Energie solaire

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Energie solaire

L’énergie solaire, une énergie à portée de la main

Un diamètre d’un million et demi de kilomètres, près de 5 000°C de température en surface et quelques millions en son centre... Autant dire que le soleil est une sphère qui dégage une énorme quantité d’énergie, dont seule une partie parvient sur terre en raison de la distance (150 millions de km). Mais cette partie reste encore 10 000 fois supérieure à la consommation mondiale d’énergie. On voit immédiatement l’intérêt qu’il y aurait à la récupérer.

L’énergie solaire fait partie de ces énergies renouvelables et propres qui pourraient devenir une alternative aux sources combustibles fossiles (charbon, pétrole), dont les réserves sont limitées et qui sont polluantes. De plus, le rayonnement solaire est disponible partout sur la planète, bien qu’il ne soit pas uniforme sur notre planète et favorise plutôt les régions proches de l’Equateur.

Malgré ces nombreux avantages, les tentatives humaines pour parvenir à une utilisation efficace de l’énergie solaire se sont heurtées à de nombreuses difficultés.

Petit historique

Dès le XVIIIe siècle, Lavoisier conçut un four solaire qui lui permit d’atteindre 1 755°C. En 1872, on construisit au Chili un énorme distillateur solaire de 5 000 m2 permettant de produire 20 000 litres d’eau douce par jour. Enfin, en 1878, Mouchot créa une machine solaire à vapeur qui servit à actionner l’imprimerie de l’Exposition Universelle.

Mais ces appareils ne pouvaient pas concurrencer les nouvelles machines fonctionnant grâce aux énergies fossiles. Il fallut attendre près d’un siècle, pour que la conquête spatiale encourage, en 1954, l’apparition aux États Unis des premières cellules photoélectriques (ou photovoltaïques) pour l’alimentation des satellites. C’est ensuite la crise du pétrole qui relança les recherches menées notamment par le CNRS et qui permirent la réalisation en France de la première centrale solaire, en 1976. 

L’utilisation de la chaleur du rayonnement solaire

Les premières tentatives d’utilisation de l’énergie solaire utilisaient l'interaction rayonnement-matière, c'est-à-dire l'échauffement d'un corps noir au soleil. C’est le cas de plusieurs systèmes, comme les chauffe-eau domestiques et surtout les fours solaires.

Le solaire dans l’habitat

Certaines maisons tirent profit du soleil simplement de par leur forme, largement ouverte au sud, fermée au nord (climatisation et architecture bioclimatiques).
Mais la principale utilisation thermique repose sur l’effet de serre. Celui-ci repose sur la particularité qu’a le verre de laisser passer la lumière mais beaucoup moins la chaleur. Ce phénomène est très connu des agriculteurs, qui s’en servent pour cultiver des plantes sous serre dans des zones qui seraient sinon trop froides. Le même phénomène a été utilisé pour créer des chauffe-eau solaires. On en compte des centaines de milliers en Australie et en Israël, et même deux millions au Japon. Leur nombre reste encore marginal en France, mais EDF, en collaboration avec l’Ademe (Agence pour le développement et la maîtrise de l'énergie) a lancé une campagne de sensibilisation en 1996 aux Antilles et à La Réunion. 9 000 chauffe-eau solaires ont été vendus depuis, mais 20 000 pourraient être installés dans les DOM et la Corse. Ils permettraient d’économiser 10 000 tonnes de pétrole par an et réduiraient de 30 000 tonnes les émissions de gaz carbonique.

Les centrales solaires

Les premières centrales ont été appelées thermo-hélioélectriques. Le rayonnement solaire, qu’elles concentrent pour chauffer à très haute température un liquide particulier non vaporisable, chauffe à son tour de l’eau qui alimente une chaudière à vapeur, elle-même reliée à une turbine et à un générateur pour produire de l’électricité.

Pour obtenir une chaleur suffisante, il faut concentrer le rayonnement. C’est pourquoi on utilise des batteries de miroirs focalisants (appelés héliostats), orientables pour suivre la course du soleil. Ils concentrent les rayons solaires sur une chaudière, placée au sommet d’une tour. Dans la première expérience française, menée par les CNRS en collaboration avec EDF, pour le four d'Odeillo dans les Pyrénées, les chercheurs ont choisi d’utiliser la technique dite de “double réflexion” : les héliostats dirigent le rayonnement vers un grand miroir parabolique intermédiaire, qui le renvoie à son tour vers son foyer. Ce processus permet une meilleure concentration du rayonnement mais occasionne des pertes d’énergie. D’autre part, le grand miroir concave est très coûteux. C’est pourquoi Thémis, première centrale électrique réellement opérationnelle, mise en servie en 1976, n’utilise qu’une seule série de miroirs (350 de 50 m2 chacun) qui renvoient directement les rayons vers la chaudière.

