Énergie solaire - Solar energy

La source de l'énergie solaire de la Terre : le Soleil

L'énergie solaire est la lumière et la chaleur rayonnantes du soleil qui sont exploitées à l'aide d'une gamme de technologies telles que le chauffage solaire de l'eau , le photovoltaïque , l'énergie solaire thermique , l'architecture solaire , les centrales électriques au sel fondu et la photosynthèse artificielle .

Il s'agit d'une source essentielle d' énergie renouvelable , et ses technologies sont généralement caractérisées comme solaires passives ou solaires actives selon la façon dont elles captent et distribuent l'énergie solaire ou la convertissent en énergie solaire . Les techniques solaires actives comprennent l'utilisation de systèmes photovoltaïques , l'énergie solaire concentrée et le chauffage solaire de l'eau pour exploiter l'énergie. Les techniques solaires passives comprennent l'orientation d'un bâtiment vers le soleil, la sélection de matériaux ayant une masse thermique favorable ou des propriétés de dispersion de la lumière, et la conception d'espaces qui font circuler l'air naturellement .

La grande quantité d'énergie solaire disponible en fait une source d'électricité très attrayante. Le Programme des Nations Unies pour le développement, dans son évaluation mondiale de l'énergie de 2000, a constaté que le potentiel annuel de l'énergie solaire était de 1 575 à 49 837 exajoules (EJ). C'est plusieurs fois plus important que la consommation énergétique mondiale totale , qui était de 559,8 EJ en 2012.

En 2011, l' Agence internationale de l'énergie a déclaré que « le développement de technologies d'énergie solaire abordables, inépuisables et propres aura d'énormes avantages à long terme. Il augmentera la sécurité énergétique des pays en s'appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et principalement indépendante des importations. , améliorer la durabilité , réduire la pollution, réduire les coûts d'atténuation du réchauffement climatique et maintenir les prix des combustibles fossiles plus bas qu'autrement. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des incitations à un déploiement précoce doivent être considérés comme des investissements d'apprentissage ; ils doivent être judicieusement dépensés et doivent être largement partagés".

Potentiel

Environ la moitié de l'énergie solaire entrante atteint la surface de la Terre.
Ensoleillement moyen . La surface théorique des petits points noirs est suffisante pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux de 18 TW grâce à l'énergie solaire.

La Terre reçoit 174  pétawatts (PW) de rayonnement solaire entrant ( insolation ) dans la haute atmosphère . Environ 30% sont réfléchis vers l'espace tandis que le reste est absorbé par les nuages, les océans et les masses terrestres. Le spectre de la lumière solaire à la surface de la Terre est principalement réparti dans les gammes visible et proche infrarouge avec une petite partie dans le proche ultraviolet . La plupart de la population mondiale vit dans des zones avec des niveaux d'ensoleillement de 150 à 300 watts/m 2 , soit 3,5 à 7,0 kWh /m 2 par jour.

Le rayonnement solaire est absorbé par la surface terrestre, les océans – qui couvrent environ 71 % du globe – et l'atmosphère. L'air chaud contenant de l'eau évaporée des océans monte, provoquant la circulation atmosphérique ou la convection . Lorsque l'air atteint une altitude élevée, où la température est basse, la vapeur d'eau se condense en nuages, qui pleuvent sur la surface de la Terre, complétant ainsi le cycle de l' eau . La chaleur latente de la condensation de l'eau amplifie la convection, produisant des phénomènes atmosphériques tels que le vent, les cyclones et les anticyclones . La lumière du soleil absorbée par les océans et les masses continentales maintient la surface à une température moyenne de 14 °C. Par photosynthèse , les plantes vertes convertissent l'énergie solaire en énergie stockée chimiquement, qui produit de la nourriture, du bois et la biomasse dont sont issus les combustibles fossiles.

L'énergie solaire totale absorbée par l'atmosphère terrestre, les océans et les masses continentales est d'environ 3 850 000  exajoules (EJ) par an. En 2002, c'était plus d'énergie en une heure que le monde utilisé en un an. La photosynthèse capte environ 3 000 EJ par an dans la biomasse. La quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la planète est si vaste qu'en un an, elle est environ le double de ce qui sera jamais obtenu à partir de toutes les ressources non renouvelables de la Terre que sont le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l'uranium extrait combinés. ,

Flux solaires annuels & consommation humaine 1
Solaire 3 850 000
Vent 2 250
Potentiel de biomasse ~200
Consommation d'énergie primaire 2 539
Électricité 2 ~67
1 Énergie donnée en Exajoule (EJ) = 10 18 J = 278 TWh  
2 Consommation à partir de l'année 2010

L'énergie solaire potentielle qui pourrait être utilisée par les humains diffère de la quantité d'énergie solaire présente près de la surface de la planète, car des facteurs tels que la géographie, les variations temporelles, la couverture nuageuse et les terres disponibles pour les humains limitent la quantité d'énergie solaire que nous peut acquérir.

La géographie affecte le potentiel d'énergie solaire car les zones plus proches de l' équateur ont une plus grande quantité de rayonnement solaire. Cependant, l'utilisation du photovoltaïque qui peut suivre la position du Soleil peut augmenter considérablement le potentiel d'énergie solaire dans les zones plus éloignées de l'équateur. La variation du temps affecte le potentiel de l'énergie solaire car pendant la nuit, il y a peu de rayonnement solaire à la surface de la Terre que les panneaux solaires peuvent absorber. Cela limite la quantité d'énergie que les panneaux solaires peuvent absorber en une journée. La couverture nuageuse peut affecter le potentiel des panneaux solaires car les nuages ​​bloquent la lumière entrante du soleil et réduisent la lumière disponible pour les cellules solaires.

