L'énergie solaire connait un essor considérable en 2024, offrant de multiples opportunités mais aussi des défis à relever. Cet article propose une exploration approfondie des principes fondamentaux de l'énergie solaire, des technologies photovoltaïques et thermiques, de l'impact environnemental, des avantages économiques, des limites actuelles et des perspectives d'avenir de cette source d'énergie renouvelable en pleine expansion.
Définition et principes de base
La conversion photovoltaïque
Les panneaux solaires photovoltaïques permettent de convertir directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photoélectrique. Lorsque les photons contenus dans la lumière frappent les cellules en silicium des panneaux, cela libère des électrons et génère un courant électrique continu. Un onduleur transforme ensuite ce courant continu en courant alternatif, utilisable sur le réseau électrique.
Le rendement des panneaux photovoltaïques ne cesse de s'améliorer, atteignant jusqu'à 25% pour les technologies les plus avancées à base de cellules multi-jonctions. Leur coût a aussi fortement chuté, passant sous la barre symbolique de 1$/Wc (Watt-crête) en 2020.
Les centrales solaires thermiques
Une autre façon de valoriser l'énergie solaire consiste à la concentrer sous forme de chaleur grâce à des miroirs paraboliques ou des héliostats qui suivent la course du soleil. Cette chaleur peut atteindre plusieurs centaines de degrés et permet de produire de la vapeur qui entraîne des turbines, générant ainsi de l'électricité comme dans une centrale thermique classique.
Différentes technologies existent selon la configuration :
- Les centrales cylindro-paraboliques où des miroirs en forme d'auge focalisent les rayons sur des tubes remplis d'huile.
- Les centrales à tour où un champ d'héliostats oriente la lumière vers un récepteur central.
- Les centrales Fresnel linéaires utilisant des réflecteurs plans positionnés au sol.
- Les centrales à concentrateurs paraboliques avec moteur Stirling.
| Technologie | Avantage | Inconvénient |
|---|---|---|
| Photovoltaïque | Simple, modulaire | Faible rendement |
| Thermique | Haut rendement | Complexe, coûteux |
Le potentiel de l'énergie solaire est immense. En captant seulement 0,1% du rayonnement atteignant la Terre sur 1% des terres émergées, on pourrait subvenir à la totalité des besoins énergétiques mondiaux. Les zones les plus propices sont les déserts proches des tropiques, mais le solaire se développe partout dans le monde, y compris en France. La transition énergétique devra s'appuyer massivement sur cette ressource pour décarboner nos sociétés.
Retrouvez plusieurs vidéos en ligne à ce sujet, avec par exemple :
L'énergie solaire : Comment ça marche
Les technologies solaires photovoltaïques
Composition et fonctionnement des panneaux
Les panneaux solaires photovoltaïques sont constitués de cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin ou de couches minces. Lorsque la lumière du soleil atteint les cellules, les photons transmettent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur, générant ainsi un courant électrique continu. Les cellules sont connectées en série ou en parallèle pour former un module photovoltaïque.
Le courant produit par les panneaux est ensuite transformé en courant alternatif par un onduleur, afin de pouvoir être injecté sur le réseau électrique ou utilisé pour ses propres besoins énergétiques. Le tableau ci-dessous résume les principaux composants d'une installation photovoltaïque :
| Composant | Fonction |
|---|---|
| Panneaux photovoltaïques | Captent la lumière du soleil et la convertissent en électricité |
| Onduleur | Transforme le courant continu en courant alternatif |
| Compteur électrique | Mesure l'électricité produite et/ou consommée |
Principales technologies et innovations
Deux grandes familles de panneaux photovoltaïques dominent actuellement le marché :
- Les panneaux au silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin), qui représentent près de 95% du marché mondial. Leur rendement de conversion est compris entre 15 et 20%.
- Les panneaux en couches minces (tellurure de cadmium, CIGS...) sont plus souples et légers. Malgré un rendement plus faible (10-15%), ils s'adaptent mieux aux surfaces non planes.
