19.3 : Énergie solaire

L'énergie solaire fait référence à l'énergie thermique ou lumineuse produite par le soleil. L'énergie solaire est de loin le type d'énergie renouvelable le plus abondant, fournie à la surface de la Terre à un rythme de 120 000 térawatts (TW) par heure, contre une utilisation humaine mondiale de 19,8 TW sur l'ensemble de l'année 2019. Pour mettre les choses en perspective, couvrir 1,2 % du désert du Sahara avec des panneaux solaires pourrait répondre aux besoins énergétiques de la Terre. Bien entendu, cela ne tient pas compte des limites de la capacité de stockage et de la capacité de distribuer cette énergie.

Les technologies permettant d'exploiter l'énergie solaire peuvent être passives ou actives. Les technologies solaires passives ne nécessitent pas d'équipement complexe et peuvent être aussi simples que d'utiliser la lumière naturelle d'une fenêtre ou d'une lucarne pour éclairer une pièce (figure\(\PageIndex{a}\)). De même, les tubes solaires sont recouverts d'un matériau réfléchissant et peuvent concentrer l'énergie lumineuse pour mieux éclairer une pièce (figure\(\PageIndex{a}\)). Ils sont encastrés dans le plafond comme le seraient les luminaires ordinaires.

Figure\(\PageIndex{a}\) : Lanterneaux et tubes solaires (dispositifs d'éclairage naturel tubulaires, TDD). Alors que les puits de lumière ressemblent à des fenêtres installées au plafond, les tubes solaires utilisent des lentilles et un revêtement réfléchissant pour concentrer la lumière du soleil, fournissant ainsi un éclairage brillant aux parties sombres de la maison. Qu'est-ce qui rend une verrière économe en énergie ? Les puits de lumière traditionnels sont des puits de lumière qui utilisent les mêmes technologies que les fenêtres, mais ces technologies sont encore plus utiles pour les puits de lumière, qui reçoivent directement le soleil en été et des écarts de température extérieurs/intérieurs plus importants en hiver. Les dispositifs d'éclairage naturel tubulaires captent la lumière du soleil sur le toit et la transmettent à une lentille diffusante montée sur une surface intérieure, généralement un plafond. La lumière naturelle d'un TDD peut éclairer les placards, les salles de bains, les couloirs ou d'autres espaces qui n'auraient généralement pas accès à la lumière du soleil, réduisant ainsi le besoin d'éclairage électrique. Image de gauche par le ministère américain de l'Énergie (domaine public) et image de droite par Energy Star (domaine public).

L'énergie solaire peut également être utilisée comme chaleur, ce qui peut être maximisé grâce à une architecture soignée (figure\(\PageIndex{b}\)). Tout d'abord, le bâtiment nécessite des fenêtres orientées plein sud (ou des portes vitrées). Lorsque la lumière du soleil traverse ces zones, l'énergie est stockée dans la masse thermique du bâtiment. Cela fait référence aux matériaux qui retiennent la chaleur tels que la roche ou les tuiles. Le bâtiment est également conçu de telle sorte que la chaleur est ensuite distribuée dans tout le bâtiment. Enfin, des avant-toits ou des structures similaires empêchent la lumière du soleil de pénétrer dans la maison pendant l'été.

Figure\(\PageIndex{b}\) : Cette conception de bâtiment utilise le soleil pour se chauffer pendant l'hiver et constitue donc une technologie solaire passive. Le surplomb du toit sert de contrôle, bloquant les rayons du soleil estival tout en laissant passer la lumière plus faible de l'hiver par la fenêtre (ouverture). L'énergie thermique du soleil est ensuite distribuée dans le bâtiment. La masse thermique (telle qu'un sol en carrelage ou en pierre) absorbe puis libère de l'énergie thermique. Image du ministère américain de l'Énergie (domaine public).

Un chauffe-eau solaire simple est une technologie passive composée d'un réseau de tubes chauffés par le soleil (figure\(\PageIndex{c}\)). L'eau chaude est ensuite transférée par le pompage d'une maison. (Certains chauffe-eau solaires sont plus complexes, utilisent des pompes et sont donc considérés comme des technologies solaires actives.)

Figure\(\PageIndex{c}\) : Un chauffe-eau solaire. Image de Vijayanarasimha/Pixabay (domaine public).

Les technologies solaires actives sont plus complexes. Par exemple, les panneaux solaires utilisent l'énergie lumineuse pour produire de l'électricité (figure\(\PageIndex{d}\)). Cela se produit dans les unités du panneau solaire, appelées cellules photovoltaïques (cellules PV ; figure\(\PageIndex{e}\)). Chaque cellule photovoltaïque est constituée de deux couches de semi-conducteurs, des substances qui ne conduisent l'électricité que dans certaines circonstances. (En revanche, les conduits conduisent toujours l'électricité, ce qui n'est pas le cas des isolants.) Un semi-conducteur contient des électrons supplémentaires, mais l'autre possède des espaces supplémentaires pour les électrons. Lorsque la lumière brille sur la cellule photovoltaïque, les électrons se déplacent entre les couches semi-conductrices à travers le conducteur qui les relie (comme des fils ou des plaques métalliques). Ce mouvement produit un courant électrique.

