L’énergie solaire est la lumière rayonnante et la chaleur du soleil qui sont exploitées à l’aide de technologies en constante évolution telles que le chauffage solaire, le photovoltaïque, l’énergie thermique solaire, l’architecture solaire, les centrales au sel fondu et la photosynthèse artificielle.
C’est une source importante d’énergie renouvelable et ses technologies sont généralement caractérisées par l’énergie solaire passive ou par l’énergie solaire active, en fonction de la manière dont elles captent et distribuent l’énergie solaire ou la convertissent en énergie solaire. Les techniques solaires actives incluent l’utilisation de systèmes photovoltaïques, l’énergie solaire concentrée et le chauffage de l’eau solaire pour exploiter l’énergie. Les techniques solaires passives comprennent l’orientation d’un bâtiment vers le soleil, la sélection de matériaux ayant une masse thermique favorable ou des propriétés de dispersion de la lumière, et la conception d’espaces qui font naturellement circuler l’air.
La grande quantité d’énergie solaire disponible en fait une source d’électricité très attrayante. Dans son évaluation mondiale de l’énergie de 2000, le Programme des Nations Unies pour le développement a constaté que le potentiel annuel d’énergie solaire était de 1 575 à 49 837 exajoules (EJ). Ce chiffre est plusieurs fois supérieur à la consommation mondiale d’énergie, qui était de 559,8 EJ en 2012.
En 2011, l’Agence internationale de l’énergie a déclaré que « le développement de technologies d’énergie solaire abordables, inépuisables et propres aura d’énormes avantages à long terme. Elle renforcera la sécurité énergétique des pays en s’appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et essentiellement indépendante des importations. améliorer la durabilité, réduire la pollution, réduire les coûts d’atténuation du réchauffement climatique et maintenir les prix des combustibles fossiles à un niveau inférieur à celui des autres.Ces avantages sont globaux et les coûts supplémentaires des incitations au déploiement précoce doivent être considérés comme des investissements d’apprentissage. doivent être largement partagés « .
Potentiel
La Terre reçoit 174 petawatts (PW) de rayonnement solaire entrant (insolation) dans la haute atmosphère. Environ 30% sont réfléchis dans l’espace tandis que le reste est absorbé par les nuages, les océans et les masses terrestres. Le spectre de la lumière solaire à la surface de la Terre est principalement réparti dans les domaines du visible et du proche infrarouge, avec une petite partie dans le proche ultraviolet. La plupart de la population mondiale vit dans des zones avec des niveaux d’insolation de 150 à 300 watts / m², soit 3,5 à 7,0 kWh / m² par jour.
Le rayonnement solaire est absorbé par la surface terrestre, les océans – qui couvrent environ 71% du globe – et l’atmosphère. L’air chaud contenant de l’eau évaporée des océans se lève, provoquant une circulation atmosphérique ou une convection. Lorsque l’air atteint une altitude élevée, où la température est basse, la vapeur d’eau se condense en nuages, qui tombent sur la surface de la Terre, complétant ainsi le cycle de l’eau. La chaleur latente de la condensation de l’eau amplifie la convection, produisant des phénomènes atmosphériques tels que le vent, les cyclones et les anti-cyclones. La lumière solaire absorbée par les océans et les masses terrestres maintient la surface à une température moyenne de 14 ° C. Par la photosynthèse, les plantes vertes convertissent l’énergie solaire en énergie stockée chimiquement, ce qui produit des aliments, du bois et la biomasse à partir desquels les combustibles fossiles sont dérivés.
L’énergie solaire totale absorbée par l’atmosphère terrestre, les océans et les masses terrestres est d’environ 3 850 000 exajoules (EJ) par an. En 2002, cela représentait plus d’énergie en une heure que le monde utilisé en un an. La photosynthèse capture environ 3 000 EJ par an en biomasse. La quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la planète est si grande qu’en l’espace d’un an, elle est environ deux fois supérieure à celle que l’on obtiendra de toutes les ressources non renouvelables de charbon, de pétrole, de gaz naturel et d’uranium extrait combinées de la Terre. ,
L’énergie solaire potentielle pouvant être utilisée par l’homme diffère de la quantité d’énergie solaire présente près de la surface de la planète car des facteurs tels que la géographie, la variation temporelle, la couverture nuageuse et les terres disponibles pour l’homme limitent la quantité d’énergie solaire peut acquérir.
