E. Renouvelables

Transition énergétique : l’avenir radieux de l’énergie solaire

solaire

L’électricité issue des Énergies Renouvelables est-elle, enfin, en train de s’imposer par rapport à celle issue des combustibles fossiles ? Oui, selon une étude du très sérieux Bloomberg New Energy Finance (BNEF) qui montre qu’un tournant a eu lieu il y a deux ans.

C’est en effet en 2013 que, pour la première fois, 143 gigawatts de capacité d’énergies renouvelables électriques ont été ajoutés dans le monde contre 141 gigawatts pour les centrales utilisant des énergies fossiles. Et selon Bloomberg, cette évolution devrait se poursuivre et s’accélérer puisque cette étude table sur une puissance installée renouvelable de 279 gigawatts en 2030, contre seulement 64 gigawatts pour les fossiles… Cette évolution est déjà perceptible puisque le dernier rapport de l’industrie nucléaire mondiale (WNIST) nous apprend qu’en 2014 la part de l’électricité nucléaire est tombée à 12 % au niveau mondial, un niveau deux fois plus faible que la part de l’électricité issue des énergies renouvelables, au niveau mondial, qui s’est élevée la même année à 22 %…

En cinq ans, la puissance solaire photovoltaïque installée a été multipliée par huit dans le monde, passant de 15,8 GW à 136,7 GW. En Allemagne, la capacité installée est passée de 6 GW à 35,7 GW entre 2008 et 2013. On estime que la production d’électricité solaire photovoltaïque dépassera les 110 TWh en 2015. Toutes les études récentes montrent qu’elle va augmenter de manière exponentielle : elle devrait atteindre 275 TWh dès 2020 et, selon la Commission européenne et l’AIE, dépasser les 1000 TWH en 2030 (deux fois la production électrique annuelle de la France) et les 9 000 TWh en 2040. A cette échéance, le solaire pourrait donc couvrir plus du quart de la production mondiale d’électricité, ce qui permettrait en outre de réduire de 10 gigatonnes les émissions de CO2 liées à l’énergie, ce qui correspond à environ 20 % de la totalité des émissions humaines de gaz à effet de serre en 2015, exprimés en équivalent-CO2 (environ 50 gigatonnes).

Partout dans le monde, les projets de production et de stockage d’ énergie solaire, qu’ils soient thermiques ou photovoltaïques, se multiplient et commencent à modifier en profondeur le paysage énergétique mondial. Selon le dernier rapport du Programme des Nations unies pour l’environnement (PNUE), les investissements dans l’ énergie solaire ont progressé de près de 17 % l’an dernier à 270 milliards de dollars (250 milliards d’euros). Cette progression, après deux années de baisse, est portée par la Chine et le Japon, qui ont investi à eux deux 75 milliards de dollars sur le solaire. Toutefois, selon l’Agence internationale de l’Energie, si la part des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) dans le bouquet énergétique mondial est appelée à diminuer inexorablement, elle devrait encore représenter les trois quarts de notre production d’énergie dans 20 ans. Toujours selon ce scenario, qui n’est cependant pas écrit d’avance, les énergies renouvelables (y compris hydraulique et biomasse) ne représenteraient encore qu’un cinquième de la production mondiale globale d’énergie en 2035.

C’est dans ce contexte d’effervescence de l’ énergie solaire que sera prochainement mise en service, en octobre prochain, la centrale solaire « Constantin 1 », à Cestas, en Gironde. Cette installation exceptionnelle sera la plus grande centrale solaire d’Europe, avec une capacité de 300 mégawatts (MW) et produira 350 gigawatts/heure par an, soit l’équivalent de la consommation électrique annuelle de la population de Bordeaux. Cette centrale s’étendra sur 260 hectares – plus de 300 terrains de football – et comptera précisément 983.500 panneaux photovoltaïques.

