Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

28 L L L’ ’ ’E E En n ne e er r rg g gi i ie e e S S So o ol l la a ai i ir r r

28 L L L’ ’ ’E E En n ne e er r rg g gi i ie e e S S So o ol l la a ai i ir r re e e : : : P P PV V V & & & C C Co o on n nc c ce e en n nt t tr r ré é é 1. Le gisement solaire e soleil envoie dans l’espace une énergie qui est au niveau de la terre de l’ordre de 1300 W/ m2. Une fois l’atmosphère traversée1, la terre reçoit au niveau du sol à la verticale à midi, dans le cas idéal d’un temps clair et sec, de l’ordre de 1000 W/m2. Au niveau mondial, compte-tenu de l’ensoleillement réel, l’énergie solaire reçue au sol en moyenne annuelle se monte à environ 75 000 GTep2 ou 0,9 milliards de TWh3. Cette énergie représente 6000 fois la consommation mondiale annuelle actuelle d’énergie (12,5 GTep). Au niveau local, l’énergie annuelle reçue sur un plan horizontal va de 500 kWh/m2 à la latitude de la Suède à 2 500 kWh/m2 à la latitude des tropiques, en passant par un ensoleillement moyen en France de 1 300 kWh/m2 (puissance équivalente : 150 W/m2). Cette énergie reçue n’a également pas du tout la même composition -entre rayonnement solaire direct et rayonnement solaire diffus- selon les latitudes: c’est respectivement de l’ordre de 25%-75% en Suède, de 50%-50% en France, et de 75%-25% sous les tropiques. L’enjeu d’une exploitation directe plus massive de ce gisement solaire apparaît encore plus clairement quand on compare les potentialités théoriques brutes des énergies nouvelles plus conventionnelles, elles-mêmes indirectement d’origine solaire, à cette ressource brute (75 000 GTep) : Potentialités mondiales Part ressource solaire Hydraulique 5 GTep 0,0001 Biomasse 100 GTep 0,001 Eolien 1 500 GTep 0,02 Pour la France, le potentiel solaire annuel se monte en moyenne à 700 000 TWh (1 300 kWh/m2 x 550 000 Mm2) ou 60 GTep, ce qui représente plus de 200 fois la consommation nationale en énergie primaire en 2007 (275 MTep) ou plus de 1000 fois la consommation nationale d’électricité (550 TWh). Bien sûr, on ne peut imaginer d’équiper en capteurs solaires qu’une partie du territoire et il faut tenir compte des rendements de conversion, qui vont actuellement selon les besoins à assurer de 10-15% (panneau PV) à 40% (chauffe- eau solaire). Toutefois, l’équipement de 1% de la superficie totale, soit la surface actuelle du bâti (5 500 Mm2), suffirait déjà à couvrir tous nos besoins actuels d’électricité (550 TWh). 1 L’atmosphère en réfléchit et en absorbe une partie. 2 Tep : contenu énergétique d’une tonne de pétrole. 3 1 GTep = 11 630 TWh L 29 2. Les techniques solaires de production d’énergie e rayonnement solaire peut être converti directement en une autre énergie, soit en chaleur (procédés thermodynamiques et thermochimiques), soit en électricité (procédés photovoltaïques), ou soit en énergie chimique, typiquement de l’hydrogène (dissociation de l’eau par photocatalyse ou via une photosynthèse biomimétique) ou plus généralement des combustibles de synthèse, mais cette dernière option est encore très prospective. On pourrait tout à fait inclure dans les techniques solaires toute production de biomasse n’entrant pas en compétition avec l’agriculture et les productions naturelles (ex: forêts) et représentant donc une véritable récupération additionnelle de l’énergie solaire. Les recherches en cours portant sur des cultures industrielles de microalgues vont tout à fait dans ce sens. Cependant, la valorisation énergétique ne sera sans doute qu’une composante de l’économie d’ensemble de ces technologies car le rendement solaire sera à terme au mieux de 5 à 10% (autres composantes : séquestration CO2, molécules organiques élaborées). Pour les procédés classiques, thermiques et électriques, on distingue : les techniques solaires sans concentration du rayonnement, conçues avant tout pour doter les bâtiments, qu’ils soient résidentiels ou professionnels, de sources d’énergies intégrées (toitures, façades), via des capteurs plans fixes (chauffe-eau solaire, réfrigération solaire, panneau PV). Les mêmes panneaux PV sont en général également utilisés pour la génération de puissance dans des fermes photovoltaïques, éventuellement dotés d’un dispositif de suivi du soleil : ils sont alors en compétition avec le PV concentré, qui lui est dédié spécifiquement à la génération de puissance. les techniques solaires avec concentration du rayonnement, via des réflecteurs de formes diverses et mobiles (suivi du soleil), destinées à la génération de puissance électrique (fermes photovoltaïques) ou thermique (chaleur HT utilisée par des centrales solaires spécifiques, thermodynamiques ou thermochimiques, ou valorisée dans des procédés industriels). Parmi toutes les applications possibles, une seule d’entre-elles, les systèmes de chauffe-eau et chauffage solaires