La géographie affecte le potentiel de l’énergie solaire car les zones plus proches de l’équateur présentent une plus grande quantité de rayonnement solaire. Cependant, l’utilisation de systèmes photovoltaïques capables de suivre la position du soleil peut augmenter considérablement le potentiel d’énergie solaire dans des zones plus éloignées de l’équateur. La variation temporelle affecte le potentiel de l’énergie solaire car, pendant la nuit, les panneaux solaires absorbent peu de rayons solaires à la surface de la Terre. Cela limite la quantité d’énergie que les panneaux solaires peuvent absorber en une journée. La couverture nuageuse peut affecter le potentiel des panneaux solaires car les nuages bloquent la lumière entrante du soleil et réduisent la lumière disponible pour les cellules solaires.
En outre, la disponibilité des terres a un effet important sur l’énergie solaire disponible, car les panneaux solaires ne peuvent être installés que sur des terrains non utilisés et adaptés aux panneaux solaires. Les toits se sont révélés être un endroit approprié pour les cellules solaires, car de nombreuses personnes ont découvert qu’elles pouvaient collecter de l’énergie directement de chez elles de cette manière. Les autres zones qui conviennent aux cellules solaires sont les terres qui ne sont pas utilisées pour les entreprises où des centrales solaires peuvent être établies.
Les technologies solaires sont caractérisées comme passives ou actives selon la manière dont elles capturent, convertissent et distribuent la lumière solaire et permettent à l’énergie solaire d’être exploitée à différents niveaux dans le monde, principalement en fonction de la distance de l’équateur. Bien que l’énergie solaire se réfère principalement à l’utilisation du rayonnement solaire à des fins pratiques, toutes les énergies renouvelables, à l’exception de l’énergie géothermique et de l’énergie marémotrice, tirent leur énergie directement ou indirectement du Soleil.
Les techniques solaires actives utilisent le photovoltaïque, l’énergie solaire concentrée, les capteurs solaires thermiques, les pompes et les ventilateurs pour convertir la lumière du soleil en sorties utiles. Les techniques solaires passives comprennent la sélection de matériaux ayant des propriétés thermiques favorables, la conception d’espaces qui font naturellement circuler l’air et la référence à la position d’un bâtiment au soleil. Les technologies solaires actives augmentent l’approvisionnement en énergie et sont considérées comme des technologies d’offre, tandis que les technologies solaires passives réduisent le besoin de ressources alternatives et sont généralement considérées comme des technologies axées sur la demande.
En 2000, le Programme des Nations Unies pour le développement, le Département des affaires économiques et sociales des Nations Unies et le Conseil mondial de l’énergie ont publié une estimation de l’énergie solaire potentielle pouvant être utilisée chaque année par l’homme, la terre qui est utilisable par les humains. L’estimation a montré que l’énergie solaire a un potentiel mondial de 1 575 à 49 837 EJ par an (voir tableau ci-dessous).
L’énérgie thermique
Les technologies thermiques solaires peuvent être utilisées pour le chauffage de l’eau, le chauffage des locaux, le refroidissement des locaux et la production de chaleur.
Adaptation commerciale précoce
En 1878, à l’exposition universelle de Paris, Augustin Mouchot réussit à présenter une machine à vapeur solaire, mais ne put poursuivre son développement à cause du charbon bon marché et d’autres facteurs.
En 1897, Frank Shuman, inventeur, ingénieur et pionnier de l’énergie solaire aux États-Unis, construit un petit moteur solaire de démonstration qui réfléchit l’énergie solaire sur des boîtes carrées remplies d’éther, dont le point d’ébullition est inférieur à celui de l’eau. des tuyaux qui à leur tour alimentaient une machine à vapeur. En 1908, Shuman créa la Sun Power Company dans le but de construire de plus grandes centrales solaires. Avec son conseiller technique ASE Ackermann et le physicien britannique Sir Charles Vernon Boys, il a mis au point un système amélioré utilisant des miroirs pour réfléchir l’énergie solaire sur les boîtes collectrices, augmentant ainsi la capacité de chauffage. Shuman a ensuite construit une machine à vapeur à pleine échelle alimentée par de l’eau à basse pression, ce qui lui a permis de breveter l’ensemble du système de moteur solaire en 1912.
