L'énergie solaire est la solution aux enjeux énergétiques grâce à ses innovations

OPINION. L'énergie solaire fournira 20% de la production totale d'électricité dans le monde avant 2040. Son coût de production va continuer à baisser. Ses applications sont multiples et touchent tous les aspects de la vie quotidienne. Par Xavier Dalloz, consultant spécialisé dans les nouvelles technologies.
Vue du site d'énergie solaire en construction du projet Nantan dans la zone industrielle de la ville de Zhangye, dans la province de Gansu, dans les nord-ouest de la Chine.
Vue du site d'énergie solaire en construction du projet Nantan dans la zone industrielle de la ville de Zhangye, dans la province de Gansu, dans les nord-ouest de la Chine. (Crédits : Reuters)

L'énergie solaire génère de l'électricité grâce à des cellules photovoltaïques qui convertissent la lumière directe du soleil en électricité.

Ses principales caractéristiques sont les suivantes :

  • Le coût de l'électricité solaire est actuellement d'environ de 0,05 dollar/kWh. Ce coût devrait chuter de 30 % au cours des cinq prochaines années et de moitié au cours de la prochaine décennie.
  • D'après les projections de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) pour l'approvisionnement énergétique, 5 TW de capacité photovoltaïque cumulée seront installées d'ici 2030, 10 TW d'ici 2040 et près de 15 TW d'ici 2050 qui fournira un tiers de la production totale d'électricité dans le monde en 2050.
  • Le système de production d'énergie solaire est connecté à des batteries solaires pour garantir le fonctionnement de l'alimentation de secours pendant la nuit, les jours nuageux et les urgences.
  • La même capacité totale de production d'énergie peut être installée avec un grand nombre de systèmes photovoltaïques de petite à moyenne taille (sur toit ou au sol mais occupant des surfaces réduites) ou avec quelques grandes installations (occupant des centaines d'hectares, dans certains cas en concurrence avec production alimentaire).
  • Des millions d'installations et de centrales photovoltaïques à l'échelle du gigawatt ont été et sont en cours de construction. Ce déploiement de capacité PV va nécessiter un développement rapide de réseaux électriques intelligents, numériques et flexibles. Pour cela, il faudra créer des « EDF » au niveau local.

Pour illustrer les investissements dans ce domaine, citons les investissements des Emirats et de l'Arabie Saoudite :

  • Le mégaprojet NEOM de 500 milliards de dollars de l'Arabie Saoudite jouera un rôle clé dans les efforts visant à diversifier l'économie saoudienne tout en s'appuyant exclusivement sur des ressources énergétiques propres. On estime que NEOM aura besoin de 20 à 40 GW de capacité solaire et éolienne pour répondre à ses besoins énergétiques lorsqu'il sera opérationnel en 2025.
  • Aux Émirats Arabes Unis, le parc solaire Mohammed Bin Rashid de 5.000 MW à Dubaï et le projet solaire Al-Dhafra, qui aura une capacité de 2.000 MW, seront mis en service par étapes d'ici 2030. En outre, Abu Dhabi s'est fixé pour objectif de répondre à plus de 50 % de ses besoins en électricité à partir de sources propres (principalement de l'énergie solaire) d'ici 2030.

Les innovations attendues sont très nombreuses

Rappelons que la chaîne de valeur solaire PV commence par le raffinage du dioxyde de silicium (SiO2) en polysilicium de qualité solaire. Dans cet important segment en amont de la chaîne de valeur, la part de la Chine est passée d'environ 30 % il y a 10 ans à plus de 80 % en 2022. Sur les 10 premières entreprises produisant du polysilicium, sept sont chinoises, dont les trois premières. Les étapes qui transforment le polysilicium en lingots, plaquettes, cellules et enfin panneaux solaires sont également dominées par la Chine, représentant une part de plus de 80 % de la capacité mondiale dans chacune. Notons aussi que le fabricant chinois de panneaux solaires LONGi a annoncé avoir atteint une efficacité de 26,81 % pour ses cellules solaires au silicium.

