Énergie solaire

L'énergie solaire est l'énergie du Soleil par son rayonnement, directement à travers l'atmosphère.

Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse créée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. L'énergie solaire est donc à l'origine de toutes les énergies 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 alimentaire, énergie cinétique, énergie thermique, électricité ou biomasse. Par extension, l'expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l'électricité ou l'énergie thermique obtenue à partir de cette dernière.

Dans l'espace, l'énergie des photons peut être utilisée, par exemple pour propulser une voile solaire.

L'énergie solaire vient de la fusion nucléaire qui se produit au milieu du Soleil. Elle se propage dans le système solaire et dans l'Univers sous la forme d'un rayonnement électromagnétique — de photons.

L'énergie solaire reçue en un point du globe dépend de :

• l'énergie solaire envoyée par le Soleil (fluctuations décennales, saisonnières, et ponctuelles).
• la nébulosité (nuages, brouillards, etc.), qui est importante à l'équateur et plus faible en milieu intertropical.
• la latitude, la saison et l'heure, qui influent sur la hauteur du soleil et donc l'énergie par unité de surface au sol, ainsi que sur la nébulosité en fonction du climat local.

Globalement la terre reçoit en permanence une puissance de 170 millions de gigawatt, dont elle absorbe 122 et réfléchit le reste. L'énergie totale absorbée sur une année est donc 3 850 zettajoules (10 joules, ZJ)  ; par comparaison, la photosynthèse capte 3 ZJ , le vent contient 2,2 ZJ, et l'ensemble des usages humains de l'énergie, 0,5 ZJ dont 0,06 ZJ sous forme d'électricité

Les zones désertiques, où la nébulosité est faible et qui sont situées sous des latitudes proches de l'équateur, sont les plus favorables à l'énergie solaire. Celles qui sont relativement proches de zones de consommation importantes dans les pays développés disposant de la technique sophistiquée requise pour capter l'énergie solaire voient des réalisations de plus en plus importantes, comme le désert des Mojaves (Californie) où se trouve une centrale solaire d'une puissance totale de 354 MW.

Les techniques pour capter directement une partie de cette énergie sont disponibles et sont constamment améliorées. On peut distinguer le solaire passif, le solaire photovoltaïque et le solaire thermique :

Énergie solaire passive

La plus ancienne et certainement la plus importante, quoique discrète, utilisation de l'énergie solaire consiste à bénéficier de l'apport direct du rayonnement solaire, c'est-à-dire l'énergie solaire passive. Pour qu'un bâtiment bénéficie au mieux des rayons du Soleil, on doit tenir compte de l'énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, orienté vers le Sud, surfaces vitrées, etc.). L'isolation thermique joue un rôle important pour optimiser la proportion de l'apport solaire passif dans le chauffage et l'éclairage d'un bâtiment.

Dans une maison solaire passive, l'apport solaire passif permet de faire des économies d'énergie importantes.

Dans les bâtiments dont la conception est dite bioclimatique, l'énergie solaire passive permet aussi de chauffer tout ou partie d'un bâtiment pour un coût proportionnel quasi nul.

Énergie solaire thermique

L'énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire. Ce rayonnement se décline de différentes façons :

• 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 : rafraichissement solaire, centrales solaires thermodynamiques.

Énergie solaire thermodynamique

Le solaire thermodynamique est une technique solaire qui utilise le solaire thermique pour produire de l'électricité, sur le même principe qu'une centrale électrique classique (production de vapeur à haute pression qui est ensuite turbinée), ou éventuellement directement du travail mécanique (le terme solaire mécanique est alors employé).

Énergie solaire photovoltaïque

Le terme photovoltaïque peut désigner le phénomène physique (l'effet photovoltaïque découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839), ou la technique associée.

L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque. Plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque. L'installation solaire peut alimenter un besoin sur place (en association avec un moyen de stockage) ou être injectée, après transformation en courant alternatif, dans un réseau de distribution électrique (le stockage n'étant alors pas nécessaire).