En outre, la disponibilité des terres a un effet important sur l'énergie solaire disponible, car les panneaux solaires ne peuvent être installés que sur des terres qui sont autrement inutilisées et adaptées aux panneaux solaires. Les toits sont un endroit approprié pour les cellules solaires, car de nombreuses personnes ont découvert qu'elles peuvent ainsi collecter l'énergie directement de leur maison. D'autres zones qui conviennent aux cellules solaires sont les terres qui ne sont pas utilisées pour des entreprises où des centrales solaires peuvent être établies.

Les technologies solaires sont caractérisées comme passives ou actives selon la manière dont elles captent, convertissent et distribuent la lumière solaire et permettent d'exploiter l'énergie solaire à différents niveaux dans le monde, principalement en fonction de la distance à l'équateur. Bien que l'énergie solaire se réfère principalement à l'utilisation du rayonnement solaire à des fins pratiques, toutes les énergies renouvelables, autres que l' énergie géothermique et l' énergie marémotrice , tirent leur énergie directement ou indirectement du Soleil.

Techniques solaires actifs utilisent l' énergie photovoltaïque, l' énergie solaire concentrée , capteurs solaires thermiques , pompes, ventilateurs et à la lumière du soleil de conversion en produits utiles. Les techniques solaires passives comprennent la sélection de matériaux aux propriétés thermiques favorables, la conception d'espaces qui font circuler l'air naturellement et le référencement de la position d'un bâtiment par rapport au soleil. Les technologies solaires actives augmentent l'offre d'énergie et sont considérées comme des technologies du côté de l'offre , tandis que les technologies solaires passives réduisent le besoin de ressources alternatives et sont généralement considérées comme des technologies du côté de la demande.

En 2000, le Programme des Nations Unies pour le développement , le Département des affaires économiques et sociales des Nations Unies et le Conseil mondial de l'énergie ont publié une estimation de l'énergie solaire potentielle qui pourrait être utilisée par les humains chaque année en tenant compte de facteurs tels que l'ensoleillement, la couverture nuageuse et la terre utilisable par l'homme. L'estimation a révélé que l'énergie solaire a un potentiel global de 1 600 à 49 800 exajoules (4,4 × 10 14 à 1,4 × 10 16  kWh) par an (voir tableau ci-dessous) .

Potentiel solaire annuel par région (Exajoules)
Région Amérique du Nord Amérique latine et Caraïbes Europe de l'Ouest Europe centrale et orientale Ex-Union soviétique Moyen-Orient et Afrique du Nord Afrique sub-saharienne Asie Pacifique Asie du sud Asie centralement planifiée Pacifique OCDE
Le minimum 181,1 112,6 25.1 4.5 199,3 412.4 371,9 41,0 38,8 115,5 72,6
Maximum 7 410 3 385 914 154 8 655 11 060 9 528 994 1 339 4 135 2 263
Noter:
  • Le potentiel total annuel d'énergie solaire mondiale s'élève à 1 575 EJ (minimum) à 49 837 EJ (maximum)
  • Les données reflètent les hypothèses relatives à l'éclairement énergétique annuel du ciel, à la clairance moyenne annuelle du ciel et à la superficie des terres disponibles. Tous les chiffres sont donnés en Exajoules.

Relation quantitative du potentiel solaire global par rapport à la consommation mondiale d' énergie primaire :

  • Ratio consommation potentielle vs. actuelle (402 EJ) à l'année : 3,9 (minimum) à 124 (maximum)
  • Ratio de consommation potentielle par rapport à la consommation projetée d'ici 2050 (590–1 050 EJ) : 1,5–2,7 (minimum) à 47–84 (maximum)
  • Ratio de la consommation potentielle par rapport à la consommation projetée d'ici 2100 (880-1 900 EJ) : 0,8-1,8 (minimum) à 26-57 (maximum)

Source : Programme des Nations Unies pour le développement – Évaluation énergétique mondiale (2000)

L'énérgie thermique

Les technologies solaires thermiques peuvent être utilisées pour le chauffage de l'eau, le chauffage des locaux, le refroidissement des locaux et la production de chaleur industrielle.

Adaptation commerciale précoce

En 1878, à l'Exposition universelle de Paris, Augustin Mouchot a réussi à faire la démonstration d'une machine à vapeur solaire, mais n'a pas pu poursuivre le développement à cause du charbon bon marché et d'autres facteurs.

Dessin de brevet de 1917 du capteur solaire de Shuman

En 1897, Frank Shuman , un inventeur, ingénieur et pionnier de l'énergie solaire américain a construit un petit moteur solaire de démonstration qui fonctionnait en réfléchissant l'énergie solaire sur des boîtes carrées remplies d'éther, qui ont un point d'ébullition inférieur à celui de l'eau et étaient équipées à l'intérieur de tuyaux noirs qui à son tour propulsé une machine à vapeur. En 1908, Shuman créa la Sun Power Company avec l'intention de construire de plus grandes centrales solaires. Il a, avec son conseiller technique ASE Ackermann et le physicien britannique Sir Charles Vernon Boys , développé un système amélioré utilisant des miroirs pour refléter l'énergie solaire sur les boîtes collectrices, augmentant la capacité de chauffage dans la mesure où l'eau pouvait désormais être utilisée à la place de l'éther. Shuman a ensuite construit une machine à vapeur à grande échelle alimentée par de l'eau à basse pression, ce qui lui a permis de breveter l'ensemble du système de moteur solaire en 1912.

Shuman a construit la première centrale solaire thermique au monde à Maadi , en Égypte , entre 1912 et 1913. Son usine utilisait des auges paraboliques pour alimenter un moteur de 45 à 52 kilowatts (60 à 70  ch ) qui a pompé plus de 22 000 litres (4 800 imp gal; 5 800 gal US) d'eau par minute du Nil aux champs de coton adjacents. Bien que le déclenchement de la Première Guerre mondiale et la découverte de pétrole bon marché dans les années 1930 aient découragé les progrès de l'énergie solaire, la vision de Shuman et sa conception de base ont été ressuscitées dans les années 1970 avec une nouvelle vague d'intérêt pour l'énergie solaire thermique. En 1916, Shuman fut cité dans les médias prônant l'utilisation de l'énergie solaire, disant :

Nous avons prouvé le profit commercial de l'énergie solaire sous les tropiques et avons plus particulièrement prouvé qu'après épuisement de nos réserves de pétrole et de charbon, la race humaine peut recevoir une énergie illimitée des rayons du soleil.

