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"Des perspectives prometteuses se font jour pour l’énergie solaire photovoltaïque" par le Prof Peter Saunders

Traduction et compléments de Jacques Hallard
lundi 11 novembre 2013 par Saunders Professeur Peter

ISIS Energie solaire photovoltaïque
Des perspectives prometteuses se font jour pour l’énergie solaire photovoltaïque
Sunny Prospects for Solar Photovoltaic
De mieux en mieux, moins cher et en permanence, avec des variantes encore plus promettesess qui se profilent à l’horizon, le solaire photovoltaïque va garder les lumières allumées à la place de l’énergie nucléaire. Prof Peter Saunders

Rapport de l’ISIS en date du 09/10/2013
Une version entièrement référencée de cet article intitulé Sunny Prospects for Solar Photo voltaic est disponible pour les membres de l’ISIS sur le site http://www.i-sis.org.uk/Sunny_Prospects_for_Solar_PV.php : elle par ailleurs disponible en téléchargement ici
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 La baisse des prix de l’énergie solaire photovoltaïque est typique de celle qui est observée pour les dispositifs semi-conducteurs

Lorsque les cellules solaires ont été développées, il y a près d’un demi siècle, elles étaient chères et pas très efficaces pour convertir la lumière solaire en électricité. Leur application la plus importante a trouvé place dans les satellites, dans lesquels elles étaient la seule source d’énergie possible.

Depuis lors, le prix par watt a tellement baissé que l’énergie solaire photovoltaïque (PV) est très près d’atteindre la parité avec l’électricité qui est fournie par le réseau de distribution, c’est à dire une production d’énergie qui revient au même coût que celui que les entreprises de services publics font payer pour leur combinaison actuelle de diverses sources d’énergie.

En outre, cette baisse des prix montre tous les signes qu’elle va continuer : le coût n’est plus que 10% de ce qu’il était il y a cinq ans [1]. Des pays comme l’Allemagne et le Royaume-Uni, qui ont proposé des subventions pour aider et favoriser la mise en place des installations basées sur l’énergie solaire, sont maintenant entrain de les supprimer car celles-ci n’apparaîssent plus nécessaires.

Il n’est pas étonnant que cela se passe ainsi : les cellules solaires sont basées sur les semi-conducteurs et la physique qui les sous-tend et, chaque année, à peu près tous ces dispositifs sont améliorés, deviennent plus petits et moins chers.

Si vous possédez un smartphone ou téléphone intelligent, vous transportez dans votre poche ou votre sac à main, la puissance de calcul qui aurait autrefois occupé un grand local et coûté des millions de dollars. Comme pour les autres dispositifs à base de semi-conducteurs, nous pouvons être sûrs qu’il y a encore des progrès à attendre quant au prix du photovoltaïque.

  Comment fonctionnent les cellules solaires

Quand un photon frappe un atome, il peut augmenter l’énergie de l’un des électrons et lui permettre de devenir libre, c’est à dire qu’il n’est plus rattaché à cet atome. En soi, cela n’est pas très utile parce que l’électron abandonne bientôt son surplus d’énergie (sous forme de chaleur ou de lumière), retombe en orbite autour d’un noyau et nous nous retrouvons à nouveau à la case départ. Pour obtenir de l’énergie utile à partir d’un système, il faut un courant électrique, c’est à dire qu’il doit y avoir un moyen qui fasse que les électrons libres se déplacent au dehors dans la même direction.

Les cellules solaires les plus communes en usage aujourd’hui sont essentiellement constituées de deux minces cristaux de silicium, l’un des cristaux est dopé avec du phosphore (c’est-à-dire que quelques-uns des atomes de silicium sont remplacés par du phosphore), et l’autre cristal est dopé avec du bore.

Un atome de silicium a quatre électrons dans sa couche externe, tandis que le phosphore à cinq électrons dans sa couche externe et le bore en a seulement trois. Cette différence se traduit par un champ électrique qui s’établit à l’interface entre les deux cristaux, ce qui pousse les électrons dans la direction de la plaquette qui est dopée au phosphore.

Si le circuit est complété par un fil de connexion des deux côtés de la cellule, un courant circule à partir de la plaquette dopée au phosphore vers la plaquette dopée au bore et de l’énergie électrique peut être extraite à partir d’un tel système.

 D’autres cellules lumineuses se profilent à l’horizon

Les cellules de silicium ont fait leurs preuves et elles continuent de s’améliorer, mais elles ont aussi quelques inconvénients. Bien que le silicium soit facilement obtenu - car il est un constituant naturel commun des types de sable - il doit être purifié avec une pureté de 99,9999% pour être utilisé dans les cellules solaires. Par ailleurs, les cristaux de silicium sont difficiles à travailler et les cellules sont relativement encombrantes.