L’électricité sera revendue à EDF à 102 euros le MWh, un coût qui reste deux fois supérieur à celui du coût moyen actuel du MWh nucléaire (49,5 euros du MWh selon le calcul de la Cour des comptes en 2012) mais qui se rapproche de celui de l’électricité éolienne (82 euros le MWh) et qui pourrait tomber à 70 euros le MWh en 2020, un coût qui serait cette fois inférieur à celui du MWh qui sera produit par le futur EPR de Flamanville… Il reste que ce projet est le seul de cette taille actuellement en construction en France car l’Etat privilégie les projets solaires de moindre envergure, dans le but de limiter les conflits d’usages des grandes surfaces requises avec les activités agricoles.

Pourtant, cette concurrence entre production agricole, élevage et production d’ énergie solaire n’est pas inéluctable et peut être dépassée, comme le montrent plusieurs remarquables expérimentations en cours qui pourraient bien changer la donne dans ce domaine et permettre une accélération décisive de la production massive d’ énergie solaire. A cet égard, il faut évoquer le premier parc « agri-solaire » de 87 hectares, inauguré en juillet 2014 à Ortaffa (Pyrénées-Orientales), qui allie production d’ énergie solaire et développement d’une activité agricole. Ce parc, implanté sur un terrain auparavant composé de friches viticoles, accueille désormais 300.000 panneaux photovoltaïques mais aussi de l’apiculture et de l’élevage ovin, activités qui peuvent aisément cohabiter avec la présence de ces panneaux. Le parc, composé de 300 000 panneaux pour une puissance installée de 25 MWc, permettra de produire 35 millions de kWh. Il permettra d’alimenter chaque année l’équivalent de plus de 15 000 habitants en électricité locale et renouvelable, tout en évitant l’émission de plus de 10 000 tonnes de CO2 dans l’atmosphère, à production équivalente avec des ressources fossiles.

Pour permettre cette complémentarité synergique entre production agricole, élevage et production d’énergie, ce parc unique en son genre a été divisé en dix enclos en fonction des spécificités naturelles et de la topographie des lieux. Les moutons élevés sur le site permettront l’entretien du parc.

Dans le même esprit, le producteur français d’énergie renouvelable Akuo Energy a pour sa part développé le concept d’ »agrinergie » qui associe production d’énergie et activité agricole, et optimise ainsi utilisation de l’espace. Ce concept d’avenir vise également à associer de manière féconde production agricole et solaire sur un même espace. Akuo Energy a convaincu l’Indonésie de la pertinence de son approche en concluant avec ce pays en pleine croissance économique un accord visant à installer à terme 560 MW d’électricité solaire dans des fermes mixtes, également dédiées aux productions agricoles.

En moins de dix ans, ce concept a fait la preuve de son efficacité et s’est développé dans les Antilles, puis en Corse et dans différents pays méditerranéens. Dans cette approche novatrice, la logique est inversée : la structure de production énergétique est choisie en fonction du projet agricole du partenaire et doit permettre de maîtriser les nombreux paramètres qui conditionnent les cultures. Au final, c’est la technologie qui s’adapte à la pratique agricole ou pastorale et non la culture qui doit se plier aux contraintes techniques, ce qui change tout et ouvre d’immenses perspectives – encore inimaginables il y a quelques années – de développement de l’ énergie solaire partout dans le monde, sans que cela entraîne des conflits d’usage sur les terres utilisées.

Outre-Atlantique, où le gigantisme est roi, la plus grande centrale solaire du monde a été connectée en début d’année au réseau électrique en Californie et produit assez d’énergie pour alimenter 160 000 foyers. D’une surface de 25 kilomètres carrés, la ferme solaire Topaz regroupe neuf millions de panneaux solaires, pour une capacité de 550 mégawatts. Cette installation solaire hors-norme constitue une étape importante vers les objectifs de cet État visant à fournir un tiers de l’électricité domestique à partir de sources d’énergies renouvelables d’ici 2020. Cette centrale solaire devrait en outre éviter l’émission d’environ 370 000 tonnes de dioxyde de carbone par an. Un rapport commandé par le gouvernement américain montre que le kWh solaire ainsi produit pourrait devenir moins cher que le kWh issu du gaz d’ici 2018.