La recherche actuelle vise à améliorer l'efficacité des cellules tout en réduisant leurs coûts de production. Plusieurs innovations prometteuses émergent, comme les cellules multi-jonctions à très haut rendement (>30%), les cellules pérovskites ou encore le photovoltaïque bifacial. L'intégration des panneaux au bâti est également un axe de développement majeur pour le solaire.
« L'innovation dans le solaire photovoltaïque sera clé pour rendre cette énergie encore plus compétitive et durable. » - Un chercheur en énergies renouvelables.
Grâce aux progrès technologiques et à l'augmentation des volumes de production, le coût des modules photovoltaïques a été divisé par 5 entre 2010 et 2020, passant sous la barre des 0,20 $/Wc. Cette baisse remarquable rend le solaire de plus en plus abordable et attractif pour les particuliers, les entreprises et les collectivités.
Le solaire thermique et thermodynamique
Le solaire thermique : des chauffe-eau solaires de plus en plus performants
La technologie des chauffe-eau solaires individuels (CESI) a fait d'importants progrès ces dernières années. Un CESI permet de couvrir jusqu'à 70% des besoins annuels en eau chaude d'un foyer en France métropolitaine. Son rendement atteint désormais 500 à 600 kWh/m2/an selon les régions. Des systèmes solaires combinés plus élaborés assurent à la fois le chauffage et l'eau chaude sanitaire.
Le marché du solaire thermique collectif se développe également, avec des installations de grande taille sur les réseaux de chaleur. Des appels à projets visent à soutenir ces projets de plus de 500 m2 de capteurs pour bénéficier d'économies d'échelle. L'industrie et l'agriculture, grosses consommatrices de chaleur, constituent aussi des cibles à fort potentiel.
Les centrales solaires thermodynamiques : transformer la chaleur en électricité
Les centrales solaires thermodynamiques collectent l'énergie du soleil grâce à de grands miroirs paraboliques ou des héliostats qui concentrent les rayons sur un récepteur. Elles peuvent chauffer un fluide caloporteur jusqu'à plus de 500°C. Cette chaleur est ensuite utilisée pour produire de la vapeur qui entraîne une turbine et un alternateur, générant ainsi de l'électricité.
Plusieurs technologies existent :
- Les centrales cylindro-paraboliques
- Les centrales à tour
- Les centrales à réflecteurs linéaires de Fresnel
- Les centrales à concentrateurs paraboliques avec moteur Stirling
Grâce au stockage de la chaleur dans des sels fondus, ces centrales peuvent produire de l'électricité même après le coucher du soleil. Le potentiel est important dans les zones très ensoleillées, comme le pourtour méditerranéen.
| Technologie | Température | Rendement |
|---|---|---|
| Cylindro-parabolique | 350 à 550°C | 15 à 16% |
| Centrale à tour | 500 à 800°C | 20 à 35% |
| Linéaires Fresnel | 250 à 350°C | 8 à 10% |
En exploitant au mieux le rayonnement solaire direct, ces technologies complémentaires au photovoltaïque ouvrent la voie à un mix énergétique 100% renouvelable.
Implantation et impact environnemental
Un défi : concilier production d'énergie et préservation des terres
Les grandes installations solaires au sol, qui peuvent s'étendre sur plusieurs centaines d'hectares, entrent parfois en concurrence avec d'autres usages des terres comme l'agriculture ou la sylviculture. Implanter des panneaux photovoltaïques sur des terres arables fertiles pose question d'un point de vue écologique et pour la sécurité alimentaire. Une étude de l'American Farmland Trust estime qu'environ 83% des nouveaux projets solaires aux États-Unis pourraient se faire sur des terres agricoles d'ici 2040 si les politiques actuelles ne sont pas modifiées.
Le positionnement des centrales solaires doit donc être mûrement réfléchi. La priorité doit être donnée à l'utilisation de friches industrielles, de délaissés routiers ou de toitures de bâtiments, plutôt qu'à l'artificialisation de nouveaux espaces naturels. Des outils d'aide à la décision comme des cadastres solaires permettent d'identifier les sites les plus propices.
