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Les énergies du 21ème siècle

Domestiquer l’énergie solaire


Le Soleil est une source inépuisable d'énergie... Mais inégale selon les régions et intermittente. Il est donc nécessaire de développer des outils performants pour se chauffer et produire de l'électricité en s'adaptant à ces conditions.

Publié le 1 août 2012

Le Soleil est une source inépuisable d’énergie... mais inégale selon les régions et intermittente. Il faut développer des outils performants pour se chauffer et produire de l’électricité en s’adaptant à ces conditions.

L’énergie solaire est disponible partout sur Terre et représente, théoriquement, 900 fois la demande mondiale en énergie. Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2 à 3 kWh par jour en Europe du nord, 4 à 6 kWh en région Provence-Alpes-Côte d’Azur ou sous les tropiques. Les variations saisonnières ne sont que de 20 % dans ces régions, mais beaucoup plus importantes (d’un facteur 2,5) dans les pays du Nord.

L’énergie solaire peut jouer un rôle capital pour une production locale de chaleur et d’électricité, notamment pour l’habitat individuel et collectif, où les besoins sont beaucoup moins massifs que dans l’industrie. L’exploitation de cette énergie peut se faire de trois manières : le solaire thermique, qui transforme directement le rayonnement en chaleur et, pour la production d’électricité, le solaire thermodynamique dit à concentration (Concentrated Solar Powerplant- CSP) et le solaire photovoltaïque.

Dans les années 1970, le CEA s’est impliqué dans les applications thermiques. Il a ainsi mis en œuvre dans le Pacifique les premières maisons, hôpitaux et hôtels solaires au monde. Depuis les années 1980, il continue ses activités dans le domaine thermique pour les bâtiments et a développé des recherches vers le photovoltaïque. Ces activités de recherche se développent aujourd’hui dans le cadre de l’INES.

Modules CPV constitutés de lentilles et de cellules au centre desquelles les rayons du Soleil se concentrent
Modules CPV constitutés de lentilles et de cellules au centre desquelles les rayons du Soleil se concentrent.
© P.Avavian/CEA

L'INES

L’Institut national de l’énergie solaire (INES) a été créé en 2006. Ce projet ambitieux porté par le Conseil général de la Savoie, la Région Rhône-Alpes et le CEA, rassemble des chercheurs du CEA, du CNRS, du Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) et de l’Université de Savoie.
Son objectif ? Promouvoir et développer les énergies solaires en France et devenir un leader européen et une référence mondiale dans ce domaine.

Sur le site de Savoie Technolac, à proximité de Chambéry, l’INES regroupe plus de 250 chercheurs et ingénieurs, formateurs et industriels. Ils sont répartis sur trois plateformes :

- une plateforme « recherche, développement, innovation industrielle » (RDI) qui constitue le cœur des compétences au niveau international,
- une plateforme « démonstration » qui permet de caractériser les matériels et systèmes issus de la plateforme RDI,
- une plateforme « éducation » chargée de quatre missions : l’information, la formation, l’évaluation et la promotion.

L’énergie solaire thermique

Le solaire thermique est aujourd’hui relativement bien maîtrisé en termes technologique et économique. Le principe est simple : des capteurs absorbent les photons solaires et les transforment en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un liquide ou un gaz qui la transporte (on appelle cela un « fluide caloporteur ») vers un réservoir de stockage d’énergie.

Pour en savoir plus sur le Soleil


AnimationLes panneaux solairesAfficher en plein écran
VidéoInstitut National des Energies Solaires (INES)

L’énergie solaire thermique est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau (sanitaire ou piscines) ou des locaux. En Europe, l’eau chaude solaire représente 90 % du marché du solaire thermique. Des chauffe-eau équipent une bonne partie des maisons de certains pays du Sud (Grèce, Israël…) et sont largement diffusés en Allemagne. Les rendements atteignent 30 à 60 %. 4 m2 de capteurs thermiques permettent de répondre aux besoins en eau chaude d’une famille de quatre personnes et 10 m2 assurent le chauffage d’une maison de 100 m2 sous nos latitudes. Son usage est croissant car il permet une autonomie énergétique à un coût modéré, sans nécessité de raccordement au réseau ni de compétences pointues au moment de l’installation.