Cependant, il existe un grand nombre de difficultés techniques. La principale est celle des pertes de chaleur, au niveau du liquide de la chaudière et de toutes les étapes ultérieures jusqu’à la turbine. Plus le liquide de la chaudière est chaud, plus les pertes sont élevées, mais en deçà d’une certaine température, la chaudière n’est plus assez efficace. Le deuxième problème est qu’il n’est pas possible d’augmenter indéfiniment le nombre de miroirs, et donc l’énergie disponible pour la chaudière. En effet, si les héliostats sont trop éloignés, le rayonnement est plus difficilement focalisable et le moindre mouvement du miroir le dévie de sa cible. Ils n’apportent alors quasiment plus d’énergie à la chaudière et deviennent donc inutiles. Cette technique thermoélectrique n’a donc pas réussi à devenir rentable. Et si Thémis a produit pendant près de 10 ans 2 GWh, elle a été convertie depuis 1986 en un centre d’études.

L’électricité photovoltaïque adaptée aux petites applications

L’essentiel des recherches se concentre désormais au niveau de la production directe d’électricité solaire. La production d’électricité se fait à partir de cellules dites photoélectriques, ou photovoltaïques ou encore photopiles. Elles sont réalisées à partir d’un semi-conducteur, en général en silicium. Quand des électrons de la photopile reçoivent de la lumière, celle-ci leur transmet de l’énergie. Les électrons excités peuvent utiliser cette énergie pour se déplacer et créer ainsi un mouvement de charges et donc de l’électricité.

Cependant, il arrive que des électrons gaspillent cette énergie soit en chaleur soit sous forme de petits mouvements inutilisables par la photopile. L’énergie électrique récupérée est comprise, suivant la technologie utilisée, entre 10 et 15 % pour les matériels commercialisés.

Un grand nombre de cellules sont généralement regroupées en modules et associées à des batteries pour stocker l’énergie et pouvoir la restituer au moment souhaité.

En effet, un problème essentiel est que le rayonnement solaire n’est disponible que le jour tandis que l’utilisation d’électricité a principalement lieu la nuit. On ajoute généralement au dispositif un régulateur de charge/décharge qui protège la batterie contre les surcharges et les décharges complètes, et éventuellement un onduleur pour obtenir du courant alternatif. Ensemble, ces éléments forment un générateur photovoltaïque. Cependant, les cellules photovoltaïques restent encore imparfaites. Leur rendement par m2 reste trop faible, et cela à des coûts élevés. Un autre problème important est qu’on n’obtient généralement qu’une puissance très modeste, délivrée alors en courant continu. Cette technique reste donc réservée à de petites applications séparées d’un réseau électrique comme le matériel embarqué sur les voiliers, ou de petits équipements portatifs comme des calculatrices ou des montres.

L’électrification rurale décentralisée : un enjeu mondial

Dans certains cas, en montagne, ou dans les petites îles, où les frais de câblage se révéleraient trop élevés, l’électricité photovoltaïque peut s’avérer une alternative rentable, mais à laquelle il faut ajouter un groupe électrogène pour les appareils gros consommateurs d’électricité. En France, plus de 600 habitations, bergeries et refuges non raccordés au réseau sont aujourd’hui équipés de panneaux photovoltaïques, ce qui représente 430 kW.

Mais aujourd’hui, où plus de 2 milliards de personnes dans le monde n’ont pas accès à l’électricité, l’électrification est un enjeu de développement majeur. EDF s’est ainsi lancée dans différents programmes dans les pays en développement et a ainsi participé à l’électrification de villages ou de centres multiservices (éclairage, téléphone, télévision,…) au Burkina-Faso. Une expérience qui pourrait être étendue à 500 villages du Sahel. EDF coopère également avec des associations et des institutions à but humanitaire, et installe des équipements photovoltaïques au Bénin, au Viêt-nam et à Cuba. EDF appuie des opérations analogues menées au Viêt-nam, en Chine de l’Ouest, au Sénégal et au Cambodge, tandis que d’autres projets sont étudiés.