Plus médiatique et plus prometteuse qu'actuelle, cette forme d'énergie reste aujourd'hui quantitativement négligeable ; on lui prédit néanmoins un grand avenir grâce au progrès qu'on en attend (le coût en devrait fortement baisser dans les années à venir), à sa simplicité et sa polyvalence : sans entretien et durable, pouvant fonctionner avec ou sans réseau, elle peut répondre aux besoins en énergie électrique d'une maison (capteurs sur le toit) ou d'une industrie, contrairement aux autres formes d'énergie solaire qui ne produisent que de la chaleur.

Sur le long terme, les prix du charbon, du gaz naturel et du pétrole augmentent avec l'épuisement de la ressource. Le solaire apporte une source inépuisable d'énergie et la commission européenne pour les énergies renouvelables prévoit que l'énergie solaire représentera une part de 20 % dans les énergies renouvelables, celles-ci devant apporter 20 % de l'énergie en 2020 et 50 % en 2040.

Les systèmes de production d'énergie solaire ont un coût proportionnel quasi nul : il n'y a pas de combustible, seulement des frais (entretien, gardiennage,réparation ...) qui dépendent très peu de la production. Il faut cependant tenir compte des coûts d'investissement, beaucoup plus élevés que pour les techniques fossiles ou les autres renouvelables (éolien, hydraulique,...).

L'usage de capteurs thermiques permet de produire de l'eau chaude sanitaire à faible coût. Une fois l'installation réalisée, l'entretien est très peu coûteux et permet de faire des économies substantielles de combustible fossile ou d'électricité.

En revanche, pour la production d'électricité, le coût de l'installation est important (pour le solaire thermodynamique) ou très élevé (pour le photovoltaïque), et ces techniques ne sont pas encore mature pour une généralisation. De nombreux pays ont donc 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).

L'usage de système de production d'énergie solaire se justifie aussi dans les situations où il est très coûteux de transporter des combustibles (fossiles) ou de procéder à un raccordement au réseau électrique, comme pour des appareils isolés (balises marines, horodateurs), ou dans des zones isolées ou peu peuplées. En France, l'électrification de nombreux refuges en montagne et de villages isolés en Guyane a été réalisée par un champ solaire photovoltaïque, parfois couplé à un groupe électrogène d'appoint.

En dépit de sa profusion, et à cause de ses coûts d'investissements trop lourds, l’énergie solaire est aujourd’hui une énergie non compétitive, sauf situations particulières, qui ne se développe que grâce aux aides d'état. Cependant, il serait très imprudent d'attendre sans rien faire les effets du pic de production du pétrole sur le prix (économique et politique) des énergies fossiles, ou ceux des éventuels changements climatiques dus à leur combustion (effet de serre) : le jour où ces phénomènes se manifesteront, il sera trop tard pour réagir. Cela justifie un soutien de la part des états pour cette technique qui a un grand potentiel de réduction de prix, passant notamment par une augmentation de la production.