Shuman a construit la première centrale solaire thermique au monde à Maadi, en Égypte, entre 1912 et 1913. Son usine utilisait des abreuvoirs paraboliques pour alimenter un moteur de 45 à 52 kilowatts (60 à 70 ch) pompant plus de 22 000 litres (4 800 gal US gal) d’eau par minute du Nil aux champs de coton adjacents. Bien que le déclenchement de la Première Guerre mondiale et la découverte de pétrole bon marché dans les années 1930 aient découragé l’avancée de l’énergie solaire, la vision et la conception de base de Shuman ont été ressuscitées dans les années 1970 avec une nouvelle vague d’intérêt pour l’énergie thermique solaire. En 1916, Shuman a été cité dans les médias en faveur de l’utilisation de l’énergie solaire, en disant:
Chauffage à l’eau
Les systèmes d’eau chaude solaire utilisent la lumière du soleil pour chauffer l’eau. Dans les latitudes géographiques basses (inférieures à 40 degrés), les systèmes de chauffage solaire permettent de fournir de 60 à 70% de l’eau chaude domestique avec des températures atteignant 60 ° C. Les types les plus courants de chauffe-eau solaires sont les collecteurs à tubes sous vide (44%) et les capteurs à plaques plates émaillées (34%) généralement utilisés pour l’eau chaude sanitaire; et les collecteurs de plastique non émaillés (21%) utilisés principalement pour chauffer les piscines.
En 2007, la capacité totale installée des systèmes d’eau chaude solaire était d’environ 154 gigawatts thermiques (GWth). La Chine est le leader mondial de son déploiement avec 70 GWth installés en 2006 et un objectif à long terme de 210 GWth d’ici 2020. Israël et Chypre sont les leaders par habitant dans l’utilisation de systèmes d’eau chaude solaire avec plus de 90% des foyers utilisant leur. Aux États-Unis, au Canada et en Australie, le chauffage des piscines est l’application dominante de l’eau chaude solaire avec une capacité installée de 18 GWth à partir de 2005.
Chauffage, refroidissement et ventilation
Aux États-Unis, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) représentent 30% (4,65 EJ / an) de l’énergie utilisée dans les bâtiments commerciaux et près de 50% (10,1 EJ / an) de l’énergie consommée dans les bâtiments résidentiels. Les technologies de chauffage, de refroidissement et de ventilation solaires peuvent être utilisées pour compenser une partie de cette énergie.
La masse thermique est un matériau qui peut être utilisé pour stocker de la chaleur – la chaleur du soleil dans le cas de l’énergie solaire. Les matériaux de masse thermique courants incluent la pierre, le ciment et l’eau. Historiquement, ils ont été utilisés dans les climats arides ou les régions tempérées chaudes pour garder les bâtiments frais en absorbant l’énergie solaire pendant la journée et en diffusant la chaleur stockée dans l’atmosphère la plus fraîche la nuit. Cependant, ils peuvent être utilisés dans les zones tempérées froides pour maintenir la chaleur également. La taille et l’emplacement de la masse thermique dépendent de plusieurs facteurs tels que le climat, la lumière du jour et les conditions d’ombrage. Lorsqu’elle est correctement incorporée, la masse thermique maintient les températures de l’espace dans une plage confortable et réduit le besoin d’équipements de chauffage et de refroidissement auxiliaires.
Une cheminée solaire (ou cheminée thermique, dans ce contexte) est un système de ventilation solaire passif composé d’un arbre vertical reliant l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment. Au fur et à mesure que la cheminée se réchauffe, l’air intérieur est chauffé, provoquant un courant d’air ascendant qui entraîne l’air dans le bâtiment. La performance peut être améliorée en utilisant des matériaux de vitrage et de masse thermique d’une manière qui imite les serres.
Les arbres et les plantes à feuilles caduques ont été promus comme moyen de contrôler le chauffage et le refroidissement solaires. Lorsqu’elles sont plantées du côté sud d’un bâtiment de l’hémisphère nord ou du nord de l’hémisphère sud, leurs feuilles fournissent de l’ombre en été, tandis que les membres nus laissent passer la lumière en hiver. Comme les arbres dénudés et sans feuilles ombrent de 1/3 à 1/2 du rayonnement solaire incident, il existe un équilibre entre les avantages de l’ombrage estival et la perte correspondante de chauffage en hiver. Dans les climats où les charges calorifiques sont importantes, les arbres à feuilles caduques ne devraient pas être plantés du côté faisant face à l’équateur d’un bâtiment, car ils nuiraient à la disponibilité solaire en hiver. Ils peuvent cependant être utilisés sur les côtés est et ouest pour fournir un degré d’ombrage estival sans affecter de manière appréciable le gain solaire en hiver.