Figure\(\PageIndex{d}\) : L'installation solaire sur le toit du Douglas Hall de l'université de l'Illinois à Chicago n'a aucun effet sur les ressources foncières, tout en produisant de l'électricité à zéro émission. Source : Bureau du développement durable, UIC

Figure\(\PageIndex{e}\) : Schéma d'une cellule photovoltaïque composée de deux couches de semi-conducteurs. Le semi-conducteur supérieur (type n) contient des électrons supplémentaires et le semi-conducteur inférieur (type p) possède des points (trous) supplémentaires pour les électrons. Une jonction divise ces deux couches. La lumière libère les électrons et leur permet de se déplacer à travers un fil de type n pour combler les « trous d'électrons » dans le semi-conducteur de type p. Le mouvement des électrons à travers le fil produit un courant électrique. Image de l'Energy Information Administration des États-Unis (domaine public).

Cette vidéo explique comment les cellules photovoltaïques des panneaux solaires produisent de l'électricité.

La technologie solaire thermique est un autre exemple de technologie solaire active. Cela implique l'utilisation d'une série de miroirs pour concentrer l'énergie solaire et générer ainsi de la vapeur. De là, la vapeur fait tourner une turbine et alimente un générateur (figure\(\PageIndex{f}\)).

Figure\(\PageIndex{f}\) : Dans la technologie thermique solaire, (1) des miroirs ou des réflecteurs concentrent les rayons du soleil pour chauffer un type spécial de liquide, qui absorbe la chaleur. (2) La chaleur de ce liquide fait bouillir de l'eau pour créer de la vapeur, facilitée par l'échangeur de chaleur. (3) La vapeur fait tourner une turbine connectée à un générateur, qui produit de l'électricité. (4) La vapeur se refroidit et se condense à nouveau en eau, qui est recyclée, réchauffée et reconvertie en vapeur. Image et légende (modifiées) provenant de l'EPA (domaine public).

Non seulement l'énergie solaire est abondante, mais l'utilisation de panneaux solaires pour l'électricité ne génère pas de pollution de l'air et ne contribue pas au changement climatique. (La fabrication de panneaux solaires peut générer une certaine pollution, notamment des émissions de gaz à effet de serre, mais cela est minime par rapport à celui des combustibles fossiles.) À l'instar de l'énergie éolienne, l'expansion de l'énergie solaire peut créer des emplois et stimuler les économies. Tout comme le vent, la lumière du soleil est intermittente et le stockage de l'énergie solaire est limité par la capacité de la batterie. Certains emplacements ne reçoivent pas régulièrement la lumière directe du soleil et ne sont pas adaptés aux panneaux solaires. Alors que l'énergie solaire a toujours été la forme d'énergie renouvelable la plus coûteuse, les nouvelles technologies ont réduit son coût.

L'emplacement des panneaux solaires détermine leur impact environnemental. Les panneaux solaires sont souvent placés sur les toits des bâtiments ou au-dessus des parkings ou intégrés à la construction d'une autre manière. Cependant, de grands systèmes peuvent être installés sur terre, en particulier dans les déserts où ces écosystèmes fragiles pourraient être endommagés si aucune précaution n'est prise. De plus, les parcs solaires peuvent rivaliser pour l'espace agricole.

Les autres inconvénients de l'énergie solaire sont la consommation d'eau (pour certaines utilisations) et la production de déchets dangereux. Les grands réseaux de miroirs et de lentilles qui concentrent l'énergie solaire pour la production d'électricité dans les systèmes solaires thermiques ou pour le chauffage peuvent avoir besoin d'être nettoyés régulièrement à l'eau. De l'eau est également nécessaire pour refroidir le turbine-générateur. L'utilisation de l'eau provenant de puits souterrains peut affecter l'écosystème dans certaines zones arides. La fabrication de cellules photovoltaïques génère des déchets dangereux à partir des produits chimiques et des solvants utilisés dans le traitement. Certains systèmes solaires thermiques utilisent des fluides potentiellement dangereux (pour transférer la chaleur) qui nécessitent une manipulation et une élimination appropriées. L'énergie nucléaire dépasse toutefois l'énergie solaire en termes de consommation d'eau et de production de déchets dangereux.

Attribution

Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :

• Les énergies renouvelables et les défis et impacts de l'utilisation de l'énergie à partir de la biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)