Dossier Énergies renouvelables
Solaire

L’énergie solaire est récupérée soit sous forme de chaleur (solaire thermique et thermodynamique) soit directement sous forme d’électricité (solaire photovoltaïque). Voyons avec le CEA « les trois filières d’exploitation de l’énergie solaire :

Le solaire thermique

« Cette technologie convertit l’énergie solaire en chaleur. Les atomes composant le matériau des capteurs solaires sont excités par les photons. En récupérant une partie de leur énergie, les atomes changent d’état énergétique, créant une agitation thermique. Les atomes vont alors libérer le surplus d’énergie sous forme d’énergie thermique, se manifestant sous forme de chaleur. Celle-ci va être transportée par un fluide caloporteur (eau, gaz…) : chauffé, il va pouvoir distribuer peu à peu sa chaleur (plancher chauffant par exemple), ou être stocké (ballon d’eau chaude par exemple) pour un usage ultérieur » [24].


Source ADEME

Le solaire thermique est peu développé en France. En 2019, les capteurs thermiques français représentaient une surface de 2,3 millions de m2. Selon le Ministère de la transition écologique, l’énergie produite en France métropolitaine est de « 1,21 TWh » de solaire thermique. Leur apport dans le bilan énergétique reste et restera marginal, les objectifs dans le cadre de la PPE étant de « 1,85 à 2,5 TWh » [25] par an à l’horizon 2028. Le GSIEN ne peut que regretter le peu de valorisation en France du solaire thermique direct à travers les chauffe-eau solaires. Pendant longtemps, les écologistes n’ont pas eu d’autres choix que d’acheter leur chauffe-eau à l’étranger (Allema-gne, Israël, etc.), ou de les fabriquer. C’est une technologie très simple que l’on retrouve dans de nombreux pays du sud mais aussi plus au nord comme en Allemagne et au Danemark. Rappelons également l’existence « des maisons solaires Trombe-Michel », construites à Font-Romeu en 1974, qui sont considérées « comme la première démonstration, en France, de l'emploi du système du solaire passif » [26]

Le solaire thermodynamique

« Le principe est de convertir l’énergie solaire en chaleur, puis en électricité dans un second temps. Comme pour le solaire thermique, des capteurs excités par les photons vont produire de la chaleur. En concentrant les rayons du soleil par un système de miroirs (réflecteurs), les températures atteintes sont plus élevées (de 250°C à 1000°C). Un fluide caloporteur transporte cette chaleur, et celle-ci est ensuite transmise à un fluide thermodynamique. Sous l’effet de changements de température (et donc de pression), le fluide thermodynamique va produire des forces de poussée (énergie mécanique), activant une turbine reliée à un alternateur, permettant ainsi de convertir cette énergie en électricité » [24].

En France, le développement du solaire thermodynamique est dérisoire bien que la recherche ait débuté dans les Pyrénées orientales dès les années 1950 avec l’installation du premier four solaire au fort militaire de Mont-Louis, puis en 1969 avec la mise en service du four solaire d’Odeillo à Font Romeu, un laboratoire de recherche du CNRS. Près de Font Romeu, THÉMIS la première centrale solaire (2,5 MW et stockage d’énergie thermique à l’aide de sels fondus pendant 5 h) démarre en 1983. Elle est exploitée par EDF et le CNRS : « elle constitue alors une véritable référence internationale en matière de conversion de l'énergie solaire en électricité. Les technologies et leurs applications développées à THÉMIS seront d'ailleurs reprises avec succès à l’étranger, notamment en Espagne et aux États-Unis » [27]. La France avait en fait envisagé le projet THEK afin de convertir les kW thermiques en électricité pour alimenter de petits villages. Puis le projet THEM, pour convertir les MW thermiques, est arrivé et a aspiré tous les crédits alloués au projet THEK. L’unique projet THEM est devenu THÉMIS.

La centrale de THÉMIS « faisait de la France l'un des pays pionniers mondiaux en matière de R&D sur cette technologie. Les concepts solaires thermodynamiques comme la tour à sels fondus de Thémis faisaient office de précurseurs. Mais le manque de rentabilité du projet entraîna la fermeture de la centrale dès 1986 et le quasi-abandon du site jusqu'en 2004. Date à laquelle a été décidée la reconversion de la centrale en plateforme de recherche et développement sur l'énergie solaire photovoltaïque et thermodynamique » [28]. Que de temps perdu... A noter que depuis 2012, le CNRS a entamé à THEMIS un programme de recherche sur les particules de très haute énergie d’origine cosmique.

