L’énergie solaire

publié le 25/03/2021 | mis à jour le 24/03/2023 | par Laurie Fouché

Qu’est-ce que l’énergie solaire ?

La définition de l’énergie solaire est bien plus large qu’il n’y paraît au premier abord. Il s’agit de la part de l’énergie électromagnétique émise par le Soleil qui atteint la surface de la Terre.

Comment l’énergie solaire est-elle produite ?

Cette énergie est donc créée au cœur du Soleil, étoile qui se trouve au centre de notre système solaire. En effet, son noyau est animé de réactions de fusion nucléaire qui transforment l’hydrogène en hélium. La température du centre du soleil avoisine les 15 millions de degrés Celsius et, suite à diverses réactions chimiques, cette chaleur est transmise en partie à la surface du Soleil dont la température est estimée à 6 000 degrés Celsius.

Le Soleil émet un rayonnement composé de lumière blanche, mais aussi d’ondes invisibles à l’œil nu comme les infrarouges ou les ultraviolets. Ce rayonnement se propage en ligne droite dans toutes les directions, traverse le vide sans encombre et impacte tous les corps qu’il rencontre. Cela inclut bien sûr la Terre, mais aussi toutes les planètes du système solaire, leurs satellites et les astéroïdes et autres corps célestes se trouvant à proximité du Soleil.

La fraction de ce rayonnement qui parvient jusqu’à notre planète est appelée « énergie solaire », et elle est indispensable à la vie sur Terre. C’est un apport de lumière et de chaleur qui permet la photosynthèse des végétaux et rend possible la présence d’eau à l’état liquide sur notre planète. Cette énergie solaire est également responsable des différents climats et de la majorité des phénomènes météorologiques observés sur Terre.

Pourquoi l’énergie solaire est-elle inégalement repartie ?

Intuitivement, on sait que toutes les zones sur Terre n’ont pas les mêmes températures. L’une des raisons qui explique cela est la répartition inégale de l’énergie solaire à la surface du globe. En effet, la Terre tourne sur elle-même sur un axe incliné à 23° environ par rapport à la perpendiculaire du plan sur lequel elle évolue lors de sa rotation autour du Soleil. Cela implique que les rayons du soleil peuvent atteindre l’équateur à la perpendiculaire (le soleil est au zénith ou presque en son point le plus haut dans sa course quotidienne), mais que cela est impossible lorsque l’on s’éloigne de l’équateur (plus on s’éloigne de cette ligne imaginaire, plus la hauteur maximale du soleil est faible). Cette inclinaison fait que dans des zones éloignées de l’équateur, une même quantité d’énergie provenant du soleil est répartie sur une surface terrestre plus importante, la quantité d’énergie au m² est donc plus faible.

L’image ci-dessous illustre bien ce phénomène : les cinq « rayons » représentés ici correspondent à la même quantité d’énergie. Dans les régions les plus proches des pôles, cette énergie solaire est répartie sur une surface plus grande qu’à proximité de l’équateur. L’énergie solaire reçue au mètre carré s’affaiblit donc en s’éloignant de l’équateur.

Quelle est l’importance de l’énergie solaire pour l’être humain ?

La plupart des énergies utilisées par l’Homme ont pour origine indirecte l’énergie solaire :

• le Soleil est le moteur du cycle de l’eau et en favorisant l’évaporation de l’eau, il permet son déplacement d’un réservoir à un autre (océan, atmosphère, lac, cours d’eau, glaciers, etc.). L’énergie hydraulique utilise le mouvement de l’eau, principalement le long de fleuves, c’est donc l’énergie solaire qui permet indirectement la production d’hydroélectricité ;
• le cycle de l’eau est également responsable de la différence de concentration en sel entre les différents réservoirs d’eau sur Terre. L’énergie osmotique étant basée sur l’exploitation des différences de salinité, elle aussi est indirectement due à l’énergie solaire ;
• l’énergie éolienne est créée par les vents, qui sont des déplacements de gaz dans l’atmosphère. Ceux-ci sont généralement provoqués par un réchauffement inégal à la surface de la planète, dont la cause est le Soleil. Cela est aussi valable pour l’énergie houlomotrice générée par des vents au large des côtes ;
• les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel, etc.) sont le produit de l’enfouissement depuis plusieurs millions d’années de matière organique (plantes et animaux). Or ceux-ci n’auraient pu exister sans l’apport de lumière et de chaleur du soleil. Cette explication s’applique également à la biomasse ;
• l’énergie marémotrice exploite les marées qui sont elles-mêmes provoquées principalement par l’attraction gravitationnelle de la Lune. Le Soleil joue toutefois un rôle, faible mais non négligeable du fait de sa masse très importante (99,85 % de la masse totale du système solaire). Il peut lors de certaines marées amplifier ou amoindrir le phénomène.

