Les promesses de l’énergie solaire

Une série de miroirs convergent sur une tour d’une soixantaine de mètres de haut. La chaleur qu’ils apportent est supérieure à celle de 1 000 soleils. Elle peut atteindre 2 300 degrés C.

EN NOTRE ère de pénurie énergétique, le soleil apparaît comme une source inépuisable d’énergie qui déverse en abondance sa lumière et sa chaleur bienfaisantes sur notre planète. C’est grâce à lui que notre globe jouit d’une douce température et que les plantes reçoivent l’énergie nécessaire à leur croissance, ce qui s’avère bénéfique pour tous les êtres vivants, même si d’aucuns trouvent cela parfaitement naturel.

Mais l’homme dépend également d’autres formes d’énergie qui s’appliquent à des usages pour lesquels les rayons solaires ne sont pas d’une utilité directe. Si ces autres sources d’énergie se faisaient rares et disparaissaient, saurait-​on chauffer les maisons et les locaux industriels uniquement grâce au soleil? Pourrait-​on convertir ce rayonnement en électricité pour s’éclairer, faire tourner les moteurs et permettre le fonctionnement des postes de radio et de télévision? Pourrait-​on stocker l’énergie solaire de manière à la convertir ensuite en carburant pour les automobiles et les avions?

Toutes ces possibilités sont aujourd’hui sérieusement envisagées. Dans nombre de laboratoires, des spécialistes de recherche fondamentale examinent diverses applications de l’énergie solaire, d’autant plus que celle-ci existe en abondance. Par exemple, les rayons solaires qui tombent sur une zone de 26 kilomètres carrés seulement en Arizona produisent autant d’énergie que toutes les centrales électriques américaines réunies. Mais quels problèmes reste-​t-​il à surmonter?

Citons en premier lieu le caractère diffus de la lumière solaire. Tout collecteur de dimension réduite ne reçoit que relativement peu de chaleur. Pourtant, cette énergie suffit à certains usages. Ainsi, des bâtiments conçus pour recevoir la lumière solaire peuvent capter assez de chaleur pour permettre de sérieuses économies de chauffage. L’eau entreposée sur le toit dans des réservoirs acquiert une chaleur suffisante pour servir à des usages tels que la toilette, la vaisselle ou la lessive.

Un autre inconvénient de l’énergie solaire provient de ce qu’elle n’est pas toujours disponible au moment utile. Par exemple, elle disparaît au coucher du soleil, et les nuages l’interceptent. D’autre part, l’intensité de la luminosité solaire, le nombre d’heures d’ensoleillement et les périodes de temps nuageux varient selon la latitude et les saisons. Quantité de domaines d’application ne peuvent s’envisager que si l’on trouve le moyen d’emmagasiner l’énergie du soleil quand il brille, pour la restituer la nuit ou par temps couvert.

Un moyen simple d’emmagasiner l’énergie du soleil consiste à chauffer de l’eau pendant la journée et à la conserver dans des réservoirs isolés thermiquement pour s’en servir la nuit. L’eau chaude peut également circuler dans un système de chauffage central auquel il faudrait adjoindre un chauffage d’appoint par mauvais temps. Cette formule a déjà reçu des applications comme source de chaleur auxiliaire pour diminuer la consommation de gaz ou d’électricité dans les foyers.

Au-delà de ces applications élémentaires, il existe des moyens plus compliqués de récupérer la chaleur du soleil. En faisant converger les rayons, on peut atteindre des températures très élevées. Qui n’a jamais tenté, par exemple, l’expérience qui consiste à placer un morceau de papier sous une loupe au point de convergence des rayons du soleil? Le papier se consume d’abord lentement, puis s’enflamme. On peut appliquer ce principe sur une grande échelle, en utilisant des miroirs courbes pour concentrer les rayons du soleil sur une surface bien précise, ce qui permet d’obtenir une chaleur assez élevée pour faire fondre les matériaux les plus réfractaires. Un tel four solaire existe déjà dans le sud de la France. Il est même relié au réseau de l’Électricité de France. Ses auteurs envisagent d’ailleurs de réaliser des centrales électriques solaires de 1 mégawatt.

Aux États-Unis, près d’Albuquerque, on a construit un dispositif identique mais encore plus perfectionné qui va permettre d’étudier la rentabilité économique d’une centrale de dimension normale. Une série de miroirs convergent sur un point situé au sommet d’une tour d’une soixantaine de mètres. Chaque miroir a une surface de 1,2 mètre carré, et les miroirs sont disposés en carrés de 25 unités sur un héliostat, ce qui permet de projeter les rayons solaires sur la cible malgré les mouvements de la terre. Disposés en triangle au nord de la tour, ces héliostats sont au nombre de 222. Un ordinateur guide chacun d’entre eux en fonction de sa distance et de sa direction par rapport à la tour.

Lorsque toute la lumière solaire qui tombe sur une superficie de 0,8 hectare est concentrée sur la tour, elle ne frappe plus qu’une surface d’un demi-mètre carré. La température est alors supérieure à ce que fournirait la chaleur de plus de 1 000 soleils et atteint 2 300 degrés. Lors des expériences de réglage, les rayons de l’héliostat transperçaient une plaque d’acier en un rien de temps.