A propos de l’Espagne, EDF nous fait découvrir ce qu’aurait pu devenir le solaire thermodynamique si l’arrêt du financement n’avait pas tué la filière : « la centrale à tour Gemasolar [photo ci-dessous], mise en service à Ecija (Andalousie) en 2011 atteint une puissance de 19,9 MWe. Elle comporte 2650 héliostats sur 185 ha concentrant les rayons solaires au sommet d’une tour de 140 m. Elle dispose d’un stockage à sels fondus de 15 h permettant de fonctionner 24h/24 en été et de produire 110 GWh par an (soit la consommation de 25 000 foyers). La centrale utilise 8500 tonnes de sels. 9 mois ont été nécessaires pour les fondre pendant la construction » [29].

En 2019, la puissance installée du solaire thermodynamique en Espagne dépassait les 2 300 MW [30].

La France, hormis deux prototypes de quelques centaines de kW, a vu naitre en 2019 la centrale Ello, toujours dans les environs de Font Romeu, d’une puissance de 9 MW et dotée de « 9 ballons de stockage d’énergie thermique soit un volume de plus de 1000 m3, équivalent à 4 heures de fonctionnement pleine charge ». « La Banque des Territoires [en] est actionnaire à 49% » [31], elle fait partie du Groupe Caisse des dépôts.

Le solaire photovoltaïque

« Cette technologie convertit directement l’énergie solaire en électricité. Le matériau des capteurs, souvent à base de silicium (Si), est un semi-conducteur : il peut être soit isolant, soit conducteur, selon les conditions dans lesquelles on le place. Les photons vont exciter des électrons dans ce matériau, en leur transférant une partie de leur énergie et en les rendant mobiles. Ces électrons mis en mouvement vont ainsi produire un courant continu, pouvant alimenter un réseau électrique. Un onduleur convertit ce courant continu en courant alternatif, qui pourra être utilisé par des appareils électriques (électroménagers etc.) » [24], un courant alternatif compatible avec le réseau centralisé d’EDF.

Du côté de la technologie, le Ministère de la transition écologique liste les différents types de capteurs solaires sur le marché et en développement.

« Silicium cristallin (photovoltaïque de 1ère génération) : les cellules sont constituées de fines plaques de silicium, élément que l’on extrait du sable ou du quartz. Selon la méthode de cristallisation utilisée on obtient du silicium monocristallin (de meilleure qualité mais plus cher à produire) ou du silicium multicristallin (moins cher à produire mais offrant des rendements moins élevés). La durée de vie des modules photovoltaïques fabriqués à partir de ces cellules est estimée entre 25 et 30 ans.

Couches minces (photovoltaïque de 2e génération) : ces cellules sont obtenues en déposant des couches de matériaux semi-conducteurs et photosensibles sur un support en verre, en plastique, en acier, etc. Différents matériaux peuvent être utilisés, le plus répandu étant le silicium amorphe, mais d’autres matériaux intègrent des éléments chimiques rares (indium, sélénium, gallium) et parfois sujets à controverse (comme le tellure de cadmium, composé toxique). Cette technologie permet de baisser les coûts de production mais les cellules ont un rendement moindre que dans le cas du silicium cristallin. Elle a connu un développement important ces dernières années.

Cellules organiques (photovoltaïque de 3e génération) : ces modules sont constitués de molécules organiques. Les capteurs solaires se présentent sous forme de films de type photographique, souples, légers et faciles à installer. Il y a actuellement trois types de cellules photovoltaïques organiques : les moléculaires, celles en polymères et les organiques hybrides. L’intérêt potentiel de ces technologies est d’offrir une énergie solaire à un prix significativement inférieur aux technologies de première et de deuxième génération mais elles sont encore au stade de la recherche et du développement. Ces cellules sont toutefois déjà utilisées dans certaines applications spécifiques à faible consommation et forte valeur ajoutée comme les calculatrices ou le rechargement des appareils nomades.

Cellules à concentration (technologie dite CPV) : cette technologie utilise des lentilles optiques qui concentrent la lumière sur de petites cellules photovoltaïques à haute performance. Leur rendement est plus élevé que pour la filière silicium mais il est toutefois nécessaire d’être toujours positionné face au soleil, ce qui est rendu possible avec l’installation d’un « tracker » (support mobile pivotant). Cette technologie n’est actuellement intéressante économiquement que dans les zones où l’ensoleillement direct est très important.

Cellules perovskites hybrides : encore au stade de développement en laboratoire, il s’agit d’une filière très prometteuse, dont les progrès en termes de rendement ont été spectaculaires ces dernières années. Cette filière est apparentée à la technologie des couches minces et repose sur le methylammonium iodure de plomb. Des rendements de l’ordre de 22% ont été atteints en laboratoire. Des travaux de recherche sont en cours afin d’atteindre une meilleure stabilité de ces cellules et de les rendre plus résistantes à l’humidité » [32].