Ainsi, même si l’énorme amélioration dans l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque a presque toute été accomplie en utilisant des plaquettes de silicium, il y a beaucoup de recherches qui sont réalisées sur les cellules solaires à couches minces avec d’autres matériaux. Ces couches constituées d’autres matériaux sont généralement environ d’un μ (un micron, soit un millième de millimètre) d’épaisseur tandis que les plaquettes de silicium ont d’environ 350 μ d’épaisseur.

Les cellules en couches minces que vous êtes le plus susceptible d’avoir vues sont fabriquées à partir de silicium amorphe et (c’est à dire non cristallin) et elles fonctionnent de la même façon que les cellules les plus courantes faites de plaquettes de silicium.

Le silicium amorphe n’est pas très efficace pour convertir l’énergie solaire en électricité et il se trouve principalement dans des dispositifs tels que les calculatrices où la taille est un problème et avec lesquelles une très petite quantité d’énergie seulement est nécessaire.

Deux autres types courants de cellules solaires sont basés sur le tellurure de cadmium (CdTe) et le séléniure de cuivre, indium et gallium (CIGS). Ceux-ci peuvent atteindre environ la même efficacité que les plaquettes de silicium, mais il y a actuellement des problèmes techniques dans la conception et la fabrication, même s’ils sont surmontés à un rythme impressionnant. Il y a aussi des problèmes avec les matières premières dont on a besoin pour les fabriquer. Le cadmium est très toxique et ainsi les cellules solaires à base de CdTe doivent être strictement réglementées, à la fois pour leur utilisation et oour leur recyclage (voir [2] How Green is Solar ? SiS 49) *.

* Version en français : ’Les énergies renouvelables supplantent les énergies fossiles et une transformation radicale des réseaux de distribution d’électricité est en cours’ par le Dr Mae Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article334

Le tellure est commun sur certaines crêtes sous-marines et il est relativement abondant dans l’univers dans son ensemble, mais quelques sources accessibles sont connues, même si c’est peut-être tout simplement parce que ce n’est que récemment qu’il est devenu commercialement important et que les géologues ont commencé à procéder à sa recherche [3].

L’indium, qui est également utilisé dans les écrans des téléviseurs et des téléphones mobiles, est coûteux et relativement rare. Il peut être possible d’augmenter la quantité obtenue en tant que sous-produit du raffinage du zinc, avec lequel il se trouve en général. Travaillant à une solution alternative, un groupe de l’Université d’Oxford est entrain de développer des cellules dans lesquelles l’oxyde d’indium-étain est remplacé par le silicium dopé avec du zinc : il a une conductivité plus faible, mais il est beaucoup moins cher et plus facile à se procurer à la source [4].

Les cellules solaires sensibles à un colorant, [ou cellules à pigment photosensible ou encore cellules Grätzel, souvent désignées de leurs noms en anglais : dye-sensitized solar cell, DSSc, DSC voire DYSC], sont également à couche mince mais elles fonctionnent différemment [5, 6]. L’idée de base est en fait assez simple et vous pouvez même trouver des instructions sur Internet pour en faire une sur la table de la cuisine [7].

Une fine couche d’un colorant organique (du jus de mûre fera l’affaire) est immergée dans un électrolyte, c’est à dire un conducteur liquide, au-dessus d’une électrode transparente. L’électrolyte est une solution qui a un potentiel d’oxydoréduction inférieur à celui du colorant, ce qui signifie que les électrons, qui sont libérés par les photons, frappent le colorant et se déplacent vers le dioxyde de titane, plutôt que vers l’électrolyte. Encore une fois, en reliant les deux côtés de la cellule avec un fil, on permet à un courant de circuler, dans ce cas, à partir du dioxyde de titane vers l’électrode supérieure.

Comme le montre cet exemple, les cellules solaires sensibles à un colorant (DSSC) peuvent être fabriquées à partir de matériaux qui ne sont ni rares ni toxiques. Les matériaux n’ont pas à être hautement purifiés et leur fabrication proprement dite est assez simple : elle peut être faite à une échelle commerciale en imprimant sur une feuille. Le défi est d’ordre pratique et de conception : des cellules solaires sensibles à un colorant (DSSC), sont suffisamment efficaces pour être compétitives avec les autres cellules solaires tout en conservant les avantages de la relative facilité de fabrication et d’un faible coût des matériaux [8].