Bien entendu, cet essor mondial de l’ énergie solaire est également favorisé par de récentes innovations technologiques qui permettent d’envisager à court et moyen terme des panneaux solaires à la fois plus performants (en terme de rendement), plus faciles à utiliser (cellules plus légères et plus souples) et surtout de moins en moins coûteux à produire. C’est ainsi que, début 2015, une cellule solaire développée conjointement par le CEA-Leti, l’entreprise française Soitec et l’Institut Fraunhofer pour les Systèmes Energétiques Solaires (ISE) en Allemagne, a atteint le rendement record de 46 %. (Voir Soitec).

Ce niveau de conversion exceptionnel a pu être atteint en remplaçant l’utilisation du silicium traditionnel par d’autres semi-conducteurs, classés dans les 3e et 5e colonnes du tableau périodique de Mendeleïev. Ces matériaux ont un rendement meilleur que le silicium. Autre avantage, ce nouveau type de cellule solaire peut être produit à l’aide d’une technologie très bien maîtrisée par l’industrie depuis 20 ans. Ces nouvelles cellules à très haut rendement devraient donc pouvoir être utilisées dans les grandes centrales solaires situées dans les régions bénéficiant d’un fort niveau d’ensoleillement.

Il faut également évoquer les remarquables résultats du laboratoire international « NextPV », qui travaille sur les cellules solaires à très haut rendement associant notamment le Research Center for Advanced Science and Technology (RCAST) de l’Université de Tokyo et le CNRS. NextPV est aujourd’hui capable de produire une nouvelle génération de cellules photovoltaïques qui atteignent un rendement de 44 %, contre 20 % pour les cellules solaires actuelles.

Outre-Rhin, une équipe de recherche de l’Institut pour les Nanomatériaux du Centre Helmholtz de Berlin, dirigée par Silke Christiansen, s’est inspirée de la structure de la fovéa, une petite région située au centre de la rétine de l’œil des mammifères, pour concevoir par biomimétisme une nanostructure composée d’une juxtaposition de micro-entonnoirs parfaitement alignés dans un substrat de silicium. En utilisant une modélisation informatique très puissante, les chercheurs ont réussi à optimiser cette structure jusqu’à ce qu’elle transfère de la manière la plus efficiente possible la lumière dans la couche active d’une cellule solaire en silicium. Résultat : le taux d’absorption de la lumière est amélioré de 65 % par rapport à un film de silicium de la même épaisseur, ce qui permet d’obtenir à l’arrivée un rendement énergétique bien meilleur du système photovoltaïque. En outre, ces structures peuvent être produites à un stade industriel en utilisant les technologies de fabrication actuelles.

Fin 2014, une autre équipe de recherche de l’Université Norvégienne de Sciences et de Technologie a mis au point une nouvelle méthode de fabrication de cellules solaires qui pourrait réduire la quantité de silicium par unité de surface d’environ 90 % par rapport à la norme actuelle, ce qui contribuerait à diminuer fortement le coût de l’ énergie solaire. Les cellules solaires obtenues sont constituées d’un noyau de silicium entouré de verre, qui possède un diamètre d’environ 100 micromètres.

Une autre équipe allemande du célèbre Institut Fraunhofer de recherche appliquée sur les polymères (IAP) de Potsdam a mis au point l’année dernière un nouveau matériau de support pour les cellules solaires en polymères ultraminces et produites par impression. En utilisant un verre spécial produit par l’entreprise Corning Inc, les chercheurs sont parvenus à fabriquer un « sandwich » solaire aussi mince qu’une feuille de papier ayant seulement 100 microns d’épaisseur. Ce nouveau procédé de fabrication ouvre la voie à l’impression de modules solaires par procédé roll-to-roll, comme dans l’impression des journaux ! (Voir Fraunhofer).

