ENERGIE SOLAIRE

Le Soleil qui produit l'énergie solaire, est un très gros dissipateur d'énergie. Il rayonne comme toutes les étoiles une quantité phénoménale d'énergie, qui fini par se perdre dans l'immensité interstellaire. Sur le trajet, quelques planètes captent ces rayons.

La Terre fait figure d'exception, elle en profite pour entretenir une vie végétale et animale. Sa surface reçoit une quantité d'énergie solaire équivalente à plusieurs milliers de fois la demande humaine mondiale.

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

SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE

Le «solaire photovoltaïque» transforme directement une partie du rayonnement solaire en électricité. Généralement, cela est réalisé par des panneaux de silicium mono- ou poly-cristallin.

Ce silicium est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre. Le courant produit est continu et à 0,6 V.

De multiples panneaux peuvent être reliés entre eux. La durée de vie de ces panneaux est de plus de 20 ans. Le rendement est typiquement de l'ordre de 16%. En Europe, il faut actuellement de l'ordre de 8 à 10 m² pour atteindre une puissance de 1 kW-crête.

La recherche est très active dans le domaine du solaire photovoltaïque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent.

En 20 ans, les rendements sont passés de 15% à 36% dans les laboratoires. Ce dernier chiffre serait celui atteint sur Terre par les cellules solaires utilisées par les robots martiens. Les rendements des systèmes disponibles commercialement sont quant à eux passés de 5% à plus de 20%.La technologie basée sur le silicium a un développement comparable à celui de l'informatique. De nombreuses sociétés actives dans ce domaine, comme Sharp, sont aussi actives dans l'électronique.

En 2003, les nouvelles installations ont représenté, dans le monde, une puissance de 574 MW-pic, en augmentation de 34% par rapport à 2002. Financièrement, il s'agit maintenant d'un marché de 4 milliards d'euro par an. Le Japon, l'Allemagne et les États-Unis représentent ensemble 75% du marché mondial. Les installations connectées aux réseaux (sans stockage de l'électricité) représentent la majorité des nouvelles installations.

Un autre domaine de recherche est celui de l'intégration des composants photovoltaïques dans les éléments de construction, ce qui diminue fortement le coût global (tuiles, panneaux de toiture, vitrages, façades, etc).

Outre l'amélioration constante des produits à base de silicium, on peut citer deux technologies innovantes et sans doute promises à un bel avenir : les cellules photovoltaïques en plastique et les cellules de Graetzel.

Les cellules photovoltaïques en plastique
Les cellules solaires en plastique ont un rendement compris entre 4 et 5% et elles restent encore très fragiles car elles sont sensibles à l'oxygène et à l'humidité. La recherche vise à améliorer l'encapsulage et à en diminuer le prix (actuellement de l'ordre de 2 euros/watt-crête, c'est-à-dire le double de la technologie basée sur le silicium).

Les cellules de Graetzel
Les cellules de Graetzel (nom de l'inventeur de l'École polytechnique fédérale de Lausanne) sont des cellules solaires nano-cristallines à colorant. La résistance à la chaleur en était le point faible mais fait l'objet de recherches intensives.

Ces cellules sont inspirées de la photosynthèse et sont constituées d'un côté d'une couche de dioxyde de titane recouverte d'un colorant appelé «sensibilisateur» et de l'autre d'une solution électrolytique. Lorsqu'un rayon lumineux tombe sur le colorant, un électron est éjecté. Tous les électrons ainsi libérés traversent l'oxyde, sont collectés au bord de la cellule et ensuite dirigés vers un circuit externe.

SOLAIRE THERMIQUE

Le «solaire thermique» consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire. Il se décline de différentes façons : centrales solaires thermodynamiques, chauffe-eau et chauffage solaire, rafraîchissement solaire, cuisinières et sécheurs solaires.

Centrales solaires thermodynamiques
Dans le domaine de la recherche industrielle, certains systèmes permettent de concentrer l'énergie solaire en un point précis qui peut alors atteindre une température considérable. Une production électrique est alors possible via des turbines à vapeur.