Il existe quelques énergies qui sont entièrement indépendantes de l’énergie solaire, ce sont notamment :

• l’énergie nucléaire, produite par l’être humain à partir d’uranium, un élément naturel très abondant dans la croûte terrestre ;
• la géothermie qui utilise les températures internes du globe terrestre. Celles-ci sont indépendantes de l’activité solaire, et seules l’atmosphère et la partie extérieure superficielle de la Terre peuvent être réchauffées par le Soleil.

Comment l’Homme utilise-t-il l’énergie solaire ?

L’énergie solaire est donc un phénomène naturel indispensable à la présence de la vie sur Terre telle qu’on la connaît. Mais cette énergie est aussi exploitée directement par l’être humain depuis longtemps. Les avancées technologiques qui se concentrent sur l’exploitation de l’énergie solaire ont fait naître trois domaines d’étude :

• l’énergie solaire thermique qui se concentre sur l’utilisation des rayons du soleil pour produire de la chaleur. Cet usage est attesté dès l’antiquité sous forme de parabole solaire et de lentille concentrant la lumière ;
• l’énergie solaire photovoltaïque devient exploitable en 1839 avec la découverte de l’effet photovoltaïque par Edmond Becquerel, un physicien français. Il découvre que lorsqu’un matériau semi-conducteur est exposé à la lumière, une tension électrique apparaît. Il devient alors possible de produire de l’électricité grâce au soleil ;
• l’énergie solaire thermodynamique est assez peu utilisée en comparaison avec les deux citées précédemment. Elle consiste à concentrer les rayons du soleil pour produire de l’électricité (en créant de la vapeur d’eau qui actionne une turbine) ou pour effectuer un travail mécanique (comme dans le cas du moteur Stirling).

L’énergie solaire thermique connaît un certain succès au 19^e siècle, mais la facilité d’utilisation d’énergies combustibles très peu coûteuses entrave son développement : pour beaucoup d’investisseurs publics et privés, il semble inutile de s’engager dans un secteur peu avancé alors qu’une alternative existe. Le solaire thermique bénéficie aujourd’hui d’un regain d’intérêt, notamment pour le chauffage des logements et la production d’eau chaude sanitaire.

L’énergie solaire électrique a quant à elle bénéficié d’un contexte plus favorable : les premiers prototypes de cellule photovoltaïque ont été mis au point dans les années 1950, puis utilisés dans le cadre de la « course à l’espace ». Dès la fin des années 1960, l’électricité produite par des panneaux solaires est considérée comme la principale source d’énergie des satellites. Toutefois, au vu des coûts de production extrêmement élevés, l’énergie photovoltaïque reste longtemps limitée à l’industrie spatiale, et il faudra attendre les années 1970 pour que des cellules photovoltaïques soient produites à grande échelle.

Depuis quelques années, des panneaux solaires hybrides se développent : les panneaux aérovoltaïques. Ils présentent les avantages du photovoltaïque (production d’électricité) et ceux du solaire thermique (production de chaleur). Toutefois, leur prix est généralement plus élevé que pour du photovoltaïque simple et encore peu de particuliers choisissent cette option.

Comment est-ce que l’énergie solaire fonctionne ?

Depuis l’utilisation de l’énergie solaire à concentration avec des miroirs dans l’Antiquité, de nombreuses découvertes et inventions ont fait avancer ce domaine. Les technologies utilisées aujourd’hui sont pensées pour s’adapter aux modes de vie et de consommation des sociétés modernes.

Quel est le fonctionnement de l’énergie solaire thermique ?

Le principe de l’énergie solaire thermique est très simple : il s’agit de recueillir la chaleur provenant du soleil et de l’utiliser pour chauffer un bâtiment ou un ballon d’eau chaude. Pour ce faire, le panneau est composé d’un long tube de couleur foncée installé en « serpentin », et le système fonctionne ainsi :

1. un fluide caloporteur (conducteur de chaleur) circule dans le panneau et se réchauffe ;
2. ce fluide se dirige ensuite vers le ballon d’eau chaude où un autre serpentin le met en contact prolongé avec l’eau du réservoir ;
3. il transmet sa chaleur à l’eau et ressort du ballon refroidit ;
4. le fluide caloporteur est à nouveau envoyé vers le panneau.