—  Frank Shuman, New York Times, 2 juillet 1916

Chauffage à l'eau

Chauffe-eau solaires face au soleil pour maximiser le gain

Les chauffe-eau solaires utilisent la lumière du soleil pour chauffer l'eau. Aux latitudes géographiques moyennes (entre 40 degrés nord et 40 degrés sud), 60 à 70 % de la consommation d'eau chaude sanitaire, avec des températures d'eau allant jusqu'à 60 °C (140 °F), peut être fournie par des systèmes de chauffage solaire. Les types de chauffe-eau solaires les plus courants sont les capteurs à tubes sous vide (44 %) et les capteurs plats vitrés (34 %) généralement utilisés pour l'eau chaude sanitaire ; et les collecteurs en plastique non vitrés (21 %) utilisés principalement pour chauffer les piscines.

En 2015, la capacité totale installée des systèmes de chauffe-eau solaires était d'environ 436 gigawatts thermiques (GW th ), et la Chine est le leader mondial dans leur déploiement avec 309 GW th installés, représentant 71 % du marché. Israël et Chypre sont les leaders par habitant dans l'utilisation de systèmes de chauffe-eau solaires avec plus de 90 % des foyers qui les utilisent. Aux États-Unis, au Canada et en Australie, le chauffage des piscines est l'application dominante de l'eau chaude solaire avec une capacité installée de 18 GW th en 2005.

Chauffage, refroidissement et ventilation

Aux États-Unis, les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) représentent 30 % (4,65 EJ/an) de l'énergie utilisée dans les bâtiments commerciaux et près de 50 % (10,1 EJ/an) de l'énergie utilisée dans les bâtiments résidentiels. Les technologies solaires de chauffage, de refroidissement et de ventilation peuvent être utilisées pour compenser une partie de cette énergie.

La maison solaire no 1 du MIT , construite en 1939 aux États-Unis, utilisait un stockage d'énergie thermique saisonnier pour le chauffage toute l'année.

La masse thermique est tout matériau qui peut être utilisé pour stocker de la chaleur – la chaleur du Soleil dans le cas de l'énergie solaire. Les matériaux de masse thermique courants comprennent la pierre, le ciment et l'eau. Historiquement, ils ont été utilisés dans les climats arides ou les régions tempérées chaudes pour garder les bâtiments au frais en absorbant l'énergie solaire pendant la journée et en rayonnant la chaleur stockée vers l'atmosphère plus fraîche la nuit. Cependant, ils peuvent également être utilisés dans des zones tempérées froides pour maintenir la chaleur. La taille et l'emplacement de la masse thermique dépendent de plusieurs facteurs tels que le climat, la lumière du jour et les conditions d'ombrage. Lorsqu'elle est dûment incorporée, la masse thermique maintient les températures de l'espace dans une plage confortable et réduit le besoin d'équipements auxiliaires de chauffage et de refroidissement.

Une cheminée solaire (ou cheminée thermique, dans ce contexte) est un système de ventilation solaire passive composé d'un puits vertical reliant l'intérieur et l'extérieur d'un bâtiment. Au fur et à mesure que la cheminée se réchauffe, l'air à l'intérieur est chauffé, provoquant un courant ascendant qui tire l'air à travers le bâtiment. Les performances peuvent être améliorées en utilisant des vitrages et des matériaux de masse thermique d'une manière qui imite les serres.

Les arbres et les plantes à feuilles caduques ont été promus comme moyen de contrôler le chauffage et le refroidissement solaires. Lorsqu'elles sont plantées du côté sud d'un bâtiment dans l'hémisphère nord ou du côté nord dans l'hémisphère sud, leurs feuilles fournissent de l'ombre pendant l'été, tandis que les branches nues laissent passer la lumière pendant l'hiver. Étant donné que les arbres nus et sans feuilles ombragent 1/3 à 1/2 du rayonnement solaire incident, il existe un équilibre entre les avantages de l'ombrage en été et la perte correspondante de chauffage en hiver. Dans les climats avec des charges de chauffage importantes, les arbres à feuilles caduques ne doivent pas être plantés du côté d'un bâtiment faisant face à l'équateur car ils interfèrent avec la disponibilité solaire hivernale. Ils peuvent cependant être utilisés sur les côtés est et ouest pour fournir un degré d'ombrage estival sans affecter de manière appréciable les gains solaires hivernaux .

Cuisson

Plat parabolique produit de la vapeur pour la cuisson, à Auroville , Inde

Les cuiseurs solaires utilisent la lumière du soleil pour la cuisson, le séchage et la pasteurisation . Ils peuvent être regroupés en trois grandes catégories : les cuiseurs à caisson, les cuiseurs à panneaux et les cuiseurs à réflecteur. Le cuiseur solaire le plus simple est le cuiseur-boîte construit pour la première fois par Horace de Saussure en 1767. Un cuiseur-boîte de base se compose d'un récipient isolé avec un couvercle transparent. Il peut être utilisé efficacement avec un ciel partiellement couvert et atteindra généralement des températures de 90 à 150 °C (194 à 302 °F). Les cuisinières à panneaux utilisent un panneau réfléchissant pour diriger la lumière du soleil sur un récipient isolé et atteindre des températures comparables aux cuisinières en boîte. Les cuisinières à réflecteur utilisent diverses géométries de concentration (plat, auge, miroirs de Fresnel) pour concentrer la lumière sur un récipient de cuisson. Ces cuisinières atteignent des températures de 315 °C (599 °F) et plus, mais nécessitent une lumière directe pour fonctionner correctement et doivent être repositionnées pour suivre le soleil.