Cuisine
Les cuisinières solaires utilisent la lumière du soleil pour la cuisson, le séchage et la pasteurisation. Ils peuvent être regroupés en trois grandes catégories: les cuiseurs de boîtes, les cuisinières à panneaux et les cuisinières à réflecteur. La cuisinière solaire la plus simple est la cuisinière fabriquée pour la première fois par Horace de Saussure en 1767. Une cuisinière de base consiste en un contenant isolé avec un couvercle transparent. Il peut être utilisé efficacement avec un ciel partiellement couvert et atteint généralement des températures de 90 à 150 ° C (194 à 302 ° F). Les cuisinières à panneaux utilisent un panneau réfléchissant pour diriger la lumière du soleil sur un contenant isolé et atteindre des températures comparables à celles des réchauds. Les cuisinières à réflecteur utilisent diverses géométries de concentration (parabole, auge, miroirs de Fresnel) pour concentrer la lumière sur un récipient de cuisson. Ces cuisinières atteignent des températures supérieures à 315 ° C (599 ° F), mais nécessitent un éclairage direct pour fonctionner correctement et doivent être repositionnées pour suivre le soleil.
Chaleur de processus
Les technologies de concentration solaire telles que les réflecteurs paraboliques, les bacs et les réflecteurs Scheffler peuvent fournir de la chaleur pour les applications commerciales et industrielles. Le premier système commercial était le projet d’énergie solaire totale (STEP) à Shenandoah, en Géorgie, aux États-Unis, où un parc de 114 paraboles fournissait 50% des besoins en chauffage, climatisation et électricité d’un atelier de confection. Ce système de cogénération raccordé au réseau fournit 400 kW d’électricité, plus de l’énergie thermique sous forme de vapeur de 401 kW et d’eau glacée de 468 kW, et dispose d’une capacité de stockage thermique maximale d’une heure. Les bassins d’évaporation sont des bassins peu profonds qui concentrent les solides dissous par évaporation. L’utilisation de bassins d’évaporation pour obtenir du sel de l’eau de mer est l’une des plus anciennes applications de l’énergie solaire. Les utilisations modernes incluent les solutions de saumure concentrées utilisées dans l’extraction par lixiviation et l’élimination des solides dissous des flux de déchets. Les cordes à linge, les chevaux de trait et les vêtements étendent les vêtements à travers l’évaporation par le vent et la lumière du soleil sans consommer d’électricité ou de gaz. Dans certains États des États-Unis, la législation protège le « droit de sécher » les vêtements.
Traitement de l’eau
La distillation solaire peut être utilisée pour rendre l’eau salée ou saumâtre potable. Le premier exemple enregistré a été celui des alchimistes arabes du 16ème siècle. Un projet de distillation solaire à grande échelle a été construit en 1872 dans la ville minière chilienne de Las Salinas. L’usine, qui avait une surface de collecte solaire de 4 700 m2 (51 000 pi2), pouvait produire jusqu’à 22 700 L (5 000 gallons américains; 6 000 gallons américains) par jour et fonctionner pendant 40 ans. Les modèles fixes individuels incluent une seule pente, une double pente (ou un type de serre), une verticale, une conique, un absorbeur inversé, une mèche multiple et des effets multiples. Ces images fixes peuvent fonctionner en mode passif, actif ou hybride. Les alambics à double pente sont les plus économiques pour les applications domestiques décentralisées, tandis que les unités à effets multiples actifs sont plus adaptées aux applications à grande échelle.
La désinfection de l’eau solaire (SODIS) consiste à exposer au soleil des bouteilles en plastique de polyéthylène téréphtalate (PET) remplies d’eau pendant plusieurs heures. Les temps d’exposition varient en fonction de la météo et du climat, d’un minimum de six heures à deux jours lorsque le temps est couvert. L’Organisation mondiale de la santé le recommande comme méthode viable de traitement de l’eau à domicile et de stockage sûr. Plus de deux millions de personnes dans les pays en développement utilisent cette méthode pour leur eau potable quotidienne.
L’énergie solaire peut être utilisée dans un bassin de stabilisation de l’eau pour traiter les eaux usées sans produits chimiques ni électricité. Un autre avantage environnemental est que les algues poussent dans ces étangs et consomment du dioxyde de carbone dans la photosynthèse, bien que les algues puissent produire des produits chimiques toxiques qui rendent l’eau inutilisable.
Technologie du sel fondu
Le sel fondu peut être utilisé comme méthode de stockage d’énergie thermique pour retenir l’énergie thermique collectée par une tour solaire ou un bac solaire d’une centrale solaire concentrée, de manière à pouvoir produire de l’électricité par mauvais temps ou la nuit. Il a été démontré dans le projet Solar Two de 1995 à 1999. On prévoit que le système aura une efficacité annuelle de 99%, une référence à l’énergie retenue en stockant la chaleur avant de la transformer en électricité, par opposition à la conversion directe de la chaleur en électricité. Les mélanges de sels fondus varient. Le mélange le plus étendu contient du nitrate de sodium, du nitrate de potassium et du nitrate de calcium. Il est ininflammable et non toxique et a déjà été utilisé dans les industries de la chimie et des métaux en tant que fluide caloporteur, de sorte que l’expérience avec de tels systèmes existe dans les applications non solaires.
