Qu'est-ce que l'énergie solaire ?

L'histoire de l'énergie solaire remonte aux premières civilisations, qui utilisaient des loupes pour concentrer les rayons du soleil afin d'allumer des feux. Cependant, dans son contexte moderne, l'énergie solaire est souvent liée à la découverte de l'effet photovoltaïque, observé pour la première fois en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel.

M. Becquerel a découvert qu'en exposant un matériau semi-conducteur, comme le platine ou l'argent, au rayonnement solaire, un courant électrique se forme. Dans les années 1880, Charles Fritts a étendu les travaux de Becquerel en créant la première cellule solaire. Plusieurs scientifiques ont soutenu les recherches sur l'énergie solaire jusqu'à une percée en 1954, lorsque les laboratoires Bell Labs ont développé la première cellule photovoltaïque en silicium. Aujourd'hui, l'énergie photovoltaïque est le moyen le plus répandu pour exploiter l'énergie solaire.

L'énergie solaire est générée grâce aux réactions nucléaires qui se déroulent au cœur du Soleil. Les protons d'hydrogène entrent en collision et fusionnent pour former de l'hélium, produisant d'énormes quantités d'énergie. Cette énergie rayonne du soleil à travers le système solaire sous la forme d'un spectre d'ondes électromagnétiques, également appelées rayonnement électromagnétique.

L'énergie solaire joue un rôle crucial dans la création et le maintien de la vie sur Terre. Par exemple, l'effet de serre est un phénomène où l'énergie solaire est absorbée par la surface de la Terre et renvoyée dans l'atmosphère. Les gaz à effet de serre, tels que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, retiennent la chaleur, créant une couche d'isolation qui maintient la planète chaude et habitable. Presque toutes les formes de vie dépendent de l'énergie solaire, que ce soit directement, à travers des processus comme la photosynthèse, ou indirectement via la chaîne alimentaire.

Sur Terre, les systèmes solaires photovoltaïques (PV) et les systèmes de concentration d'énergie solaire (CSP) sont utilisés pour convertir la lumière du soleil en d'autres formes d'énergie, telles que l'électricité et l'énergie thermique.

L'énergie photovoltaïque (PV) repose sur l'effet photovoltaïque, un processus dans lequel une tension électrique est générée sous l'effet de la lumière. Un panneau solaire, ou module solaire, est un exemple courant de système photovoltaïque, car il peut contenir plusieurs cellules photovoltaïques (ou cellules solaires). Le nombre de cellules photovoltaïques sur un panneau peut varier d'une seule cellule à plusieurs centaines.

Chaque cellule photovoltaïque contient un semi-conducteur, souvent composé de silicium ou d'autres matériaux semi-conducteurs, qui sont utilisés pour créer un champ électrique. Lorsque la lumière du soleil est absorbée, des électrons sont libérés du semi-conducteur et captés par un courant électrique dirigé vers un dispositif externe. Ce flux d'énergie est considéré comme un courant continu (CC), produisant une électricité proportionnelle à la quantité de lumière solaire reçue. Le courant continu peut ensuite être converti en courant alternatif (CA) grâce à des onduleurs solaires, qui permettent de produire une électricité en courant alternatif à une tension définie.

L'électricité générée par un système de panneaux solaires peut être utilisée immédiatement. L'énergie excédentaire peut être stockée dans une batterie solaire ou envoyée vers le réseau électrique. Les propriétaires peuvent recevoir des crédits d'énergie sur leur facture d'électricité en contrepartie de leur contribution au réseau solaire, un mécanisme appelé comptage net. Les systèmes photovoltaïques sont la méthode de conversion la plus courante pour les applications à petite échelle, comme l'alimentation d'une calculatrice, mais ils peuvent également être dimensionnés pour produire plus d'électricité. Certaines centrales photovoltaïques peuvent ainsi alimenter des villes entières.

L'énergie solaire concentrée (CSP, ou énergie solaire thermique concentrée) utilise des miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur des récepteurs remplis de liquide. Le fluide est chauffé par le soleil, générant de l'énergie thermique sous forme d'eau chaude. Cette énergie est utilisée pour alimenter des moteurs ou faire tourner des turbines qui produisent ensuite de l’électricité qui est acheminée vers des centrales électriques ou pour compléter les réseaux électriques.

La CSP est généralement utilisée pour des applications industrielles et à grande échelle dans les services publics. Les centrales solaires utilisant cette technologie peuvent produire plusieurs centaines de mégawatts (MW) d'énergie électrique par an grâce aux systèmes CSP. Toutefois, la CSP peut également être utilisée à plus petite échelle pour des appareils tels que des fours solaires.

Les systèmes PV et CSP sont tous deux considérés comme des systèmes d'énergie solaire active, car ils utilisent directement des technologies solaires pour produire de l'énergie.

En revanche, les systèmes d'énergie passive reposent sur des approches de conception durable, comme l'architecture solaire, pour exploiter le chauffage et le refroidissement naturels de la Terre. Pendant la journée, le soleil réchauffe la Terre, et les matériaux de construction tels que le bois, le métal et le verre absorbent l'énergie solaire. Lorsque le soleil se couche et que l'atmosphère se refroidit, ces matériaux restituent la chaleur stockée par conduction, convection et radiation.

Les architectes et ingénieurs peuvent tirer parti de cet échange de chaleur pour concevoir des solutions efficaces et économiques pour chauffer et refroidir les bâtiments. Par exemple, peindre un toit en blanc pour réfléchir l'énergie solaire ou installer un solarium pour chauffer naturellement certaines parties d'un bâtiment sont des stratégies de conception passive.

Plusieurs avancées dans le domaine de l'énergie solaire se dessinent sur les plans réglementaire, commercial et technologique à l'échelle internationale. Aux États-Unis, le ministère de l'Énergie collabore étroitement avec l'administration Biden pour réduire les obstacles liés au stockage de l'énergie et renforcer les efforts de décarbonation. Cela survient alors que des États comme la Californie et le Nevada – où des incitations fiscales récompensent les propriétaires optant pour l'énergie solaire – font face à une situation unique : les entreprises solaires voient leurs besoins en énergie dépassés par un excès d'installations solaires.

En Inde, Adani Green Energy a mis en service 1 gigawatt (GW) d'énergie solaire dans le parc photovoltaïque de Khavda, dans l'État du Gujarat, une étape essentielle vers l'objectif de 30 GW de capacité.² En parallèle, Lightsource, une entreprise basée au Royaume-Uni, développe un parc solaire de 560 MW en Grèce, qui deviendra le deuxième plus grand parc solaire d'Europe, derrière celui de Witnitz, dans l'est de l'Allemagne.³

Des réfrigérateurs solaires contribuent à la lutte contre les épidémies de paludisme en Afrique, en stockant les vaccins à des températures sécurisées.⁴ Au Japon, des plans sont en cours pour envoyer de l'énergie solaire depuis l'espace directement vers la Terre d'ici 2025.⁵ Ces innovations sont rendues possibles par la baisse spectaculaire du coût de l’énergie solaire, qui a chuté de 90 % au cours de la dernière décennie, et par le développement des systèmes de stockage d’énergie.⁶