Les principales innovations concernent plusieurs technologies photovoltaïques. Par exemple : le silicium cristallin (comprenant à la fois monocristallin et multicristallin) et les technologies à couches minces (comprenant différents matériaux mais partageant l'épaisseur réduite des cellules solaires et donc la quantité réduite de matériaux semi-conducteurs qui peuvent être du tellurure de cadmium, du CdTe , du séléniure de cuivre, d'indium et de gallium, du CIGS ou des alliages semi-conducteurs.

La technologie la plus importante du marché est basée sur le silicium cristallin sous forme d'oxydes et de silicates, le silicium est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre. Mais la technologie dépend également d'autres matériaux qui pourraient faire face à des tensions d'approvisionnement, comme l'argent ou l'étain. Des substituts sont à l'étude et peuvent être disponibles à des prix compétitifs avec des performances similaires (électrodes à base de carbone ou grilles métalliques à plus faible teneur en métal).

La révolution du solaire viendra surtout de la réduction du coût du wafer. C'est ce que fait par exemple Newwafe, une spinoff du Frauenhofer avec la vaporisation du silicium sur un substrat dans un four tunnel.

Le très important investissement en R&D dans le domaine de la production d'énergie solaire va notamment permettre à chaque maison/bâtiment /entreprise de fabriquer ses propres panneaux solaires et donc produire son énergie.

Exemple d'une innovation majeure : le stockage de l'électricité

Une batterie solaire est une batterie conçue spécifiquement pour stocker l'électricité produite par des panneaux solaires et pour rendre cette énergie disponible pour une utilisation ultérieure. D'après Marketwatch, le marché mondial des batteries solaires était de 119,4 millions de dollars en 2021. Il devrait atteindre 381,4 millions de dollars d'ici 2030.

Les batteries solaires font la même chose avec de la lumière au lieu de l'électricité. Ils contiennent deux matériaux différents avec des propriétés différentes - l'un absorbe l'énergie lumineuse tandis que l'autre la libère sous forme d'électricité.

Les avantages d'une installation de batterie solaire sont les suivants :

  • Il capture toute électricité produite par un système d'énergie solaire qui n'est pas utilisée en temps réel, générant ainsi plus d'économies sur les coûts d'électricité
  • Il fournit de l'électricité au débit le plus élevé que la batterie solaire peut fournir, quel que soit le débit d'électricité généré par le système d'énergie solaire à tout moment.

Par exemple, lorsqu'il fait nuageux ou dans l'obscurité, on peut utiliser cette énergie stockée en branchant les appareils sur un onduleur, qui convertit l'électricité CC en électricité CA pouvant être utilisée par des appareils standard tels que des ampoules et des ordinateurs. Ils sont conçus pour fournir de l'électricité 24 heures sur 24, de sorte qu'ils peuvent être utilisés dans des endroits hors réseau et en cas d'urgence où l'électricité n'est pas disponible.

Un des principaux enjeux est le ré-acheminement de l'énergie éolienne excédentaire dans des microgrids et l'intégration de ceux-ci dans un système d'énergie de service capable de stabiliser efficacement la tension et la fréquence du réseau de distribution.

Les applications de l'énergie solaire

La société moderne est très largement basée sur la capacité de l'humanité à convertir l'énergie d'une forme à une autre. Les nations les plus prospères et les plus développées technologiquement sont aussi celles qui ont accès et consomment le plus d'énergie par habitant.

Rappelons que

  • 20% de l'énergie « totale » est utilisée sous forme d'électricité, une forme d'énergie qui peut être transportée facilement et à moindre coût avec des pertes relativement faibles
  • 40 % sont utilisés à des fins résidentielles et 47 % sont utilisés par l'industrie. 13 % sont perdus dans la transmission

Sans électricité, la société moderne telle que nous la connaissons ne serait donc pas possible.

