Nous poursuivons la publication en ligne de l’ouvrage consacré aux énergies renouvelables. Ce livre est rédigé par la commission énergie du collectif Toutes Nos Énergies – Occitanie Environnement, il est coordonné par Marcel Caron.
Toutes vos remarques et tous vos commentaires sont les bienvenus. Les auteurs en tiendront compte et les intègreront dans la version finale. (Ici en PDF)
Chapitre 2 Les énergies intermittentes
2ème partie L’énergie solaire
C’est aussi une énergie intermittente, puisque les installations solaires, par définition, ne fonctionnent que pendant la journée, et bien sûr seulement quand il y a du soleil, mais…
Les centrales solaires ont un profil de production beaucoup plus attractif que celui des parcs éoliens, car les consommateurs ont besoin d’énergie surtout pendant la journée (lorsque le soleil brille), alors que le vent qui peut aller et venir à tout moment de la journée est très aléatoire.
L’énergie solaire bénéficie d’un jugement plutôt favorable. Mais surtout, la plus usitée, le photovoltaïque (PV), est vue, par les particuliers, comme une alternative à l’achat de l’électricité à EDF, puisqu’on peut en installer en autoconsommation et donc tendre vers l’autonomie, en couplant cette production avec des moyens de stockage : batterie, ballon d’eau chaude. Et l’Etat leur alloue aussi de larges subventions.
Cette énergie, à l’utilisation, ne pollue pas, n’émet de gaz à effet de serre, mais il n’en est pas de même pour la fabrication et le démantèlement.
Elle a le grand avantage cependant d’être immobile et surtout non bruyante, elle n’a pas d’effets négatifs sur l’environnement pendant son utilisation, contrairement à l’éolien.
L’énergie solaire permet de répondre à deux types de besoins, à savoir essentiellement la production d’électricité et la production de chaleur.
Le solaire thermique
Le plus simple pour récupérer la chaleur du soleil est encore l’utilisation de baies vitrées dans les bâtiments ; elles peuvent apporter une chaleur non négligeable surtout en intersaison.
Fondé sur l’ensoleillement, le solaire thermique utilise les rayons du soleil de manière directe : c’est une énergie renouvelable consistant à produire de la chaleur ou de l’eau chaude à partir de capteurs solaires, le plus souvent posés sur toiture. Le rendement des panneaux est intéressant : il dépasse aisément 50 %.
Donc, pour la production d’eau chaude sanitaire, chacun peut installer chez soi un chauffe-eau solaire qui peut remplacer pendant une bonne partie de l’année un ancien chauffe-eau électrique (ou à gaz). C’est intéressant. Cependant l’installation est encore coûteuse au départ et nécessite une quinzaine d’années d’amortissement.
De plus, il est possible de raccorder cette production au circuit d’un chauffage central (c’est un système solaire combiné), en relève d’une chaudière quelle qu’elle soit, ce qui permet d’économiser l’électricité (ou le fuel, ou le gaz…). Dans ce cas, le panneau solaire thermique chauffe aussi l’eau d’un ballon au travers duquel passe l’eau du chauffage (sur le circuit retour). L’économie d’énergie réalisée dépend de la quantité d’eau stockée dans le ballon, c’est-à-dire de la capacité du réservoir.
Ce qui est possible dans un logement individuel l’est aussi dans des immeubles ou des locaux commerciaux, voire industriels, de quelque taille qu’ils soient…Il est possible d’utiliser aussi le solaire thermique pour des réseaux de chaleur.
Dans certains pays, le stockage inter saisonnier (voir dans notre chapitre sur le stockage de l’énergie) et la relève par gaz ou pompe à chaleur permet d’assurer plus de 60 % des besoins d’un réseau. Il offre l’avantage d’un coût de la chaleur compétitif grâce aux économies d’échelles réalisées.
Les panneaux photovoltaïques (ou capteurs solaires) pour la production d’électricité
Ils sont utilisables à la ville comme à la campagne, en petites (sur un camping-car ou un bateau) ou en grandes installations (au sol, ou sur toitures et parkings de grandes surfaces, sur des ombrières, des toits d’usines ou de bâtiments agricoles…).
Ils résistent au froid et aux intempéries et ont une durée de vie de 20 à 35 ans. Si on ajoute à cela que le coût des installations a fortement baissé du fait de la surproduction en Chine, il ne faut pas s’étonner que beaucoup de particuliers aient adopté cette solution pour leur propre maison, pour leur propre consommation, avec éventuellement revente du surplus de production à EDF, ce qui permet d’amortir les investissements réalisés lors de l’installation.
Cette énergie bénéficie aussi d’aides de l’Etat, ce qui la rend très attractive pour des particuliers. De plus, c’est une énergie silencieuse, contrairement à l’éolien par exemple.
Ce tableau serait quasi idyllique s’il n’y avait quelques inconvénients dont le plus important est l’intermittence.
Inconvénients
Le premier est que les panneaux photovoltaïques voient leurs performances se dégrader avec l’élévation de leur température de surface : la chaleur détériore leurs performances. Plus la température est élevée, plus les photons traversent les cellules photovoltaïques arrachant au passage des électrons aux atomes de silicium et réduisant la production d’électricité. Sous des températures ambiantes de 35 degrés, les cellules peuvent atteindre 80 degrés en surface et perdre jusqu’à 30% de leur rendement. Un panneau photovoltaïque dont la température de surface dépasse 25 degrés perd 0,45% de rendement par degré supplémentaire.