En 2004, la Chine était le marché le plus actif avec 75 % des nouveaux capteurs solaires installés dans le monde. Au sein de l’INES, une plateforme de R&D pour l’optimisation des systèmes solaires thermiques a été mise en place. Elle développe et caractérise des composants et des systèmes innovants.

ReportageInstitut national de l'énergie solaire (Ines) - Thermique
  • Banc d'essais de capteurs thermiques
    Le banc d'essais de capteurs thermiques comporte une chaufferie centrale, des circuits de distribution, des éléments simulant le fonctionnement d'un habitat. Des logiciels de simulation permettent de normaliser les performances.
    Crédits photo : C.Dupont/CEA / Date : 6 août 2007 / Lieu : Ines Chambéry
    Banc d'essais de capteurs thermiquesAfficher en plein écran
  • Banc d'ensoleillement
    Banc d’ensoleillement artificiel pour test de performances des capteurs solaires thermiques.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 27 avril 2009 / Lieu : Ines Chambéry
    Banc d'ensoleillementAfficher en plein écran
  • Démonstrateur thermodynamique
    Le principe d'une centrale solaire thermodynamique : les rayons solaires arrivent sur des miroirs qui les concentrent sur un caloporteur (ici de l'huile chauffée à 380°C) qui, turbiné, produira de l'électricité.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 27 juin 2012 / Lieu : CEA Cadarache
    Démonstrateur thermodynamiqueAfficher en plein écran
  • Capteurs solaires thermiques
    Démonstrateur thermosolaire sur plan fixe. Dans les capteurs des circuits fermés, l'eau est chauffée directement à 100 °C.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 27 juin 2012 / Lieu : CEA Cadarache
    Capteurs solaires thermiquesAfficher en plein écran
  • Démonstrateur thermodynamique
    Le principe d'une centrale solaire thermodynamique : les rayons solaires arrivent sur des miroirs qui les concentrent sur un caloporteur (ici de l'huile chauffée à 380°C) qui, turbiné, produira de l'électricité.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 27 juin 2012 / Lieu : CEA Cadarache
    Démonstrateur thermodynamiqueAfficher en plein écran
  • Récepteur solaire
    Le principe d'une centrale solaire thermodynamique : les rayons solaires arrivent sur des miroirs qui les concentrent sur un caloporteur (ici de l'huile) qui, turbiné, produira de l'électricité.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 3 août 2012 / Lieu : Ines Chambéry
    Récepteur solaireAfficher en plein écran
  • Miroirs et réflecteurs de la centrale solaire
    Le principe d'une centrale solaire thermodynamique : les rayons solaires arrivent sur des miroirs qui les concentrent sur un caloporteur (ici de l'huile chauffée) qui, turbiné, produira de l'électricité.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 3 août 2012 / Lieu : Ines Chambéry
    Miroirs et réflecteurs de la centrale solaireAfficher en plein écran
Comment marche une cellule photovoltaïque ?
Comment marche une cellule photovoltaïque ?
© DR


L’énergie solaire photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque a l’avantage de convertir directement l’énergie du Soleil en électricité. Les applications ont démarré au début des années 1960, dans des satellites, les produits grand-public comme les montres ou les calculettes. C’est une énergie décentralisée, idéale pour la production d’électricité dans des sites isolés où elle évite d’investir dans des kilomètres de lignes électriques de raccordement au réseau.

Certains scénarios prédisent que le photovoltaïque pourrait devenir, d’ici 40 ou 50 ans, l’une des deux premières sources d’énergie. Le taux de croissance annuelle du marché augmente depuis 15 ans, il était de 40 % en 2007 (4 000 MW installés cette année-là dans le monde). En France, le Grenelle de l’Environnement prévoit une importante contribution du solaire photovoltaïque d’ici 2020. Il constitue une option prometteuse pour pallier la demande croissante de l’habitat à condition d’être économiquement compétitif.

