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INTRODUCTION
L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839, par le physicien français, Alexandre Edmond Becquerel. Il a remarqué que certains matériaux génèrent une certaine quantité d’électricité lorsqu’ils étaient exposés à la lumière. En 1884, Charles Fritts installe les premiers panneaux photovoltaïques sur les toits de New-York.
En 1954, les laboratoires Bell présentent les première cellule photovoltaïque en silicium capable d’alimenter des appareils électriques domestiques, mais reste sans suite à cause des coûts excessifs. C’est en 1958, lorsque l’on équipe les satellites spatiaux Vanguard I que leurs efficacité est démontrée. A partir des années 1970, la technologie se développe principalement comme source d’énergie sur des sites isolés sans accès à l’électricité comme les déserts, la montagne, en mer et toute sorte d'applications soumises à des conditions extrêmes principalement militaires.
Depuis peu (2010) cette technologie connaît un essor fulgurant en raison de la pénurie des énergies fossiles, de la hausse des prix de l’énergie et de la lutte contre le réchauffement climatique.
Fabrication
Les capteurs solaires que nous avons sur les toits, sont constitués d'un ensemble de cellules photovoltaïques. Ces cellules photovoltaïques sont des composants électronique, qui lorsqu'ils sont exposés à la lumière, génèrent une tension électrique et du courant continu. Les cellules sont fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs principalement en silicium. Il y en a deux sortes: monocristallines et multicristallines.
Le silicium est obtenu par raffinage. C’est une action qui consiste à séparer les atomes de silicium de ceux de l’oxygène dans un four. Cette phase est encore fortement émettrice en gaz à effet de serre, mais de nouveaux procédés permettent de réduire fortement cette pollution. Ensuite le silicium est purifié par des procédés chimiques, afin d’obtenir le silicium polycristallin.
Lorsqu'un photon est absorbé par un matériau semi-conducteur, cela libère dans ce matériau un électron par atome. En ce qui concerne le silicium, il absorbe tous les photons d'énergie supérieur à 1,1 eV. dont la longueur d'onde est inférieur à 1132 nm. Le silicium absorbe donc la lumière visible.
Hypothèse
Des estimations récentes montrent que d'ici la moitié du XXIème siècle nous devrons fournir jusqu'à 30 TWH d'énergie décarbonée, pour une population qui est estimée à 10 milliards d'êtres.
Si on suppose que toute cette énergie sera fournie par des panneaux photovoltaïques ayant une durée de vie de 30 ans, cela se traduit par des taux de production photovoltaïque de 1 TW/an. Toutes les ressources renouvelables seront importantes, mais seul le solaire peut répondre à ce niveau de demande. Le potentiel mondial pratique des autres sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie éolienne, hydroélectrique, la biomasse et la géothermie, est estimé à moins de 10 TW2.
Quel est le potentiel théorique de l'énergie solaire ?
Le soleil nous envoie chaque année... et gratuitement 3 766 800 exajoules d'énergie (1 exajoule équivaut à 1 milliard de milliards de joules). L'ensemble de la végétation terrestre ne capture qu'environ 3 000 exajoules à travers la photosynthèse (Kazuhisa 2007, ch.2.1.1). L'ensemble de l'activité et de l'industrie humaine, consomment annuellement un peu plus de 500 exajoules, ce qui équivaut à plus ou moins 90 minutes de toute l'énergie reçue. (annual energy outlook 2021)
Le rayonnement solaire s'élève à 1,7 1017 W ; 34% est réfléchi, 42% est converti en chaleur directe, 23% est stocké dans la vapeur d'eau. directement en chaleur, 23% sont stockés dans la vapeur d'eau, le vent et les vagues consomment environ 1% et les plantes 0,023%. 1%, et les plantes en consomment 0,023%.