Protéger la biodiversité sur les sites d'implantation
Outre la question foncière, les grandes installations solaires peuvent aussi avoir des impacts sur la faune et la flore locales durant les phases de construction et d'exploitation :
- Destruction d'habitats naturels et fragmentation des continuités écologiques
- Perturbation de certaines espèces sensibles au bruit ou aux vibrations
- Risques de collision pour les oiseaux avec les surfaces réfléchissantes des panneaux
- Dégradation des sols et risques d'érosion lors des travaux de terrassement
Des mesures d'évitement et de réduction doivent être mises en œuvre par les développeurs de projets. Des études d'impact environnemental approfondies sont nécessaires en amont. Sur site, différentes actions sont possibles : adaptation du calendrier des travaux, balisage des zones écologiquement sensibles, réensemencement des sols, gestion différenciée de la végétation, etc.
L'agrivoltaïsme, une piste pour concilier production agricole et production d'énergie
Afin de limiter les conflits d'usage, le concept d'agrivoltaïsme se développe. Il consiste à combiner sur une même surface une production photovoltaïque et une production agricole, en surélevant les panneaux pour permettre les cultures ou le pâturage en dessous. Des retours d'expérience encourageants existent sur des cultures maraichères, de la vigne ou des prairies.
Selon une étude d'ENEA Consulting de 2019, le potentiel de l'agrivoltaïsme en France est estimé entre 10 et 35 GW, soit l'équivalent de 5 à 15% de la capacité photovoltaïque installée d'ici 2050. Mais des recherches complémentaires doivent encore être menées pour mieux évaluer les synergies et les impacts sur le long terme.
En conclusion
Le développement des grandes installations photovoltaïques s'accompagne d'enjeux environnementaux locaux qu'il convient de prendre très au sérieux. Un cadre réglementaire strict et des innovations comme l'agrivoltaïsme sont indispensables pour assurer un déploiement durable de cette énergie, dans le respect des écosystèmes et des autres activités humaines.
Avantages économiques et subventions
Des bénéfices économiques multiples
Investir dans l'énergie solaire permet de réduire significativement sa facture énergétique. Une installation photovoltaïque de 3kWc sur le toit d'une maison individuelle peut couvrir jusqu'à 30% des besoins en électricité d'un ménage, soit une économie annuelle de 300 à 400€ en moyenne. Pour les entreprises, l'autoconsommation permet également des économies importantes et sécurise une partie de l'approvisionnement énergétique.
Au niveau macro-économique, le développement du solaire contribue à l'indépendance énergétique du pays en réduisant les importations d'hydrocarbures. La filière est aussi créatrice d'emplois non délocalisables : on estime à plus de 30 000 le nombre d'emplois directs et indirects générés par le solaire en France en 2024.
Un large panel d'aides disponibles
Pour accompagner la transition solaire, les pouvoirs publics mettent en place de nombreuses incitations fiscales et financières :
- Le crédit d'impôt pour la transition énergétique (CITE) couvre 30% des dépenses d'équipements solaires des ménages.
- La prime à l'autoconsommation offre une rémunération complémentaire pour chaque kWh autoconsommé.
- Les appels d'offres de la Commission de Régulation de l'Energie garantissent un tarif d'achat sur 20 ans pour les grandes installations.
- Des prêts à taux zéro dédiés aux rénovations énergétiques sont proposés par les banques.
Des retours sur investissement de plus en plus rapides
Grâce à la baisse des coûts et aux aides publiques, les temps de retour sur investissement des installations solaires se raccourcissent d'année en année. Ils sont en moyenne inférieurs à 10 ans en 2024 pour une installation résidentielle, un seuil de rentabilité très attractif par rapport à d'autres placements.
| Taille installation | Coût moyen | Temps de retour moyen |
|---|---|---|
| 3 kWc (particuliers) | 7 000 € | 8 à 10 ans |
| 100 kWc (PME) | 100 000 € | 7 à 9 ans |
Bénéficiant à la fois aux particuliers, aux entreprises et à la collectivité, l'essor de l'énergie solaire apparaît comme une formidable opportunité économique. Les incitations publiques, combinées à des coûts en forte baisse, rendent cette énergie plus compétitive que jamais.