Près d'un milliard de personnes n'ont toujours pas accès à l'électricité, et les systèmes solaires photovoltaïques domestiques combinés aux micro-réseaux seront une application importante des systèmes photovoltaïques. De plus l'énergie solaire va permettre une réduction des émissions de gaz à effet de serre parce qu'ils remplacent principalement les générateurs diesel.

Voici quelques exemples actuels d'usage de l'énergie solaire :

  • Chauffage à l'eau

L'énergie solaire est couramment utilisée pour chauffer l'eau dans nos maisons, nos industries, nos hôtels et même nos hôpitaux. Les systèmes solaires peuvent également chauffer les piscines en faisant circuler l'eau à travers un capteur solaire et réchauffée par la lumière du soleil, avant de l'utiliser à nouveau dans les piscines.

  • Séchage de produits agricoles

L'énergie solaire peut également être utilisée pour sécher les produits agricoles et animaux tels que les fruits, le lait, le poisson, les chips et les grains de maïs.

  • Chauffage solaire

Des appareils tels que les collecteurs à plaques plates convertissent le rayonnement solaire en chaleur (énergie thermique).

  • Éclairage à énergie solaire

L'énergie solaire est une solution appropriée pour les éclairages de sécurité, les lampadaires, les éclairages intérieurs et les panneaux de signalisation car ils sont abordables, respectueux de l'environnement et facilement disponibles.

  • Pompage solaire de l'eau pour l'irrigation

L'énergie solaire générée par un système de panneaux solaires peut être utilisée pour pomper de l'eau à utiliser pour l'irrigation pendant l'été.

L'énergie solaire peut aider à distiller l'eau, en particulier dans les zones arides, semi-arides ou côtières avec de l'eau salée et beaucoup de soleil. La lumière du soleil dans ces zones peut être utilisée pour convertir l'eau salée en eau pure pour la consommation.

  • Alimentation automobile

Les voitures, les avions, les bus, les métros, les tramways, les chemins de fer et même les routes peuvent tous fonctionner à l'énergie solaire, et le transport à énergie solaire devient de plus en plus une alternative populaire aux moyens traditionnel.

L'exemple des véhicules solaires sera un des plus intéressants de l'usage de l'énergie solaire.

Les véhicules solaires sont des véhicules électriques qui utilisent des cellules solaires autonomes pour s'alimenter entièrement ou partiellement à partir de la lumière du soleil. Elle consomme environ 0,1L/100km de pétrole. Ce carburant  apporte une énorme résilience à notre société  ( il y a 40mio x 100kwh = 4000Gwh d'essence dans les réservoirs de nos voitures).

Plusieurs constructeurs de voitures intègrent déjà le photovoltaïque au véhicule (VIPV) :

  • Mercedes-Benz propose un capot photovoltaïque pour son concept-car Project Maybach
  • Tesla serait sur le point d'offrir un système solaire en option
  • Hyundai propose Mobility Solar qui peut être appliqué à la fois sur le toit et le capot de la voiture. Mobility Solar génère de l'électricité pendant la conduite. La technologie utilisée est du verre trempé rigide ou des films plastiques légers et flexibles.
  • Le « trois-roues zippy » d'Aptera peut accueillir deux personnes, a des moteurs dans les roues et est conçu pour être aussi aérodynamique que possible. Aptera dispose d'une batterie lithium-ion d'une autonomie de 1.600 km.
  • Comme Aptera, le Lightyear a des moteurs dans les roues. La Lightyear peut accueillir cinq personnes et ressemble beaucoup plus à une voiture typique. Les panneaux solaires sur le dessus de leur voiture peuvent récolter jusqu'à 75 km d'autonomie par jour en plus d'environ 600 km d'autonomie totale de la batterie.
  • La batterie solaire de la Sono Sion a une autonomie de 300 km. Elle « donne » gratuitement 9.000 km par an. Cela représente environ 25 km par jour.

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