Penseur

dimanche, mai 06, 2007

Les différents avenirs de l'énergie solaire

Un certain nombre de news récentes montrent que les différentes voies explorées depuis quelques années dans la perspective d'exploiter de façon plus rentable l'énergie solaire sont en train de porter leurs fruits.

Jusqu'à présent, les cellules solaires étaient faites en silicium. Le silicium à l'état amorphe a un rendement assez faible, mais ne coûte pas cher (il n'a pas besoin d'être aussi pur que pour les composants électroniques), tandis que le silicium cristallin a un meilleur rendement mais est plus cher. Cependant, la rentabilité des cellules photovoltaïques à base de silicium est compromise par l'augmentation du cours des matières premières. Ses possibilités de développement sont aussi limitées par la nécessité d'un fort ensoleillement, par sa dégradation rapide, par sa fragilité. Le silicium est un semiconducteur "indirect", ce qui signifie, pour faire simple, que la probabilité de créer un électron à partir d'un photon de lumière est assez faible. Il faut qu'un phonon soit créé pour "aider" le processus, et pour augmenter la probabilité que cela arrive, les couches de silicium doivent être assez épaisses.

La première voie possible pour améliorer la situation se situe du côté des couches minces. En utilisant des matériaux semi-conducteurs plus efficaces (à gap "direct", où le photon crée directement un électron), on peut se passer des couches épaisses requises par le silicium. Du coup, il est possible d'en empiler plusieurs, chacune absorbant un domaine du spectre solaire : le rendement est meilleur, y compris en ensoleillement limité. D'autre part, les couches cent fois plus fines abaisse le coût de revient, même si la matière première est plus coûteuse au kilogramme.

Cette première technologie est intéressante du strict point de vue du rendement, mais reste classique dans son approche économique et la nécessité de construire de grandes centrales ou "fermes" solaires. D'autres technologies, par contre, portent en elles les germes de nouveaux usages, et donc, d'intérêts économiques.

Il est par exemple envisagé de recouvrir les toits en acier de tous les hangars, bâtiments industriels, et autres tôleries, par des nanoparticules de semiconducteurs. Un simple spray serait suffisant, et permettrait de valoriser ces larges surfaces. Le problème est la dégradation rapide des particules : une solution envisageable serait de les recouvrir de plastique transparent, mais ce matériau a la fâcheuse tendance à jaunir, c'est-à-dire à devenir moins transparent, après une longue exposition à la lumière. Et il y a toujours le problème de l'utilisation à grande échelle, en milieu urbain, de nanoparticules...

Une autre branche très prometteuse, et potentiellement très novatrice dans ses applications, est le domaine des semiconducteurs organiques. C'est un domaine de recherche foisonnant, avec déjà un certain nombre d'applications. Par exemple, ces textiles-capteurs solaires, ou ces cellules photovoltaïques sur plastique souple. J'avais aussi eu l'occasion de parler de la perspective d'imiter la nature et sa photosynthèse. Ces technologies pourraient engendrer en cascade de multiples produits : pourquoi ne pas imaginer des sac de randonnée servant de batterie, des bateaux propulsés par des voiles d'un nouveau genre, ou des vêtements bourrés d'électronique auto-alimentés ? Au niveau scientifiques, de multiples voies de recherche sont proposées pour améliorer le rendement encore faible de ces plastiques photovoltaïques. Par exemple, certains polymères s'auto-organisent d'une façon qui multiplie la surface de contact entre les deux électrodes et qui réduit la distance à parcourir pour les électrons, ce qui compense la faible conductivité des polymères. Une autre idée serait d'empiler les couches de semiconducteurs en série, pour augmenter l'intensité produite et le rendement. Cette technique est extrêmement coûteuse avec les semiconducteurs classiques, mais pas avec les plastiques.

Bref, la créativité dans le domaine de l'énergie fait espérer que des solutions novatrices deviennent économiquement plus intéressante que les hydrocarbures. Cependant, il restera toujours le problème du transport et du stockage de l'énergie, très difficile avec l'électricité telle quelle, mais très facile sous la forme de liquide (pétrole) ou gaz (gaz naturel). C'est peut-être là que l'hydrogène aurait un rôle à jouer, en étant synthétisée dans les déserts du Sahara, du Nouveau-Mexique ou de Gobi, et en étant consommée dans les voitures à New York, Londres ou Pékin...

11 commentaires:

Tom Roud a dit…

Quel est l'ordre de grandeur typique de l'énergie produite par mètre carrés par toutes ces technologies ? Quelle surface serait nécessaire pour alimenter en énergie une maison, une voiture, ...?

Matthieu a dit…

j'en suis réduit à te donner les chiffres de Wikipédia : les cellules à silicium produise entre 60 (amorphe) et 120 (cristallin) Watt-crete par metre carré. Je n'ai pas de chiffres pour les plastiques, mais vu que leur rendement est un peu plus faible que le silicium amorphe, je dirais 40-50. Mais je ne suis pas sur que ce critere soit le plus pertinent, sauf pour évaluer la place que doit prendre un tel capteur.