Filière

Rendement

Maturité

Silicium cristallin :

Monocristallin

Multicristallin

16 à 21%

14 à 15%

Environ 90% du marché mondial dont 60% pour le multicristallin

Couches-minces

5 à 15%

Environ 10% du marché mondial

Cellules à concentration

20 à 30%

Stade de démonstrateur en fonction du pouvoir concentrateur

Cellules organiques

5 à 10% (cellule)

Stade expérimental

Cellules pérovskites hybrides

22% (cellule)

Stade expérimental

Source : DGEC, ADEME, DGRI [32]


Les rendements des différentes technologies de panneaux solaires se trouvent dans le tableau ci-dessous.

Toutefois, des panneaux solaires organiques n’en sont plus au stade expérimental et sont déjà commercialisés :

« Disasolar et Heliatek : deux startups aux destinées divergentes

Disasolar, une entreprise créée en 2010 et basée dans le limousin, était une pionnière du photovoltaïque organique. Forte d’un soutien de la Région, de l’INES (Institut National de l’Énergie Solaire), du CNRS et d’un financement de la DGA (Direction Générale de l’Armement), elle avait mis au point une technique d’impression des cellules, similaire à celle qu’utilisent les imprimantes à jet d’encre. En 2015 elle avait réussi une première mondiale en réalisant un module solaire organique polychrome. Disasolar projetait de construire une usine de films photovoltaïques organiques à Limoges, et d’embaucher 150 personnes. Avant cela, une ligne de production pilote devait voir le jour en 2016. Malheureusement, l’entreprise n’a pas survécu, en raison d’un manque de financement.

Heliatek, une autre startup, allemande celle-là, mais dirigée longtemps par le Breton Thibaud Le Séguillon, jouit d’une renommée internationale dans le domaine du film solaire organique au point que l’énergéticien français Engie, mais aussi des fonds d’investissement et quelques grands groupes transnationaux comme BASF, BNP Paribas ou l’allemand RWE, y ont investi plus de 95 millions d’euros (en deux tours de table espacés d‘un an). La jeune pousse a également obtenu une subvention de 18 millions des fonds européens de développement régionaux (FEDER) et un prêt de 20 millions de la BEI.


Photo Heliatek

Début 2016, Heliatek est apparue dans les médias en réalisant au laboratoire avec son film photovoltaïque organique un rendement record de conversion de l’énergie solaire : 13,2 %. En 10 ans la startup a porté ce rendement de 3 % à plus de 13 % ! A terme, elle vise les 15 %. Il s’agit certes d’une performance inférieure à celle des panneaux clas-siques de première ou deuxième génération qui affichent actuellement des rendements proches des 20%. Mais ce handicap est largement compensé par la polyvalence des utilisations que permettent la souplesse et la légèreté de la technologie des films organiques, leur insensibilité à la température et leur simplicité de production. Contrairement à ses concurrents, Heliatek n’imprime pas ses films organiques : sa technologie brevetée consiste à y déposer des petites molécules par évaporation sous vide. Plus compliquée en apparence, cette méthode est, semble-t-il, plus facile à maîtriser industriellement et les performances sont meilleures.

Baptisé HeliaSol, le film photovoltaïque organique (OPV) développé par la start-up allemande est adapté aux toitures légères, plates ou courbées, là où le panneau solaire classique ne peut être installé. Il permet également une pose plus rapide et il est plus facilement recyclable.

Fin 2017, Engie a placé sur la toiture du collège Pierre Mendes-France, à la Rochelle, 530 m2 de modules HeliaSol. Présentée à l’époque comme la surface d’OPV la plus importante au monde et réalisée dans le cadre d’un appel à projets lancé par le département de la Charente-Maritime, cette installation avait pour objectif de démontrer les atouts du produit. "On ne pouvait pas y installer de panneaux photovoltaïques classiques sans modifier la structure de la charpente", explique Engie. "Et là, en trois jours, nous avons pu, sans modification, couvrir le toit de 530 m² de films solaires, qui produiront près de 24 MWh par an, soit 15 à 20 % des besoins en électricité du collège" » [33].

Le solaire photovoltaïque s’est développé tardivement en France. Les statistiques du Gouvernement montrent que la production n’était que de quelques GWh par an entre 1994 et 2004. En 2010, elle atteignait 620 GWh pour réellement décoller en 2011 avec 2 TWh [34]. En 2019, 11,6 TWh ont été produits à partir de panneaux solaires, soit 3,6% de la production brute d’énergie renouvelables.


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Moyens de production d’EnR en France
Électrique et thermique