L’énergie solaire est la fraction de l’énergie électromagnétique provenant du Soleil, traversant l’atmosphère qui en absorbe une partie, et parvenant à la surface de la Terre.
L’énergie solaire est à l’origine du cycle de l’eau, du vent et de la photosynthèse réalisée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. Le Soleil est à l’origine de la plupart des énergies sur Terre, à l’exception de l’énergie nucléaire et de la géothermie profonde.
Les sources d’énergie issues indirectement de l’énergie solaire sont notamment l’énergie hydraulique, dérivée de l’énergie cinétique de l’eau dont le cycle dépend de l’énergie thermique du Soleil ; l’énergie éolienne, provenant de l’énergie cinétique du vent, lui-même lié à l’échauffement et à l’évaporation de l’eau générés par le Soleil, la rotation de la Terre et la force de Coriolis ; l’énergie hydrolienne et l’énergie des vagues, liées aux mouvements des océans et des cours d’eau ; le bois énergie et l’énergie de la biomasse ainsi que la géothermie de très basse température, provenant des couches superficielles du sol réchauffées par le Soleil. L’énergie solaire est ainsi l’une des principales formes d’énergies renouvelables. On peut ajouter, à des échelles de temps plus longues, les combustibles fossiles, provenant de matières organiques créées par photosynthèse (charbon, pétrole, gaz naturel…) auxquelles s’ajoute l’énergie biochimique de la matière organique vivante.
L’utilisation de l’énergie solaire remonte à l’Antiquité, alors que les Grecs allument la flamme olympique grâce à un système de miroirs concentrant les rayons du Soleil, appelé skaphia.
Les applications pratiques apparaissent au XVIIe siècle. Le Français Salomon de Caus construit en 1615 une pompe solaire, grâce à l’utilisation d’air chauffé par le rayonnement solaire. François Villette, opticien au château de Versailles, conçoit un miroir en bronze (appelé « miroir ardent ») d’un mètre de diamètre, grâce auquel il fait des démonstrations de fusion d’objets.
En 1747, Georges-Louis Leclerc de Buffon expérimente un miroir qui concentre la lumière du soleil en un point focal. Il arrive à faire fondre un morceau d’argent (soit plus de 1 044 °C). Dans les années 1780, Horace Bénédict de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d’étudier les effets calorifiques des rayons du soleil qu’il nomme « hélio thermomètre ». Cet instrument utilise l’effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d’un absorbeur dans un caisson isolé. Il crée ainsi un capteur solaire thermique à basse température. À la fin du XVIIIe siècle, grâce à une lentille à liquide qui concentre les rayons solaires, Antoine Lavoisier construit un four solairequi atteint la température de 1 800 °C.
Les années 1850-1880 voient en France l’émergence d’un premier « imaginaire solaire », selon les termes de l’historien des techniques François Jarrige. Par exemple l’ingénieur français Augustin Mouchot est l’inventeur d’un des premiers moteurs solaires. En 1878, sa trouvaille est exposée au Trocadéro lors de l’Exposition universelle. Son principe est simple : il s’agit de faire chauffer de l’eau grâce des réflecteurs solaires et de « faire travailler cette vapeur ». Son travail est présenté à Napoléon III, mais la presse reste prudente, de sorte que l’invention n’a pas de suite immédiate.
La conversion de la lumière en électricité, exploitant l’effet photovoltaïque, est découverte par Edmond Becquerel en 1839.
Il faut attendre près d’un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène physique. En 1875, Werner von Siemens publie un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs ; en 1887, Heinrich Hertz présente sa compréhension du phénomène dans les Annalen der Physik.
Entre la fin du XIXe siècle et le milieu du XXe, les essais de plusieurs chercheurs restent infructueux, en raison de faibles rendements et de coûts prohibitifs.
En 1916, Robert Andrews Millikan est le premier à produire de l’électricité avec une cellule solaire, cependant le rendement est insuffisant. En 1954, Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller réussissent à produire des cellules atteignant un rendement de 6 %, grâce à du silicium dopé, c’est-à-dire contenant une petite proportion d’un autre élément, par exemple du phosphore. Les Laboratoires Bell construisent le premier panneau solaire, mais il est trop coûteux pour être produit en série. C’est la conquête spatiale qui fait réellement progresser l’énergie solaire ; le panneau solaire est le seul moyen non-nucléaire d’alimenter des satellites en énergie, de plus l’énergie solaire est une source d’énergie constante pour les satellites en orbite. De fait, c’est en 1958 qu’a lieu le premier lancement d’un satellite fonctionnant à l’énergie photovoltaïque. L’industrie spatiale investit beaucoup de fonds dans le développement des panneaux solaires.
