Le Soleil constitue une énorme source d’énergie dans laquelle nous baignons en permanence.
L’homme a compris depuis longtemps l’intérêt pour lui d’exploiter une telle source de lumière et de chaleur. Toutefois, il a été confronté jusqu’à aujourd’hui aux difficultés de récupérer cette énergie, de la transporter, de la stocker ou de la transformer en électricité : l’exploitation de cette source énergétique est récente et se développe mais reste encore très coûteuse. L’énergie solaire fait partie des
énergies renouvelables. Actuellement, il existe deux voies d’utilisation de l’énergie solaire qui transforment directement le rayonnement en chaleur ou en électricité, respectivement le solaire thermique et le solaire photovoltaïque.
Le CEA s’est particulièrement impliqué lors du premier choc pétrolier, au début des années 1970, dans les applications thermiques. Il a mis en œuvre dans le Pacifique, dès 1978, les premières maisons, hôpitaux et hôtels solaires au monde. Depuis les années 1980, il continue ses activités dans le domaine thermique pour les bâtiments et a orienté ses recherches vers l’énergie solaire photovoltaïque dont il est devenu un acteur majeur.
L'énergie solaire thermique
Panneaux solaires en silicium polycristallin au centre d’études de Cadarache. © CEA-Coulon
L’énergie solaire thermique est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau ou des locaux. On utilise pour cela des capteurs thermiques. Il en existe différentes sortes, mais le principe est toujours le même : le capteur thermique absorbe les photons solaires et les transforme en chaleur. Le matériau qui le constitue doit être fortement absorbant, tel l’oxyde de chrome. Cette chaleur est ensuite transmise à un liquide ou un gaz qui la transporte (et que l’on appelle pour cela “caloporteur”) vers un réservoir de stockage d’énergie. 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 sous nos latitudes. Ce type de technique est, par exemple, utilisé pour les “planchers solaires directs”. Dans ce cas, le caloporteur est directement envoyé dans le plancher des bâtiments à une température de 25 °C environ, constituant un chauffage confortable des habitations.
Focus sur
Pour en savoir plus
L’énergie thermique du Soleil permet aussi de produire de l’électricité par voie
thermodynamique. Cela nécessite des températures importantes (de l’ordre de 1 000 °C) que l’on atteint en concentrant la lumière solaire avec des miroirs. En effet, qui n’a pas fait l’essai, un jour, de brûler un morceau de papier avec un miroir exposé au soleil ? Ce principe, connu depuis l’Antiquité, est utilisé à plus grande échelle. Il existe aujourd’hui des centrales thermodynamiques dans lesquelles des centaines de miroirs (héliostats) servent à faire converger le rayonnement solaire sur une chaudière placée en haut d’une tour. Dans cette chaudière, des liquides caloporteurs vont emmagasiner la chaleur (ils peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés), la transporter vers un réservoir d’eau et échanger leur chaleur avec l’eau. Ainsi chauffée, celle-ci se transforme en vapeur, entraînant une turbine 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 ; pour comparaison, une centrale nucléaire fournit une puissance de 1 000 mégawatts électriques. Un prototype de centrale à tour a été construit en France sur le site de Targasonne, dans les Pyrénées, au début des années 80 et fut exploité de 1983 à 1986. Des centrales avec des collecteurs cylindro-paraboliques existent à l’échelle industrielle ; dans ce cas, le rayonnement solaire est concentré sur un axe où le caloporteur est chauffé à plusieurs centaines de degrés.
Cette technologie est utilisée dans la plus grande centrale thermique solaire au monde, située en Californie, dont la puissance électrique atteint 150 mégawatts.
Une centrale solaire en Californie pour l’utilisation thermodynamique du rayonnement solaire.
© EyeWire
Une production d’énergie “propre”, illimitée, et présente sur toutes les régions du monde.
L'énergie solaire photovoltaïque
L’intérêt de cette technique est de convertir l’énergie du Soleil directement en électricité. Cette conversion, appelée “effet photovoltaïque” a été découverte dès 1839 par
Edmond Becquerel (1820-1891), mais ce n’est qu’en 1954 qu’apparut la première cellule photovoltaïque, ou photopile, à haut rendement (6 % ; les rendements actuels sont de l’ordre de 15 %).
Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, produits à partir d’une matière première de très grande pureté : la qualité “électronique” est de 10 milliardièmes de taux d’impuretés !
