L'énergie solaire : une énergie d'avenir par excellence.

Depuis toujours, la chaleur et la lumière du Soleil ont été la principale source d'énergie des hommes. Éclipsées pendant quelques siècles par le charbon, le pétrole, le gaz et l'uranium, voici que l'énergie solaire et ses formes dérivées reviennent en force sous le nom paradoxal d'énergies nouvelles.

Le soleil envoie chaque année à la surface de la Terre à peu près 6000 fois la consommation annuelle mondiale d’énergie. Quels bénéfices peut-on retirer de l’exploitation directe du flux solaire ?

• Produire de l’eau chaude (solaire thermique)

• Produire de l’électricité (solaire photovoltaïque)

Il existe donc deux types de capteurs solaires :

Les capteurs photovoltaïques transforment l'énergie solaire en électricité. Ces capteurs sont fabriqués avec du silicium, un semi conducteur provenant des chutes de l'industrie électronique. Les rendements sont proches de 20 %. Voici quelques exemples d'installations photovoltaïques :

Les capteurs thermiques transforment l'énergie solaire en eau chaude. Ils peuvent se présenter sous forme de tuyaux noirs placés sous une vitre et sur les toits des bâtiments, ou bien sous forme d'une installation parabolique permettant une concentration des rayons solaires. Les capteurs thermiques par concentration sont très efficaces pour produire de l'électricité et ils représentent à mon avis une voie d'avenir prometteuse. Voici quelques exemples d'installations existantes aujourd'hui :

Le solaire thermique est très intéressant dans les pays de hautes latitudes car il permet des économies en chauffage domestique réalisé à partir de combustibles fossiles. Comme l’éolien, le solaire photovoltaïque est une énergie intermittente qui incite à utiliser les combustibles fossiles dans les périodes sombres.
La production annuelle d’un panneau solaire photovoltaïque est de 100 kWh par m² au moins sur la majeure partie de l’Europe, et même du monde. En terme de surface, le solaire est six fois plus avantageux que l’éolien. Pour fournir les 350 TWh d'électricité que nous consommons tous les ans, il faudrait couvrir une surface de 3500 km². La surface bâtie en France était de 10 000 km² en 1997. Cela signifie qu’en utilisant le tiers de cette surface nous pourrions répondre à nos besoins, à condition de s'accommoder de l'absence d'énergie la nuit. Le rendement du solaire thermique étant 3 à 4 fois meilleur que celui du photovoltaïque, nous disposons avec ces deux usages d’une vraie marge de manoeuvre pour économiser du combustible épuisable.

Le solaire dispose de deux avantages sur l’éolien :

• Le désagrément visuel est bien inférieur puisque les capteurs peuvent s'intégrer facilement aux toitures.

• La production est individuelle, il n’y a pas de perte en réseau, alors que l’éolien reste un mode centralisé.

Le bilan énergétique net est excellent pour le solaire thermique (1 an d’utilisation) et correct pour le solaire photovoltaïque à bas de silicium (7 ans pour une durée de vie de 25 ans au minimum). La technologie dite « des couches minces » pourrait s’amortir en deux ans. Avec le pétrole, il faut dépenser deux ans de production pour en assurer dix. L’avenir du solaire est bien plus lié au progrès des dispositifs de stockage qu’à celui des panneaux. Le couplage solaire / hydrogène semble une voie d’avenir même si le rendement global n’excèdera pas les 30%. La surface de toit disponible reste dans les ordres de grandeurs surtout si on abaisse notre consommation en même temps.

Le solaire présente d’autres handicaps :

• Difficulté à concentrer la puissance électrique pour des applications lourdes.

• Le silicium actuellement utilisé provient des chutes des industries des semi-conducteurs.

• Son prix (qui devrait baisser suffisamment).

• Sa diffusion dans la population sera longue.

Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

Une cellule photovoltaïque est principalement constituée de silicium dopé (semi-conducteur : jonction p-n). Lorsqu’une cellule est exposée au rayonnement électromagnétique solaire, les photons de la lumière transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Cette énergie permet de libérer des électrons (charges N) et de libérer des trous (charges P). Ces charges sont alors maintenues séparées par un champ électrique qui constitue une barrière de potentiel. Une fois les charges P et N isolées, il suffit de fermer le circuit entre ces deux zones pour mettre en mouvement les électrons et créer ainsi un courant électrique.