C’est l’exemple d’un chauffe-eau qui est pris ici, mais le principe est le même pour un système de chauffage hydraulique, que ce soit avec des radiateurs ou avec un chauffage au sol.

À la différence des panneaux photovoltaïques les plus récents, les panneaux solaires thermiques ne sont efficaces que par temps dégagé. Ceux-ci ne peuvent donc être utilisés qu’en complément d’un autre mode de chauffage (ou de production d’eau chaude), car leur fonctionnement dépend entièrement des conditions météorologiques.

Comment l’énergie solaire se transforme-t-elle en électricité ?

Ce que l’on appelle couramment un panneau photovoltaïque est en fait un module photovoltaïque composé de plusieurs cellules, montées les unes à côté des autres. Ces cellules (ou photopiles) sont composées de deux couches minces de silicium, un matériau semi-conducteur. Ces deux couches sont légèrement différentes, on dit qu’elles sont « dopées » : l’une au phosphore et l’autre au bore. L’avantage de ce dopage réside dans le nombre d’électrons par atome, car la couche contenant du phosphore aura un surplus d’électrons, elle aura tendance à vouloir s’en « débarrasser ». Au contraire, la couche contenant du bore manquera d’électrons, elle cherchera à s’en procurer.

Le principe de fonctionnement du panneau photovoltaïque est alors le suivant :

1. la lumière provenant du soleil est composée de photons qui possèdent une certaine énergie ;
2. lorsqu’un photon entre en contact avec la couche supérieure d’une cellule photovoltaïque (traitée au phosphore), son énergie est suffisante pour séparer un électron de son atome ;
3. la couche supérieure ayant un surplus d’électrons et la couche inférieure un déficit, l’électron migre vers la couche inférieure ;
4. ce déplacement d’électron est un courant électrique. Lorsque plusieurs cellules sont assemblées, ce mouvement est suffisant pour obtenir une tension convenable pour être utilisée.

Les panneaux solaires produisent ainsi de l’électricité en continu. Or, pour les installations domestiques en France, c’est du courant alternatif qui est nécessaire. Pour résoudre cette incompatibilité, les panneaux photovoltaïques sont reliés à un onduleur dont le seul but est de transformer un courant continu en courant alternatif.

Quels sont les avantages de l’énergie solaire ?

L’énergie solaire, en tant qu’énergie renouvelable, présente de nombreux atouts :

• le potentiel de l’énergie solaire est très important, car la quantité d’énergie reçue par la Terre est phénoménale. En tout, ce sont chaque année 1 070 000 PWh (pétawatt-heure), soit 1 015 Wh qui atteignent le globe. Cette quantité d’énergie est astronomique et pourrait suffire à couvrir plusieurs fois la consommation mondiale si elle était entièrement exploitée ;
• c’est une source d’énergie inépuisable. Tant que le soleil brille, les panneaux photovoltaïques peuvent produire de l’électricité et les panneaux thermiques de la chaleur. Aujourd’hui, certains modèles fonctionnent même avec un ensoleillement partiel ;
• le fonctionnement des panneaux solaires ne génère aucune pollution et ne dégage aucun gaz à effet de serre, ce qui classe le solaire parmi les énergies vertes ;
• cette méthode de production d’électricité est très silencieuse, en particulier comparé aux éoliennes ;
• l’entretien des installations solaires (thermiques et photovoltaïques) est peu coûteux comparé à d’autres sources d’énergie ;
• grâce aux avancées techniques de ces dernières décennies, même les régions les moins ensoleillées peuvent utiliser l’énergie solaire ;
• depuis 2014, tous les panneaux solaires sont recyclables, qu’ils soient thermiques ou photovoltaïques, et la loi française fait peser sur le vendeur l’obligation de veiller au recyclage des panneaux qu’il commercialise grâce à une éco-contribution ;
• contrairement à une croyance très répandue, les panneaux photovoltaïques ne contiennent pas de terres rares, ces minéraux très utilisés en micro-électronique et dont l’extraction est très polluante.