Grâce à la combinaison de ces ruptures technologiques, nous disposerons, d’ici seulement quelques années, de cellules solaires photovoltaïques à la fois bien plus performantes qu’aujourd’hui mais également plus légères, plus souples et surtout bien moins coûteuses à produire à un stade industriel. Dès lors, il sera envisageable et même rentable de recouvrir de nombreuses surfaces, aujourd’hui inutilisées, de capteurs photovoltaïques. Ceux-ci pourront être intégrés bien plus facilement, non seulement dans les toits des maisons et bâtiments, mais également dans les façades et vitrages des immeubles, dans nos trottoirs et même dans nos routes ! Science-fiction me direz-vous ! Plus tout à fait. En 2014, des chercheurs et ingénieurs néerlandais ont en effet construit le premier tronçon européen de « route solaire » d’une longueur de 70 mètres.

Située sur une piste cyclable à côté de la ville de Krommenie qui est située dans la périphérie d’Amsterdam, cette section de route a généré, pendant les 6 mois de test, une production électrique de 3000 KWh, ce qui correspond à la consommation électrique globale d’un foyer moyen pendant un an. Concrètement, cette route solaire utilise des capteurs solaires noyés dans un sandwich constitué de verre, de caoutchouc de silicone et de béton. Cette structure lui permet de résister au passage d’un camion de 12 tonnes. Des capteurs solaires composant cette route sont en outre connectés à des bornes intelligentes qui optimisent leur production et acheminent l’électricité jusqu’aux réseaux de distribution. Les ingénieurs travaillent à présent à rendre la structure de cette route solaire encore plus résistante, de manière à ce qu’elle reste efficace pendant au moins 15 ans, durée minimale pour permettre un retour suffisant sur investissement.

Aux Etats-Unis (Voir Solar Roadways), un autre projet-pilote de route solaire est expérimenté depuis 2009 par l’ingénieur Scott Brusaw, avec le soutien de l’état fédéral. Les éléments de cette « Route solaire » sont composés de différentes couches qui assurent à la fois le captage de l’ énergie solaire, le dégivrage éventuel de la chaussée et la signalisation au sol en temps réel. Le verre trempé utilisé peut résister au passage de camions de 100 tonnes et sa surface est anti-dérapante. Chaque dalle solaire utilisée pour cette route peut produire, en moyenne, 7,6 kWh par jour et, selon les calculs de Scott Brusaw, il serait tout à fait possible, en équipant progressivement le réseau autoroutier et routier américain de ce revêtement solaire, de produire de manière propre trois fois la quantité d’électricité que consomment les Etats-Unis, ce qui permettrait également de diminuer des trois quarts les émissions de CO2 américaines. Scott Brusaw espère à présent pouvoir réaliser un premier tronçon de 50 km de route solaire pour en évaluer les performances en utilisation réelle à grande échelle.

Mais produire une électricité solaire abondante et bon marché ne suffit pas. Encore faut-il être capable d’ajuster l’offre à la demande d’énergie et de pallier les inévitables fluctuations de production liées à la nature intermittente de l’ énergie solaire. Là aussi, des innovations technologiques récentes sont en train de changer la donne. La ville de Turlock, située dans la vallée centrale de Californie, a par exemple inauguré en mai 2014 la première centrale solaire couplée à une batterie en flux redox. La technologie a été développée par la société Enervault dont le siège se situe à Sunnyvale dans la baie de San Francisco. Cette centrale de Turlock est constituée d’un ensemble de panneaux photovoltaïques reliés à une batterie en flux redox capable de stocker et de produire 250 kW pendant 4 h (1 MWh). La production d’électricité est utilisée pour alimenter les pompes du système d’irrigation des cultures qui consomment 225 kW pendant les heures d’irrigation.

