L'énergie solaire : Comment tirer parti efficacement de la puissance du soleil

L’énergie solaire thermique est la forme d’énergie la plus intuitive, alors commençons par là.

L’énergie solaire thermique

Par une journée ensoleillée, tu as plus chaud au soleil qu’à l’ombre, n’est-ce pas ? En effet, lorsque notre peau absorbe la lumière du soleil, elle en transforme une partie en énergie thermique. Nous pouvons utiliser cette chaleur  !

L’énergie solaire concentrée (CSP) utilise un grand nombre de miroirs pour concentrer la lumière solaire sur une petite zone. La lumière concentrée est utilisée pour chauffer un fluide (eau, huile ou sel en fusion) à des températures très élevées. Cette chaleur peut alors soit

• être utilisée pour le chauffage,
• être stockée pour plus tard,
• ou être convertie en électricité en évaporant l’eau et en générant de la vapeur, qui est utilisée pour faire tourner une turbine. Cela fonctionne comme la plupart des autres centrales électriques. Voici le processus complet en une seule image :

Aujourd’hui, l’électricité provenant de la concentration de l’énergie solaire thermique est coûteuse, mais elle a quelques avantages intéressants :

1. Elle peut être intégrée au stockage thermique pour fournir de l’électricité à la demande.
2. Elle contribue à la stabilité et à la flexibilité du réseau d’électricité.

Le solaire thermique peut également être utilisé pour le chauffage domestique. Les panneaux solaires thermiques ou les capteurs solaires thermiques absorbent l’énergie lumineuse du soleil pour réchauffer un fluide traversant le panneau. Il est ensuite utilisé pour chauffer l’eau, avec diverses applications domestiques.

L’ampoule inversée : transformer la lumière en électricité ?

Avec la technologie de l’énergie solaire photovoltaïque (EPV), nous convertissons la lumière directement en électricité . Le prix moyen de l’électricité produite de cette manière est déjà similaire à celui des combustibles fossiles , un début prometteur ! Comment cela fonctionne-t-il ?

La plupart des cellules solaires sont composées de silicium. Le silicium a 4 électrons dans sa couche externe. Quand beaucoup d’atomes de silicium se regroupent, ils forment un treillis cristallin, en raison de ce que l’on appelle en chimie des liaisons covalentes. En voici une illustration :

Si nous ajoutons un petit nombre d’atomes avec 5 électrons dans leur couche externe (comme le phosphore), le composé formera encore des cristaux. Cependant, il y aura quelques électrons libres qui restent parce qu’ils ne rentrent nulle part dans la structure cristalline.

En revanche, si nous ajoutons un élément avec seulement 3 électrons dans leur couche externe (comme le bore), nous aurons une lacune électronique, un trou gênant dans la structure.

Alors, comment appelons-nous ces différents matériaux ?

• Le silicium plus un élément avec 5 électrons externes est appelé un semi-conducteur de type n (n pour négatif). C’est parce que le silicium a en général 4 électrons externes. Avec 5 électrons, il a un excès d’électrons, ce qui le rend négatif.
• Le silicium plus un élément avec 3 électrons externes est appelé un semi-conducteur de type p (p pour positif).

Ces noms peuvent être un peu trompeurs : les matériaux de type n et de type p ont une charge neutre (ni négative ni positive). Alors pourquoi sont-ils qualifiés de positifs et négatifs ? Regardons les structures présentées ci-dessus. Le matériau de type n a un électron supplémentaire de charge négative, tandis que le matériau de type type p a un trou (lacune électronique) de charge positive.

Quand un électron libre de la moitié type n passe dans la moitié type p, il en remplit un trou.

Le remplissage du trou se fait dans une petite bande où les moitiés de type p et de type n se touchent. Cela s’appelle la zone de déplétion car cette zone a été « épuisée » de ses trous.

C’est bien pour un moment. Cependant, une fois que de nombreux trous ont été comblés, la charge négative devient forte. Cela produit ce que l’on appelle une barrière de champ électrique. À ce stade, les électrons sont repoussés de la zone de déplétion par le champ électrique et plus aucun trou n’est comblé.

Où la lumière du soleil entre-t-elle en jeu ?

La lumière transporte de l’énergie. Quand la lumière frappe la zone de déplétion, elle peut pousser les électrons à quitter les trous qu’ils ont remplis.