Chaleur de processus

Les technologies de concentration solaire telles que les réflecteurs paraboliques, creux et Scheffler peuvent fournir de la chaleur de traitement pour les applications commerciales et industrielles. Le premier système commercial était le Solar Total Energy Project (STEP) à Shenandoah, en Géorgie, aux États-Unis, où un champ de 114 paraboles a fourni 50 % des besoins en chauffage, climatisation et électricité d'une usine de vêtements. Ce système de cogénération connecté au réseau fournissait 400 kW d'électricité plus de l'énergie thermique sous la forme de 401 kW de vapeur et de 468 kW d'eau réfrigérée, et disposait d'un stockage thermique de pointe d'une heure. Les bassins d'évaporation sont des bassins peu profonds qui concentrent les solides dissous par évaporation . L'utilisation de bassins d'évaporation pour obtenir le sel de l'eau de mer est l'une des plus anciennes applications de l'énergie solaire. Les utilisations modernes comprennent la concentration des solutions de saumure utilisées dans l'extraction par lixiviation et l'élimination des solides dissous des flux de déchets.

Les cordes à linge , les étendoirs et les portants sèchent les vêtements par évaporation par le vent et la lumière du soleil sans consommer d'électricité ou de gaz. Dans certains États des États-Unis, la législation protège le « droit de sécher » les vêtements. Les capteurs transpirés non vitrés (UTC) sont des parois perforées exposées au soleil utilisées pour le préchauffage de l'air de ventilation. Les UTC peuvent augmenter la température de l'air entrant jusqu'à 22 °C (40 °F) et fournir des températures de sortie de 45 à 60 °C (113 à 140 °F). La courte période de récupération des capteurs transpirés (3 à 12 ans) en fait une alternative plus rentable que les systèmes de collecte vitrés. En 2003, plus de 80 systèmes d'une surface de collecteur combiné de 35.000 mètres carrés (380 000 pieds carrés) ont été installés dans le monde entier, y compris un 860 m 2 collecteur (9 300 pieds carrés) au Costa Rica utilisé pour les grains de café de séchage et 1 300 m 2 collecteur (14 000 pieds carrés) à Coimbatore , en Inde, utilisé pour le séchage des soucis.

Traitement de l'eau

La distillation solaire peut être utilisée pour rendre potable l' eau saline ou saumâtre . Le premier exemple enregistré de cela était par des alchimistes arabes du 16ème siècle. Un projet de distillation solaire à grande échelle a été construit pour la première fois en 1872 dans la ville minière chilienne de Las Salinas. L'usine, qui avait une surface de collecte solaire de 4 700 m 2 (51 000 pieds carrés), pouvait produire jusqu'à 22 700 L (5 000 gal imp; 6 000 gal US) par jour et fonctionner pendant 40 ans. Les conceptions individuelles d' alambic incluent une pente, une double pente (ou de type serre), une verticale, une conique, un absorbeur inversé, une mèche multiple et un effet multiple. Ces alambics peuvent fonctionner en mode passif, actif ou hybride. Les alambics à double pente sont les plus économiques pour les usages domestiques décentralisés, tandis que les unités actives à effets multiples sont plus adaptées aux applications à grande échelle.

La désinfection solaire de l'eau (SODIS) consiste à exposer des bouteilles en plastique de polyéthylène téréphtalate (PET) remplies d'eau à la lumière du soleil pendant plusieurs heures. Les temps d'exposition varient en fonction du temps et du climat d'un minimum de six heures à deux jours par temps entièrement couvert. Il est recommandé par l' Organisation mondiale de la santé comme une méthode viable pour le traitement de l'eau domestique et le stockage sûr. Plus de deux millions de personnes dans les pays en développement utilisent cette méthode pour leur eau potable quotidienne.

L'énergie solaire peut être utilisée dans un bassin de stabilisation de l'eau pour traiter les eaux usées sans produits chimiques ni électricité. Un autre avantage environnemental est que les algues poussent dans ces étangs et consomment du dioxyde de carbone lors de la photosynthèse, bien que les algues puissent produire des produits chimiques toxiques qui rendent l'eau inutilisable.

Technologie du sel fondu

Le sel fondu peut être utilisé comme méthode de stockage d'énergie thermique pour conserver l'énergie thermique collectée par une tour solaire ou un bac solaire d'une centrale solaire à concentration afin qu'elle puisse être utilisée pour produire de l'électricité par mauvais temps ou la nuit. Cela a été démontré dans le projet Solar Two de 1995 à 1999. Le système devrait avoir un rendement annuel de 99%, une référence à l'énergie retenue en stockant la chaleur avant de la transformer en électricité, par rapport à la conversion directe de la chaleur en électricité. Les mélanges de sels fondus varient. Le mélange le plus étendu contient du nitrate de sodium , du nitrate de potassium et du nitrate de calcium . Il est ininflammable et non toxique et a déjà été utilisé dans l'industrie chimique et métallurgique comme fluide caloporteur. Par conséquent, l'expérience avec de tels systèmes existe dans les applications non solaires.

Le sel fond à 131 °C (268 °F). Il est maintenu liquide à 288 °C (550 °F) dans un réservoir de stockage "froid" isolé. Le sel liquide est pompé à travers des panneaux dans un capteur solaire où l'irradiance focalisée le chauffe à 566 °C (1051 °F). Il est ensuite envoyé dans un ballon de stockage chaud. Celui-ci est si bien isolé que l'énergie thermique peut être utilement stockée jusqu'à une semaine.

Lorsque l'électricité est nécessaire, le sel chaud est pompé vers un générateur de vapeur conventionnel pour produire de la vapeur surchauffée pour une turbine/générateur tel qu'il est utilisé dans n'importe quelle centrale conventionnelle au charbon, au pétrole ou nucléaire. Une turbine de 100 mégawatts aurait besoin d'un réservoir d'environ 9,1 mètres (30 pieds) de haut et 24 mètres (79 pieds) de diamètre pour l'entraîner pendant quatre heures selon cette conception.

