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L'énergie solaire Des fondamentaux aux technologies d'aujourd'hui et de demain Coll. EDF R&D

Langue : Français

Auteur :

Directeur de Collection : EDF R&D

Couverture de l’ouvrage L'énergie solaire

Les technologies de production d’électricité à base d’énergie solaire connaissent un développement soutenu depuis une vingtaine d’années. Ce développement est lié à un fort engouement pour les énergies renouvelables dans un contexte mondial de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Il est la conséquence de politiques volontaristes mises en place par les pouvoirs publics dans de nombreux pays dès la fin des années 90. Le déploiement à grande échelle de ces technologies a conduit, ces dernières années, à des baisses substantielles de coût de production et à des progrès remarquables sur le plan des performances en raison d’efforts de recherche très importants en forte synergie avec l’industrie. Cette situation augure de belles perspectives pour l’avenir de ces filières à moyen et long terme. En France, le Gouvernement a dévoilé, en 2018, le plan « Place au Soleil » constitué d’une série de mesures qui contribueront à atteindre une cible de 32 % d’énergies renouvelables dans la consommation brute finale d’énergie en 2030.

Cet ouvrage a pour principal objectif d’offrir au lecteur un panorama complet de la production d’électricité photovoltaïque et solaire thermodynamique : fondamentaux, état de l’art, principales innovations envisagées à court et moyen terme. Des développements scientifiques détaillés ont été apportés chaque fois que nécessaires à la pleine compréhension du sujet.

Ce livre s’adresse aux étudiants de niveau Master, aux élèves ingénieurs ainsi qu’aux ingénieurs et chercheurs travaillant ou souhaitant travailler dans le domaine de l’énergie solaire. Il est également recommandé à toute personne désireuse de découvrir et de s’approprier ce sujet.

Préface

Avant-propos

Partie 1 - La ressource solaire

Chapitre 1 - Grandeurs radiométriques

1. Grandeurs géométriques : rappel sur l’angle solide

2. Grandeurs radiométriques

3. Grandeurs spectro-radiométriques

4. Grandeurs photoniques

Chapitre 2 - Le soleil, source d’énergie

1. Le soleil, source d’énergie

2. La nature spectrale du rayonnement solaire

3. Flux solaire moyen intercepté par la terre

4. L’éclairement solaire au sommet de l’atmosphère terrestre

Chapitre 3 - L’atténuation atmosphérique

1. Les processus d’atténuation du rayonnement dans l’atmosphère

2. Les composantes du rayonnement solaire reçu par une surface au sol

3. La masse d’air et les spectres de référence

4. La modélisation des conditions de ciel clair

Chapitre 4 - La mesure du rayonnement au sol

1. La sélection d’un site d’implantation d’un projet solaire

2. La mesure radiométrique sur site

3. Les réseaux de stations de mesure au sol

4. Le traitement d’images satellitaires

5. L’année météorologique typique (TMY, typical meteorological year)

6. Caractérisation de la variabilité de la ressource solaire

7. Prévoir le rayonnement solaire

Chapitre 5 - Le mouvement apparent du soleil

1. Le globe terrestre et les coordonnées géographiques : latitude et longitude

2. La relation terre-soleil

3. La mesure du temps

4. Le repérage du mouvement apparent du soleil sur la sphère céleste

5. Les diagrammes solaires

6. Le temps solaire

Chapitre 6 - La position du Soleil relativement à une surface inclinée

1. La position du Soleil par rapport à une surface inclinée

2. La poursuite du Soleil (Tracking)

Chapitre 7 - L’énergie collectée par une surface au sol

1. L’ensoleillement extraterrestre reçu sur un plan incliné

2. L’ensoleillement Global reçu sur un plan incliné

3. L’impact de l’utilisation des systèmes de poursuite du Soleil sur le rayonnement collecté

Partie 2 - La conversion photovoltaïque de l’énergie solaire

Chapitre 8 - Survol historique

1. De la découverte de l’effet photovoltaïque (1839) à la première cellule solaire au silicium (1954)

2. L’essor du photovoltaïque dans l’espace dans les années 1960

3. Le photovoltaïque redescend sur Terre à partir des années 1970

4. Le développement massif de la filière à partir des années 2000

Chapitre 9 - Le diagramme de bandes des semi-conducteurs

1. Structure cristalline des semi-conducteurs usuels utilisés pour la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire

2. Le diagramme de bandes

3. Pourquoi un semi-conducteur permet la conversion photovoltaïque du rayonnement solaire ?

4. L’approche semi-classique : notion de masse effective

5. Nombre total de porteurs dans un semi-conducteur cristallin

Chapitre 10 - Dopage des semi-conducteurs et transport de charges

1. Semi-conducteur homogène à l’équilibre

2. Semi-conducteur hors équilibre : phénomènes de transport

3. Les équations fondamentales pour l’étude des semi-conducteurs

4. Un exemple d’utilisation des équations fondamentales : le calcul de la longueur de diffusion

Chapitre 11 - Absorption de la lumière dans les semi-conducteurs

1. Flux d’énergie et flux de photons

2. Absorption de la lumière

3. Le processus de recombinaison

Chapitre 12 - La physique des cellules photovoltaïques

1. Quelques définitions

2. La jonction pn à l’équilibre

3. La jonction pn polarisée

4. Détermination analytique de la caractéristique courant-tension de la cellule

5. La jonction pn comme générateur photovoltaïque

6. Les critères d’optimisation des performances des cellules solaires

Chapitre 13 - Les procédés de fabrication des cellules et modules

1. La filière silicium cristallin

2. La filière « couches minces » (CdTe et CIGS)

3. Les systèmes photovoltaïques sous concentration

4. Perspectives de ruptures technologiques à moyen et long terme

Chapitre 14 - Modules, générateurs et systèmes photovoltaïques

1. Les groupements de cellules en série et en parallèle

2. Les modules photovoltaïques

3. Les générateurs photovoltaïques

4. La typologie des systèmes photovoltaïques

Chapitre 15 - Installations photovoltaïques en site isolé

1. Systèmes au fil du Soleil : connexion directe entre le générateur et la charge

2. Les systèmes autonomes

3. Prédimensionner une installation électrique autonome en site isolé

Chapitre 16 - Les installations raccordées au réseau

1. Architecture des installations raccordées au réseau

2. Fonctionnement et topologies de l’onduleur

3. La supervision et la maintenance des installations photovoltaïques raccordées au réseau

4. Prédimensionner une installation raccordée au réseau

Chapitre 17 - Intégration de la production photovoltaïque dans le système électrique

1. Régime normal et régimes exceptionnels de tension et de fréquence

2. La production photovoltaïque et le réglage de la fréquence

3. La production photovoltaïque et le réglage de la tension

4. La protection des biens et personnes contre l’îlotage non sollicité

Partie 3 - Les technologies solaires thermodynamiques à concentration

Chapitre 18 - Perspective historique

1. La concentration du rayonnement solaire au fil des siècles

2. Les machines à vapeur solaire au xixe siècle

3. Les premières applications d’envergure dans la première moitié du xxe siècle

4. Les crises pétrolières et les débuts de la production d’électricité thermosolaire

5. Un nouvel essor au xxie siècle

Chapitre 19 - Pourquoi concentrer le flux solaire ?

1. Définitions

2. Typologie des concentrateurs utilisés dans les centrales thermosolaires

3. Pourquoi concentrer le rayonnement solaire ?

4. La Limite thermodynamique du facteur de concentration

5. Facteur de concentration des miroirs paraboliques idéaux

6. Les concentrateurs réels et leurs limitations

7. L’utilisation d’optiques secondaires

Chapitre 20 - Principes généraux et état de l’art

1. Principes généraux

2. Principales caractéristiques des quatre technologies solaires thermodynamiques

3. Les limites inhérentes à la filière solaire thermodynamique

Chapitre 21 - Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques

1. La concentration du rayonnement solaire

2. Performance des collecteurs cylindro-paraboliques

3. Cycle thermodynamique

4. L’hybridation

5. Stockage thermique

Chapitre 22 - Les centrales à tour

1. Principe de fonctionnement

2. Performance du champ d’héliostats

3. Cycles thermodynamiques

Chapitre 23 - Le stockage thermique

1. La physique du stockage thermique et les matériaux utilisés

2. Typologie du stockage thermique

3. Systèmes de stockage : état de l’art et innovations

4. Les stratégies d’exploitation du stockage thermique

Bibliographie

« La vedette incontestée de l’année, c’est le solaire photovoltaïque, dont la capacité nette a pour la première fois crû davantage que tous les autres combustibles, et notamment plus que le charbon ». C’est par ces mots que le directeur exécutif de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), Fatih Birol, introduisait, en octobre 2017, la présentation du rapport de son agence sur les perspectives de marché des énergies renouvelables. Et de fait, la capacité photovoltaïque (PV) installée au cours de l’année 2016 s’est accrue de 74 gigawatts (GW, ou milliers de mégawatts) en 2016, moitié plus que l’année précédente, elle-même considérée alors comme un record, loin devant l’éolien terrestre (52 GW), l’hydroélectricité (32 GW), la bioélectricité (6.6 GW) et la géothermie (350 MW). Et si le PV ouvre la marche, le solaire thermodynamique à concentration (CSP) arrive bon dernier (270 MW). Et ce n’est que le début pour le photovoltaïque. Malgré son succès récent, la production d’électricité solaire ne représente encore qu’environ 1,5 % de la production mondiale d’électricité – 312 terawattheures (TWh – milliards de kilowattheures) pour le PV et 13 TWh pour le CSP en 2016. Autant dire que sa marge de progression reste très importante. Et pour l’instant, dans la très grande majorité des cas, la fameuse variabilité de sa production n’est simplement pas un problème.