Des collecteurs paraboliques chauffant un fluide caloporteur circulant dans des tuyaux placés au niveau de leur foyer géométrique ont aussi été développés.

La solution la plus réaliste économiquement à l'heure actuelle, pour la production d'électricité solaire à l'échelle industrielle, consiste à chauffer un fluide caloporteur (eau, sels fondus, huiles synthétiques, ou directement vapeur) en y concentrant le rayonnement solaire. L'irrégularité propre de l'énergie solaire peut etre contournée, soit en stockant de la chaleur (avec un réservoir de fluide chaud) soit en hybridant les concentrateurs solaires avec une centrale thermique classique (la chaudière et la chaleur solaire nourrissant la meme turbine à vapeur).

La centrale de Mojave en Californie vers 1980, avait fait figure de projet pionnier. Quelque peu oubliée depuis, cette filière revient d'actualité (les inquiétudes sur le réchauffement climatique et sur les réserves d'hydrocarbures aidant), avec de nombreux projets pilotes dans une dizaine de pays.

La tour solaire de 1 000 mètres de hauteur, est l'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie alternative. C'est une usine d'énergie renouvelable qui fournit la même puissance qu'un petit réacteur nucléaire tout en étant plus sûr et plus propre.

Chauffe-eau et chauffage solaire
A l'échelle d'une habitation individuelle ou collective, il est possible d'installer un chauffe-eau solaire, ou un chauffage solaire : il s'agit de capteurs vitrés installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur à un chauffe-eau et éventuellement à un plancher chauffant basse température.

Ce procédé permet de couvrir environ 50 % en moyenne en France des besoins en eau chaude, et d'apporter éventuellement un complément de chauffage.

Rafraîchissement solaire
Paradoxalement la chaleur du rayonnement solaire peut aussi être utilisée pour rafraîchir un bâtiment : on utilise dans ce cas des capteurs cylindriques sous vide dans lesquels circule un liquide caloporteur qui va être porté à haute température (100°C et plus). Ce liquide va transférer la chaleur via un échangeur à une solution chimique qui va se réchauffer et qui en se refroidissant va ensuite produire du froid. Ce procédé permet une climatisation écologique de bâtiments industriels ou d'habitations collectives.

Cuisinières et sécheurs solaires
Les cuiseurs solaires sont très répandus en Chine et en Inde. Outre le cuiseur-boîte et le cuiseur à panneaux, des cuiseurs paraboliques ont été développés.

Une plaque de carton recouverte d'une feuille d'aluminium et découpée de façon à former une coquille permet déjà d'obtenir l'échauffement d'une marmite (de préférence noire) placée dans un sac en plastique transparent limitant les pertes en chaleur et en vapeur d'eau. Grâce à des systèmes de ce genre, de nombreux aliments peuvent être cuits, mijotés ou chauffés et de l'eau peut être bouillie. La pièce la plus fragile est le sac en plastique.

Des cuiseurs-boîtes avec un couvercle vitré ou un plastique rigide sont assez faciles à fabriquer avec des matériaux locaux (coquilles vides et sèches pour l'isolation thermique, etc).

Solaire «passif»
On peut aussi mentionner les développements du «solaire passif», c'est-à-dire de l'utilisation de l'énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, orientation, etc). Les innovations techniques dans le domaine de l'isolation thermique et dans celui des vitrages jouent aussi un rôle important.

Le solaire passif permet de faire des économie d'énergie sur le chauffage et l'éclairage.

La luminance au sol
Avant d'installer un équipement utilisant l'énergie solaire, il est important de connaître la luminance au sol, c'est à dire la quantité de lumière solaire reçu au sol. Pour cela, une des techniques les plus efficaces est l'utilisation de satellites d'observation terrestre. Le satellite de Meteosat de la deuxième génération est ainsi capable de fournir des mesures précises toutes les 15 minutes sur la luminance au sol du continent européen.

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