Plusieurs centrales électriques à cylindrée parabolique en Espagne et le développeur de tours solaires SolarReserve utilisent ce concept de stockage d'énergie thermique. La centrale de Solana aux États-Unis dispose de six heures de stockage par sel fondu. La centrale de María Elena est un complexe thermo-solaire de 400 MW dans la région d' Antofagasta, au nord du Chili , utilisant la technologie du sel fondu.

La production d'électricité

Certaines des plus grandes centrales solaires au monde : Ivanpah (CSP) et Topaz (PV)

L'énergie solaire est la conversion de la lumière du soleil en électricité , soit directement en utilisant le photovoltaïque (PV), soit indirectement en utilisant l'énergie solaire concentrée (CSP). Les systèmes CSP utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de suivi pour concentrer une grande zone de lumière solaire en un petit faisceau. Le PV convertit la lumière en courant électrique grâce à l' effet photoélectrique .

L'énergie solaire devrait devenir la plus grande source d'électricité au monde d'ici 2050, l'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie solaire concentrée contribuant respectivement à 16 et 11 % de la consommation globale mondiale. En 2016, après une nouvelle année de croissance rapide, le solaire a généré 1,3 % de l'électricité mondiale.

Les centrales solaires commerciales à concentration ont été développées pour la première fois dans les années 1980. La centrale solaire d'Ivanpah de 392 MW , dans le désert de Mojave en Californie, est la plus grande centrale solaire au monde. Parmi les autres grandes centrales solaires à concentration figurent la centrale solaire de 150 MW de Solnova et la centrale solaire de 100 MW d' Andasol , toutes deux situées en Espagne. Le projet solaire Agua Caliente de 250 MW , aux États-Unis, et le parc solaire de Charanka de 221 MW en Inde, sont les plus grandes centrales photovoltaïques au monde . Des projets solaires dépassant 1 GW sont en cours de développement, mais la plupart des panneaux photovoltaïques déployés se trouvent dans de petits panneaux de toiture de moins de 5 kW, qui sont connectés au réseau à l'aide d'un net metering ou d'un tarif de rachat.

Photovoltaïque

50 000
100 000
150 000
200 000
2006
2010
2014
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     L'Europe 
     Asie-Pacifique
     Amériques
     Chine
     Moyen-Orient et Afrique

Croissance mondiale de la capacité photovoltaïque regroupée par région en MW (2006-2014)

Au cours des deux dernières décennies, le photovoltaïque (PV), également connu sous le nom de PV solaire, est passé d'un marché de niche pur d'applications à petite échelle à une source d'électricité grand public. Une cellule solaire est un appareil qui convertit directement la lumière en électricité grâce à l'effet photoélectrique. La première cellule solaire a été construite par Charles Fritts dans les années 1880. En 1931, un ingénieur allemand, le Dr Bruno Lange, a développé une cellule photoélectrique utilisant du séléniure d'argent à la place de l'oxyde de cuivre . Bien que les prototypes de cellules au sélénium aient converti moins de 1 % de la lumière incidente en électricité, Ernst Werner von Siemens et James Clerk Maxwell ont tous deux reconnu l'importance de cette découverte. À la suite des travaux de Russell Ohl dans les années 1940, les chercheurs Gerald Pearson, Calvin Fuller et Daryl Chapin ont créé la cellule solaire en silicium cristallin en 1954. Ces premières cellules solaires coûtaient 286 $ US/watt et atteignaient des rendements de 4,5 à 6 %. En 2012, les rendements disponibles dépassaient 20 % et le rendement maximal du photovoltaïque de recherche dépassait 40 %.

Énergie solaire concentrée

Les systèmes d'énergie solaire à concentration (CSP) utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de suivi pour concentrer une grande surface de lumière solaire en un petit faisceau. La chaleur concentrée est ensuite utilisée comme source de chaleur pour une centrale électrique conventionnelle. Il existe un large éventail de technologies de concentration ; les plus développés sont le creux parabolique, le réflecteur de Fresnel linéaire à concentration, la parabole Stirling et la tour solaire. Diverses techniques sont utilisées pour suivre le Soleil et focaliser la lumière. Dans tous ces systèmes, un fluide de travail est chauffé par la lumière solaire concentrée et est ensuite utilisé pour la production d'électricité ou le stockage d'énergie. Les conceptions doivent tenir compte du risque de tempête de poussière , de grêle ou d'un autre événement météorologique extrême qui peut endommager les surfaces vitrées fines des centrales solaires. Les grilles métalliques permettraient à un pourcentage élevé de lumière solaire d'entrer dans les miroirs et les panneaux solaires tout en évitant la plupart des dommages.

Architecture et urbanisme

L'université de technologie de Darmstadt , en Allemagne, a remporté le Solar Decathlon 2007 à Washington, DC avec cette maison passive conçue pour un climat subtropical humide et chaud.

La lumière du soleil a influencé la conception des bâtiments depuis le début de l'histoire de l'architecture. L'architecture solaire avancée et les méthodes d'urbanisme ont d'abord été employées par les Grecs et les Chinois , qui ont orienté leurs bâtiments vers le sud pour fournir lumière et chaleur.

Les caractéristiques communes de l' architecture solaire passive sont l'orientation par rapport au Soleil, la proportion compacte (un faible rapport surface/volume), l'ombrage sélectif (surplombs) et la masse thermique . Lorsque ces caractéristiques sont adaptées au climat et à l'environnement locaux, elles peuvent produire des espaces bien éclairés qui restent dans une plage de température confortable. La maison Megaron de Socrate est un exemple classique de conception solaire passive. Les approches les plus récentes de la conception solaire utilisent la modélisation informatique reliant les systèmes solaires d'éclairage , de chauffage et de ventilation dans un ensemble de conception solaire intégré. Les équipements solaires actifs tels que les pompes, les ventilateurs et les fenêtres commutables peuvent compléter la conception passive et améliorer les performances du système.