La constante solaire (le flux solaire intercepté par la terre) est de 1,37 kW/m2. La section transversale de la terre interceptant ce flux à tout moment est de πr² (où r = 6 378 km est le rayon de la terre), mais la surface de la terre sur laquelle ce flux est moyenné dans le temps est de 4πr². Par conséquent, le flux solaire moyen dans le temps et dans l'espace qui frappe l'atmosphère externe de la terre est de (1,37 kW/m2)/ 4 =
342,5 W/m²
Comme nous l'avons vu plus haut une partie de ce flux (19%) est absorbé par l'atmosphère et les nuages et 30 % est dispersé. Ce qui donne un flux moyen qui atteint la surface de la terre de 342,5 W/m² - 49% (1-0,49) =
174,7 W/m²
Ce qui nous donne un potentiel théorique d'énergie solaire qui est l'intégrale de ce flux moyen sur la surface de la terre (4πr²), soit :
P = (174,7 W/m2 ) · (4πr 2 )
= (174,7 W/m2 ) · 4π · (6,378 km) 2 · (106 m2 /km2 ) · (10-12 TW/W)
= 89 300 TW.
Ce potentiel théorique pourrait être utilisé pour produire 20 TW d'énergie neutre en carbone à partir de sources d'énergie à 10 % d'efficacité couvrant seulement 0,17 % de la surface de la terre, ou encore
A20TW = 0.168% · (4πr² )
= 0.168% · 4π · (6,378 km)²
= 858 792 km²
858 792 km², c'est à peu près, une fois et demi la surface de la France (551 695 km²) ou plus de dix fois plus petit que la Chine (9 600 000 km²) ou les États-Unis (9 629 091 km²). Par exemple pour ce dernier il faudrait, si on prend les chiffres de 2019, soit 24 386 Twh, que nous convertissons par heure, ce qui nous donne approximativement 3 Twh. Ce qui pour l'exemple revient, que pour un systèmes de conversion solaire soit efficace cela nécessiterait une surface d'autant de :
A3TW = A20TW · (3/20)
= 858 792 km² · (3/20)
= 128 819 km²
En pratique
Chaque mètre carré de territoire en France et en Belgique reçoivent en moyenne 300 Wc, soit 1 MWh d'énergie solaire par an. Un panneau solaire correctement installé produit 100 kWh d'énergie par an.
Est ce possible pour la Wallonie ?
La consommation finale d’énergie pour la Wallonie en 2019 s’élève à 126 182,5 GWh (walstat 2021), ou pour faciliter notre calcul nous passons en Térawatt heure, c’est à dire 126 Twh. Cela nous donne en heures (engie) : 126/1500 = 0,084 Twh Ce qui pour l'exemple revient, que pour un systèmes de conversion solaire soit efficace cela nécessiterait une surface d'autant de :
A0,084TW = A20TW · (0,084/20)
= 16 901 km² · (0,084/20)
= 2 839,4 km²
soit plus ou moins 2 839 400 000 m²
Ce qui revient pour la Wallonie à une surface de : (100*2839,4/16 901) 16,8 % du territoire.
La superficie bâtie en Wallonie est de 15,31 % (INDICATORS 2022), en augmentation.
Comment calculer la surface dont vous avez besoin ?
En Belgique, la consommation moyenne d'électricité par ménage est de 3500 kWh (CREG 2021).
Formule : Rendement d’un panneau solaire = Puissance (Wc) / Superficie (m²) × 1000
Taux de rendement : 300 / (1,5 × 1000) = 20 %
Nombre de panneaux solaires : 3500 kWh / 300 Wc = ± 12 panneaux
Superficie requise : 12 × 1,5 = 18 m²
En France, fastoche ?
La consommation totale d'électricité pour la France en 2019 est de 500 TWh (RTE 2021). Que nous passons en heure : 500/2000 = 0,25 Twh Ce qui revient, pour une conversion solaire efficace, à une surface de :
A0,25 TW = A20TW · (0,25/20)
= 543 940 km² · (0,25/20)
= 6 799,25 km²
soit plus ou moins 67 992 500 000 m²
(6799.25*100/543940) = 1,25% du territoire
Alors, fastoche?