À la suite d’expériences réalisées avec des chaudières à vapeur, on envisage de construire à Barstow, en Californie, une centrale solaire de 10 mégawatts qui devrait être reliée au réseau de l’État dès 1981.

L’électricité produite par l’énergie solaire

Entre-temps, d’autres savants se sont fixé un objectif plus lointain, savoir convertir la lumière solaire en électricité. Dans son principe, cette opération n’est pas quelque chose de nouveau, puisque l’on utilise depuis des années des dispositifs qui fonctionnent grâce à la photoélectricité. C’est ainsi que la cellule photoélectrique des appareils photo permet de déterminer l’ouverture de l’objectif en fonction de la luminosité. La lumière donne en effet naissance à un faible courant électrique visualisé par l’aiguille du cadran. Produire un courant d’une intensité supérieure à partir de ce principe relève de la gageure, mais les résultats en valent la peine.

Comment la lumière parvient-​elle à produire de l’électricité dans une cellule photoélectrique? Le secret réside dans l’emploi de semi-conducteurs. Dans un élément conducteur, tel qu’un métal, les électrons qui entourent l’atome sont libres, c’est-à-dire qu’ils peuvent facilement passer d’un atome à un autre. Dans un isolant, c’est l’inverse. Il n’y a pas d’électron libre, donc pas de courant électrique. Entre ces deux extrêmes se trouvent les semi-conducteurs, corps dont les électrons peuvent se déplacer, à condition de recevoir un minimum d’énergie.

Le silicium figure au nombre des mauvais conducteurs. Mais il suffit de quelques traces d’impuretés pour qu’il devienne conducteur. Prenons l’exemple de traces d’arsenic: il y a cinq électrons dans la couche externe de l’arsenic, soit un de plus que dans le silicium, ce qui fournit des électrons libres dans le cristal. De même, des traces de bore, corps qui ne possède que trois électrons sur sa couche externe, laissent une lacune qui peut facilement être comblée par l’arrivée d’un électron d’un atome voisin. On a alors un courant positif.

Le silicium qui comporte le premier type d’impureté a des électrons en excès. Il est donc de type N, alors que le second, avec ses lacunes, est chargé positivement. On dit qu’il est de type P. Si l’on place côte à côte ces deux types de silicium, on a une jonction N-P. Les électrons s’écouleront dans une seule direction à travers cette jonction. C’est là le principe qui a permis au transistor de remplacer les grosses lampes de jadis par de minuscules composants de silicium.

Supposons à présent que l’on mette ensemble deux couches de silicium de type différent. Ce n’est pas un transistor que l’on a alors, mais une pile solaire. En effet, lorsque l’énergie des photons, qui se comportent comme des grains de lumière, est absorbée par les piles, elle libère les électrons des atomes de silicium. Si l’on relie les deux faces de la pile pour fermer le circuit, les électrons circuleront de N vers P. On a alors un courant électrique engendré par la lumière solaire et qui peut être exploité.

On ne sait pas convertir en électricité toute l’énergie de la lumière solaire. L’énergie des photons varie de 1,5 à 3 électrons-volts, selon que l’on va du rouge au violet. Mais un électron-volt suffit pour libérer l’électron dans un cristal de silicium, si bien que le reste de l’énergie est dissipé sous forme de chaleur. Le rendement maximum théorique d’une pile au silicium est d’environ 22 pour cent. En pratique, on n’est arrivé jusqu’à présent qu’à un rendement de 15 pour cent. On espère pourtant qu’en combinant différents éléments semi-conducteurs répartis en plusieurs couches, on parviendra à convertir jusqu’à 50 pour cent de l’énergie reçue du soleil.

Application des cellules solaires

Les piles solaires ont déjà trouvé une place importante dans la technologie moderne, puisqu’elles fournissent l’énergie des vaisseaux spatiaux, domaine dans lequel elles donnent toute satisfaction. En effet, lors d’un voyage interplanétaire, elles reçoivent en permanence la lumière du soleil (la moitié du temps seulement pour les vaisseaux placés sur orbite), sans qu’un nuage vienne s’interposer ou qu’il y ait de la pluie et du vent. D’autre part, leur coût s’intègre dans le budget de la recherche spatiale.

Ce qui frappait le plus dans le Skylab ou dans les sondes Viking qui sont allées jusqu’à Mars, c’étaient leurs immenses ailerons solaires. Les piles solaires qui s’y trouvaient ont donné toute satisfaction et ont tenu longtemps. Ainsi, la centrale électrique de la sonde Viking placée sur orbite produisait encore 600 watts deux ans après avoir atteint la planète Mars, épreuve critique s’il en fut et qui révèle la fiabilité de la technique. Malheureusement, pour en arriver là, la fabrication des cellules solaires exige une technologie et un budget dont on disposait pour une sonde Viking, mais qu’il faudrait réduire plus de vingt fois avant d’arriver à des applications économiquement rentables sur la terre. On pourrait croire que cela reporte à un avenir lointain l’utilisation de l’énergie solaire. Toutefois, la baisse vertigineuse des semi-conducteurs laisse envisager des délais plus courts. Nombre de laboratoires travaillent activement aujourd’hui à l’automatisation de la fabrication des cellules solaires, afin d’abaisser leur coût de production. Certains partisans enthousiastes affirment que dans 20 ans le soleil pourrait fort bien fournir le cinquième de toute l’énergie nécessaire aux États-Unis.