La production d’électricité est assurée par des panneaux photovoltaïques dont la puissance est limitée à 185 kW en pointe. Le reste de la demande énergétique est assuré par les batteries en flux redox qui permettent d’éviter de recourir au réseau pendant la journée, lorsque le coût du kWh est le plus élevé. Les batteries sont ensuite rechargées sur le réseau pendant la nuit pour bénéficier d’un tarif plus avantageux du kWh. Cette centrale de Turlock est la plus grande installation du genre dans le monde. Elle a permis de valider l’utilisation à grande échelle de la technologie redox Fer-Chrome, dans laquelle les électrolytes sont stockés dans des réservoirs de grande capacité, dont le volume est calculé en fonction de la quantité d’énergie à stocker.

En recourant massivement à l’ énergie solaire et à ce type de technologie de pointe, la Californie s’est fixé l’objectif d’atteindre un tiers de sa production électrique à partir d’énergies renouvelables d’ici à 2020. Mais cet état, conscient du problème lié au stockage massif de l’ énergie solaire, a aussi décidé de se doter d’une capacité de stockage de 1,3 gigawatt installé en 2020, de manière à couvrir la consommation électrique moyenne d’un million de foyers à n’importe quel moment de la journée.

S’agissant de l’énergie produite grâce au solaire thermique, des chercheurs du MIT et de l’Université de Harvard ont présenté, en juin 2014, à l’issue de trois ans de recherche, une technologie innovante permettant de stocker l’ énergie solaire sous forme chimique, afin de la restituer en chaleur plus tard. Concrètement, les molécules d’azobenzènes, enrobées de nanotubes, sont capables, sous l’effet de la chaleur dégagée par le soleil, d’absorber l’énergie et de changer de configuration. La structure particulière de ces molécules fait qu’il est possible d’inverser facilement et rapidement leur état afin de produire de la chaleur, ce qui permet par exemple de chauffer une habitation la nuit avec de l’ énergie solaire ainsi produite. Cette découverte ouvre donc une nouvelle voie vers la conception de nouveaux matériaux solaires thermiques utilisant cette interactivité. En permettant l’utilisation différée de l’énergie produite, cette technique résoudrait une grande partie du problème lié à l’intermittence de l’ énergie solaire.

Signalons également qu’en Espagne, une centrale inaugurée en mai 2012, « Gemasolar », en Andalousie, dispose d’une technologie unique au monde. L’énergie accumulée quand le soleil brille permet de produire encore de l’électricité la nuit ou les jours de pluie. Dans cette centrale à concentration, 2.650 panneaux solaires de 120 mètres carrés chacun, disposés sur un immense cercle de 195 hectares, renvoient la chaleur captée sur une tour centrale. Mais l’innovation de cette installation réside dans son système de stockage : une cuve remplie de sels fondus, à une température supérieure à 500 degrés, ce qui permet de produire de la vapeur en différé (la nuit notamment) pour faire tourner une turbine et fabriquer ainsi l’électricité. Le bilan est très positif : la centrale produit 60 % d’énergie en plus par rapport à une centrale qui n’a pas de système de stockage, car elle peut fonctionner 6 400 heures par an, contre 1 500 heures, en moyenne, pour les installations solaires classiques.

Toujours en Espagne, en 2014, la première centrale du monde associant l’énergie thermosolaire à la biomasse a été mise en service à Les Borges Blanques, dans la province catalane de Lleida. Cette installation de 96 hectares fonctionne grâce à 2688 miroirs paraboliques de 12 mètres de diamètre, qui suivent automatiquement la course du soleil. Lorsqu’elle atteint 393°C, l’huile synthétique logée sous les capteurs produit de la vapeur à haute pression qui fournit de l’électricité via une turbine. La nuit, ou par temps couvert, cette installation unique en son genre utilise également de la biomasse (bois) pour assurer la continuité de la production électrique. Cette centrale, d’une puissance de 25 MW, peut satisfaire la consommation électrique de 27 000 foyers et évite l’émission de 24.500 tonnes de Co2, équivalant à la pollution produite par 100 000 voitures.