Pendant les années 1970 et 1980, des efforts sont faits pour réduire les coûts, afin que l’énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres. L’énergie solaire connaît un second élan au cours du premier choc pétrolier dans les années 1970. Alors que le prix du pétrole augmente de façon spectaculaire, les panneaux solaires photovoltaïques commencent à être utilisés pour la première fois dans les maisons. En 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’université du Delaware et, en 1983, la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie. Depuis, les panneaux solaires se développent lentement. L’énergie solaire connaît un nouvel essor parallèlement à la prise de conscience du réchauffement de la planète et à l’augmentation des prix de l’énergie.
L’énergie solaire devient une priorité pour de plus en plus de pays. Des centrales solaires sont en cours de construction dans le monde entier. Les entreprises du secteur électrique et les gouvernements offrent des subventions et des réductions pour encourager les propriétaires à investir dans l’énergie solaire pour leur maison. En effet, en 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau sont lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.
De nouveaux types de panneaux solaires sont développés : panneaux solaires très fins (4 mm d’épaisseur) et flexibles, peintures solaires, etc.. L’objectif est de réduire très fortement le coût de l’énergie solaire.
En novembre 2015 est fondée l’Alliance solaire internationale (ou ISA, pour International solar alliance). Le projet est porté par Narendra Modi, alors Premier ministre de l’Inde. Cette alliance, soutenue par le secteur privé, doit réunir les États disposant d’importantes ressources solaires afin de mieux coordonner le développement de leur exploitation (thermique et photovoltaïque) via des actions de formation, de standardisation de matériels, de partage d’expériences, des coentreprises, etc. La cérémonie de lancement, organisée par l’Inde et la France, a lieu lors de la Conférence de Paris de 2015 sur les changements climatiques.
L’énergie solaire provient de la fusion nucléaire qui se produit au centre du Soleil. Elle se propage dans le Système solaire et dans l’Univers essentiellement sous la forme d’un rayonnement électromagnétique dont la lumière n’est que la partie visible.
Les disques noirs représentent la surface nécessaire pour satisfaire toute la demande énergétique de la planète en 2007 au moyen de capteurs photovoltaïques d’une efficacité de 8 %. La Terre reçoit 174 pétawatts (1015 watts, ou PW) de rayonnement solaire entrant dans la haute atmosphère (irradiation solaire), soit environ 340 W/m2 à sa surface (rayonnement solaire incident moyen). Environ 30 % sont réfléchis dans l’espace, tandis que le reste, 122 PW, est absorbé par les nuages, les océans et la masse terrestre. Le spectre du rayonnement solaire à la surface de la Terre est principalement réparti entre le spectre visible et les infrarouges proches, ainsi qu’une petite partie située dans les ultraviolets proches. La majorité de la population mondiale vit dans des zones où le niveau d’irradiation solaire moyen (nuit comprise) est compris entre 150 et 300 W/m2, ce qui représente 3,5 à 7,0 kWh/m2 par jour. En France, l’énergie totale reçue au cours d’une année est de 1 100 kWh/m2, tandis qu’à l’équateur, elle s’élève à 2 200 kWh/m2.
L’énergie solaire totale absorbée chaque année par l’atmosphère terrestre, les océans et les masses terrestres est d’environ 122 PW·an, soit 3 850 zettajoules (1021 joules, ou ZJ). En 2002, cela représente plus d’énergie en une heure que la consommation humaine sur une année. Pour comparaison, le vent contient 69 TW·an, soit 2,2 ZJ et la photosynthèse capture environ 95 TW·an, soit 3 ZJ par an dans la biomasse. La quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la planète est si importante que, en un an, elle représente environ deux fois l’énergie obtenue à partir des ressources non renouvelables de la Terre — charbon, pétrole, gaz naturel et uranium combinés — exploitées de tout temps par l’homme. L’énergie totale utilisée par l’homme représente en effet, en 2005, 0,5 ZJ, dont 0,06 ZJ sous forme d’électricité.