Challenges et limites de l'énergie solaire
Intermittence et stockage d'énergie
L'intermittence de la production solaire est en effet un enjeu majeur. Or les besoins énergétiques fluctuent au cours de la journée sans toujours coïncider avec les pics de production photovoltaïque. La solution passe par le développement de technologies de stockage de l'électricité, afin de pouvoir l'utiliser quand la demande est forte :
- Batteries lithium-ion : elles permettent de stocker l'électricité produite en journée pour une utilisation ultérieure. Leur coût a fortement baissé ces dernières années.
- Stockage par pompage-turbinage de l'eau : l'énergie solaire est utilisée pour remonter de l'eau en hauteur, qui produira ensuite de l'électricité en redescendant.
- Hydrogène : l'énergie solaire excédentaire permet de produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau, qui sera brûlé ensuite pour fournir de l'électricité.
La combinaison avec d'autres énergies renouvelables complémentaires comme l'éolien, l'hydraulique et la biomasse permet aussi de lisser la production.
Réglementation et cadre juridique
Les projets solaires font souvent face à des contraintes réglementaires complexes qui ralentissent leur développement (permis de construire, études d'impact, etc.). Il est nécessaire de simplifier et d'harmoniser la réglementation applicable tout en préservant les garde-fous environnementaux. Certains pays mettent en place :
- Des procédures accélérées et centralisées au niveau national pour l'octroi des autorisations.
- Des dérogations temporaires pour alléger les études d'impact environnemental.
- Un guichet unique pour faciliter les démarches administratives des porteurs de projets.
Occupation des sols et agriculture
L'implantation de centrales solaires au sol entre parfois en concurrence avec des terres agricoles productives. Des solutions émergent pour concilier ces deux usages :
- Agrivoltaïsme : installation de panneaux photovoltaïques au-dessus des cultures, permettant une activité agricole sous les panneaux.
- Priorité aux surfaces déjà artificialisées : toitures, parkings, friches industrielles, décharges, etc.
- Réhabilitation des sols après démantèlement et retour à un usage agricole.
Une bonne planification pour identifier les zones les plus propices au solaire en préservant les meilleures terres est essentielle.
Malgré les obstacles qui demeurent, le secteur solaire photovoltaïque continue sa croissance rapide. Des technologies et pratiques innovantes se développent pour surmonter les principaux défis et assurer un déploiement massif de cette énergie renouvelable et décarbonée, appelée à jouer un rôle clé dans la transition énergétique.
Évolution du marché solaire
Explosion des capacités installées
D'après l'Agence Internationale de l'Énergie, la capacité solaire mondiale a bondi de 25% en 2024 pour atteindre 1537 GW. La Chine reste largement en tête avec 560 GW installés fin 2024, suivie des États-Unis (156 GW), du Japon (110 GW) et de l'Allemagne (91 GW). L'Inde a doublé sa capacité en un an pour atteindre 80 GW.
L'Europe affiche une croissance solide de 30% avec 254 GW au total. La France compte désormais 25 GW de solaire, en hausse de 40% grâce au lancement de nouveaux appels d'offres gouvernementaux. Le solaire devrait ainsi couvrir 6% de la consommation électrique française en 2024.
Progrès technologiques
Les rendements records se succèdent. Des cellules à hétérojonction silicium atteignent 25,7% de rendement en laboratoire. Des modules bifaces dépassent les 700 W. La durée de vie des panneaux augmente, certains fabricants garantissant 90% de la puissance initiale après 25 ans.
Le solaire flottant se développe avec des projets XXL comme celui de 2,1 GW à Singapour. Le photovoltaïque organique intégré au bâtiment (BIPV) gagne en popularité avec des tuiles ou façades solaires esthétiques et efficaces. Plusieurs projets de routes solaires voient aussi le jour.
Baisse continue des coûts
Grâce aux progrès technologiques et aux volumes, les coûts poursuivent leur chute. Le prix moyen des modules atteint 0,18$/W, soit une baisse de 10% en un an et de 90% en 10 ans. Dans les régions les plus ensoleillées, l'électricité solaire est produite à moins de 0,02$/kWh, devenant ainsi la source la moins chère du mix.