Un grand pas en avant a été la découverte que les cellules solaires sensibles à un colorant (DSSC) peuvent être faites en utilisant la perovskite, un minéral qui est beaucoup moins cher et plus abondant que les terres rares utilisées dans d’autres cellules à couches minces. La perovskite a été identifiée en 1839, mais ce n’est que récemment que Michael Grätzel et ses collègues de Lausanne ont commencé à l’expérimenter [9].

Les premières cellules de pérovskite étaient peu prometteuses car le matériau est rapidement dégradé par l’électrolyte. Même quand ils ont perduré, elles étaient très inefficaces, en convertissant seulement environ 3,5% de l’énergie du soleil en électricité, par opposition à environ 15% à partir de plaquettes de silicium [9].

Mais les chercheurs ont découvert depuis comment remplacer l’électrolyte liquide par un matériau solide et cela a résolu le problème de sa dégradation rapide. L’efficacité a été portée à 15% et à partir de leurs succès accumulés jusqu’ici et à leur compréhension des processus physiques impliqués, les chercheurs s’attendent à ce que ces cellules puissent égaler l’efficacité des plaquettes de silicium, c’est-à-dire plus de 20% dans des conditions de laboratoire.

Une autre possibilité est d’utiliser le graphène, que ce soit dans les cellules tout en carbone ou en combinaison avec du silicium. Celles-ci en sont encore au stade expérimental, mais elles peuvent se révéler avoir des rendements élevés pour une raison simple : tandis que la plupart des cellules ne fonctionnent que sur une gamme relativement étroite de fréquences (elles collectent l’énergie uniquement à partir de la lumière dans une petite partie du spectre), celles-ci ne sont pas limitées dans la même mesure. ([10]. Graphene and Solar Power for the Masses SiS 59) * .

* Version en français : ’Graphène et énergie solaire pour toutes les populations ’ par le Dr Mae Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article331

Dans le même temps, des améliorations continuent d’être apportées dans les cellules de plaquettes de silicium et, parce que leur technologie est bien établie, elles peuvent très bien rester les plus largement utilisées, au moins pour les prochains temps. Il a également été suggéré que la perovskite peut être utilisée pour augmenter l’efficacité des cellules de silicium, plutôt que d’être utilisée de manière indépendante [9].

 Combien d’énergie le solaire photovoltaïque peut-il fournir ?

Alors que l’amélioration des cellules solaires a été une réussite impressionnante au cours des dernières décennies, elles ne nous indiquent pas ce que nous pouvons attendre d’elles. Quelle part de notre énergie va provenir du photovoltaïque et sous quels délais ? Et quels sont les enjeux pour parvenir à cette proportion ? En 2012, par exemple, la production totale d’électricité au Royaume-Uni était de 363 TWh, soit environ 6.000 kWh pour chaque personne vivant dans le pays ; nous parlons là de très grandes quantités.

Nous pouvons avoir une idée de la quantité d’énergie solaire qui est disponible à partir d’un calcul simple. Le soleil fournit environ 10.000 fois plus d’énergie que la quantité totale qui est commercialisée pour la consommation des êtres humains. [11]. Avec un rendement de 20%, nous aurions besoin de couvrir 0,05% de la surface de la terre avec des panneaux solaires. La surface est d’environ 5 × 108 km2, ce qui voudrait dire environ 250.000 km2, soit environ douze fois la taille du Pays de Galles en Grande Bretagne.

Donc, en principe, nous pourrions obtenir toute l’énergie dont nous avons besoin à partir de l’énergie solaire photovoltaïque. Ce n’est pas vraiment possible, bien sûr. Il y a une limite à la surface de la Terre que nous ne voulons pas couvrir de panneaux solaires, sans oublier que moins de 30% de la surface sont constitués par la terre ferme (en dehors des mers et des océans) et qu’une grande partie de cette surface se trouve à des latitudes relativement élevées au Nord. Et même si nous avions des cellules solaires avec un rendement de 20%, cela ne signifierait pas que nous pourrions récupérer un cinquième de la lumière du soleil qui tombe sur les panneaux solaires. Tout de même, le photovoltaïque PV peut clairement apporter une contribution significative pour la couverture des besoins humains.

L’Association européenne de l’industrie photovoltaïque estime que l’énergie solaire photovoltaïque pourrait fournir jusqu’à un quart de la demande d’électricité de l’Union Européenne (l’électricité est d’environ un cinquième de l’énergie totale) en 2030, avec les obstacles qu’ils considèrent et qui sont surtout d’ordre politique et organisationnel, plutôt que technologique [12 ].