Il existe un grand nombre de technologies mettant en oeuvre l’effet photovoltaïque. La grande majorité d’entre elles sont encore en phase de recherche. Les principales technologies industrialisées en quantité à ce jour sont : le silicium mono ou poly-cristallin et le silicium amorphe en couche mince.

Les cellules Mono-cristallines :

Du silicium à l’état brut est fondu pour créer un barreau. Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé, on obtient un mono-cristal. Un Wafer (tranche de silicium) est alors découpé dans le barreau de silicium. Après divers traitements (traitement de surface à l’acide, dopage et création de la jonction P-N, dépôt de couche anti-reflet, pose des collecteurs), le wafer devient cellule.

Les cellules Poly-cristallines :

Le wafer est scié dans un barreau de silicium dont le refroidissement forcé a crée une structure poly-cristalline.

Le Silicium amorphe en couche mince :

La technologie à couche mince désigne un type de cellule obtenu par diffusion d’une couche mince de silicium amorphe sur un substrat de verre. Les photopiles se présentent alors sous forme de bandes, au lieu de cellules.

Avantages et inconvénients des deux types de filières technologiques :

A puissance égale, les panneaux solaires au silicium amorphe à double jonction produisent en moyenne annuelle environ 10 à 15% de plus que leurs homologues cristallins, du fait de leur sensibilité accrue en cas de faible ensoleillement. Ils sont par contre pénalisés par un rendement modeste (5 à 7%), impliquant un encombrement important . Le silicium amorphe se révèle bien adapté pour les systèmes connectés au réseau, ou pour les applications de faible puissance.

Les modules cristallins, d’un coût plus élevé, ont l’avantage d’un rendement plus favorable (11 à 15%) et sont très largement utilisés pour les applications autonomes les plus variées. Les premiers modules cristallins étaient très affectés par l'ombrage partiel car le rendement global d'un module était donné par la cellule la plus faible. Le Silicium cristallin récent ne faiblit pas à bas éclairement, et on mesure en gros un facteur 2 en production par rapport au Silicium amorphe. 

Quels sont les pays qui font des efforts pour développer les capteurs solaires ?

Concernant les modules photovoltaïques, le Japon a mis le paquet ces dernières années et le résultat est très impressionnant.  L'Europe et les États-Unis se suivent de près et le reste du monde ne connaît pratiquement pas cette énergie.

L'Allemagne, championne de l'électricité solaire

25/04/2005 - AFP - L'Allemagne est devenue en 2004 le premier marché mondial du photovoltaïque, c'est-à-dire de la production d'électricité à partir de l'énergie solaire, selon l'Observatoire des énergies renouvelables (EurObserv'ER). Elle a pour la première fois l'an passé installé davantage de capteurs solaires électriques (363 mégawatts) que le Japon (280 MW) et les Etats-Unis (90 MW).

A elle-seule, elle a représenté presque 90% de la croissance du marché de l'Union européenne à 25 en 2004 (410,5 MW). Au total, l'Allemagne pouvait produire 794 MW de photovoltaïque fin 2004, soit les 3/4 de l'électricité solaire européenne (1.004 MW pour l'UE-25, dont 1,1 MW seulement pour les dix nouveaux membres). Sa capacité totale de production était encore inférieure à celle du Japon (1.140 MW), mais devançait largement celle des Etats-Unis (365 MW). Derrière l'Allemagne, tous les autres pays européens font pâle figure.

La France, au 5ème rang de l'UE, ne pouvait produire que 20,1 MW de photovoltaïque fin 2004 (+5,8 MW en un an). Elle a installé davantage de capteurs photovoltaïques dans les DOM (13,6 MW) qu'en métropole (6,9 MW).

EurObserv'Er attribue les bonnes performances allemandes au récent relèvement du tarif d'achat que l'Etat garantit au producteur d'électricité solaire (58 centimes d'euro en moyenne par kWh contre 50 centimes auparavant). A contrario, note-t-il, "seule une augmentation substantielle du tarif d'achat pourrait permettre au marché français de décoller" (15 centimes/kWh en métropole actuellement). EurObserv'ER regroupe six associations européennes privées spécialisées dans les énergies renouvelables.