Le Soleil : une pièce importante du casse-tête énergétique mondial

Aujourd’hui, mon réveille-matin a sonné. J’ai pris une bonne douche chaude. J’ai fait griller mon pain. Je me suis rendu au travail en autobus. Je me suis fait transporter au vingt-septième étage de la tour où j’ai mon bureau. Nos cours de physique ont beau être loin, on constate rapidement que l’énergie est à la base de notre économie, de nos déplacements et de notre mode de vie. Il est évident que l’avenir de notre société moderne devra passer par l’élaboration d’un système comblant nos besoins énergétiques, et ce dans une optique de durabilité. Une des options envisageables est l’utilisation de l’énergie solaire. Que ce soit par son utilisation passive ou par l’électricité qu’il peut engendrer, le Soleil fera inévitablement partie intégrante des solutions assurant la sauvegarde de notre environnement.

La Terre reçoit du Soleil une quantité phénoménale de chaleur.

Une source d’énergie inépuisable, du moins à l’échelle humaine

En environ dix minutes, notre planète est bombardée par autant d’énergie que ce que les États-Unis consomment en une année. Évidemment, toute cette énergie n’est pas récupérable par les humains (l’atmosphère, les océans et le sol en absorbent une grande quantité). Il existe cependant un réel potentiel pour convertir ou utiliser les 1000 watts que reçoit vraiment chaque mètre carré de sol ensoleillé.

L’énergie solaire la plus facile à utiliser, la plus prometteuse à court terme et surtout la plus oubliée est celle dite passive.

Cette dernière se résume aux rayons qui se transforment en chaleur au contact de la matière. À petite échelle, dans le monde de la construction, le simple fait d’orienter le fenêtrage d’un bâtiment vers le Sud peut réduire ses frais de chauffage d’environ 25% (un système contrant les effets du Soleil durant l’été est nécessaire pour éviter un besoin de climatisation). De plus, en dotant notre construction d’une excellente isolation ainsi que d’un échangeur d’air performant, les économies peuvent atteindre 60%.

Parallèlement, à plus grande échelle, des projets de centrales solaires thermiques voient le jour. Les centrales thermiques fonctionnent toutes selon le même principe de base. Une source d’énergie (charbon, Soleil, uranium, etc.) chauffe un liquide caloporteur pour en faire un gaz. Ce dernier fait ensuite tourner des turbines similaires à celles que nous avons dans nos barrages québécois afin de produire de l’électricité. Étant donné toute la chaleur que le sol reçoit du Soleil, l’idée d’alimenter une centrale avec celle-ci n’est pas bête du tout. Les projets actuels utilisent des miroirs à angle variable (héliostats) qui concentrent les rayons sur des réservoirs d’eau installés dans certains déserts ou champs. Les déserts sont parmi les endroits où les rayons solaires sont les moins affectés par les nuages et l’humidité. On obtient donc des rayons d’une excellente qualité qui d’après les scientifiques semblent très prometteurs. Selon Greenpeace et l’Agence Internationale de l’énergie, ce type de centrales solaires pourrait subvenir à 25% des besoins d’électricité mondiaux d’ici 2050. Également, recouvrir 5% de la surface du Sahara de capteurs pourrait théoriquement combler les besoins planétaires en électricité.
À ce jour, on retrouve les plus grandes centrales en Europe (Allemagne, Espagne) et aux États-Unis (Californie). De plus, DÉSERTEC, un énorme projet de centrale au Moyen-Orient qui pourra alimenter divers pays d’Afrique du Nord, du Moyen-Orient et d’Europe, commence actuellement sa construction. Il apparaît donc clair que la simple chaleur du Soleil, la même qui réchauffe actuellement notre planète, a le potentiel de transmettre énormément d’énergie, que ce soit à nos chaumières ou nos chaudières.

Le Soleil peut également servir à produire directement de l’électricité.

Par l’effet photoélectrique, les photons composant la lumière, en frappant de la matière, y sont absorbés et peuvent extraire des électrons et ainsi engendrer un courant électrique. C’est l’explication de ce principe qui valut à Einstein son prix Nobel (Physique, 1921) ! Ce phénomène peut être exploité au moyen de cellules photovoltaïques. Ces dernières sont constituées de matériaux semi-conducteurs (du silicium dans la majorité des cas) tranchés en fines plaques, le tout relié dans un circuit électrique qui produit une tension qui est fonction de l’intensité lumineuse. Dans la vie de tous les jours, ces cellules trouvent des applications dans divers appareils. De petits panneaux alimentent calculatrices, montres, chargeurs de piles, tandis que de plus gros prennent places sur des voitures, des roulottes ou des maisons. Que ce soit en complément ou comme source unique d’électricité, ces panneaux peuvent combler des besoins énergétiques pendant plusieurs décennies sans entretien majeur. De plus, dans le domaine des transports, il existe des voitures, des bateaux et même des avions mus par des cellules photovoltaïques. Sachant que les transports émettent une énorme part des émissions polluantes actuelles, ces projets, bien qu’encore au stade expérimental, sont extrêmement prometteurs et réalisent des performances des plus impressionnantes (tour du monde en bateau, des milliers de km parcourus en voiture et en avion).