Pour les particuliers qui choisissent de faire installer des panneaux solaires à leur domicile, les avantages sont encore plus nombreux :

• la rentabilité du solaire est plutôt bonne, et l’installation de panneaux est en général amortie en une dizaine d’années (un peu moins pour le solaire thermique). Cette rentabilité est calculée pour les foyers revendant tout ou partie de leur production à EDF Obligation d’Achat ;
• les particuliers produisant de l’électricité sont moins impactés par les éventuelles hausses du coût de l’électricité, car ils n’achètent qu’une partie de leur consommation ;
• en France, l’État propose des aides aux particuliers cherchant à améliorer les performances énergétiques de leur logement. La pose de panneaux solaires est éligible, sous certaines conditions, à la Prime Énergie, à la Prime à l’investissement (ou prime à l’autoconsommation) attribuée par EDF OA, à une aide de l’Anah (Agence nationale de l’habitat), à l’aide MaPrimeRénov’ qui remplace le Crédit d’impôt pour la transition énergétique (CITE) ou encore à l’éco-prêt à taux zéro (éco-PTZ) ;
• la présence de panneaux solaires augmente sensiblement la valeur immobilière d’un logement. Même en cas de vente, c’est donc un investissement qui peut se révéler rentable.

Quels sont les inconvénients l’énergie solaire ?

Cette énergie présente donc des atouts indéniables, à grande échelle comme pour les particuliers. Pour autant, il ne serait pas correct de considérer que cette source d’énergie est irréprochable ; voici les désavantages de l’énergie solaire :

• l’investissement initial pour la pose de panneaux solaires est conséquent, que ce soit pour une installation à grande échelle ou l’équipement d’un logement. Pour que cette énergie se démocratise réellement, il est nécessaire que les coûts de production diminuent ;
• l’énergie solaire est intermittente, elle fonctionne moins bien par temps nuageux et s’arrête entièrement la nuit. Elle doit donc être associée à une autre source d’énergie ou à un système de stockage d’électricité. Pour le moment, les batteries sur le marché présentent encore des désavantages notables (prix, taille, poids, capacité, durée de vie, etc.) et doivent encore être améliorées. De plus, les pics de production (milieu de journée, plutôt en été) correspondent malheureusement aux périodes de « creux » où les consommations sont les plus basses ;
• la durée de vie garantie par les constructeurs pour les panneaux photovoltaïque est de 20 à 25 ans, celle d’un onduleur est de 5 à 10 ans, et pour les panneaux thermiques, elle est de 10 à 15 ans. Passé ce délai, les panneaux présente un rendement plus faible, mais ils ne cessent pas pour autant de fonctionner. Ils peuvent produire de l’électricité pendant encore des années, voire des décennies après la fin de leur garantie. Cela signifie toutefois que ces appareils doivent être remplacés régulièrement pour garder une productivité optimale, ce qui se révèle coûteux ;
• l’impact environnemental des panneaux solaires n’est pas neutre. Les panneaux photovoltaïques sont fabriqués en grande majorité en Chine, et leur production nécessite de grandes quantités d’énergie. Pour les appareils fabriqués en Europe, la silice qui sert de matériaux de base provient en général de Chine, ce qui pose le même problème du transport ;
• l’implantation de panneaux solaires requiert un espace important, et l’espace nécessaire à une centrale de production à grande échelle peut être difficile à trouver ;
• pour les particuliers, l’installation de panneaux solaires n’est pas toujours possible. Si la maison est orientée au nord, ou si elle est à l’ombre une grande partie de la journée, une installation solaire n’aura aucun intérêt. De plus, sur certains bâtiments, ces appareils peuvent être inesthétiques, voire interdits par le Plan local d’urbanisme.

Des améliorations technologiques sont donc encore essentielles pour permettre à l’énergie solaire de s’imposer, sur le marché de la production d’électricité en particulier. Il est important de souligner que le monde de la recherche scientifique s’est saisi de cette problématique et travaille activement à rendre ce procédé accessible au plus grand nombre.

L’énergie solaire en France

Chaque année, de nouvelles installations de production d’électricité d’origine solaire sont raccordées au réseau français, que ce soit chez des particuliers ou dans des entreprises. Pour se faire une idée de l’état du secteur du solaire en France, l’idéal est de consulter les données officielles. Pour nous aider dans cette tâche, le think tank (ou groupe d’experts) France Territoire Solaire produit tous les trois mois un rapport intitulé « L’Observatoire de l’énergie solaire photovoltaïque en France » qui regroupe toutes les données à sa disposition, analyse les tendances et créée des graphiques pour les illustrer.