Le sel fond à 131 ° C (268 ° F). Il est maintenu liquide à 288 ° C (550 ° F) dans un réservoir isolé « froid ». Le sel liquide est pompé à travers des panneaux dans un capteur solaire où le soleil concentré le chauffe à 566 ° C (1 051 ° F). Il est ensuite envoyé dans un réservoir de stockage chaud. Ceci est si bien isolé que l’énergie thermique peut être stockée pendant une semaine.
Lorsque l’électricité est nécessaire, le sel chaud est pompé vers un générateur de vapeur conventionnel pour produire de la vapeur surchauffée pour une turbine / générateur utilisée dans toute centrale électrique classique au charbon, au pétrole ou au nucléaire. Une turbine de 100 mégawatts nécessiterait un réservoir d’environ 9,1 mètres (30 pieds) de hauteur et de 24 mètres (79 pieds) de diamètre pour être conduit pendant quatre heures avec cette conception.
Plusieurs centrales électriques paraboliques en Espagne et le développeur de tours solaires SolarReserve utilisent ce concept de stockage d’énergie thermique. La centrale de Solana aux États-Unis dispose de six heures de stockage par sel fondu. L’usine María Elena est un complexe thermo-solaire de 400 MW situé dans la région d’Antofagasta, au nord du Chili, qui utilise une technologie de sels fondus.
La production d’électricité
L’énergie solaire est la conversion de la lumière solaire en électricité, soit directement au moyen de l’énergie photovoltaïque (PV), soit indirectement en utilisant l’énergie solaire concentrée (CSP). Les systèmes CSP utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de suivi pour concentrer une large zone de lumière solaire sur un petit faisceau. Le PV convertit la lumière en courant électrique en utilisant l’effet photoélectrique.
L’énergie solaire devrait devenir la plus grande source d’électricité d’ici à 2050, le solaire photovoltaïque et l’énergie solaire concentrée représentant respectivement 16 et 11% de la consommation mondiale. En 2016, après une nouvelle année de croissance rapide, l’énergie solaire a généré 1,3% de l’énergie mondiale.
Les centrales solaires à concentration commerciales ont été développées pour la première fois dans les années 1980. La centrale solaire de 392 MW d’Ivanpah, située dans le désert de Mojave, en Californie, est la plus grande centrale solaire au monde. Parmi les autres grandes centrales solaires à concentration, citons la centrale solaire Solnova de 150 MW et la centrale solaire Andasol de 100 MW, toutes deux situées en Espagne. Le projet solaire Agua Caliente de 250 MW aux États-Unis et le parc solaire Charanka de 221 MW en Inde sont les plus grandes centrales photovoltaïques au monde. Des projets solaires dépassant 1 GW sont en cours de développement, mais la plupart des systèmes photovoltaïques déployés sont des petits réseaux de toits de moins de 5 kW, connectés au réseau par comptage net et / ou par un tarif de rachat.
Photovoltaïque
Au cours des deux dernières décennies, le photovoltaïque (PV), également connu sous le nom de photovoltaïque, est passé d’un marché de niche des applications à petite échelle à une source d’électricité grand public. Une cellule solaire est un dispositif qui convertit la lumière directement en électricité en utilisant l’effet photoélectrique. La première cellule solaire a été construite par Charles Fritts dans les années 1880. En 1931, un ingénieur allemand, le Dr Bruno Lange, développa une cellule photoélectrique utilisant du séléniure d’argent à la place de l’oxyde de cuivre. Bien que les prototypes de cellules au sélénium aient converti moins de 1% de la lumière incidente en électricité, Ernst Werner von Siemens et James Clerk Maxwell ont tous deux reconnu l’importance de cette découverte. Après les travaux de Russell Ohl dans les années 1940, les chercheurs Gerald Pearson, Calvin Fuller et Daryl Chapin ont créé la cellule solaire en silicium cristallin en 1954. Ces premières cellules solaires ont coûté 286 USD / watt et ont atteint des rendements de 4,5 à 6%. En 2012, les rendements disponibles dépassaient 20% et l’efficacité maximale de la recherche photovoltaïque dépassait 40%.