L’AIE anticipe que le PV atteindra une capacité mondiale entre 740 et 880 GW en 2022, contre à peine plus de 300 GW à fin 2016. La Chine puis l’Inde fourniront les gros bataillons de ces capacités nouvelles, dont près de 60 % seront installées au sol dans de grandes installations. Poussée principalement par la croissance de l’éolien et du PV, la génération d’électricité renouvelable se détachera plus nettement de celle due au gaz naturel, sans pouvoir déjà rejoindre celle du charbon. Au-delà, aux horizons 2030 à 2060, il n’y a plus de prévisions mais des scénarios, et ceux de l’AIE sont régulièrement révisés à la hausse devant la poussée continue du PV, la baisse précipitée de ses coûts, l’amélioration de son efficacité, et l’intérêt toujours plus important que lui témoignent les décideurs politiques – gouvernements, parlementaires, exécutifs régionaux ou municipaux – et d’entreprises. Qu’il s’agisse de réduire la pollution urbaine, de réduire les émissions de CO2, d’améliorer la sécurité énergétique ou l’accès à l’énergie, le PV apparaît de plus en plus comme un outil capital, dont l’incroyable adaptabilité permet de répondre à une multiplicité de besoins, du milliwatt de votre calculette au presque gigawatt de la centrale chinoise de Longyangxia Dam en passant par les toits solaires australiens ou belges1 et les millions de petits solar home systems dont bénéficient 20 millions de Bangladais, 12 % de la population du pays. Les grandes centrales au sol, parfois avec suivi du soleil sur un axe, peuvent déjà produire de l’électricité à 6 centimes d’euros le kWh en Europe – et même au Danemark – et moins de 3 US cents le kWh dans les zones du globe les plus ensoleillées. Cette rapide évolution économique a conduit la France depuis 2009 à quintupler ses ambitions solaires à l’horizon 2020, et son opérateur historique, Électricité de France, à annoncer en décembre 2017 son intention de développer lui-même 30 GW de PV à l’horizon 2035 par le truchement des appels d’offres, misant donc implicitement sur un objectif gouvernemental à cet horizon d’au moins le double. Jusqu’où ira cette croissance ? Dès 2011, l’AIE a envisagé que le solaire puisse devenir non seulement la principale source d’électricité de l’humanité, mais même sa première source d’énergie2. Ce qui ne va pas de soi, s’agissant d’une énergie qui n’est disponible en tout point de la surface du globe que durant la moitié du temps… Au mieux ! En pratique, il semble qu’il ne faille pas espérer une production supérieure à un fonctionnement équivalent à pleine puissance d’environ 3 000 heures par an (sur 8 760) dans l’endroit le plus ensoleillé du globe, le désert d’Atacama au Chili. Dans de nombreuses régions du globe, d’autres énergies renouvelables fourniront très vraisemblablement davantage d’énergie que le solaire : en Europe occidentale, parce que la demande d’électricité est plus forte en hiver quand l’éolien produit le plus ; et même peut-être en Amérique latine, non que le soleil manque mais parce que les ressources de l’hydraulique sont considérables. À cette exception près, dans la plupart des pays bien ensoleillés le photovoltaïque devrait dominer le mix électrique à terme, tiré notamment par la demande de climatisation, et sans doute complété notamment par l’hydroélectricité dans les zones équatoriales humides, et par… le solaire thermodynamique à concentration (ou CSP, voire STE, abréviations de Concentrating Solar Power et de Solar Thermal Electricity). Sous des cieux clairs dans les pays chauds et secs (donc à forte insolation directe), le CSP complète en effet idéalement le PV. Grâce au stockage thermique il est bien placé pour produire de l’électricité solaire après le coucher du soleil. Aujourd’hui, dans nombre de pays, c’est le soir que la demande d’électricité est maximale, et sa valeur la plus grande. Plus tard, quand le processus de décarbonisation de la production d’électricité s’approchera de son terme, il faudra aussi produire avec des renouvelables l’électricité de la seconde partie de la nuit, quand sa demande est minimale et sa valeur la plus faible. Ce que préfigure déjà l’appel d’offres de la Dubai Electricity and Water Authority, pour une production solaire thermodynamique de 16 heures à 10 heures, remporté par la firme saoudienne ACWA Power au prix de 7,3 US cents par kWh pour une centrale de 700 MW au total, en quatre turbines.