Eh bien, en fait, c'est surtout indispensable, puisque dans son rapport de novembre 2021 ; " Futurs énergétiques ", RTE estime qu'en 2050 la consommation électrique française se situera autour de 645 TW h, et que dans son scénario le plus favorable au nucléaire -NO3- le secteur ne parviendrait qu'à fournir 50% de la demande électrique. Il faudrait donc que le reste soit fourni par les ENR. Soit 22 GW d'éolien off shore, 45GW d'onshore et une multiplication par 7 des capacités actuelles du solaire photovoltaique, le faisant passer à 70Gw. Mais dans un rapport publié en octobre 2021 par l'administration française, intitulé "travaux relatifs au nouveau nucléaire (PPE 2019-2028) estime que les 6 premiers noveaux réacteurs ne pourraient pas être mis en service avant 2039 -2041, alors que RTE les intégraient en 2035. Le solde serait raccordé en 2049-2051. Ces projections font passer le nucléaire en dessous du scénario N1 le RTE, qui est le moins poussé dans cette voie. Et quand on sait les retards actuels que connait l'EPR le flammaville, on peut douter du maintien du calendrier Par EDF, qui projette, pour un EPR2, dont le conception est encore différente de flammaville, une durée de construction de 8 ans et 9 mois. On peut sans trop risquer de se tromper, qu'EDF est un "peu" trop optimiste. Ces ajustements ne seront certainement pas les derniers, puisque nous savons déjà que EDF tablait sur une autorisation de I 'ASN pour 2025, alors que celles-ci ne la prévoit pas avant 2027, et que les oppositions aux constructions ralentiront inévitablement les chantiers.
Ceci pris en compte, le scénario RTE le plus crédible serait le N1. C'est à dire avec 13GW de nucléaire supplémentaire en 2050, tout en étant hyper optimiste. Dès lors les renouvelables devront prendre une place encore plus importante, soit plus ou moins 74% de la production électrique.
Intermittence
Chaque source d'énergie a des avantages et des inconvénients. Tous les moyens de production d'énergie connaissent des fluctuations. Les barrages hydroélectriques peuvent se retrouver à sec et une centrale thermique peut tomber en panne (Röhrkasten, Sybille 2015) . Et à ce moment ce n'est pas 1 ou 2 Mégawatt manquants, mais 1 ou plusieurs Gigawatts. En un mot, l'intermittence est une difficulté partagée par tous les moyens de production. Seul diffère le planning des interruptions.
En ce qui concerne le solaire, les variations de l'irradiation (c'est la puissance du rayonnement solaire par unité de surface mesuré en Watt/m 2) sont prévisibles, puisqu'elles suivent l'alternance du jour et de la nuit et le rythme des saisons. Si les fluctuations instantanées, comme celles que peut occasionner un passage nuageux important, sont imprévisibles, aussitôt que l'on considère un ensemble de centrales et une durée plus longue, il n'y a quasiment aucune incertitude concernant 80 % de la puissance attendue.
En pratique, des batteries sont capables de lisser les petites fluctuations que peut connaître le réseau dans son ensemble. Reste, que sous nos latitudes (Europe), la difficulté causée, en hiver, par une longue durée de faible production avec une baisse qui peut culminer à 55 % en décembre et en janvier. Toutefois, c'est sans compter sur une des capacités des cellules photovoltaïques ; la " performance ratio".
La performance ratio, c'est la capacité qu'ont les cellules photovoltaïques de transformer les rayons du soleil en énergie. En effet, celles-ci augmentent en proportion quand l'irradiation solaire diminue en valeur absolue. C'est-à-dire que moins le soleil brille, meilleur est le taux de conversion du rayonnement solaire en électricité.
Ce qu'il faut bien comprendre, c'est que les énergies renouvelables doivent être considérées comme un tout. Entendez que l'ensemble de tout le maillage, dont la capacité est quasi infinie, fluctue moins qu'une seule unité. Puisque , de nouveau, c'est en hiver que le vent souffle le plus, comme pour suppléer à un ensoleillement moindre. Par exemple, c'est entre octobre et mars que les parcs à éoliennes offshore danois, allemands, belge et anglais, produisent à plein régime, à un tel point que les prix de ventes peuvent être négatifs.
Exemples de solutions
La ferme Jack's solar garden dans le Dakota - US
Cette ferme a installé 3200 panneaux solaires capable d'alimenter en électricité plus de 300 foyers. Les propriétaires ont planté leurs cultures sous ces panneaux, et ont constatés que les plantes poussaient mieux et nécessitaient moins d'arrosage, tandis que les panneaux produisaient plus d'électricité.
En 2020, la capacité installée en solaire photovoltaïque à atteint les 760 Gw avec rien que pour cette année 139 Gw nouvellement installés.
Suite en cours...
Sources ;
Tableaux de bord : https://www.creg.be/sites/default/files/assets/Prices/tableaudebord.pdf
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