La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par Becquerel en 1839, mais il faudra attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique. En 1875, Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. En 1913, William Coblentz a posé le premier brevet pour une cellule solaire qui malheureusement ne pourra jamais fonctionner. En 1916, Robert Millikan a été le premier à produire de l'électricité avec une cellule solaire. Pendant les quarante années suivantes, personne ne fit beaucoup de progrès en énergie solaire car les cellules photovoltaïques avaient un trop mauvais rendement pour transformer la lumière du soleil en énergie. Le phénomène reste encore une découverte anecdotique. Au courant de l’année 1954, trois chercheurs américains ( Chapin, Pearson et Prince ) mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement (9 % ) et les laboratoires Bell construisent le premier panneau solaire mais il était trop coûteux pour être produit en série. Ce sont les satellites qui ont réellement fait avancer l'énergie solaire lors la course à l'espace. Le panneau solaire était le seul procédé non-nucléaire d’alimenter des satellites en énergie de plus l'énergie solaire est une source d'énergie constante pour les satellites en orbite. En effet,c’est en 1958 qu’à lieu le premier lancement d’un satellite fonctionnent à l’énergie photovoltaïque. L'industrie spatiale mis donc beaucoup de fonds dans le développement des panneaux solaires. C'était la première utilisation importante de la technologie solaire. Pendant les années 70 et 80, des efforts ont été faits pour réduire les coûts de sorte que l’énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres. L'énergie solaire a eu un second élan au cours de la crise de l'énergie dans les années 1970. Quand le prix du pétrole a augmenté de façon spectaculaire, les panneaux solaires photovoltaïques ont commencé à être utilisé pour la première fois dans les maisons. En effet, en 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware et en 1983, La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 km en Australie. Depuis les panneaux solaires se sont développés lentement. Pendant longtemps, ils ont été considérés comme des sources d'énergies alternatives. L'énergie solaire est de nouveau en pleine essor car on prévoit une pénurie de pétrole prochaine, on se préoccupe du réchauffement de la planète et les prix de l'énergie n'ont jamais été aussi hauts. L'énergie solaire devient une priorité pour de plus en plus de pays. Des centrales solaires sont en cours de construction dans le monde entier. Les entreprises investissent également. Les entreprises d'électricités et les gouvernements ont offert des subventions et des réductions pour encourager les propriétaires à investir dans l'énergie solaire pour leur maison. En effet, en 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001. De nouveaux types de panneaux solaires ont été développés: panneau solaire très fins (4 mm d'épaisseur) et flexibles, des peintures solaires. L'objectif est de réduire très fortement le coût de l'énergie solaire.

Le solaire est-il l'énergie de demain ?

Chargeurs de batteries, ventilateurs, lampes de jardin, pompes hydrauliques... Aujourd'hui, tout ou presque peut fonctionner à l'énergie solaire. On peut désormais emporter dans son sac un GPS équipé d'un chargeur solaire, et des panneaux photovoltaïques apparaissent sur tous les toits. Indispensable à la vie sur Terre, le Soleil peut nous rendre de nombreux autres services : chauffer nos habitations, alimenter en énergie les lieux les plus reculés.

Dans le monde, des projets de centrales électriques voient le jour presque partout, basés sur un immense potentiel : « 5 % de la surface des déserts permettrait de produire toute l'électricité de la planète », affirment Patrick Jourde et Jean-Claude Muller, chercheurs au Commissariat de l'énergie atomique (CEA) et au CNRS.

Il existe également des moyens de transports individuels, du vélo à assistance électrique à la voiture électrique, en passant par le scooter et la moto électrique, pour des puissances de 500 W à 45 kW (60 cv) et plus même voiture électrique, qui peuvent être rechargés avec une production individuelle (dans les bonnes conditions climatiques).

Le boom des objets solaires

Il y a une vingtaine d'années apparaissait la calculatrice de poche solaire. Quelques cellules photovoltaïques y remplaçaient avantageusement les piles électriques, toxiques pour l'environnement. Aujourd'hui, des magasins dédiés à l'écologie, mais aussi des enseignes plus grand public, proposent de nombreux objets fonctionnant à l'énergie solaire : torches, lampes de jardin, radioréveils, mobiles animés, montres... Preuve que l'énergie solaire séduit les consommateurs par l'image "verte" qu'elle véhicule. Son autre atout est son côté nomade : des chargeurs solaires permettent désormais d'alimenter en électricité, où que l'on se trouve, un téléphone mobile, un GPS ou un ordinateur portable. Pour les voyageurs au long cours, il existe même des sacs à dos équipés de capteurs solaires. Certains imaginent des vêtements également dotés de cellules photovoltaïques, pour y brancher directement son baladeur MP3 ou même son téléphone portable.

La percée des centrales thermiques

Le principe d'une centrale électrique thermique solaire est de concentrer les rayons du Soleil, à l'aide de miroirs paraboliques, vers des tubes ou une chaudière contenant un fluide caloporteur. La chaleur ainsi récupérée est transmise à de l'eau. L'eau se transforme en vapeur, qui actionne une turbine couplée à un générateur produisant de l'électricité. Certains États, Espagne en tête, misent sur cette technologie plutôt que sur le photovoltaïque, dont le coût de production s'avère plus élevé en raison du prix du silicium des cellules photoélectriques.