ReportageInstitut national de l'énergie solaire (Ines) - Photovoltaïque
  • Montage de modules photovoltaïques
    Chaîne de montage de modules photovoltaïques.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 27 avril 2009 / Lieu : INES Chambéry
    Montage de modules photovoltaïquesAfficher en plein écran
  • Test de batteries
    Laboratoire de test, de vieillissement accéléré et de caractérisation de batteries au plomb.
    Crédits photo : C.Dupont/CEA / Date : 6 août 2007 / Lieu : INES Chambéry
    Test de batteriesAfficher en plein écran
  • Tests de capteurs solaires
    Maquette de capteurs solaires thermiques et photovoltaïques intégrés en toiture.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 27 avril 2009 / Lieu : INES Chambéry
    Tests de capteurs solairesAfficher en plein écran
  • Cellules solaires photovoltaïques souples
    La fabrication de cellules solaires photovoltaïques souples (préparation des solutions, dépôt sur tournette, évaporation, test sur "soleil") se fait en boîte-à-gant, sous azote. Une fois encapsulées, elles ne sont plus sensibles ni à l'oxygène, ni à l'humidité.
    Crédits photo : C.Dupont/CEA / Date : 6 août 2007 / Lieu : INES Chambéry
    Cellules solaires photovoltaïques souplesAfficher en plein écran
  • Fabrication de wafer photovoltaïque
    Fil diamant pour découpe des cellules photovoltaïques.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 30 octobre 2014 / Lieu : Ines Chambéry
    Fabrication de wafer photovoltaïqueAfficher en plein écran
  • Ligne de fabrication de modules photovoltaïques
    Robot d'assemblage des cellules photovoltaïques en "bandes".
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 24 novembre 2015 / Lieu : Ines Chambéry
    Ligne de fabrication de modules photovoltaïquesAfficher en plein écran
  • Ligne de fabrication de modules photovoltaïques
    Mise en place de la face arrière des modules photovoltaïques.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 24 novembre 2015 / Lieu : Ines Chambéry
    Ligne de fabrication de modules photovoltaïquesAfficher en plein écran
  • Ligne de fabrication de modules photovoltaïques
    Inspection des interconnexions des modules photovoltaïques.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 24 novembre 2015 / Lieu : Ines Chambéry
    Ligne de fabrication de modules photovoltaïquesAfficher en plein écran
VidéoUn chauffe-eau solaire

VidéoBâtiment et énergie


Tout l’enjeu des recherches actuelles est d’améliorer les rendements et de réduire les coûts des cellules photovoltaïques. La conversion de l’énergie lumineuse d’une cellule photovoltaïque est de 15 à 20 %, ce qui compense largement l’énergie mobilisée pour sa fabrication et permet de produire de l’électricité excédentaire. Ces rendements sont en constante amélioration, d’environ 4 % tous les dix ans, en laboratoire avant d’être industrialisés. De fortes ruptures technologiques sont néanmoins indispensables pour réduire encore le coût du kilowatt photovoltaïque et augmenter les performances des systèmes photovoltaïques (cellules, modules, stockage, électronique…). Dans ce cadre, les chercheurs travaillent autour de trois axes :

Amélioration du rendement de conversion de l’énergie lumineuse et abaissement du coût de fabrication des photopiles.

Les recherches en cours visent des rendements de l’ordre de 20 à 25 %, par des technologies qui doivent être économiquement viables pour les industriels. Il s’agit de développer de nouveaux concepts. Le silicium, matériau de base de ces cellules, est présent sur Terre en très grande quantité, dans les forêts ou les plages. Actuellement, 95 % du marché repose sur cette filière. Le silicium utilisé doit être de qualité « électronique », c’est-à-dire de très grande pureté, son élaboration est donc relativement onéreuse. Pour réduire ce coût, les chercheurs étudient plusieurs pistes : utilisation de silicium moins purifié, baisse des quantités nécessaires au fonctionnement de la cellule grâce à des technologies innovantes, mise au point de nouveaux matériaux organiques plastiques ou polymères. Moins chers, dégradables et faciles à manipuler, ceux-ci ouvrent de nouvelles voies dans la conception des cellules, en s’inscrivant dans une logique de développement durable.

Réduction du coût du stockage de l’énergie

(par exemple pour les applications portables).
Si l’électricité produite grâce au solaire photovoltaïque peut être connectée au réseau, elle peut aussi être utilisée sur le site de production. Mais le Soleil n’étant pas toujours disponible (nuit, nuages), il est indispensable de disposer d’un système de stockage permettant de restituer l’énergie dont on a besoin au moment où on le souhaite. C’est le maillon faible du système et il faut améliorer les batteries au plomb actuelles pour que, dans la durée, le stockage soit meilleur. Des batteries nickel-cadmium et surtout lithium-ion sont aussi testées. Ces dernières offrent de meilleurs rendements, une meilleure durée de vie et sont plus adaptées au solaire en terme de compacité. Le CEA contribue au développement de ces batteries et à l’optimisation de leur gestion.

Optimisation de la gestion de l’énergie dans l’habitat, pour pouvoir à terme disposer d’habitats autonomes en énergie.

Des modules produisant à la fois de l’électricité et de la chaleur de manière à combiner le plus efficacement possible la production d’énergie solaire d’origine thermique et photovoltaïque sont développés. En 2008, l’Allemagne cumule 40% et le Japon 25% du solaire photovoltaïque installé dans le monde. Ces deux pays concentrent aussi la moitié de la production mondiale de cellules. Le kWh reste encore onéreux, et sa compétitivité dépend de l’ensoleillement. Raccordé au réseau, il est compris entre 30 et 60 centimes d’euro pour un ratio de 900 heures de soleil par an, moitié moins si le ratio est double. Mais son coût décroît de 5% par an et il deviendra en 2020 compétitif sur 60 à 90% du marché européen. Le photovoltaïque autonome est plus cher car il inclut les moyens de stockage. Le kWh se situe dans une fourchette de 0,75 à 1,5 euro. Dans les pays en voie de développement, ce prix est tout de même compétitif comparé à l’utilisation de groupes électrogènes ou de piles.

AnimationDes habitats intelligentsAfficher en plein écran


La plus grande centrale thermique au monde est située en Californie.

La maison solaire

Le bâtiment représente 46% de la consommation d’énergie finale (énergie livrée au consommateur pour une utilisation finale) en France, environ deux tiers pour le résidentiel et un tiers pour le tertiaire. Ce « poste » est responsable de 25% des émissions de CO2 au niveau national, soit environ 120 millions de tonnes de CO2.
C’est donc une application prioritaire pour l’utilisation de l’énergie solaire.

Maison Solaire
VidéoLa centrale solaire thermique à concentration

Profitant des taux d’ensoleillement du Sud de la France, le groupe Valéco a inauguré fin 2008 la première centrale photovoltaïque au sol, à Lunel dans l’Hérault. Constituée de 6732 modules, elle produit annuellement entre 600 et 750 MWh, ce qui correspond à la consommation moyenne de 242 foyers. EDF Energies nouvelles a construit une centrale du même type à Narbonne, dans l’Aube, de 95 000 modules pour 9,2 GWh par an.


L’énergie solaire à concentration

L’énergie thermique du Soleil permet aussi de produire de l’électricité par voie thermodynamique : la technologie la plus mature industriellement est la concentration de la lumière par des miroirs cylindro-paraboliques. Ce type de miroirs, long d’une centaine de mètres, concentre la chaleur sur un tube récepteur contenant un fluide caloporteur ; le fluide génère ensuite de la vapeur qui est turbinée pour produire de l’électricité. La plus grande centrale thermique au monde est située en Californie ; sa puissance électrique atteint 350 mégawatts.

Il existe une autre technologie : des centaines de miroirs (héliostats) servent à faire converger le rayonnement solaire sur une tour de grande hauteur au sein de laquelle est placée une chaudière. Dans cette chaudière, des liquides caloporteurs vont emmagasiner la chaleur, la transporter vers un réservoir d’eau et échanger leur chaleur avec l’eau qui va se transformer en vapeur et entraîner les turbines pour produire de l’électricité comme dans les centrales thermiques conventionnelles. La puissance de ce type d’installation est de l’ordre de quelques mégawatts à une centaine de mégawatts. En France, à Font-Romeu dans les Pyrénées, le prototype de centrale solaire à tour Themis a été exploité de 1983 à 1986. Sa puissance était de 2,5 MW. Actuellement, 2 000 MW sont en construction et 11 000 MW en projet dans le monde. Des centrales industrielles ont été mises en service en Espagne, notamment près de Séville. Le solaire à concentration (ou Concentrated Solar Power - CSP) représente la technologie la plus probable pour le déploiement massif du solaire en Afrique du Nord. Le coût du kWh est encore élevé, et fonction de l’ensoleillement du site choisi, mais va globalement décroître pour rejoindre celui du kWh issu de l’énergie fossile vers 2020. Le CEA travaille sur certains verrous de la filière (échangeurs de chaleur, gestion, stockage de l’énergie).