Les organisations de fabricants ont tendance à être un peu optimistes quant à ce que leur industrie peut atteindre et réaliser, mais le calcul présenté ci-dessus nous indique qu’elles sont au moins dans la bonne voie. Et considérant combien les cellules solaires se sont améliorées au cours des 10 ou 20 dernières années, c’est un secteur d’activités où un peu d’optimisme peut être justifié.

 Le photovoltaïque est complémenté

Bien évidemment, les cellules solaires ne génèrent de l’électricité que pendant les heures de lumière du jour et plus en été, quand le soleil est haut dans le ciel, qu’en hiver. Donc, soit il doit y avoir un moyen de stockage de l’énergie, soit il faudra faire appel à une autre source complémentaure, ou encore faire appel aux deux à la fois. .

Bien que des progrès aient été réalisés, le problème du stockage de l’énergie n’a pas encore été résolu. Les batteries sont en cours d’amélioration, mais elles sont encore trop chères et trop volumineuses pour la quantité d’électricité qu’elles peuvent stocker, ce qui est bien sûr aussi un obstacle majeur à la voiture électrique.

Il y a d’autres façons de stocker l’énergie, par exemple en pompant de l’eau en amont lorsqu’il y a plus d’électricité produite que nécessaire ; ensuite l’eau stockée en position haute est mise à couler pour alimenter des turbines quand il y a un manque d’électricité à satisfaire. On peut aussi chauffer des sels fondus ou même de l’eau et récupérer l’énergie lorsque cela est nécessaire. On peut même stocker de l’énergie dans des volants d’inertie (en anglais ‘flywheels’). Tous ces éléments sont déjà en cours d’utilisation, certains en lien avec le chauffage solaire plutôt qu’avec le photovoltaïque PV, mais surtout à des échelles relativement petites.

Une autre solution consiste à utiliser l’énergie du soleil pour décomposer l’eau en hydrogène et oxygène, en reproduisant ainsi le processus naturel de la photosynthèse ([13, ​​14] Splitting Water with Ease, Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis, SiS 43 ) *.

* Version en français : ’La récupération de l’énergie du soleil avec la photosynthèse artificielle’ par le Dr. Mae-Wan Ho ; traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article94&amp ;lang=fr

L’hydrogène peut alors être utilisé partout et chaque fois que cela est nécessaire. Il y a eu des recherches dans ce domaine depuis la crise pétrolière de 1974, mais il y a de sérieux problèmes techniques qui n’ont pas encore été surmontés.

 La transformation du réseau de distribution de l’électricité

Pour l’avenir prévisible, le soleil ne sera pas la seule source pour la fourniture d’électricité pour la plupart des consommateurs, et la solution la plus évidente consiste à utiliser des alternatives lorsque plus d’énergie est nécessaire. Dans les pays développés, les utilisateurs continueront à rester connectés à un réseau, pour leur alimentation en électricité ou pour en injecter le cas échéant.

Le genre de réseau de distribution qui sera nécessaire sera assez différent de celui d’aujourd’hui ; en particulier il y aura beaucoup moins d’électricité qui sera transmise sur de longues distances, à cause des grandes pertes d’énergie que cela entraîne [15] ] (Renewable Ousting Fossil Energy, SiS 60), [16]*.

* Version en français : ’Les énergies renouvelables supplantent les énergies fossiles et une transformation radicale des réseaux de distribution d’électricité est en cours’ par le Dr Mae Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article334

Cela crée déjà des problèmes pour les gestionnaires de réseau, non seulement dans les zones de fort ensoleillement, comme le sud-ouest américain, mais même dans les pays plus au nord comme en Allemagne. L’agence ‘Moody’s investors’ s’exprime ainsi [17] : « Des augmentations importantes dans les énergies renouvelables ont eu un impact profondément négatif sur les prix de l’énergie et sur la compétitivité des entreprises de production thermique en Europe ».

C’est un problème pour les entreprises concernées, mais un avantage pour presque tout le monde, du au fait que la génération d’électricité par le photovoltaïque et la demande de pointe en électricité ont toutes deux leur pic en milieu de journée.

Une équipe de l’Imperial College de Londres a estimé les coûts supplémentaires liés à l’intégration du photovoltaïque PV dans le système d’approvisionnement en électricité en Europe. Ils ont montré qu’installer jusqu’à 480 GW d’ici 2030, est à la fois techniquement réalisable et pas très cher. Le plus grand surcoût serait la capacité de secours dont ils estiment qu’elle serait de 14.5 € / MWh en Europe du Nord, mais beaucoup moins dans le Sud. La plupart des coûts supplémentaires seraient relativement plus faibles lorsque le photovoltaïque PV fournit moins de 10% de l’approvisionnement en électricité.