On le voit : le défi de la variabilité du solaire, tout comme celle du vent, appelle un ensemble de réponses plutôt complexes, dont la première est sans doute un développement réfléchi des renouvelables, combinant celles qui peuvent être actionnées à volonté avec celles dont la disponibilité dépend des facteurs météorologiques, combinant également productions décentralisées et centralisées, dans des proportions qui dépendront naturellement des ressources mais tout autant des variations quotidiennes ou saisonnières de la demande d’électricité. La deuxième réside dans la gestion de la demande, un levier également très important quoique encore peu mis en oeuvre. Par exemple, pourquoi ne pas utiliser l’électricité photovoltaïque pour fabriquer de la glace en milieu de journée, dont la fonte progressive répondra aux besoins de rafraîchissement nocturnes avec une consommation minimale ? La troisième réponse est sans conteste le développement des réseaux et des interconnexions, qui permettent de mieux « lisser » les productions variables, et de mieux utiliser les capacités fermes, hydrauliques ou thermiques. Bref, le stockage de l’électricité, s’il sera nécessaire en bien plus grandes quantités qu’aujourd’hui – à peu près 150 GW presque exclusivement grâce aux stations de transfert d’électricité par pompage –, n’est nullement l’alpha et l’oméga de l’intégration des renouvelables variables, mais un outil parmi d’autres.

Au-delà de la consommation actuelle d’électricité, qui plafonne dans les pays industrialisés, s’ouvrent de nouveaux et vastes horizons pour les énergies renouvelables en général, et en particulier celles du soleil. La nécessaire décarbonisation de nos économies, la réduction des polluants atmosphériques autant que la quête d’une sécurité énergétique accrue conduiront inéluctablement à une forte accélération du rythme d’électrification du mix énergétique. Les transports, la chaleur, les procédés industriels vont devoir abandonner les combustibles fossiles. Et pour cela, aux côtés des énergies renouvelables thermiques, en progrès mais qui se heurtent à des barrières difficiles à éliminer, il leur faudra se tourner vers des procédés électriques. Parmi ceux-ci, l’électrochimie prendra une place grandissante en ouvrant la voie d’abord à une production sans émissions polluantes de l’hydrogène indispensable à nombre d’industries – fertilisants azotés, raffineries et autres ; puis à de nouveaux usages industriels de l’hydrogène tels que la réduction directe du minerai de fer, ou d’autres applications de l’électrolyse pour traiter d’autres matériaux essentiels ; enfin à des usages énergétiques de l’hydrogène pour seconder les batteries d’accumulateurs dans un certain nombre de situations.

Mais nous n’en sommes pas tout à fait là. L’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie solaire thermodynamique à concentration ont connu des progrès remarquables mais ont encore beaucoup de chemin à parcourir. Dans ce contexte, le livre de Robert Soler vient à propos pour fournir aux chercheurs, aux ingénieurs et aux techniciens toutes les clés, les ressorts scientifiques de ces techniques. Et ce n’est pas le moindre mérite de ce livre savant, parfois ardu mais toujours juste et pointu, que d’associer dans un même volume deux familles technologiques qui utilisent certes la même source d’énergie, encore que pas tout à fait, mais surtout dont les bases scientifiques et industrielles sont très différentes – et que nous devrons pourtant apprendre à associer au mieux pour répondre aux exigences énergétiques et environnementales d’aujourd’hui et de demain.

Cédric Philibert

Agence internationale de l’énergie,

division des énergies renouvelables

1. Ces pays sont numéros 1 et 2 pour le pourcentage de maisons équipées en toits solaires. 2. https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Solar_Energy_Perspectives2011.pdf

Etudiants de niveau Master, élèves ingénieurs, ingénieurs et chercheurs travaillant ou souhaitant travailler dans le domaine de l’énergie solaire.

Robert Soler est chercheur sénior à EDF R&D. Il est ingénieur de l’INSA de Lyon et a vingt ans d’expérience dans le domaine de l’énergie solaire au cours desquels il a été amené à coordonner des projets relatifs à l’électrification rurale dans les pays en développement, aux procédés de fabrication des cellules photovoltaïques, à la mise en œuvre des systèmes et centrales photovoltaïques et à la production solaire thermodynamique. Il enseigne cette discipline à CentraleSupelec, l’INSTN (Institut National des Sciences et Techniques du Nucléaire) et l’IFP School.

Date de parution :

Ouvrage de 668 p.

15.5x24 cm

Quadrichromie

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