Les centrales photovoltaïques.

Ces dernières consistent en de grands champs de panneaux solaires reliés à un réseau électrique. Certaines utilisent même des lentilles ou des miroirs pour concentrer les rayons et obtenir plus de puissance, ce qui nécessite ainsi une plus petite superficie de panneaux. Les centrales photovoltaïques demeurent pour l’instant moins efficaces et plus coûteuses que les centrales thermodynamiques. Cependant, leur installation est plus simple et ne requiert presque aucun entretien.

Panneaux solaires à Tempe, Arizona

On dépose les panneaux et on les branche au réseau ! Il devient ainsi possible de produire une quantité considérable d’électricité durant les journées, ce qui, lié à un bon système de stockage, permet de combler une partie des besoins énergétiques d’une population.
Au niveau des performances, les cellules atteignent des rendements de conversion (rayonnement-électricité) variant entre 15 et 30%. En comparaison, une centrale thermique au charbon a un rendement d’environ 30%, sans compter l’énergie dépensée pour amener le charbon à la centrale. Le temps d’ensoleillement demeure la lacune première de l’énergie solaire, mais les chercheurs améliorent sans cesse les rendements. Il apparaît donc évident que dans quelques années, le solaire photovoltaïque occupera une place de choix comme producteur complémentaire d’électricité.

D’un autre côté, les panneaux solaires possèdent aussi des désavantages non négligeables. Leur fabrication requiert des matières rares ainsi que beaucoup d’énergie. Des estimations concluent que les 2 à 3 premières années d’utilisation fournissent une quantité d’électricité équivalente à celle nécessaire à leur production. Cependant, considérant que des installations photovoltaïques peuvent fonctionner durant une trentaine d’années, cela est acceptable. En comparaison, imaginez seulement l’énergie dépensée pour construire un de nos barrages (excavation, élévation des structures, transport des matériaux et travailleurs en région éloignée).
Au niveau des matériaux, on utilise actuellement du silicium, un composant de la silice (et donc du sable) et un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre. Les procédés de production possèdent toutefois certaines lacunes et il faut les améliorer. De plus, dans tous les cas, les cellules sont composées de couches de semi-conducteur de moins en moins épaisses. Cela diminue donc continuellement la quantité de matière et d’énergie nécessaire à leur production. À ce titre, l’industrie de l’énergie solaire mise actuellement sur l’analyse du cycle de vie pour optimiser son rendement environnemental. Aussi, les chercheurs développent en parallèle une foule de technologies pour remplacer le silicium. Des cellules à base de polymères ou de matières organiques sont en perfectionnement. Des cellules quasi-transparentes ont même été créées (des vitres produisant de l’électricité deviendraient ainsi réalisables). Contrairement aux centrales thermiques ou aux éoliennes qui ne peuvent plus être beaucoup optimisées, les cellules photovoltaïques offrent encore de nombreux défis d’amélioration et apparaissent comme la technologie ayant le plus grand potentiel de développement.

L’énergie solaire peut nous rendre de grands services.

À la base de nos climats, mais aussi des vents, des vagues, de la photosynthèse, elle réchauffe passivement nos installations et produit de l’électricité à travers plusieurs dispositifs. Il devient ainsi possible de satisfaire grâce à elle une portion de la demande énergétique mondiale qui ne cesse de grandir. Bien que son utilisation à travers les cellules photovoltaïques comportent actuellement quelques points négatifs, les technologies ne cessent de s’améliorer. La viabilité à long terme de ce système, qui est très attrayant de par sa simplicité d’utilisation, passe donc par la recherche.

L’énergie solaire, au même titre que les énergies éolienne, géothermique et marémotrice, ne peut et ne doit pas être l’unique option à utiliser afin de combler nos besoins énergétiques. C’est pourquoi les gouvernements doivent choisir la voie des énergies propres afin de mettre sur pied un système global qui se complètera grâce à diverses technologies et à des installations qui supporteront une telle production. L’avenir de ces alternatives passe également par l’amélioration des techniques de stockage d’électricité qui demeurent la clé des sources d’énergie ponctuelle. Heureusement, dans ce domaine aussi, la recherche ne cesse de faire des percées. Les pièces d’un plan global se dessinent tranquillement sous nos yeux. Il reste maintenant à engager les responsables politiques à le promouvoir et  à en appuyer la réalisation.