de commande.

Les capteurs solaires sont les éléments qui captent le rayonnement solaire et le convertissent en énergie thermique, en chaleur. Comme les capteurs solaires sont connus sous le nom de capteurs plats, à tube sous vide et à absorbeur sans protection ni isolation. Les collecteurs de plans (ou collecteurs plats) avec couvercle en verre sont les plus courants dans la production d’eau chaude sanitaire. Le verre laisse passer les rayons du soleil, ces tubes métalliques qui transmettent la chaleur au liquide à l’intérieur. Les tubes sont de couleur foncée, car les surfaces foncées chauffent davantage.

Le verre qui recouvre le capteur protège non seulement l’installation mais permet également de conserver la chaleur, produisant un effet de serre qui améliore les performances du capteur.
Ils se composent d’un boîtier fermé en aluminium résistant aux environnements marins, d’un cadre en aluminium, d’un joint périphérique sans silicone, d’une isolation thermique (normalement en laine de roche), d’un couvercle en verre solaire hautement transparent et enfin de tubes soudés qui conduisent le fluide caloporteur vers l’intérieur et l’extérieur du capteur.

Les capteurs solaires se composent de plusieurs éléments

• La couverture : Elle est transparente, qu’elle soit présente ou non. Généralement il est fait de verre bien qu’il soit aussi utilisé de plastique puisqu’il est moins cher et moins maniable, mais il doit être un plastique spécial. Sa fonction est de minimiser les pertes par convection et rayonnement et doit donc avoir un facteur de transmission solaire aussi élevé que possible.
• Le canal d’air : Un espace (vide ou non) qui sépare le couvercle de la plaque absorbante. Son épaisseur sera calculée en tenant compte des pertes par convection et des hautes températures qui peuvent survenir si elle est trop étroite.
• La plaque absorbante : La plaque absorbante est l’élément qui absorbe l’énergie solaire et la transmet au liquide qui circule dans les tuyaux. La caractéristique principale de la plaque est qu’elle doit avoir une absorption solaire élevée et une émission thermique réduite. Comme les matériaux courants ne répondent pas à cette exigence, des matériaux combinés sont utilisés pour obtenir le meilleur rapport absorption/émission.
• Tubes ou conduits : Les tubes sont en contact (parfois soudés) avec la plaque de l’absorbeur afin que l’échange d’énergie soit le plus grand possible. A travers les tubes circule le liquide qui sera chauffé et qui ira dans le réservoir d’accumulation.
• Couche isolante : Le but de la couche isolante est de couvrir le système pour éviter et minimiser les pertes. Pour que l’isolation soit optimale, le matériau isolant doit avoir une faible conductivité thermique.

Énergie solaire thermique à haute température

Les températures inférieures à 95 degrés Celsius sont suffisantes pour le chauffage des locaux, auquel cas on utilise généralement des capteurs plats de type non concentrateur. En raison des pertes de chaleur relativement élevées à travers le verre, les capteurs plats n’atteignent pas plus de 200 °C, même lorsque le fluide de transfert est stagnant. De telles températures sont trop basses pour être utilisées dans une conversion efficace en électricité.

Le rendement des moteurs thermiques augmente avec la température de la source de chaleur. Pour y parvenir dans les centrales thermiques, le rayonnement solaire est concentré à travers des miroirs ou des lentilles pour atteindre des températures élevées grâce à une technologie appelée énergie solaire concentrée. L’effet pratique d’une plus grande efficacité énergétique est de réduire la taille des collecteurs et l’utilisation du sol par unité d’énergie produite, réduisant ainsi l’impact environnemental d’une centrale électrique ainsi que son coût.