Énergie solaire concentrée
Les systèmes à énergie solaire concentrée (CSP) utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de suivi pour concentrer une vaste zone de lumière solaire sur un petit faisceau. La chaleur concentrée est ensuite utilisée comme source de chaleur pour une centrale électrique conventionnelle. Un large éventail de technologies de concentration existe; les plus développées sont la goulotte parabolique, le réflecteur à fresnel linéaire à concentration, la parabole Stirling et la tour solaire. Diverses techniques sont utilisées pour suivre le soleil et focaliser la lumière. Dans tous ces systèmes, un fluide de travail est chauffé par la lumière solaire concentrée et est ensuite utilisé pour la production d’énergie ou le stockage d’énergie.
Architecture et urbanisme
La lumière du soleil a influencé la conception des bâtiments depuis le début de l’histoire de l’architecture. L’architecture solaire avancée et les méthodes de planification urbaine ont d’abord été utilisées par les Grecs et les Chinois, qui ont orienté leurs bâtiments vers le sud pour fournir de la lumière et de la chaleur.
Les caractéristiques communes de l’architecture solaire passive sont l’orientation par rapport au Soleil, la proportion compacte (rapport surface / volume faible), l’ombrage sélectif (surplomb) et la masse thermique. Lorsque ces caractéristiques sont adaptées au climat et à l’environnement locaux, elles peuvent produire des espaces bien éclairés qui restent dans une plage de température confortable. La maison Megaron de Socrates est un exemple classique de conception solaire passive. Les approches les plus récentes de la conception solaire utilisent la modélisation informatique associant les systèmes d’éclairage solaire, de chauffage et de ventilation dans un ensemble de conception solaire intégré. Les équipements solaires actifs tels que les pompes, les ventilateurs et les fenêtres commutables peuvent compléter la conception passive et améliorer les performances du système.
Les îlots de chaleur urbains (UHI) sont des zones métropolitaines dont les températures sont plus élevées que celles du milieu environnant. Les températures plus élevées résultent d’une absorption accrue de l’énergie solaire par les matériaux urbains tels que l’asphalte et le béton, qui ont des albédos plus faibles et des capacités thermiques plus élevées que celles de l’environnement naturel. Une méthode simple pour contrer l’effet UHI consiste à peindre des bâtiments et des routes en blanc et à planter des arbres dans la zone. En utilisant ces méthodes, un programme hypothétique de «communautés fraîches» à Los Angeles a prévu que les températures urbaines pourraient être réduites d’environ 3 ° C à un coût estimé à 1 milliard de dollars US, soit un total estimé de 530 millions de dollars US de climatisation. coûts et économies de soins de santé.
Agriculture et horticulture
L’agriculture et l’horticulture cherchent à optimiser la capture de l’énergie solaire afin d’optimiser la productivité des plantes. Des techniques telles que les cycles de plantation chronométrés, l’orientation des rangs sur mesure, les hauteurs décalées entre les rangs et le mélange des variétés végétales peuvent améliorer les rendements des cultures. Bien que la lumière du soleil soit généralement considérée comme une ressource abondante, les exceptions soulignent l’importance de l’énergie solaire pour l’agriculture. Pendant les courtes saisons de croissance du petit âge glaciaire, les agriculteurs français et anglais ont utilisé des murs de fruits pour maximiser la collecte de l’énergie solaire. Ces murs agissaient comme des masses thermiques et accéléraient la maturation en maintenant les plantes au chaud. Les premières parois des fruits ont été construites perpendiculairement au sol et orientées vers le sud, mais au fil du temps, des murs en pente ont été aménagés pour mieux utiliser la lumière du soleil. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier propose même d’utiliser un mécanisme de suivi qui pourrait pivoter pour suivre le Soleil. Les applications de l’énergie solaire dans l’agriculture, en dehors des cultures en pleine croissance, comprennent le pompage de l’eau, le séchage des récoltes, la couvaison des poussins et le séchage du fumier de poulet. Plus récemment, la technologie a été adoptée par les vignerons, qui utilisent l’énergie générée par les panneaux solaires pour alimenter les pressoirs à raisin.
Les serres convertissent la lumière solaire en chaleur, ce qui permet une production tout au long de l’année et la croissance (dans des environnements fermés) de cultures spécialisées et d’autres plantes non adaptées naturellement au climat local. Les premières serres primitives ont été utilisées à l’époque romaine pour produire des concombres toute l’année pour l’empereur romain Tibère. Les premières serres modernes ont été construites en Europe au 16ème siècle pour conserver les plantes exotiques ramenées des explorations à l’étranger. Les serres restent aujourd’hui un élément important de l’horticulture, et les matériaux transparents en plastique ont également été utilisés de la même manière dans les polytunnels et les couvre-rangs.
