Énergie solaire

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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)

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.