Les îlots de chaleur urbains (ICU) sont des zones métropolitaines dont les températures sont plus élevées que celles du milieu environnant. Les températures plus élevées résultent de l'absorption accrue de l'énergie solaire par les matériaux urbains tels que l'asphalte et le béton, qui ont des albédos plus faibles et des capacités thermiques plus élevées que ceux de l'environnement naturel. Une méthode simple pour contrer l'effet UHI consiste à peindre les bâtiments et les routes en blanc et à planter des arbres dans la région. À l'aide de ces méthodes, un programme hypothétique de « communautés cool » à Los Angeles a prévu que les températures urbaines pourraient être réduites d'environ 3 °C pour un coût estimé à 1 milliard de dollars US, ce qui donne des avantages annuels totaux estimés à 530 millions de dollars US grâce à la réduction de la climatisation. les coûts et les économies de soins de santé.

Agriculture et horticulture

Des serres comme celles-ci dans la municipalité de Westland aux Pays-Bas cultivent des légumes, des fruits et des fleurs.

L'agriculture et l' horticulture cherchent à optimiser le captage de l'énergie solaire pour optimiser la productivité des plantes. Des techniques telles que les cycles de plantation chronométrés, l'orientation des rangs sur mesure, les hauteurs décalées entre les rangs et le mélange de variétés de plantes peuvent améliorer les rendements des cultures. Alors que la lumière du soleil est généralement considérée comme une ressource abondante, les exceptions soulignent l'importance de l'énergie solaire pour l'agriculture. Pendant les courtes saisons de croissance du petit âge glaciaire , les agriculteurs français et anglais ont utilisé des murs de fruits pour maximiser la collecte d'énergie solaire. Ces murs jouaient le rôle de masses thermiques et accéléraient la maturation en gardant les plantes au chaud. Les premiers murs fruitiers ont été construits perpendiculairement au sol et orientés vers le sud, mais au fil du temps, des murs en pente ont été développés pour mieux utiliser la lumière du soleil. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier suggéra même d'utiliser un mécanisme de poursuite pouvant pivoter pour suivre le Soleil. Les applications de l'énergie solaire dans l'agriculture en dehors de la croissance des cultures comprennent le pompage de l'eau, le séchage des cultures, la couvaison des poussins et le séchage du fumier de poulet. Plus récemment, la technologie a été adoptée par les viticulteurs , qui utilisent l'énergie générée par les panneaux solaires pour alimenter les pressoirs à raisins.

Les serres convertissent la lumière solaire en chaleur, permettant la production toute l'année et la croissance (dans des environnements clos) de cultures spéciales et d'autres plantes qui ne sont pas naturellement adaptées au climat local. Les serres primitives ont été utilisées pour la première fois à l'époque romaine pour produire des concombres toute l' année pour l'empereur romain Tibère . Les premières serres modernes ont été construites en Europe au XVIe siècle pour conserver les plantes exotiques rapportées des explorations à l'étranger. Les serres restent une partie importante de l'horticulture aujourd'hui. Des matériaux transparents en plastique ont également été utilisés pour un effet similaire dans les tunnels et les couvertures de rangées .

Transport

Vainqueur du World Solar Challenge 2013 en Australie
Des avions électriques solaires ont fait le tour du monde en 2015

Le développement d'une voiture à énergie solaire est un objectif d'ingénierie depuis les années 1980. Le World Solar Challenge est une course de voitures à énergie solaire semestrielle, où des équipes d'universités et d'entreprises s'affrontent sur 3 021 kilomètres (1 877 mi) à travers le centre de l'Australie, de Darwin à Adélaïde . En 1987, date de sa création, la vitesse moyenne du vainqueur était de 67 kilomètres par heure (42 mph) et en 2007, la vitesse moyenne du vainqueur était passée à 90,87 kilomètres par heure (56,46 mph). Le North American Solar Challenge et le South African Solar Challenge prévu sont des compétitions comparables qui reflètent un intérêt international pour l'ingénierie et le développement de véhicules à énergie solaire.

Certains véhicules utilisent des panneaux solaires pour l'alimentation auxiliaire, comme pour la climatisation, pour garder l'intérieur frais, réduisant ainsi la consommation de carburant.

En 1975, le premier bateau solaire pratique a été construit en Angleterre. En 1995, les bateaux à passagers incorporant des panneaux photovoltaïques ont commencé à apparaître et sont maintenant largement utilisés. En 1996, Kenichi Horie a effectué la première traversée de l'océan Pacifique à l' énergie solaire et le catamaran Sun21 a effectué la première traversée de l'océan Atlantique à l'énergie solaire à l'hiver 2006-2007. Il était prévu de faire le tour du monde en 2010.

En 1974, l'avion sans pilote AstroFlight Sunrise a effectué le premier vol solaire. Le 29 avril 1979, le Solar Riser a effectué le premier vol dans une machine volante à énergie solaire, entièrement contrôlée et transportant un homme, atteignant une altitude de 40 pieds (12 m). En 1980, le Gossamer Penguin a effectué les premiers vols pilotés alimentés uniquement par le photovoltaïque. Cela a été rapidement suivi par le Solar Challenger qui a traversé la Manche en juillet 1981. En 1990, Eric Scott Raymond a volé de la Californie à la Caroline du Nord en utilisant l'énergie solaire. Les développements sont ensuite revenus aux véhicules aériens sans pilote (UAV) avec le Pathfinder (1997) et les conceptions ultérieures, aboutissant à l' Helios qui a établi le record d'altitude pour un avion non propulsé par fusée à 29 524 mètres (96 864 pieds) en 2001. Le Zephyr , développé par BAE Systems , est le dernier d'une gamme d'avions solaires record, effectuant un vol de 54 heures en 2007, et des vols d'un mois ont été envisagés d'ici 2010. À partir de 2016, Solar Impulse , un avion électrique , est fait actuellement le tour du monde. C'est un avion monoplace propulsé par des cellules solaires et capable de décoller par ses propres moyens. La conception permet à l'avion de rester en l'air pendant plusieurs jours.