Les ions négatifs autour de l’électron éjecté le repoussent dans le matériau de type n. Avec un électron de moins pour remplir un trou, il y a de la place (électromagnétique) pour un nouveau !

Des électrons qui se déplacent à travers un fil ? C’est un courant ! Et c’est ainsi que nous récupérons de l’électricité à l’aide de l’énergie solaire photovoltaïque (EPV).

Quand l’électron est de retour sur le côté de type p, la cellule solaire retourne à son état d’origine et le processus peut se répéter aussi longtemps que le soleil brille. Magnifique !

En résumé, le cycle suivant se produit sans arrêt :

1. Un électron à l’intérieur d’un trou est touché par la lumière. L’énergie de la lumière provoque l’éjection de l’électron.
2. Le champ électrique créé par les ions de la zone de déplétion pousse l’électron vers le côté de type n.
3. Il y a maintenant un trou supplémentaire dans la partie de type p qui veut être comblé.
4. Un électron prend la porte de derrière à travers le fil ou le circuit pour remplir cet espace.

L’énergie solaire est-elle durable ?

Mais que se passe-t-il après ces 25 à 30 ans quand les panneaux cessent de fonctionner ? Malheureusement, c’est une question en grande partie non résolue. Pour se préparer au moment où les panneaux solaires construits aujourd’hui deviendront des déchets, nous devons mettre au point des méthodes abordables de recyclage à grande échelle.

Quelle est la surface terrestre nécessaire pour produire toute l’énergie avec du photovoltaïque solaire ?

Nous aurons besoin de trois données pour proposer une estimation approximative :

1. L’humanité utilise 157 000 TWh d’énergie par an.
2. Les États-Unis sont frappés par environ 250 MW d’énergie par km² en moyenne.
3. Les panneaux photovoltaïques modernes fonctionnent à environ 20% d’efficacité, ce qui signifie qu’ils peuvent transformer 20% de l’énergie lumineuse qui les frappe en électricité.

En raison du rendement de 20%, couvrir 1 km² avec des panneaux solaires fournit 50 MW d’énergie. Tu te souviens que l’énergie = puissance x temps ? Ainsi, la quantité d’énergie produite par ces panneaux en un an sera de 50 MW x 365 jours x 24 heures = 438 GWh. Ceci est égal à 0,438 TWh.

Pour couvrir les 157 000 TWh que l’humanité utilise, nous avons donc besoin de 157 000 / 0,438 = 358 500 km² de panneaux solaires. Ou en termes plus simples, la surface de l’Allemagne.

C’est beaucoup, mais pas déraisonnable. Nous couvrons 34% de la surface de la Terre avec des cultures et du bétail pour la nourriture, donc une ferme solaire photovoltaïque de la taille de l’Allemagne (0,3% de la surface de la Terre) n’est pas énorme en comparaison.

Cependant, le déploiement de l’énergie solaire à une très grande échelle pose des problèmes  qui ne sont pas pris en compte dans le calcul ci-dessus. Le plus important de ces problèmes est que l’approvisionnement en énergie solaire est très variable : nous ne pouvons pas produire d’énergie la nuit, mais quand le soleil brille, on peut en produire trop ! Nous étudierons les moyens de résoudre ce problème plus loin.

Pouvons-nous améliorer les énergies solaires photovoltaïque et thermique ?

Il existe de nombreuses façons de produire de l’énergie solaire photovoltaïque. La technologie employant le silicium cristallin (dont nous venons de discuter) absorbe environ 20% de l’énergie solaire qui le frappe. D’autres technologies solaires présentent des rendement allant jusqu’à 40%, mais à des coûts plus élevés.

Les techniques dites « en couche mince » pourraient être encore moins chères et seraient meilleures pour l’environnement. Pour te donner une idée de la vitesse de développement, regarde ce graphique :

Des systèmes d’énergie solaire concentrée (CSP) pourraient être déployés à grande échelle aujourd’hui : nous avons les matières premières pour les construire. Bien que la CSP soit actuellement plus chère que les combustibles fossiles, elle a le potentiel de devenir plus rentable une fois développée à grande échelle.

Une technologie beaucoup moins explorée mais toujours prometteuse est la photosynthèse artificielle. Si nous parvenons à la développer à grande échelle, elle résoudrait de nombreux problèmes à la fois - nous en parlerons davantage dans le chapitre sur l’hydrogène. Mais n’y vas pas tout de suite ! Les chapitres qui viennent couvrent des technologies qui sont tout aussi passionnantes et importantes.

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