Cela signifie qu’il y a une dépense relativement modeste dans les premiers stades et par conséquent peu d’investissements seraient gaspillés si la technologie s’améliore au cours des 15 ou 20 prochaines années [18] - encore un autre contraste avec l’énergie nucléaire dans laquelle nous sommes enfermés dans une technologie obsolète, du fait du très fort coût initial.

Dans certaines parties d’Afrique, de nombreuses communautés ne sont pas du tout connectées à un réseau et une grande partie de l’électricité est fournie par des petits producteurs, souvent en utilisant du kérosène comme carburant. Lorsque les panneaux solaires sont installés, les générateurs restent généralement en place, mais ils ne sont désormais maintenus que pour la sauvegarde. Dans ces secteurs géographiques, il peut éventuellement y avoir des réseaux locaux, mais aucun à un échelle régionale, tout comme il n’est pas nécessaire d’aller vers la construction d’un réseau national de téléphonie fixe, très coûteux, alors que tant de personnes utilisent déjà les téléphones mobiles.

La photosynthèse artificielle pourrait être particulièrement importante dans ces secteurs, qui ont également le plus grand ensoleillement et par conséquent la plus grande capacité d’énergie solaire de toutes sortes. D’autres sources d’énergie renouvelables, tels que les digesteurs anaérobies [méthanisation], pourraient aussi être utilisés pour compléter l’énergie solaire photovoltaïque.

 Garder les lumières allumées sans faire appel au nucléaire

Dans le Livre blanc sur l’énergie nucléaire de 2008 [19], le gouvernement britannique a fait remarquer que presque toutes les centrales nucléaires existantes sont prévues pour arrêter la production d’électricité d’ici à 2023. Le nucléaire fournit actuellement environ un sixième de l’électricité du Royaume-Uni [20]. Il est prévu qu’environ un tiers des centrales alimentées au charbon devraient fermer dans les années à venir. Une grande partie de cette capacité de production d’électricité devra être remplacée, et la construction d’un nouveau parc de centrales nucléaires va nous permettre de faire cela sans augmenter les émissions de CO2.

Maintenant, Tchernobyl et Fukushima ont clairement démontré les dangers de l’énergie nucléaire (voir par exemple [21] The Truth about Chernobyl ; [22] Lessons of Fukushima and Chernobyl ; [23] The World Must Take Charge at Fukushima) *.

Voir les versions suivantes en français :

- ’La vérité sur Tchernobyl ’ par le Prof. Peter Saunders. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article63&amp ;lang=fr

- ’Les retombées radioactives de Fukushima rivalisent avec celles de Tchernobyl’ par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article231&amp ;lang=fr

- ’La communauté internationale doit prendre en charge Fukushima’ par le Dr Mae Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article332 ].

De toute façon, le nucléaire n’est pas non plus une option à retenir sur le plan économique : il est prévu que le gouvernement britannique garantisse un prix d’un peu moins 100 £ / MWh pendant les 40 prochaines années et prenne la responsabilité de l’élimination à long terme des déchets et de la quasi-totalité de la responsabilité s’il y a un grave accident.

Même si nous étions prêts à accepter le risque d’un accident grave et à payer un prix aussi élevé pour l’électricité (et d’engager nos enfants et nos petits-enfants à faire de même), il y a une autre question à considérer. Les centrales nucléaires prennent un temps très long pour leur construction. Le premier nouveau réacteur nucléaire pourrait être opérationnel au plus tôt en 2020, et il y aura probablement un retard pour cette échéance. Un nouveau parc nucléaire ne pourrait en rien contribuer à garder les lumières allumées dans le court terme et pas beaucoup plus dans le moyen terme.

En revanche, l’énergie solaire photovoltaïque peut apporter une contribution importante et elle il peut le faire dès maintenant. Le ministère de l’Energie et du Changement Climatique du Royaume-Uni (DECC) estime que 11,3 GW ou plus de l’énergie solaire photovoltaïque pourrait être disponible dans ce pays en 2017, et même une puissance supérieure pourrait être disponible, mais le réseau de distribution actuel aurait beaucoup de difficulté à faire face [24].

Le problème semble donc essentiellement une question de gestion et de stockage plutôt que de génération d’électricité ; si ces problèmes peuvent être surmontés, c’est une puissance d’au moins 22 GW qui pourrait être opérationnelle avant que la première centrale nucléaire de 1,6 GW n’entre en service.

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Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.

Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles. Adresse : 585 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France

Courriel : jacques.hallard921@orange.fr

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