Au fur et à mesure que la température augmente, différentes formes de conversion deviennent pratiques. Jusqu’à 600°C, les turbines à vapeur de technologie standard ont un rendement allant jusqu’à 41%. Au-delà de 600°C, les turbines à gaz peuvent être plus efficaces. Des températures plus élevées sont problématiques et différents matériaux et techniques sont nécessaires. Pour les très hautes températures, il est proposé d’utiliser des sels de fluorure liquide fonctionnant à des températures comprises entre 700 °C et 800 °C, qui utilisent des systèmes de turbines à plusieurs étages pour atteindre des rendements thermiques de 50 % ou plus. Des températures de fonctionnement plus élevées permettent à l’usine d’utiliser des échangeurs de chaleur secs à haute température pour son échappement thermique, ce qui réduit l’utilisation de l’eau de l’usine, ce qui est essentiel pour que les centrales électriques du désert soient pratiques. Les températures élevées rendent également le stockage de la chaleur plus efficace, car plus de wattheures sont stockés par unité de fluide.

Puisqu’une centrale solaire à concentration produit de la chaleur pour la première fois, elle peut stocker cette chaleur avant de la convertir en électricité. Avec la technologie d’aujourd’hui, le stockage de la chaleur est beaucoup moins cher que le stockage de l’électricité. Ainsi, une telle centrale peut produire de l’électricité de jour comme de nuit. Si l’emplacement de la centrale présente un rayonnement solaire prévisible, alors la centrale devient une centrale électrique fiable.
Le stockage de la chaleur permet aux centrales solaires thermiques de produire de l’électricité pendant les heures d’ensoleillement diurne sans lumière solaire ou la nuit. Cela permet l’utilisation de l’énergie solaire pour la production de la charge de base ainsi que pour la production de pointe, avec la possibilité de remplacer les centrales à combustibles fossiles. De plus, l’utilisation d’accumulateurs réduit le coût de l’électricité produite par ce type de centrales solaires.
La chaleur est transférée à un milieu de stockage thermique dans un réservoir isolé pendant la journée et récupérée pour la production d’électricité la nuit. Les milieux de stockage thermique comprennent la vapeur sous pression, le béton, divers matériaux à changement de phase et les sels fondus comme le nitrate de calcium, de sodium et de potassium.

Les panneaux photovoltaïques

Un panneau photovoltaïque consiste en une association de cellules, encapsulées dans deux couches d’EVA (éthylène-acétate de vinyle), entre une feuille de verre avant et une couche arrière d’un polymère thermoplastique. Cet ensemble est encadré dans une structure en aluminium dans le but d’augmenter la résistance mécanique de l’ensemble et de faciliter l’ancrage du module aux structures de support.

• Les cellules les plus couramment utilisées dans les panneaux photovoltaïques sont le silicium et peuvent être divisées en trois sous-catégories :
• Les cellules de silicium monocristallin sont constituées d’un monocristal de silicium, normalement fabriqué selon le procédé Czochralski. Ce type de cellule a une couleur bleu foncé uniforme.
• Les cellules en silicium polycristallin (aussi appelées polycristallines) sont constituées d’un ensemble de cristaux de silicium, ce qui explique pourquoi leur performance est légèrement inférieure à celle des cellules monocristallines. Ils se caractérisent par une couleur bleue plus intense.
• Cellules de silicium amorphe. Elles sont moins efficaces que les cellules en silicium cristallin mais aussi moins chères. Ce type de cellule est, par exemple, utilisé dans des applications solaires comme les horloges ou les calculatrices.

Les différences de rendement

Le paramètre standardisé pour classer la puissance d’un panneau photovoltaïque est appelé puissance crête, et correspond à la puissance maximale que le module peut fournir dans des conditions standardisées, qui sont :

• Les rendements typiques d’une cellule photovoltaïque au silicium polycristallin vont de 14 à 20 %. Pour les cellules en silicium monocristallin, les valeurs vont de 15 à 21 %.3637 Les valeurs les plus élevées sont atteintes avec les capteurs solaires thermiques à basse température (qui peuvent atteindre 70 % d’efficacité dans le transfert de l’énergie solaire vers le thermique).
• Les panneaux solaires photovoltaïques ne produisent pas de chaleur réutilisable, bien qu’il existe des lignes de recherche sur les panneaux hybrides qui permettent la production simultanée d’électricité et d’énergie thermique. Cependant, ils sont très appropriés pour les projets d’électrification rurale dans les zones qui n’ont pas de réseaux électriques, les installations simples sur les toits et l’autoconsommation photovoltaïque.