Transport
Le développement d’une voiture à énergie solaire est un objectif technique depuis les années 1980. Le World Solar Challenge est une course automobile biannuelle à l’énergie solaire, où des équipes d’universités et d’entreprises se font concurrence sur 3 021 kilomètres (1 877 milles) à travers le centre de l’Australie, de Darwin à Adélaïde. En 1987, lors de sa création, la vitesse moyenne du gagnant était de 67 kilomètres à l’heure (42 mi / h) et en 2007, la vitesse moyenne du vainqueur était passée à 90,87 km / h (56,46 mi / h). Le North American Solar Challenge et le projet South African Solar Challenge sont des compétitions comparables qui reflètent un intérêt international pour l’ingénierie et le développement de véhicules à énergie solaire.
Certains véhicules utilisent des panneaux solaires pour l’alimentation auxiliaire, par exemple pour la climatisation, afin de garder l’intérieur froid, réduisant ainsi la consommation de carburant.
La production de carburant
Les processus chimiques solaires utilisent l’énergie solaire pour provoquer des réactions chimiques. Ces procédés compensent l’énergie qui proviendrait d’une source d’énergie fossile et peuvent également convertir l’énergie solaire en combustibles stockables et transportables. Les réactions chimiques induites par le soleil peuvent être divisées en thermochimique ou photochimique. Une variété de combustibles peut être produite par photosynthèse artificielle. La chimie catalytique multiélectronique impliquée dans la production de carburants à base de carbone (tels que le méthanol) à partir de la réduction du dioxyde de carbone est difficile; Une alternative possible est la production d’hydrogène à partir de protons, bien que l’utilisation de l’eau comme source d’électrons (comme le font les plantes) nécessite la maîtrise de l’oxydation multiélectronique de deux molécules d’eau en oxygène moléculaire. Certains ont envisagé de faire fonctionner des centrales à combustible solaire dans les zones métropolitaines côtières d’ici 2050 – le fractionnement de l’eau de mer fournissant de l’hydrogène traversant les centrales électriques à piles à combustible adjacentes Une autre vision implique que toutes les structures humaines couvrant la surface de la terre (routes, véhicules et bâtiments) effectuent la photosynthèse plus efficacement que les plantes.
Les technologies de production d’hydrogène constituent un domaine important de la recherche sur les produits chimiques solaires depuis les années 1970. Outre l’électrolyse entraînée par des cellules photovoltaïques ou photochimiques, plusieurs processus thermochimiques ont également été explorés. L’une de ces voies utilise des concentrateurs pour séparer l’eau en oxygène et en hydrogène à haute température (2 300–2 600 ° C ou 4 200–4 700 ° F). Une autre approche utilise la chaleur produite par les concentrateurs solaires pour entraîner le reformage à la vapeur du gaz naturel, augmentant ainsi le rendement global en hydrogène par rapport aux méthodes de reformage classiques. Les cycles thermochimiques caractérisés par la décomposition et la régénération des réactifs constituent une autre voie pour la production d’hydrogène. Le procédé Solzinc en cours de développement au Weizmann Institute of Science utilise un four solaire de 1 MW pour décomposer l’oxyde de zinc (ZnO) à des températures supérieures à 1 200 ° C (2 200 ° F). Cette réaction initiale produit du zinc pur qui peut ensuite être mis à réagir avec de l’eau pour produire de l’hydrogène.
Méthodes de stockage d’énergie
Les systèmes de masse thermique peuvent stocker de l’énergie solaire sous forme de chaleur à des températures utiles dans le pays pour des durées quotidiennes ou intersaisonniers. Les systèmes de stockage thermique utilisent généralement des matériaux facilement disponibles avec des capacités thermiques spécifiques élevées telles que l’eau, la terre et la pierre. Des systèmes bien conçus peuvent réduire la demande de pointe, faire passer le temps d’utilisation aux heures creuses et réduire les besoins globaux de chauffage et de refroidissement.
Les matériaux à changement de phase tels que la cire de paraffine et le sel de Glauber sont un autre milieu de stockage thermique. Ces matériaux sont peu coûteux, facilement disponibles et peuvent fournir des températures utiles dans le pays (environ 64 ° C ou 147 ° F). La « Dover House » (à Dover, Massachusetts) a été la première à utiliser un système de chauffage au sel de Glauber en 1948. L’énergie solaire peut également être stockée à haute température à l’aide de sels fondus. Les sels sont un moyen de stockage efficace car ils sont peu coûteux, ont une capacité de chaleur spécifique élevée et peuvent fournir de la chaleur à des températures compatibles avec les systèmes d’alimentation conventionnels. Le projet Solar Two a utilisé cette méthode de stockage d’énergie, lui permettant de stocker 1,44 térajoules (400 000 kWh) dans son réservoir de stockage de 68 m³ avec une efficacité de stockage annuelle d’environ 99%.