Actuellement, et pour longtemps encore, un tiers de la population mondiale n’a pas accès à l’électricité, or le Soleil est partout. C’est pourquoi cette technique pourrait constituer une solution pour des applications peu consommatrices d’énergie : par exemple, dans les régions rurales, pour l’éclairage, pour alimenter les pompes à eau, les réfrigérateurs, les téléviseurs, etc.
On distingue deux marchés naissants, mais en croissance très rapide :
- les applications autonomes, où l’énergie est produite, stockée et utilisée en un lieu unique,
- et l’application connectée au réseau, appelée souvent “toit photovoltaïque”.
La première application, la plus répandue, est apparue dans le domaine spatial pour les satellites puis les télécommunications, le balisage maritime et aérien, les bornes d’arrêt d’urgence, l’éclairage domestique, l’audiovisuel et le pompage de l’eau. Mais comme le Soleil n’est pas présent 24 heures sur 24, cette application nécessite l’utilisation de batteries qui assurent le stockage de l’énergie en vue d’une consommation hors période d’ensoleillement.
Au CEA, des recherches sont menées en particulier sur les batteries au plomb, dérivées des accumulateurs d’automobiles. Les travaux portent notamment sur la durée de vie des batteries, pour l’instant largement inférieure à celle des cellules photovoltaïques (respectivement de l’ordre de dix et trente ans).
La seconde application, avec connexion au réseau, consiste à construire, avec des modules photovoltaïques, des toits et façades de bâtiments et maisons produisant de l’électricité qui sera soit consommée sur place soit injectée dans le réseau.
Au CEA, des modules produisant à la fois de l’électricité et de la chaleur pour chauffer les maisons sont en cours de développement.
En résumé, le Soleil constitue une source d’énergie propre et (presque !) inépuisable, donc promise à un bel avenir mais encore très coûteuse. Sans doute arriverons-nous à maîtriser cette énergie avant que la source ne se tarisse, dans environ 5 milliards d’années… En effet, le moment viendra où, à court d’hydrogène, le Soleil brûlera de l’hélium pour le transformer en carbone. Mais le processus n’ira pas plus loin : la température ne permettra pas de poursuivre cette alchimie stellaire jusqu’à la réduction du cœur en fer. Alors, la gravité le comprimera jusqu’à ce qu’il ait la taille de la Terre et le Soleil deviendra une naine blanche, étoile de faible luminosité, pour disparaître d’une mort douce, contrairement aux étoiles massives qui explosent en supernovæ.
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?
Cette technique tire profit des propriétés optoélectroniques des semi-conducteurs qui permettent, sous certaines conditions, de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique. La technologie la plus développée utilise le silicium comme matériau de base.
Une cellule photovoltaïque peut être, par exemple, constituée de deux couches de silicium dont on aura modifié les propriétés de transport électrique par dopage.
L’ajout d’atomes de bore favorisera la conduction par charges positives. Le silicium sera de type p. Le dopage du silicium par des atomes de phosphore améliorera la conduction par charges négatives.Le silicium sera alors de type n.
La mise en contact d’un silicium dopé p et d’un silicium de type n se traduit par la création d’une jonction, dite p-n. Lorsqu’on expose la cellule à un éclairement solaire, des électrons et des trous sont générés au niveau de la jonction p-n, qui peut être considérée comme la zone active de la cellule. Ces électrons et ces trous se déplacent ensuite, respectivement à travers les zones n et p, pour atteindre les électrodes. Cette succession de processus, appelée effet photovoltaïque, conduit ainsi à la production d’un courant pouvant alimenter un appareil électrique.
© Yuvanoé/CEA
Dans ce four, les plaques de silicium sont dopées à une température comprise entre 700 et 900 °C pour créer les jonctions qui constituent le cœur de la cellule photovoltaïque. © D. Michon/Artechnique-CEA
Ines, Institut National de l'Energie Solaire
L'INES a été créé en 2006 à l'initiative des pouvoirs publics, pour promouvoir et développer en France l'utilisation de l'énergie solaire, et plus particulièrement au service de la maîtrise de l'énergie dans le bâtiment. Il est implanté au Bourget-du-lac sur le technopôle de Savoie Technolac, à proximité de Chambéry. La région Rhône Alpes est un territoire privilégié avec un réseau particulièrement dense d'acteurs de référence dans ces domaines : industriels, chercheurs, collectivités locales et associations. Une équipe de plus de 150 chercheurs développe des solutions en partenariat industriel pour le solaire thermique et photovoltaïque.