Toutes ces innovations technologiques vont permettre à l’ énergie solaire de se fondre partout, y compris dans nos vêtements et nos appareils numériques et vont également entraîner une chute considérable du coût de production du kWh solaire, qui deviendra avant dix ans moins cher que celui issu des fossiles et même du nucléaire nouveau en y introduisant les coûts faramineux de construction des nouveaux réacteurs et de démantèlement des anciens. Il y a quinze ans, le prix d’un panneau solaire était de l’ordre de 4 dollars par watt. Aujourd’hui, il a chuté à 50 cents par watt et, selon l’Agence internationale de l’énergie, il devrait descendre à 25 cents par watt d’ici 2025 et à 15 cents en 2050… La courbe des coûts et des capacités du solaire va bien respecter la Loi de Moore !

Dès à présent, la production massive d’ énergie solaire peut s’avérer parfois moins coûteuse et plus rentable que celle issue des énergies fossiles. Au début de l’année, la société saoudienne ACWA a ainsi fait sensation en remportant un appel d’offres pour construire une centrale solaire de 200 mégawatts à Dubaï qui sera capable de produire de l’électricité à un coût de 6 cents le kilowattheure, inférieur à celui de l’électricité issue du gaz naturel ou du charbon…

Cet avenir radieux de l’ énergie solaire vient par ailleurs d’être également confirmé il y a seulement quelques jours par une étude du MIT, intitulée « L’avenir de l’ énergie solaire » (Voir MIT Energy Initiative). Ce remarquable rapport rappelle que la Terre reçoit en un peu moins d’une heure, sous forme de rayonnement solaire, l’équivalent de toute sa consommation d’énergie pendant un an (environ 160 000 TWh) ! Selon cette étude, l’ énergie solaire est, dans une perspective de quelques décennies, la source la plus appropriée pour satisfaire la soif d’énergie à long terme de la planète, tout en réduisant massivement les émissions humaines de gaz à effet de serre. Ces travaux soulignent également que, même en ne tablant que sur les technologies photovoltaïques actuelles, il est envisageable de réaliser d’ici 2050 suffisamment d’installations solaires pour répondre à la consommation totale d’électricité aux Etats-Unis (de l’ordre de 4 300 TWh par an). Le rapport précise que l’ensemble de ces centrales solaires ne couvrirait, au rendement actuel, que 0,5 % de la superficie des Etats-Unis, soit environ 50 000 km2…

L’Agence internationale de l’énergie (AIE) prévoit qu’en combinant les technologies photovoltaïques et thermodynamiques, l’ énergie solaire pourrait représenter 26 % de la production électrique mondiale d’ici 2050. Les panneaux photovoltaïques pourraient en effet produire 16 % de l’électricité mondiale (soit une puissance totale de 4.600 gigawatts) et les centrales thermiques à concentration des rayons solaires pourraient représenter 11 % de l’électricité produite d’ici 2050 (avec une capacité de 1.000 GW), représentant 6 milliards de tonnes d’émissions de CO2 évitées par an, soit les émissions de CO2 des transports de toute la planète.

Je suis convaincu, pour ma part, que ces prévisions prudentes ont de fortes chances d’être largement dépassées et que le soleil deviendra, au moins en valeur relative, non seulement la première source d’électricité propre et renouvelable mais également la première source globale d’énergie, devant l’ensemble des énergies fossiles, l’éolien et le nucléaire. Il est capital pour l’avenir de l’Humanité que nous nous donnions les moyens de réussir cette transition solaire qui s’annonce car celle-ci constituera sans doute la clé de voûte de la rupture énergétique mondiale qui s’imposera dans ces prochaines décennies et permettra aux hommes de disposer d’une énergie inépuisable, propre et peu coûteuse et de limiter les effets du réchauffement climatique alarmant en cours, en laissant à nos descendants une planète vivable…

Source: fr.ubergizmo.com

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