Développement de l’énergie solaire photovoltaïque dans le monde

En raison de la demande croissante d’énergies renouvelables, la fabrication de cellules solaires et d’installations photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années. L’énergie solaire photovoltaïque était traditionnellement utilisée depuis sa popularisation à la fin des années 1970 pour alimenter des appareils autonomes, pour alimenter des abris ou des maisons isolés du réseau électrique, mais surtout, de plus en plus ces dernières années, pour produire de l’électricité à grande échelle par des réseaux de distribution, soit par injection dans le réseau soit pour la consommation domestique.

L’Allemagne est, avec le Japon, la Chine et les États-Unis, l’un des pays où le photovoltaïque connaît la croissance la plus rapide. Fin 2015, environ 230 GW d’énergie photovoltaïque avaient été installés dans le monde, faisant du photovoltaïque la troisième source d’énergie renouvelable en termes de puissance installée, après l’hydroélectricité et l’énergie éolienne, et représentant déjà une part importante du mix électrique dans l’Union européenne, couvrant en moyenne 3,5% de la demande électrique et atteignant 7% en période de forte production.

La puissance installée considérable en Allemagne (38 GW en 2014) a établi plusieurs records ces dernières années. En juin 2014, elle a produit jusqu’à 50,6 % de toute la demande d’électricité du pays en une seule journée, atteignant une puissance instantanée supérieure à 24 GW, ce qui équivaut à la production de près de 25 centrales nucléaires fonctionnant à pleine capacité.

Vers l’autoconsommation énergétique grâce à l’utilisation des panneaux photovoltaïques

L’autoconsommation photovoltaïque consiste en la production individuelle à petite échelle d’électricité pour sa propre consommation, au moyen d’équipements électriques renouvelables (panneaux solaires photovoltaïques, éolienne), dont certains sont auto-installables. Elle peut être complétée par le solde net dans les installations autonomes ou faciliter l’indépendance énergétique.

Le solde net permet de verser l’excédent produit par un système d’autoconsommation dans le réseau électrique afin de pouvoir utiliser cet excédent à un autre moment. De cette façon, la compagnie d’électricité qui fournit de l’électricité lorsque la demande est supérieure à la production du système d’autoconsommation, déduira de la consommation du réseau de la facture, les excès qui y sont versés.
Ces dernières années, en raison de l’essor croissant des petites installations d’énergie renouvelable, l’autoconsommation avec un solde net a commencé à être réglementée dans divers pays du monde, avec une réalité dans des pays comme l’Allemagne, l’Italie, le Danemark, le Japon, l’Australie, les États-Unis, le Canada et le Mexique, entre autres, en partie grâce à la baisse constante du coût des modules photovoltaïques.

Le prix des modules solaires a été réduit de 80% en 5 ans, plaçant pour la première fois l’énergie solaire dans une position concurrentielle avec le prix de l’électricité payé par le consommateur dans un certain nombre de pays ensoleillés. Le coût moyen de production d’électricité à partir de l’énergie solaire photovoltaïque est déjà compétitif par rapport à celui des sources d’énergie conventionnelles dans un nombre croissant de pays, surtout si l’on considère le moment de la production de cette énergie, l’électricité étant généralement plus chère pendant la journée. La concurrence a été féroce dans la chaîne de production et l’on s’attend à de nouvelles baisses du coût de l’énergie photovoltaïque dans les années à venir, ce qui constitue une menace croissante pour la domination des sources d’énergie fossiles.