Cette baisse des coûts démocratise l'accès à l'énergie solaire dans le monde. Elle permet aussi l'essor de l'autoconsommation et du stockage, offrant plus d'autonomie aux particuliers et entreprises. L'avenir s'annonce donc radieux pour le photovoltaïque, pilier incontournable de la transition énergétique mondiale.
Futur de l'énergie solaire
Des rendements en hausse constante
Les progrès en matière de cellules photovoltaïques devraient permettre de dépasser les 30% de rendement d'ici 2030, contre environ 20% aujourd'hui pour les meilleures installations. Les technologies émergentes comme les cellules tandem silicium/pérovskites laissent entrevoir des rendements records de l'ordre de 40%. Le recours à des systèmes de suivi du soleil et à des miroirs concentrateurs contribuera également à maximiser la production.
Vers une intégration au bâti généralisée
L'intégration des panneaux solaires aux toitures et façades des bâtiments devrait se généraliser. De nouveaux matériaux photovoltaïques transparents, souples et multicolores permettront une intégration esthétique et une exploitation optimale des surfaces disponibles. La plupart des bâtiments neufs seront conçus dès l'origine avec une production solaire, voire seront à énergie positive.
Stocker massivement l'électricité solaire
Pour compenser l'intermittence de la production solaire, le stockage de l'électricité est primordial. Les progrès des batteries, notamment lithium-ion et à flux, devraient réduire fortement les coûts. Le power-to-gas, convertissant l'électricité en hydrogène, sera une option pour le stockage inter-saisonnier. Des centrales solaires avec stockage thermique permettront aussi de lisser la production.
| Technologie | Coût 2020 ($/kWh) | Objectif 2030 ($/kWh) |
|---|---|---|
| Batterie lithium-ion | 137 | 62 |
| Batterie à flux | 516 | 175 |
Des réseaux électriques plus intelligents
Pour gérer l'injection croissante d'électricité solaire variable sur les réseaux, de nouvelles architectures seront nécessaires :
- Des microgrids locaux connectant production et consommation
- Des systèmes de prévision de la production solaire
- Des compteurs communicants et des algorithmes pour piloter la demande
"L'avenir de l'énergie sera renouvelable, décentralisé et digital. Le solaire en sera l'un des piliers, avec une place croissante dans le mix énergétique mondial." Fatih Birol, directeur exécutif de l'Agence Internationale de l'Énergie
De grandes centrales photovoltaïques et thermodynamiques seront déployées dans les zones les plus ensoleillées, combinées à d'autres énergies renouvelables. Des liaisons à courant continu haute tension permettront d'acheminer leur production vers les centres de consommation.
Un marché en plein boom
Malgré la crise du Covid-19, le marché mondial du photovoltaïque a progressé de 22% en 2021 avec 175 GW installés, portant la capacité totale à 940 GW. Cette dynamique devrait se poursuivre avec un marché annuel de 200 à 300 GW dans les prochaines années, tiré par la baisse des coûts, les politiques publiques et la prise de conscience écologique. De nouveaux marchés émergeront en Afrique, en Asie du Sud-Est et en Amérique latine, tandis que la Chine, l'Europe et les États-Unis resteront des moteurs de croissance.
Ainsi, malgré des défis à surmonter, l'avenir s'annonce radieux pour l'énergie solaire. Nul doute qu'elle jouera un rôle clé dans la transition énergétique et la lutte contre le réchauffement climatique, aux côtés des autres énergies renouvelables.
L'énergie solaire en 2024 : un bilan prometteur malgré les défis
L'année 2024 marque une étape clé dans le développement de l'énergie solaire. Les avancées technologiques, la baisse des coûts et les incitations gouvernementales ont favorisé l'essor des installations photovoltaïques et thermiques. Malgré les défis liés à l'intermittence et au stockage, le solaire s'impose comme une solution durable et compétitive. Les perspectives d'avenir sont prometteuses, avec des innovations attendues et un marché en pleine expansion, ouvrant la voie vers un futur énergétique plus propre et résilient.