Le rayonnement solaire est absorbé par la surface terrestre, les océans — qui couvrent environ 71 % du globe — et l’atmosphère. L’air chaud contenant l’eau évaporée des océans s’élève, provoquant une circulation atmosphérique ou une convection. Lorsque l’air chaud atteint une altitude élevée, où la température est basse, la vapeur d’eau se condense en nuages, puis s’écoule sur la surface de la Terre sous forme de pluie, complétant ainsi le cycle de l’eau. La chaleur latente de la condensation de l’eau réchauffe à son tour l’air ambiant et amplifie la convection, produisant des phénomènes atmosphériques tels que le vent, les cyclones et les anticyclones. Le rayonnement solaire absorbé par les océans et les masses terrestres représente environ 240 W/m2 et, ajouté à l’effet de serre, maintient la surface à une température moyenne de 14 °C. Par photosynthèse, les plantes vertes convertissent l’énergie solaire en énergie stockée chimiquement, qui produit de la nourriture, du bois et la biomasse dont sont dérivés les combustibles fossiles.
L’énergie solaire reçue en un point du globe dépend tout d’abord de l’énergie électromagnétique (lumière visible, infrarouge, ultraviolet et autres rayonnements) émise par le Soleil et arrivant sur Terre, qui connaît des fluctuations décennales, saisonnières et ponctuelles. La latitude, la saison et l’heure influent ainsi sur la hauteur du Soleil et donc sur l’énergie reçue au sol par unité de surface, ainsi que sur la nébulosité en fonction du climat local. Enfin, cette nébulosité (nuages, brouillards, etc.) varie considérablement selon la géographie et les conditions météorologiques ; elle est forte à très forte dans les régions océaniques tempérées et subpolaires ainsi que dans les régions équatoriales, mais faible à très faible en période anticyclonique et dans les régions arides subtropicales ou polaires.
Ainsi le flux maximum d’énergie solaire reçu au sol terrestre se trouve-t-il sous les tropiques secs (ou arides), c’est-à-dire dans les déserts chauds où les conditions météorologiques et géographiques sont optimales : basse latitude, vaste espace, ensoleillement ininterrompu, ciel clair, grande sécheresse de l’air. Le Sahara, le plus grand désert chaud du monde, est la région de la Terre qui reçoit le plus amplement la chaleur et la lumière du Soleil. C’est en effet la contrée du globe où la durée de l’insolation moyenne est la plus élevée (jusqu’à 4 300 h/an soit entre 97 et 98 % du jour) et où l’irradiation solaire moyenne est la plus grande, qui atteint plus de 280 W/m2 en moyenne sur l’année.
Or, les régions les plus ensoleillées sont rarement les plus consommatrices d’énergie. Le rapport solaire, défini comme l’énergie solaire reçue rapportée à l’énergie consommée localement, atteint ainsi à peine 100 pour les pays les plus consommateurs, mais plus de 10 000 pour certains pays du tiers monde. Si l’on tient compte de l’efficacité relativement faible des capteurs solaires, il ressort que l’énergie solaire représente un gisement considérable pour les pays en développement, tandis qu’elle ne peut répondre que marginalement à la consommation des pays développés.
La collecte et le transport d’énergie depuis le Sahara vers les pays développés est donc envisagée. Elle bute néanmoins sur des obstacles techniques et politiques, et les projets comme Desertec ne sont pas encore d’actualité38. Au contraire, les zones développées, à la consommation importante et disposant de la technique requise, voient des réalisations de plus en plus importantes apparaître à leurs confins. Ainsi, dans le désert des Mojaves (Californie et Arizona) se trouvent les plus grandes centrales solaires thermodynamiques au monde, notamment la centrale solaire SEGS, d’une puissance totale de 354 MW. Par ailleurs, l’utilisation de traqueurs solaires permet d’augmenter considérablement le potentiel de l’énergie solaire dans des régions plus éloignées de l’équateur, tandis que la reconversion d’ombrières de parking en centrales électriques solaires et l’utilisation de toits d’habitations permet de répondre aux problèmes de place.
En 2000, le Programme des Nations unies pour le développement et le Conseil mondial de l’énergie ont publié une estimation de l’énergie solaire pouvant potentiellement être utilisée par les êtres humains chaque année, qui tient compte de facteurs tels que l’ensoleillement, la couverture nuageuse et les terrains utilisables par les humains. Selon elle, d’ici 2100, 70 % de l’énergie consommée sera d’origine solaire.
Les techniques pour capter directement une partie de cette énergie peuvent être classées entre solaire « thermique » et solaire « électrique », que l’on oppose parfois à propos de la production de chaleur, mais qui peuvent aussi être complémentaires.
Source : Wikipédia.