de l’habitat, peut être considérée comme mature. Le rendement des systèmes récents est de l’ordre de 40%. Toutes les autres applications à rendements solaires théoriques élevés, le PV non concentré et le solaire concentré, sont à des degrés divers de développement scientifique et technologique. Le PV non concentré est le seul à déjà bénéficier d’un marché en plein essor (+ 40% par an en moyenne), mais cet essor est encore largement tributaire de tarifs de rachats d’électricité subventionnés4. En tout état de cause, les solutions PV directes commercialisées sont encore très loin des potentialités théoriques en rendement et en coûts. D’une part, les matériaux mis en œuvre actuellement ne sont pas du tout encore au niveau de leurs performances en laboratoire et à plus long terme, 2020-2050, l’ingénierie photonique devrait permettre de dépasser largement les limites intrinsèques de rendement de ces matériaux, dues au domaine d’absorption solaire très spécifique de chacun d’eux, en faisant en sorte d’exploiter la totalité du spectre solaire. D’autre part, s’agissant d’un marché encore très jeune, il y a encore d’importantes économies d’échelle en perspective. Le PV concentré se caractérise par la combinaison d’une cellule à très haut rendement (25-30% avec les cellules tri-jonction AsGa) et d’un dispositif intégrant « suivi du soleil » et « concentration solaire » (typiquement 500 soleils), ce qui permet tout à la fois de valoriser pleinement l’énergie solaire concentrée et de réduire au maximum la ponction sur les matières premières (partie active de la cellule PV). Il s’agit d’installations complexes dont le coût unitaire est élevé, et dont l’économie suppose donc un niveau de concentration élevé. 4 En France, le tarif de rachat, garanti pendant 20 ans, se monte actuellement à 32,823 c€ en base, à 45,000 c€ en cas d’intégration simplifiée au bâti (ex : bâtiment agricole) et à 60,176 c€ en cas d’intégration complète au bâti. L 30 Les centrales solaires thermodynamiques utilisent un fluide caloporteur (eau, huile, sels, ...) pour transférer à un générateur d’électricité (turbines conventionnelles à vapeur ou moteurs Stirling) la chaleur HT récoltée. L’hybridation avec une énergie fossile d’appoint (gaz surtout) et l’insertion dans le système d’un stockage de masse permettent de faire face à l'intermittence du solaire (maîtrise de la disponibilité en électricité). Le stockage de masse de l’énergie thermique peut se faire de diverses manières, surtout sous forme de chaleur sensible (bétons, sables, déchets vitrifiés,…) ou sous forme de chaleur latente (sels fondus, paraffines,…). Le stockage de l'énergie sous forme de chaleur est beaucoup moins onéreux que sous forme d’électricité. Le coût d’un stockage thermique dans le béton (350 kWh à 390°C) est estimé à €20 / kWh en investissement et € 0,01 par kWh restitué5 contre respectivement 100 à 150 €/kWh en investissement et 0,15 à 0,30 €/kWh restitué pour des batteries au plomb. Il y a quatre types de centrales solaires thermodynamiques à concentration permettant de produire de l’électricité à l’aide d’un cycle Sterling (systèmes paraboliques) ou d’un cycle Rankine (autres systèmes) et avec des niveaux de concentration spécifiques différents : Les systèmes paraboliques (C = 5 à 10 000 soleils), réservés aux petites puissances (≤ 50 kW), utilisent un miroir parabolique mobile qui concentre l’énergie solaire sur un moteur Stirling placé sur le point focal. Les centrales à tour (C = 1 000 soleils) utilisent un champ composé d’héliostats qui suivent le soleil dans sa course et concentrent ses rayons sur un récepteur central localisé au sommet d’une tour. Le récepteur transmet son énergie thermique à un fluide (eau, sels fondus, air). En France, la centrale à tour Thémis a été exploitée de 1984 à 1986. Les centrales cylindro-paraboliques (C = 50 à 150 soleils) utilisent des rangées parallèles de miroirs de forme cylindro-parabolique qui concentrent les rayons du soleil sur des tubes linéaires contenant un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur, généralement une huile synthétique, est pompé à travers une série d’échangeurs de chaleur pour produire une vapeur à très haute température. Les centrales à concentrateurs linéaires de Fresnel (C = 50 à 100 soleils) sont d’un fonctionnement d’ensemble identique à celui des centrales cylindro-paraboliques, mais utilisent un système optique plus simple, constitué de miroirs plans (plats) proches du sol capables de pivoter en suivant la course du soleil tout en concentrant le rayonnement, via un miroir secondaire, sur un tube récepteur linéaire. Les systèmes pilotes actuels sont tous à production directe de vapeur. Les centrales solaires thermiques à flux très concentré6 (C = 3 000 à 10 000 soleils), qui pourrait notamment uploads/Industriel/ solaire-pv-c 1 .pdf