Un ballon solaire est un ballon noir rempli d'air ordinaire. Lorsque la lumière du soleil brille sur le ballon, l'air à l'intérieur est chauffé et se dilate, provoquant une force de flottabilité ascendante , un peu comme une montgolfière chauffée artificiellement . Certains ballons solaires sont suffisamment grands pour le vol humain, mais leur utilisation est généralement limitée au marché des jouets car le rapport surface/charge utile/poids est relativement élevé.

Production de carburant

Les panneaux solaires à concentration reçoivent une augmentation de puissance. Le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) testera un nouveau système d'énergie solaire à concentration, qui peut aider les centrales électriques au gaz naturel à réduire leur consommation de carburant jusqu'à 20 %.

Les processus chimiques solaires utilisent l'énergie solaire pour entraîner des réactions chimiques. Ces processus compensent l'énergie qui proviendrait autrement d'une source de combustible fossile et peuvent également convertir l'énergie solaire en combustibles stockables et transportables. Les réactions chimiques induites par le soleil peuvent être divisées en thermochimiques ou photochimiques . Une variété de carburants peut être produite par photosynthèse artificielle . La chimie catalytique multiélectronique impliquée dans la fabrication de carburants à base de carbone (tels que le méthanol ) à partir de la réduction du dioxyde de carbone est un défi ; une alternative possible est la production d' hydrogène à partir de protons, bien que l'utilisation de l'eau comme source d'électrons (comme le font les plantes) nécessite de maîtriser l'oxydation multiélectronique de deux molécules d'eau en oxygène moléculaire. Certains ont envisagé de faire fonctionner des centrales solaires à combustible dans les zones métropolitaines côtières d'ici 2050 - la séparation de l'eau de mer fournissant de l'hydrogène à faire passer par des centrales électriques à piles à combustible adjacentes et le sous-produit d'eau pure allant directement dans le système d'eau municipal. Une autre vision implique que toutes les structures humaines recouvrant la surface de la Terre (c'est-à-dire les routes, les véhicules et les bâtiments) effectuent la photosynthèse plus efficacement que les plantes.

Les technologies de production d'hydrogène constituent un domaine important de la recherche chimique solaire depuis les années 1970. Outre l'électrolyse pilotée par des cellules photovoltaïques ou photochimiques, plusieurs procédés thermochimiques ont également été explorés. L'une de ces voies utilise des concentrateurs pour diviser l'eau en oxygène et en hydrogène à des températures élevées (2 300 à 2 600 °C ou 4 200 à 4 700 °F). Une autre approche utilise la chaleur des concentrateurs solaires pour entraîner le reformage à la vapeur du gaz naturel, augmentant ainsi le rendement global en hydrogène par rapport aux méthodes de reformage conventionnelles. Les cycles thermochimiques caractérisés par la décomposition et la régénération des réactifs présentent une autre voie pour la production d'hydrogène. Le procédé Solzinc en cours de développement au Weizmann Institute of Science utilise un four solaire de 1 MW pour décomposer l'oxyde de zinc (ZnO) à des températures supérieures à 1 200 °C (2 200 °F). Cette réaction initiale produit du zinc pur, qui peut ensuite être mis à réagir avec de l'eau pour produire de l'hydrogène.

Méthodes de stockage d'énergie

Stockage d'énergie thermique . L' usine CSP d' Andasol utilise des réservoirs de sel fondu pour stocker l'énergie solaire.

Les systèmes de masse thermique peuvent stocker l'énergie solaire sous forme de chaleur à des températures domestiques utiles pour des durées quotidiennes ou intersaisonnières . Les systèmes de stockage thermique utilisent généralement des matériaux facilement disponibles avec des capacités thermiques spécifiques élevées tels que l'eau, la terre et la pierre. Des systèmes bien conçus peuvent réduire la demande de pointe , déplacer le temps d'utilisation vers les heures creuses et réduire les besoins globaux de chauffage et de refroidissement.

Les matériaux à changement de phase tels que la cire de paraffine et le sel de Glauber sont un autre moyen de stockage thermique. Ces matériaux sont peu coûteux, facilement disponibles et peuvent fournir des températures domestiques utiles (environ 64 °C ou 147 °F). La "Dover House" (à Douvres, Massachusetts ) a été la première à utiliser un système de chauffage au sel de Glauber, en 1948. L'énergie solaire peut également être stockée à haute température à l'aide de sels fondus . Les sels sont un moyen de stockage efficace car ils sont peu coûteux, ont une capacité thermique spécifique élevée et peuvent fournir de la chaleur à des températures compatibles avec les systèmes électriques conventionnels. Le projet Solar Two a utilisé cette méthode de stockage d'énergie, lui permettant de stocker 1,44 térajoules (400 000 kWh) dans son réservoir de stockage de 68 m³ avec une efficacité de stockage annuelle d'environ 99%.

Les systèmes photovoltaïques hors réseau utilisent traditionnellement des batteries rechargeables pour stocker l'excès d'électricité. Avec les systèmes liés au réseau, l'électricité excédentaire peut être envoyée au réseau de transport , tandis que l'électricité du réseau standard peut être utilisée pour combler les lacunes. Les programmes de facturation nette accordent aux systèmes domestiques un crédit pour toute l'électricité qu'ils fournissent au réseau. Ceci est géré en « reculant » le compteur chaque fois que la maison produit plus d'électricité qu'elle n'en consomme. Si la consommation nette d'électricité est inférieure à zéro, le service public reporte alors le crédit de kilowattheure au mois suivant. D'autres approches impliquent l'utilisation de deux compteurs, pour mesurer l'électricité consommée par rapport à l'électricité produite. Ceci est moins courant en raison du coût d'installation accru du deuxième compteur. La plupart des compteurs standard mesurent avec précision dans les deux sens, ce qui rend un deuxième compteur inutile.