De plus, le soleil ne brille pas de la même manière à Oslo qu’à Ouagadougou. La production n’est possible que pendant la journée (courte ou longue, selon l’endroit où on se trouve et selon les saisons). L’énergie non consommée le jour doit être stockée pour la nuit et pour les moments où le ciel se voile de nuages.
C’est un problème récurrent qui concerne toutes les énergies intermittentes.La solution individuelle de stockage est la batterie, qui est source et occasion de pollution (voir à ce sujet la partie de ce livre qui y est consacrée) et est très chère. D’autres solutions existent (production et stockage de chaleur dans des ballons par exemple), mais restent très partielles et demandent encore des efforts sérieux de recherche et de développement en raison du coût et des problèmes de sécurité.
Pour l’instant, même s’il y a eu des progrès importants, les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles et de l’ordre de 20 %, ce qui constitue un handicap important encore en raison de la surface nécessaire pour leur implantation.
Mais la recherche en cours en Pologne, en Grande-Bretagne et en Suisse permet d’espérer de meilleurs rendements ainsi qu’une baisse des coûts de production grâce à la perovskite (matériau plus écologique (qu’on ne chauffe qu’à 100 °C et pas à 900 !), moins cher que le silicium et donnant de meilleurs rendements), ce qui aurait pour conséquence la miniaturisation progressive despanneaux et un gain appréciable pour la surface d’installation (voir plus loin).
Ce qui est certain, c’est qu’il y a une grande marge de progrès et que contrairement à l’éolien qui, lui, est arrivé à maturité et ne peut gagner en puissance qu’avec l’augmentation de la taille des mâts et des pales, on peut s’attendre à une très grande amélioration dans les années qui viennent.
Par ailleurs, si pendant le temps d’exploitation, le photovoltaïque (PV) n’entraîne pas de pollution, il n’en est pas de même avant et après. Les conditions d’extraction, en Chine ou en Afrique, du silicium et autres métaux lourds (cuivre, chrome, cadmium et tellure) qui sont utilisés pour la fabrication des panneaux photovoltaïques, sont très souvent épouvantables.
En outre, ce sont surtout les centrales au charbon chinoises (très polluantes, rappelons-le) qui sont utilisées pour traiter le silicium qu’il faut chauffer à des températures de 900°C, voire davantage. Enfin, les déchets toxiques des panneaux en fin de vie nécessitent un traitement particulier. Une usine est programmée à cet effet en France, mais combien de temps aura-t-il fallu attendre ?
Les centrales solaires thermodynamiques (appelées aussi «four solaires à concentration »)
Le fonctionnement de ces centralesLes centrales solaires thermodynamiques utilisent une grande quantité de miroirs qui font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauffé à haute température. Pour ce faire, les miroirs réfléchissants doivent suivre le mouvement du soleil afin de capter et de concentrer les rayonnementstout au long du cycle solaire quotidien.
Le fluide produit de l’électricité par le biais de turbines à vapeur ou à gaz. Il existe plusieurs types de centrales solaires thermodynamiques, dont les centrales à miroirs cylindro-paraboliques et leur variante à miroirs de Fresnel, les centrales à tour et enfin les concentrateurs paraboliques Dish-Stirling (du type Font-Romeu, Odeilho dans les Pyrénées Orientales qui est un système de concentration par foyer.
Nous développerons ce seul exemple : les « systèmes de concentration par foyer » : le rayonnement solaire est concentré environ 1 000 fois à destination d’un foyer unique de taille réduite. La température peut atteindre de 500 à 1 000°C. Dans ces centrales à tour: des centaines de miroirs suivant la course du soleil (les « héliostats ») réfléchissent et concentrent le rayonnement solaire sur un récepteur central situé au sommet d’une tour, dans lequel circule le fluide caloporteur. La chaleur du fluide est alors transférée à un cycle classique à vapeur pour générer de l’électricité.
L’électricité produite grâce à l’énergie solaire thermodynamique devrait être compétitive économiquement face aux énergies fossiles d’ici 10 à 15 ans. L’avantage pour ces installations qui peuvent durer de 25 à 40 ans, c’est qu’elles peuvent aussi utiliser la cogénération, c’est-à-dire l’utilisation de la chaleur résiduelle après génération électrique.
De plus, la capacité à stocker de la chaleur rend la production d’électricité moins « saccadée » que laproduction d’électricité photovoltaïque. C’est le cas à Ouarzazate (au Maroc) où la chaleur stockée permet de produire de l’électricité pendant 6 à 7 heures la nuit.
Mais… il faut un ensoleillement direct, pas une irradiation diffuse. Or l’ensoleillement direct français n’est pas suffisant pour envisager des projets substantiels en métropole. C’est donc plus indiqué pour les zones équatoriales et tropicales, encore que pour celles-ci, le manque d’eau peut constituer un handicap : certaines technologies requièrent une grande quantité d’eau à disponibilité, essentiellement pour nettoyer les miroirs.
Selon les estimations, une centrale à concentration thermodynamique à tour d’une puissance de 50 MW consomme 300 000 m3 d’eau par an. Cette double contrainte soleil/eau rend délicat le choix de la localisation de ce type de centrales.En France, c’est tout de même réalisable dans les régions les plus ensoleillées, mais de fait, il y a très peu de réalisations : une à Llo dans les Pyrénées Orientales, et une à Aspres-sur-Buech dans les Hautes Alpes, qui sont en fait des installations expérimentales.