L'Espagne possède ainsi depuis 2009 la plus puissante centrale solaire thermique d'Europe 'Andasol', d'une puissance de 100 MW. Quelque 400 000 miroirs, soit une superficie de 1,1 million de mètres carrés, recueillent l'énergie du Soleil et approvisionne en électricité 45.000 foyers.

Le 27 octobre 2009, le président Barack Obama a inauguré la plus grande centrale solaire des États-Unis à Miami. Équipée de plus de 9 000 panneaux, la centrale d'une puissance de 25 MW va permettre d'éclairer plus de 3 000 foyers.

Des panneaux sur les toits

Les panneaux photovoltaïques convertissent la lumière du soleil en électricité. Les panneaux de types thermique convertissent la lumière en eau chaude. En France ou en Belgique, grâce aux aides fiscales de l'État, les particuliers sont de plus en plus nombreux à s'en équiper. En France le producteur a le choix entre l'auto-consommation et la vente de l'intégralité de sa production à EDF, tenue depuis 2002 de racheter l'électricité d'origine renouvelable produite par les particuliers ou les collectivités.

En 2004-2005, l'énergie solaire captée sur les toits par des cellules photovoltaïques représentait 950 000(?) mégawatts dans tout le pays. En 2004, 14 000(?) mégawatts photovoltaïques ont été vendus aux États-Unis.

Du photovoltaïque à grande échelle

La centrale photovoltaïque la plus puissante au monde (350 000 panneaux solaires sur 114 ha) est en cours de construction au Portugal. Le Maroc aussi s'est lancé début 2010, (profitant de son désert), avec un investissement de 10 Milliards de dollars, dans la construction des 4 plus grandes centrales photovoltaïque du monde à Ouarzazate. La centrale de Chambéry, inaugurée en 2005, et la Réunion, en 2006, la Centrale Saint-Charles de Perpignan en 2010 produira 10 120 Mw/an, avec 80 000 m2 de panneaux photovoltaïques. La Suisse s'est elle aussi lancée dans la course au solaire et, en Allemagne, les 57 000 panneaux du Bavaria solarpark fonctionnent depuis 2005. L'entreprise Florida Power & Light a annoncé l'ouverture pour 2010 d'une centrale solaire de 180 000 miroirs. Elle se situera sur la côte orientale, au nord du comté de Palm Beach et s'étendra sur plus de 200 hectares.

Les projets des tours solaires

Dans une tour solaire, un vaste collecteur solaire en verre chauffe de l'air, lequel en montant à grande vitesse dans la tour, actionne des turbines générant de l'électricité. Un premier prototype a été mis en service en 1982 à Manzanares en Espagne, on envisage la construction d'une tour solaire de 750 m de hauteur, capable d'alimenter 120 000 foyers. L'Australie a étudié la possibilité de construire une tour de près de 1 000 m de hauteur qui devrait fournir l'équivalent de la consommation de 200 000 foyers.

De l'énergie n'importe où

Dans les pays du Sud, où l'ensoleillement est souvent (pas toujours !) très important, le solaire peut fournir aux régions rurales et urbaines une énergie décentralisée pour les éclairages, réfrigérateurs, pompes hydrauliques, installations de télécommunication, etc. Soutenus par des ONG, des projets d'électrification de villages sont en cours dans de nombreux pays d'Afrique et d'Amérique du Sud

• Chaque année la Terre reçoit du soleil 8380 fois la quantité d'énergie dépensée annuellement par l'humanité (11 milliards de tep)
• La France reçoit 200 fois sa consommation annuelle en énergie (250 Mtep)
• Le parc photovoltaïque mondial représente 15GW, en augmentation de 66% depuis 2007 ; l'énergie ainsi produite est d'environ 15 TWh, soit 1/1000 de l'ensemble de l'électricité produite en 2005 (54 10 joules contre 60 10 joules)