L’énergie solaire au cœur de la transition énergétique « bas carbone »

L’énergie solaire : technologies et caractéristiques

La mise en œuvre de la transition énergétique « bas carbone » peut reposer sur plusieurs composantes, parmi lesquelles l’exploitation de l’énergie solaire. Cette dernière est associée à différentes ressources et convertisseurs énergétiques (A). Dans notre travail, nous nous intéressons aux deux procédés de conversion électrique à partir de l’énergie solaire : les procédés thermodynamique et photovoltaïque, structurés en filières. La distinction entre les différents types d’infrastructures de production nous conduit à proposer un apport Chapitre 3 – L’énergie solaire au cœur de la transition énergétique « bas carbone » et son mode de déploiement – 94 – terminologique (B). L’énergie solaire, et plus généralement les énergies renouvelables, présentent des limites spatiales et techniques à leur déploiement (C). A- Les opportunités de mise en œuvre de la transition énergétique. Parmi les solutions à l’élévation des émissions de gaz à effet de serre (GES) et à la raréfaction des énergies de stock, plusieurs voies sont possibles. Le développement des technologies dites de décarbonisation peut concourir à la baisse des émissions de GES, à l’exemple de la technologie de récupération et de séquestration du carbone. L’utilisation de ces technologies multiplie toutefois le prix du kilowattheure par un facteur de deux ou trois. Ainsi, il est fort probable qu’elles ne se développent que si les contraintes environnementales les rendent obligatoires (Chevalier et alii, 2012). L’action peut également se porter sur la demande, grâce à la promotion des économies d’énergie, en particulier de l’efficacité énergétique. Cette dernière désigne les pratiques et solutions technologiques qui permettent de diminuer la consommation d’énergie tout en maintenant un niveau de performance final équivalent. Enfin, il est possible de modifier la répartition des mix-énergétique, en privilégiant les énergies primaires faiblement émettrices de GES. Les politiques énergétiques doivent tenir compte des avantages et des inconvénients de chacune des sources d’énergie, et reposer sur l’association de plusieurs d’entre elles (Merlin, 2008). Le gaz naturel, dont l’utilisation est multiple et relativement peu polluante, est appelé à jouer un rôle croissant pendant la transition énergétique (Chevalier et alii, 2012). Le recours à l’énergie nucléaire, énergie décarbonée, est par ailleurs proposé, mais ce choix comporte des risques en termes de sureté. De nombreux travaux montrent, par ailleurs, que le renforcement des normes de sûreté, le démantèlement des centrales ainsi que le traitement des déchets contribuent à augmenter sensiblement les coûts de son exploitation (Naudet, Reuss, 2008 ; Grübler, 2010 ; Poinsot, 2012). Le déploiement des énergies renouvelables, pérennes et peu polluantes (Bauquis, Bauquis, 2007), représente une des alternatives majeures pour la concrétisation de la transition énergétique « bas carbone ». Les énergies renouvelables existent depuis quasiment l’origine de la Terre et leur utilisation par l’homme remonte à plusieurs milliers d’années (Barnet, 1983 ; MérenneSchoumaker, 2007a). L’énergie disponible sur la surface de la terre provient du rayonnement du soleil (en grande partie), de la Terre elle-même (en faible partie) et de l’interaction simultanée qu’exercent le Soleil et la Lune sur les océans terrestres à travers le mécanisme des marées (pour une infime partie) (Bonnal, Rossetti, 2007). Le contexte énergétique et climatique actuel est propice au développement de convertisseurs capables de capter et d’exploiter le potentiel de ce type de sources, notamment pour la production d’électricité. Les énergies renouvelables exigent lors du processus de production électrique, des étapes de conversion qui diffèrent de celles des centrales classiques. L’énergie éolienne, disponible sous forme cinétique, extrait l’énergie du vent en le ralentissant grâce à une éolienne  et la convertit sous forme mécanique pour entraîner un générateur électrique. Pour améliorer le rendement de conversion, le générateur est parfois relié au secteur via un convertisseur électronique. L’énergie hydraulique récupère l’énergie des cours d’eau, des chutes, et des marées, pour transformer la force motrice en électricité, soit en optimisant la hauteur de la chute d’eau (centrales de haute ou moyenne chute), ou le débit des fleuves et des rivières (centrales au fil de l’eau), soit, pour le cas de l’énergie marémotrice, en utilisant le mouvement de flux et de reflux grâce au recours d’hydroliennes. L’énergie solaire, enfin, peut être transformée en électricité à partir de deux procédés : (i) l’effet photovoltaïque (PV) qui permet de convertir la lumière du soleil en énergie électrique et (ii) le procédé thermodynamique (CSP), qui consiste à transformer le flux d’irradiation solaire en chaleur, sous forme de vapeur, utilisée pour produire à son tour de l’électricité. B- L’énergie solaire pour la production d’électricité : technologies et potentialités. 1- L’énergie PV. La lumière est composée de photons et lorsque ces photons pénètrent un matériau semiconducteur, comme le silicium, l’énergie libère des électrons, c’est ce qu’on appelle l’effet photovoltaïque. Les cellules PV constituées de semi-conducteurs permettent en effet d’obtenir directement de l’électricité en courant continu à partir de la lumière du soleil (Labouret, Villoz, 2009). Quatre générations technologiques coexistent, à des stades différents de maturité [cf. tableau 3] : (i) cellules en silicium ; (ii) cellules en couches minces ; (iii) CPV ou photovoltaïque à concentration (Concentrated Photovoltaics) ; et (vi) cellules organiques. Dans le cas du CPV, les rayons lumineux sont concentrés à l’aide de lentilles optiques sur une petite surface PV à haut rendement. Pour fonctionner, le suivi du soleil tout au long de la journée grâce à un système mécanique pivotant est nécessaire. Cette technologie n’est aujourd’hui économiquement viable que dans les zones où l’ensoleillement est très important. Le CPV, à la différence des autres technologies photovoltaïques, est une technologie solaire à concentration.  Tableau 3 – Le stade de maturité des filières PV Les systèmes PV sont composés de cellules, assemblées sous forme de modules qui sont implantés sur des supports de fixation permettant d’assurer la résistance mécanique et l’étanchéité du système. Lorsque le système est connecté, le courant alternatif est injecté sur le réseau de distribution d’électricité. Les applications raccordées au réseau sont soit des systèmes intégrés ou surimposés au bâti, que nous nommerons « Installations photovoltaïques » (IPV), Chapitre 3 – L’énergie solaire au cœur de la transition énergétique « bas carbone » et son mode de déploiement – 96 – pouvant être à usage résidentiel (maisons individuelles, habitats collectifs, etc), industriel (industries agroalimentaires, industries de matériaux de construction, industries mécaniques, chimiques, textiles, etc), agricole ou tertiaire (banques, établissement publics et administratifs, hôtels, piscines couvertes, bains maures, etc), soit des centrales photovoltaïques au sol (CPVS), composées de quantités importantes de modules et posées au sol sur des structures porteuses [cf. photos 1-2]. © Nadia Benalouache – 2013 Photo 1 – IPV surimposée au bâti à Bizerte (Tunisie) © CDER- 2016 Photo 2 – CPVS de Ghardaïa (Algérie) Si le dispositif n’est pas connecté au réseau (systèmes off-grid ou « isolés »), l’électricité est destinée à être consommée sur le lieu de production. Les systèmes autonomes sont le plus souvent associés aux satellites artificiels, aux applications professionnelles (relais de télécommunication, balises maritimes ou aéroportuaires, etc), et à l’électrification rurale. Dans les deux cas, un système de stockage, généralement des batteries, peut être couplé au système.