D'un point de vue energetique global, les cellules en silicium mettent 10 ou 20 ans, sur une durée de vie de 40 ans, pour produire l'énergie qui a été nécessaire à leur fabrication. La durée de vie et le rendement des cellules plastiques est certes plus faibles, mais leur cout energétique n'a rien de comparable.

Tom Roud a dit…

Merci de ta réponse.
Je me posais la question car dans ces problèmes d'énergie, avant de faire des choix politiques, c'est assez important d'avoir une idée des différents ordres de grandeurs impliqués, et c'est donc assez important que les scientifiques donnent leur avis. Par exemple, on parle souvent des bio carburants à base de maïs, mais si j'en crois certains spécialistes, se lancer là-dedans serait catastrophique car le bilan énergétique total est négatif (on brûle plus d'essence qu'on n'en produit). L'un des problèmes des politiques à mon avis est qu'ils n'ont bien souvent aucun sens des différences d'ordre de grandeurs (que cela soit en matière de politique énergétique ou économique), quand ils ne préfèrent pas se cacher derrière leurs préjugés ou leur idéologie....

david a dit…

> Tom, un document que je trouve interessant sur le probleme que tu souleves (a mon avis fondamental) est celui disponible sur le site de D. McKay:

http://www.withouthotair.com/

Il y fait pas mal d'estimations sur le rapport cout/apport de pas mal de technologies de production/consommation d'energie. Il n'est absolument pas specialiste de ce domaine, mais c'est a ma connaissance un des rares documents avec cette approche abordable au quidam comme moi.

Modafokaa a dit…

Alalalla, je suis un béotien sur ces sujets mais comment diable un photon crée t-il un electron, ces deux particules n'appartenant pas à la même catégorie (fermions, bosons, toussa)?

enerzine.com a dit…

bonjour,

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Matthieu a dit…

@Modafokaa : il s'agit d'une histoire de niveaux d'énergie : le photon "frappe" un atome, et lui communique de l'énergie. Cette énergie peut servir à faire passer un électron a un niveau d'énergie supérieure, ce qui donne naissance à des phénomènes comme la fluorescence (l'électron réemet un photo en redescendant d'un niveau d'énergie). Dans le cas particulier des semiconducteurs, il s'agit de faire sauter un électron d'une bande de niveaux d'énergie totalement occupée par des électrons (et donc ne pouvant pas conduire le courant) a une bande vide (qui elle non plus ne conduit pas). On crée alors une "paire électron-trou" : un électron dans la bande vide, un trou dans la bande pleine. Au passage, cela répond à votre question qui se rapportait à la conservation du spin. Mais, plus important, on a maintenant deux conducteurs (l'électron et le trou correspondant) qui peuvent conduire du courant ! d'ou l'effet photoélectrique.

@enerzine : je regarde votre site et je vous dis ca.

Modafokaa a dit…

Merci pour l'éclairage ;)
A+

Masilier a dit…

Contrairement aux dénigrements fondés sur l’ignorance, le bilan énergétique du solaire photovoltaïque est toujours positif, même aux latitudes élevées comme Copenhague (facteur de gain de 9,1).

Le bilan énergétique n’est pas seulement lié à la latitude mais dépend aussi des conditions climatiques locales (temps nuageux ou clair). Ainsi, le gain énergétique est presque identique pour des villes situées à des latitudes très différentes ... Paris: 9,4 - Berlin: 9,0 - Copenhague: 9,1 - Stockholm: 9,2 ... ou différente pour des villes situées à une latitude voisine ... Edimbourg: 8,0 comparé à Copenhague.

Voir : Le solaire photovoltaïque, une énergie rentable


Une installation de 8 m2 (huit mètres carrés) en toiture à Paris, dont la puissance crête est de 1 kWc (qualité moyenne, rendement de 12%) produit 872 kWh par an. Cela correspond à la consommation électrique spécifique (hors chauffage, eau chaude et cuisson) d’une personne raisonnable. Cette consommation était de 1100 kWh en moyenne par habitant en France en 2005.

Matthieu a dit…

Ce genre de commentaire, j'adore. Presque toute la discussion dans les commentaires précédents portait sur le point précis de savoir combien de temps il fallait attendre avant de voir un panneau solaire rentabiliser sa fabrication en termes énergétiques.

Mon deuxième commentaire citait wikipedia : D'un point de vue energetique global, les cellules en silicium mettent 10 ou 20 ans, sur une durée de vie de 40 ans, pour produire l'énergie qui a été nécessaire à leur fabrication. La durée de vie et le rendement des cellules plastiques est certes plus faibles, mais leur cout energétique n'a rien de comparable. Un chiffre peut etre un peu imprecis mais qui était du bon ordre de grandeur par rapport a votre document, Masilier.

Merci de lire les commentaires avant de nous accuser de "dénigrements fondés sur l'ignorance".

Masilier a dit…

Si Wikipédia est une source intéressante d'information, il ne faut pas prendre tout ce qu'on y trouve pour argent comptant.

Certaines données circulent au sujet du rendement énergétique des cellules au silicium, mais datent malheureusement de plus de vingt ans et proviennent du CEA.

Curieux cela, le CEA chercherait-il à "dénigrer" un challenger du nucléaire, encore faible à ce jour mais plein d'avenir ?