L'hydroélectricité à accumulation par pompage stocke l'énergie sous forme d'eau pompée lorsque l'énergie est disponible d'un réservoir d'altitude inférieure à un réservoir d'altitude plus élevée. L'énergie est récupérée lorsque la demande est forte en libérant l'eau, la pompe devenant un générateur d'énergie hydroélectrique.

Développement, déploiement et économie

Des participants à un atelier sur le développement durable inspectent des panneaux solaires à l' Institut de technologie et d'enseignement supérieur de Monterrey, à Mexico, au sommet d'un bâtiment sur le campus.

À partir de l'augmentation de l' utilisation du charbon , qui a accompagné la révolution industrielle , la consommation d'énergie a progressivement évolué du bois et de la biomasse vers les combustibles fossiles . Le développement précoce des technologies solaires à partir des années 1860 était motivé par l'espoir que le charbon deviendrait bientôt rare. Cependant, le développement des technologies solaires a stagné au début du 20e siècle face à la disponibilité, à l'économie et à l'utilité croissantes du charbon et du pétrole .

L' embargo pétrolier de 1973 et la crise énergétique de 1979 ont provoqué une réorganisation des politiques énergétiques dans le monde. Il a attiré une attention renouvelée sur le développement des technologies solaires. Les stratégies de déploiement se sont concentrées sur des programmes incitatifs tels que le Federal Photovoltaic Utilization Program aux États-Unis et le Sunshine Program au Japon. D'autres efforts comprenaient la création d'installations de recherche aux États-Unis (SERI, maintenant NREL ), au Japon ( NEDO ) et en Allemagne ( Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ).

Les chauffe-eau solaires commerciaux ont commencé à apparaître aux États-Unis dans les années 1890. Ces systèmes ont connu une utilisation croissante jusqu'aux années 1920, mais ont été progressivement remplacés par des combustibles de chauffage moins chers et plus fiables. Comme pour le photovoltaïque, le chauffage solaire de l'eau a suscité un regain d'intérêt à la suite des crises pétrolières des années 1970, mais l'intérêt a diminué dans les années 1980 en raison de la chute des prix du pétrole. Le développement du secteur du chauffage solaire de l'eau a progressé régulièrement tout au long des années 90, et les taux de croissance annuels ont été en moyenne de 20 % depuis 1999. Bien que généralement sous-estimés, le chauffage et le refroidissement solaires de l'eau sont de loin la technologie solaire la plus largement déployée avec une capacité estimée à 154 GW. de 2007.

L' Agence internationale de l'énergie a déclaré que l'énergie solaire peut apporter une contribution considérable à la résolution de certains des problèmes les plus urgents auxquels le monde est actuellement confronté :

Le développement de technologies d'énergie solaire abordables, inépuisables et propres aura d'énormes avantages à long terme. Il augmentera la sécurité énergétique des pays en s'appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et pour la plupart indépendante des importations, améliorera la durabilité, réduira la pollution, réduira les coûts d'atténuation du changement climatique et maintiendra les prix des combustibles fossiles plus bas qu'autrement. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des incitations au déploiement précoce devraient être considérés comme des investissements d'apprentissage ; ils doivent être judicieusement dépensés et largement partagés.

En 2011, un rapport de l' Agence internationale de l'énergie a révélé que les technologies de l'énergie solaire telles que le photovoltaïque, l'eau chaude solaire et l'énergie solaire concentrée pourraient fournir un tiers de l'énergie mondiale d'ici 2060 si les politiciens s'engagent à limiter le changement climatique et à passer aux énergies renouvelables . L'énergie du Soleil pourrait jouer un rôle clé dans la décarbonisation de l'économie mondiale, parallèlement à l'amélioration de l'efficacité énergétique et à l'imposition de coûts aux émetteurs de gaz à effet de serre. "La force du solaire réside dans l'incroyable variété et flexibilité des applications, de la petite à la grande".

Nous avons prouvé... qu'une fois nos réserves de pétrole et de charbon épuisées, la race humaine peut recevoir une puissance illimitée des rayons du soleil.

—  Frank Shuman , The New York Times , 2 juillet 1916.

Utilisation par région

L'énergie solaire n'est pas disponible dans toutes les régions, en raison de l'emplacement géographique ou du déploiement et de l'infrastructure. Par exemple, alors que l'Union européenne a installé plus de 130 GW de capacité en 2019, la Chine a atteint plus de 200 GW et les États-Unis plus de 100 GW. La Fondation Desertec a estimé qu'une superficie d'environ 300 x 300 milles dans la région du Sahara serait suffisante pour produire toute l'électricité utilisée dans le monde (sur la base des niveaux de 2005). Des résumés de l'utilisation et de la production d'énergie solaire sont disponibles sur ces pages :

Afrique et Moyen-Orient : Israël , Maroc , Arabie Saoudite , Afrique du Sud , Yémen

Europe : Autriche, Belgique, Bulgarie, République tchèque, Danemark, France, Allemagne, Grèce, Chypre, Italie, Lituanie, Pays-Bas, Pologne, Portugal, Roumanie, Espagne, Suisse, Turquie, Ukraine, Royaume-Uni

Amériques : Canada , États-Unis , Brésil , Chili , Mexique

Asie : Birmanie (Myanmar), Chine , Inde , Japon , Pakistan , Thaïlande

Australie et Nouvelle-Zélande

Normes ISO

L' Organisation internationale de normalisation a établi plusieurs normes relatives aux équipements d'énergie solaire. Par exemple, l'ISO 9050 concerne le verre dans le bâtiment, tandis que l'ISO 10217 concerne les matériaux utilisés dans les chauffe-eau solaires.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires