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Les énergies du XXIe siècle

L'énergie solaire


L’énergie solaire est disponible partout sur Terre et représente, théoriquement, 900 fois la demande mondiale en énergie. Deux modes d’utilisation sont possibles : le solaire thermique et le solaire photovoltaïque. Le CEA s’est impliqué dans le solaire thermique dès les années 1970 et mène des recherches sur le solaire photovoltaïque depuis les années 1980.

Publié le 22 juin 2021

L’énergie solaire est disponible partout sur Terre et représente, théoriquement, 900 fois la demande mondiale en énergie. Mais suivant la météorologie, les saisons et la situation géographique, l’apport journalier en énergie varie de 2-3 kWh en Europe du Nord jusqu’à 4-6 kWh sous les tropiques. 

Deux modes d’utilisation de l’énergie solaire sont possibles

  • Le solaire thermique qui consiste à transformer le rayonnement en chaleur. Celle-ci sera utilisée directement ou convertie en électricité avec une machine de conversion thermodynamique (solaire thermodynamique dit à concentration CSP, pour Concentrated Solar Powerplant) 

  • Le solaire photovoltaïque, soit l’effet photoélectrique qui produit de l’électricité à partir de la lumière. 

Dès les années 1970, le CEA s’est impliqué dans le solaire thermique, en mettant en œuvre dans le Pacifique les premières maisons, hôpitaux et hôtels solaires au monde. Depuis les années 1980, il mène des recherches sur le solaire photovoltaïque. Ces thématiques sont principalement étudiées aujourd’hui à l’Institut national de l’énergie solaire (INES) et à la Cité des énergies.


Le solaire photovoltaïque

C'est quoi la technologie solaire photovoltaïque ?

La technologie solaire photovoltaïque convertit directement l’énergie du Soleil en électricité. Il s’agit d’une des sources d’énergies renouvelables présentant le plus fort potentiel de déploiement et d’extension de parts de marché mondial, malgré son intermittence. L'amélioration continue des performances des composants et des systèmes assure un coût de production de l'électricité compétitif. Elle occupe de ce fait une part croissante dans la fourniture d'électricité bas-carbone aux réseaux. 

LE SAVIEZ-VOUS ?
Les applications du solaire ont démarré en 1954, pour des satellites ou des produits grand-public comme les montres ou les calculettes.
La capacité photovoltaïque installée dans le monde a atteint les 500 GW en 2018 et le niveau du TW devrait être atteint en 2022 ou 2023. Si l’Asie est aujourd’hui le premier marché du photovoltaïque, l’Europe fait un retour sur la scène internationale avec une part de marché d’un peu plus de 10 %, équivalente à celle des Etats Unis. 

En France, pays qui offre le cinquième potentiel d’ensoleillement d’Europe, l’énergie solaire accuse pourtant un retard par rapport à ses voisins. Mais avec la baisse sensible des prix des modules et la volonté politique affichée dans la loi « Énergie-Climat » de 2019, la puissance photovoltaïque installée devrait être multipliée par quatre ou cinq d’ici à 2030.
Pour en savoir plus 
Découvrez notre poster sur les cellules photovoltaïques

Plus de 77 000 installations photovoltaïques ont déjà été raccordées en autoconsommation. 

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Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque © Yuvanoé / CEA

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Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque © Yuvanoé / CEA


Les recherches sur le solaire photovoltaïque

VidéoElise – Ingénieure-Chercheure en photovoltaïque

Les recherches sur le solaire photovoltaïque portent sur l'ensemble de la chaîne de la valeur des composants photovoltaïques : matériau, cellule, module et système. 

  • Viser la haute qualité des matériaux
Le silicium utilisé comme matériau de base des cellules doit être de haute qualité ; les travaux de recherche portent donc sur sa pureté et sa cristallisation ainsi que sur la fabrication des substrats. 

  • Optimiser la production et les coûts
L’objectif est d’améliorer le rendement en gardant un coût modéré. Des architectures alternatives à l’architecture historique (dite à homojonction) sont notamment développées pour dépasser les 20 % de rendement. 

Le CEA a misé en particulier sur la technologie à hétérojonction, qui présente un faible nombre d’étapes de fabrication et une consommation de matière réduite, un potentiel de cadence de production élevé. Une unité représentative d’un pilote de production a ainsi été mise en place à l’Ines, qui a permis un transfert industriel auprès d’un partenaire européen. 

À plus long terme, les recherches visent des rendements dépassant les 30 %, grâce à des technologies en rupture (cellules Tandem silicium-pérovskites). Les cellules sont ensuite assemblées en modules, qui peuvent avoir des puissances unitaires de plusieurs centaines de watts. Les modules sont ensuite intégrés dans des systèmes photovoltaïques dont l’arrangement physique (orientation) et électrique est conçu pour maximiser la production électrique.

Ligne de fabrication de modules photovoltaïques
Ligne de fabrication de modules photovoltaïques. Élément de vision du stringer pour repérer les contours des cellules et la position des busbars (CEA Ines Chambéry) © P.Avavian / CEA

  • Prendre en compte la durabilité
Un panneau solaire a une durée de vie moyenne de 20 à 30 ans. Dans une logique d’économie circulaire, des études pour limiter l’utilisation de matériaux critiques et recycler les composants sont intégrées dans l’approche globale des recherches sur cette filière.  

  • Accompagner les PME françaises
Les chercheurs accompagnent aussi le développement à l’export des PME françaises du solaire, pour la vente de leurs technologies et équipements, ou la réalisation d’usines de modules photovoltaïques clés en main.

  • Développer et optimiser les installations
Les installations de production photovoltaïque ne se limitent pas aux grandes centrales au sol, mais, pour préserver les surfaces agricoles, sont également présentes sur les grandes toitures industrielles ou commerciales et également intégrées dans les bâtiments. À terme, le photovoltaïque deviendra la source majeure de production décentralisée avec les applications dans le bâtiment mais également avec l’intégration dans les routes, le mobilier urbain, ainsi qu’en soutien à la mobilité électrique.

La maison solaire

En France, le bâtiment représente plus de 40 % de la consommation d’énergie finale, devant les transports (25 %) et l’industrie (23 %), et génère, avec 123 millions de tonnes de CO2, plus de 20 % des émissions de gaz à effet de serre par an. L’utilisation de l’énergie solaire est alors un moyen de tendre vers une sobriété énergétique. Les recherches portant sur des bâtiments à énergie positive vont encore plus loin puisque ceux-ci produisent plus d'énergie qu'ils n'en consomment. 

Bâtiments expérimentaux instrumentés
Bâtiments expérimentaux instrumentés (CEA Ines Chambéry) © P.Avavian / CEA
LE SAVIEZ-VOUS ?
Sous nos latitudes, 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.

Le solaire thermique et le solaire thermique à concentration

Comment ça marche le solaire thermique ?

La technologie solaire thermique transforme directement le rayonnement solaire en chaleur. 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. Elle est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau (sanitaires ou piscines) ou des locaux, et ce depuis le début du siècle dernier.

Banc d'ensoleillement artificiel pour tester les performances de capteurs solaires thermiques.
Banc d'ensoleillement artificiel pour test de performances des capteurs solaires thermiques (CEA Ines Chambéry) © L.Chamussy / Sipa / CEA

Les rendements peuvent atteindre jusqu’à 80 %. Ils permettent une autonomie énergétique à un coût modéré, sans nécessité de raccordement au réseau. 

La voie thermodynamique

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 paraboliques longs d’une centaine de mètres. Ils concentrent 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. 

Des projets industriels de grande taille ont été réalisés en Espagne, au Moyen-Orient, en Australie et au Maroc. Dans ces zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermodynamique est amortie au niveau énergétique en 5 mois environ (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage).

VidéoLa centrale solaire thermique à concentration
 
Démonstrateur thermodynamique de la plateforme solaire thermique à concentration
Démonstrateur thermodynamique de la plateforme solaire thermique à concentration (CEA Cadarache) © P.Avavian / CEA

La technologie des héliostats

Une autre technologie utilise des centaines de miroirs (héliostats) pour faire converger le rayonnement solaire sur une tour de grande hauteur, au sein de laquelle est placée une chaudière. Dans cette chaudière fonctionnant à très haute température, des liquides caloporteurs vont transporter la chaleur vers un réservoir d’eau et la transformer en vapeur qui va 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. L’Espagne a inauguré près de Séville la centrale solaire nommée PS10 d'une puissance de 11 MWe. 

Zoom sur 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 Auvergne-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. 

À proximité de Chambéry, sur un site de 22 000 m2, l’INES regroupe environ 350 chercheurs, ingénieurs, formateurs et industriels, répartis sur trois plateformes : 

Pour en savoir plus
 L'essentiel sur... l'énergie solaire
  • 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.

AnimationVisite virtuelle - L'Institut national de l'énergie solaire (INES)Afficher en plein écran