La 36^e édition de ce rapport livre les chiffres 2020 de l’énergie solaire en France :

• depuis 2015, en moyenne 770 installations solaires sont raccordées chaque année au réseau de distribution français ;
• parmi les près de 9 550 sites en fonctionnement à la fin du 3^e trimestre 2020 :
  • environ 42,5 % sont des installations dont la puissance est comprise entre 1 et 17 MW (ou 1 000 à 17 000 kW). Ce sont de grands sites de production, généralement installés par de grandes entreprises sur des toitures, ombrières ou au sol ;
  • 19,7 % environ ont une puissance raccordée entre 9 et 100 kW et sont gérés par des entreprises ;
  • 14,8 % de ces installations concernent les logements des particuliers et leur puissance est inférieure à 9 kW ;
  • les 23 % restants sont répartis entre les catégories Grande Toiture (100 – 250 kW), Grand Projet (puissance supérieure à 17 MW), Très grande toiture (250 kW – 1 MW) et enfin, les sites en autoconsommation sans injection (toutes puissances) qui sont les moins nombreux ;
• à la fin du 3^e trimestre 2020, le parc photovoltaïque français comptait près de 360 MW d’installation en autoconsommation, c’est-à-dire dont une partie au moins de la production est consommée par le producteur (et non injectée sur le réseau). Cette puissance est répartie entre 85 000 sites, dont 18 % sont en autoconsommation sans injection sur le réseau ;
• sur le marché résidentiel (pose de panneaux solaires chez des particuliers), c’est en moyenne 95 MW qui sont installés chaque année depuis 2012 ;
• sur ce même marché, les années qui ont vu le plus de raccordements sont 2010 (270 MW) puis 2011 (225 MW), année au cours de laquelle la puissance de raccordement a drastiquement chuté. Cette baisse est concomitante d’une forte diminution du tarif d’achat par EDF OA de l’électricité produite par les particuliers.

En 2019, la production d’électricité photovoltaïque en France couvrait 2,4 % de la consommation électrique du pays. Si ce chiffre semble bas, son évolution constante à la hausse sur les 10 années précédentes est très encourageante. En s’intéressant à la production trimestrielle et la consommation sur ces mêmes périodes, on constate toutefois que la France n’échappe pas à la saisonnalité de la production solaire et de la consommation d’électricité : les mois les plus froids voient leur consommation générale d’électricité augmenter par rapport aux mois les plus chauds et, dans le même temps, la production d’électricité d’origine solaire baisse fortement.

L’énergie solaire dans le monde

La France n’est pas le seul pays qui cherche à développer l’énergie solaire sur son territoire, loin de là. À l’échelle mondiale, la puissance nouvellement raccordée en 2019 et près de 7 fois plus élevée qu’en 2010 d’après l’Observatoire de l’énergie solaire photovoltaïque en France. Sur ces 9 années, la hausse est continuelle. Fin 2019, la puissance mondiale du photovoltaïque atteint 630 GW (1 GW = 1 000 MW = 1 000 000 kW).

Le site Our World in Data s’est donné comme mission de regrouper les données scientifiques produites dans le monde entier touchant des sujets d’actualité et de les rendre accessibles au plus grand nombre. Cela nous permet d’avoir une vision claire de la production d’énergie solaire photovoltaïque au niveau mondial.

La production d’électricité photovoltaïque mondiale totale en 2019 était de 11 320 GWh, toujours d’après les données disponibles sur Our World in Data.

Quel avenir pour l’énergie solaire ?

L’énergie solaire est l’une des énergies renouvelables les plus prometteuses pour le futur. En effet, elle présente très peu d’inconvénients qui ne peuvent être résolus technologiquement. Alors que l’énergie hydraulique a quasiment atteint ses limites avec la construction de la plupart des barrages possibles, l’énergie solaire est en comparaison illimitée. Contrairement aux éoliennes, les centrales solaires sont entièrement silencieuses, et demandent moins d’entretien. De plus, leur démantèlement est aussi plus aisé.

Le seul vrai frein au développement rapide de cette énergie est son caractère intermittent : la production d’électricité voltaïque se fait lorsque la consommation est la plus faible. Toutefois, de nombreuses voies sont actuellement explorées pour améliorer les possibilités de stocker de l’électricité sans pertes. On peut citer par exemple le cas du Volant de stockage solaire (VOSS) qui conserve de l’électricité sous forme d’énergie cinétique, ou celui du mur trombe capable de stocker de l’énergie thermique. Les technologies de ce type restent encore aujourd’hui l’exception plutôt que la règle, mais de nombreuses équipes de scientifiques travaillent à leur développement.

L’énergie solaire devrait donc encore avoir de beaux jours devant elle, et la recherche scientifique promet encore de belles avancées. Dans les décennies à venir, on devrait voir les panneaux solaires gagner en rendement et en longévité, le stockage de l’électricité devrait progresser, et les coûts de production de l’énergie solaire devraient diminuer et la rendre plus attractive.