L’énergie solaire thermodynamique (CSP)

Le principe consiste à concentrer le rayonnement solaire sur un récepteur (absorbeur) qui permet de chauffer à haute température un fluide caloporteur. La concentration optique du rayonnement solaire sur un seul foyer permet en effet d’atteindre des températures élevées. Le fluide caloporteur circulant dans ces tuyaux est ensuite pompé à travers des échangeurs afin de produire de la vapeur surchauffée. Cette chaleur actionnera à son tour une turbine afin de faire tourner un générateur d’électricité, ou sera récupérée pour un procédé industriel comme par exemple dans le cas d’un système solaire intégré à un cycle combiné ou Integrated Solar Combined Cycle (ISCC), le plus souvent des centrales hybrides combinant le gaz naturel et le solaire (centrales hydrides solaire-gaz ou thermosolaires). Il s’agit d’une technologie solaire à concentration, disposée pour le moment sur des structures au sol uniquement. Quatre technologies thermodynamiques existent, qui présentent différentes caractéristiques [cf. tableau 4] : (i) Cylindro-parabolique. Ce système se compose de plusieurs rangées parallèles de miroirs cylindro-paraboliques qui tournent autour d’un axe horizontal permettant aux miroirs de suivre le soleil. Les miroirs peuvent dépasser les 100 m de long, avec Chapitre 3 – L’énergie solaire au cœur de la transition énergétique « bas carbone » et son mode de déploiement – 97 – une surface de 5 à 6 m de diamètre [cf. photo 3] ; (ii) Fresnel. Cette technologie est une variante du principe cylindro-parabolique. Au lieu d’un grand miroir cylindrique, ce sont des ensembles de petits miroirs plans, positionnés côte à côte, qui s’inclinent en fonction de la position du soleil ; (iii) À tour. Dans cette technologie, les rayons du soleil sont renvoyés sur la tour grâce à des miroirs plans et viennent chauffer un fluide qui circule dans la tour. Le fluide est ensuite dirigé vers un système de stockage, ou vers un échangeur où la chaleur chauffe de l’air ou de l’eau, à une température pouvant varier de 600 à 1000°C. Le passage de cet air ou de cette vapeur à haute température dans le groupe turbogénérateur produit de l’électricité [cf. photo 4] ; et (iv) Disques paraboliques (dish-stirling). Dans cette technologie, le système est constitué d’un concentrateur solaire en forme de parabole équipé d’un ensemble de miroirs incurvés. La parabole est placée sur des « trackers » et suit le soleil tout au long de la journée. Elle concentre la radiation sur l’unité d’absorption de chaleur du moteur Stirling, placée au point focal de la parabole. Le moteur Stirling utilise un fluide interne (généralement de l’hydrogène ou de l’hélium) en circuit fermé. Le fluide est chauffé et pressurisé par le récepteur solaire, qui provoque la rotation du moteur, produisant ainsi de l’électricité.