L’exploitation de l’énergie solaire diffère considérablement de celle des autres sources d’électricité en ce qu’elle est modulaire, autrement dit constituée d’éléments de production qu’il suffit d’ajouter les uns aux autres en fonction de la quantité d’énergie requise. Dans une centrale à pétrole ou à charbon, c’est tout le contraire, puisque le coût de production de l’électricité est inversement proportionnel à la taille de la centrale. Il en va de même des centrales nucléaires à fission, sans parler des éventuelles centrales futures à fusion. Par contre, l’électricité d’origine solaire promet d’être aussi bon marché dans une petite centrale que dans une grande.

Une question cruciale se pose néanmoins: Pourra-​t-​on supprimer les grands réseaux de centrales électriques indispensables dans le présent système? Les centrales de l’avenir pourraient fort bien se concevoir au niveau du quartier, voire du domicile individuel, pensée peu agréable pour les gens qui ont conçu la production de l’électricité en fonction de gigantesques réseaux régionaux, voire nationaux. On comprend que les industriels y voient une menace pour les investissements qu’ils ont contractés et qu’ils ne soutiennent pas avec enthousiasme une innovation aussi radicale. Certains disent que si ces gens se faisaient moins tirer l’oreille, l’énergie solaire connaîtrait un développement bien plus rapide.

La production d’électricité à partir du soleil présente encore d’autres avantages: elle est propre, silencieuse et fiable. Elle ne fait intervenir aucun organe mécanique, donc pas d’usure. Elle est facile à exploiter et non polluante. Enfin, comme la lumière, elle est gratuite et renouvelable jour après jour. Devant les promesses que recèle une telle source d’énergie, avez-​vous de la peine à comprendre pourquoi ses partisans exigent que tout soit mis en œuvre pour que l’on passe rapidement à son exploitation?

[Entrefilet, page 6]

Les rayons solaires qui tombent sur une zone de 26 kilomètres carrés seulement en Arizona produisent autant d’énergie que toutes les centrales électriques américaines réunies.

[Entrefilets, page 7]

Certains affirment que dans 20 ans le soleil pourrait fort bien fournir le cinquième de toute l’énergie nécessaire aux États-Unis.

La conversion directe de l’énergie solaire en électricité présente les avantages suivants: absence de pollution, de bruit et d’usure; approvisionnement gratuit et renouvelable d’un jour à l’autre.

[Encadré, page 8]

Une centrale de l’espace

L’idée la plus incroyable au sujet de la conversion de l’énergie solaire en électricité pourrait bien avoir germé dans les films de science-fiction. Il s’agit en effet d’assembler dans l’espace une série de panneaux solaires d’une superficie totale de 50 km². Cette station collectrice serait placée sur orbite à 36 000 km de hauteur, à un point fixe du plan de l’équateur. L’énergie captée parviendrait à la terre sous forme de micro-ondes sur une antenne réceptrice de 10 km de diamètre. Les cinq millions de kilowatts produits par une telle centrale suffiraient aux besoins d’une ville de la taille de New York. Par rapport aux panneaux solaires terrestres, cette station collectrice présenterait l’avantage de fonctionner 24 heures par jour, indépendamment de la météorologie, puisque les nuages n’empêchent pas la transmission de micro-ondes.

Mais la technologie spatiale actuelle n’est pas à la hauteur d’une entreprise aussi titanesque. La mise au point des fusées ainsi que le transport de matériel et de personnel dans l’espace coûteraient des milliards de francs. En outre, on peut s’interroger sur les risques encourus par les voisins de la station réceptrice à cause de la dispersion des micro-ondes ainsi que sur leurs effets sur l’ionosphère, le climat et la réception des émissions radiotélévisées. Les astronomes ont également soulevé l’objection que la présence d’objets aussi brillants dans le ciel mettrait fin à l’observation de l’univers, dans la mesure où celle-ci nécessite un ciel sombre. Par contre, les agences de l’Énergie seraient pour un tel projet, du fait que le public continuerait à dépendre de leur réseau de distribution. Mais sans doute préféreriez-​vous capter votre énergie directement du soleil lorsqu’il brille au-dessus de chez vous, à condition de pouvoir la conserver pendant la nuit et sans passer par des détours aussi compliqués que dans les technologies précédentes. Après tout, tant que les stations spatiales solaires ne seront pas une réalité, il restera toujours la possibilité de capter suffisamment d’énergie pour ses besoins ménagers grâce à trois mètres carrés de cellules solaires sur son toit.