Les systèmes PV hors réseau utilisent traditionnellement des batteries rechargeables pour stocker l’excès d’électricité. Avec les systèmes liés au réseau, l’électricité excédentaire peut être envoyée au réseau de transport, tandis que l’électricité du réseau standard peut être utilisée pour combler les lacunes. Les programmes de facturation nette donnent aux systèmes domestiques un crédit pour l’électricité fournie au réseau. Cela se fait en « retournant » le compteur chaque fois que la maison produit plus d’électricité qu’elle n’en consomme. Si la consommation nette d’électricité est inférieure à zéro, le service public reporte ensuite le crédit en kilowattheures au mois suivant. D’autres approches impliquent l’utilisation de deux mètres pour mesurer l’électricité consommée par rapport à l’électricité produite. Ceci est moins fréquent en raison du coût d’installation accru du deuxième compteur. La plupart des compteurs standard mesurent avec précision dans les deux directions, rendant inutile un deuxième compteur.
L’hydroélectricité stockée par pompage stocke l’énergie sous forme d’eau pompée lorsque l’énergie est disponible depuis un réservoir de basse altitude jusqu’à un niveau plus élevé. L’énergie est récupérée lorsque la demande est élevée en libérant l’eau, la pompe devenant un générateur d’énergie hydroélectrique.
Développement, déploiement et économie
Depuis la montée en puissance du charbon qui a accompagné la révolution industrielle, la consommation d’énergie est passée progressivement du bois et de la biomasse aux combustibles fossiles. Le développement précoce des technologies solaires à partir des années 1860 était dû au fait que le charbon allait bientôt devenir rare. Cependant, le développement des technologies solaires a stagné au début du XXe siècle, face à la disponibilité croissante, à l’économie et à l’utilité du charbon et du pétrole.
L’embargo pétrolier de 1973 et la crise énergétique de 1979 ont entraîné une réorganisation des politiques énergétiques dans le monde entier et ont porté une attention renouvelée au développement des technologies solaires. Les stratégies de déploiement se sont concentrées sur des programmes d’incitation tels que le programme fédéral d’utilisation du photovoltaïque aux États-Unis et le programme Sunshine au Japon. Parmi les autres efforts, citons la création d’installations de recherche aux États-Unis (SERI, maintenant NREL), au Japon (NEDO) et en Allemagne (Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire ISE).
Les chauffe-eau solaires commerciaux ont fait leur apparition aux États-Unis dans les années 1890. Ces systèmes ont été de plus en plus utilisés jusque dans les années 1920, mais ont été progressivement remplacés par des combustibles de chauffage moins chers et plus fiables. Comme dans le cas du photovoltaïque, le réchauffement de l’eau solaire a suscité un regain d’intérêt à la suite des crises pétrolières des années 70, mais l’intérêt a diminué dans les années 80 en raison de la chute des prix du pétrole. Le développement dans le secteur du chauffe-eau solaire a progressé régulièrement tout au long des années 90 et les taux de croissance annuels ont été en moyenne de 20% depuis 1999. Bien que généralement sous-estimé, le chauffage et le refroidissement solaires sont de loin la technologie solaire la plus utilisée. 2007
L’Agence internationale de l’énergie a déclaré que l’énergie solaire peut apporter une contribution considérable à la résolution de certains des problèmes les plus urgents auxquels le monde est actuellement confronté:
la mise au point de technologies solaires abordables, inépuisables et propres aura d’importants avantages à long terme. Cela augmentera la sécurité énergétique des pays en s’appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et essentiellement indépendante des importations, améliorera la durabilité, réduira la pollution, réduira les coûts d’atténuation des changements climatiques et maintiendra les prix des combustibles fossiles à un niveau inférieur. Ces avantages sont globaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des incitations à un déploiement rapide devraient être considérés comme des investissements d’apprentissage; ils doivent être judicieusement dépensés et doivent être largement partagés.
En 2011, un rapport de l’Agence internationale de l’énergie a constaté que les technologies solaires telles que le photovoltaïque, l’eau chaude solaire et l’énergie solaire concentrée pourraient fournir un tiers de l’énergie mondiale d’ici 2060 si les responsables politiques s’engageaient à limiter le changement climatique. L’énergie du soleil pourrait jouer un rôle clé dans la décarbonisation de l’économie mondiale, tout en améliorant l’efficacité énergétique et en imposant des coûts aux émetteurs de gaz à effet de serre.