Vendredi 24 août 2018 à 17:41

Energie, nucléaire, économies

             J'ai fait il y a plusieurs années des articles sur les diverses sortes d'énergie et la production d'électricité par diverses filières.
             Depuis cette époque il y a eu forcément des progrès techniques et je voudrais revenir sur ces notions, notamment sur les énergies dites "renouvelables" , mot qui ne signifie pas grand chose (l’énergie nucléaire d’un surgénérateur utilisant du Thorium est tout autant renouvelable, les cellules solaires ont une durée de vie limitée et il faut par ailleurs de l’énergie pour fabriquer les panneaux solaires), mais je les appellerai « intermittentes », car il n’y a pas d’énergie s’il n’y a pas de vent ou de soleil.

             Après les éoliennes ou hydroliennes, j’examinerai le solaire, aujourd'hui l'aspect technique et dans huit jours, l'aspect économique.

             Actuellement le solaire consiste essentiellement à utiliser des matériaux qui transforment les photons émis par le soleil en électrons que l’on collecte sous forme d’un courant électrique : c’est l’énergie photovoltaïque.

            Le problème des cellules photovoltaïques est quintuple : leur rendement est très faible, elles produisent un courant continu, de faible voltage (environ 0,5 V), et elles sont relativement chères (et certaines peu fiables). De plus si l’on veut des puissances importantes, cela mobilise des surfaces très importantes et enfin le soleil n’est pas présent de façon homogène, en fonction de l’heure et de la météorologie, et évidemment absent la nuit et l’exposition solaire est difficilement prévisible.

 
Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques.    
Les cellules photovoltaïques peuvent être vues comme un empilement de matériaux :

              la couche active constituée d’un premier matériau accepteur d’électrons et d’un second matériau donneur d’électrons.
              les contacts métalliques avant et arrière,constituant les électrodes positive et négative qui collectent le courant généré ;
              des couches supplémentaires comme un anti-reflet ou une couche plus fortement dopée permettant d’améliorer les performances de la cellule : meilleure absorption de la lumière, meilleure diffusion des porteurs de charges dans le matériau....

             C’est le matériau absorbeur qui diffère selon les cellules.
            Les premières cellules photovoltaïques monocristallines étaient d’un coût prohibitif. Elles ont été replacées par des cellules polycristallines moins chères et d’une durée de vie importante (une trentaine d’années). Leur rendement est de l’ordre de 15 à 20 %
            On voit apparaître des cellules souples, constituées de silicium amorphe sur des supports plastiques (je ferai un article à ce sujet). 
            Mais le rendement, déjà peu élevé, est de l’ordre de 3 à 7%. Le prix, au début assez élevé, baisse considérablement et devrait donc rendre compétitif, à surface égale,  les panneaux constitués de ces modules.
            Des matériaux autres que le silicium sont utilisés : Tellure de Cadmium, , Arséniure de Gallium, Cuivre/indium/sélénium….
            Outre le rendement faible des cellules, il faut tenir compte du rendement d’émission solaire, due à la variabilité de l’atmosphère et à la nuit. (puissance réelle produite/ puissance théorique nominale homogène sur 24h) Les rendements moyens sont de 13% en France, 11% en Allemagne et 21% en Espagne. Ils sont très variable d’un mois sur l’autre et d’une année sur l’autre. De ce fait, 1 GW nucléaire produit en moyenne 7 à 8 TWh/an, contre 1,2 TWh/an pour 1 GW photovoltaïque.

             L’énergie photovoltaÏque est très bien adaptée à l’alimentation de petits appareils électroniques, qui ne demandent qu’une puissance faible et disposent d’un batterie que la cellule photoélectrique recharge. Cela a d’ailleurs été sa première utilisation.

            Elle peut être considérée comme intéressante pour un emploi local dans des maisons individuelles, bien qu’actuellement la limitation en surface de panneaux ne permet pas de disposer de plus de 3kW et que d’autre part elle ne permet pas le chauffage et à l’éclairage, la nuit, sauf batteries importantes de stockage. Elle sert surtout au chauffage de l’eau sanitaire et à l’alimentation de machines utilisées le jour.
            Elle est actuellement d’un coût déjà élevé, bien qu'on n'ait pas besoin de la transporter puisque produite sur place.

             Par contre les centrales solaires photovoltaïque sont à mon avis d’un intérêt limité.
            Pour pouvoir transporter l’énergie sans pertes prohibitives, il faut transformer le courant continu en alternatif au moyen d’onduleurs, puis élever la tension, ce qui rajoute un rendement négatif supplémentaire important, avant l’injection dans le réseau, et un coût prohibitif de raccordement au réseau de distribution. D’autre part la discontinuité de l’ensoleillement rend le stockage nécessaire. C’est donc une énergie très chère. 
            Les surfaces nécessaire sont prohibitives. Si l’on voulait assurer la production mondiale d’électricité il faudrait 100 000 km2, soit la surface de l’Irlande.
            Des centrales flottantes sur la mer sont développées au Japon.

Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques.

             La centrale française EDF près de Nancy, comporte 1,4 millions de panneaux solaires de 120 X 60 cm, avec une puissance théorique de 125 Mw, couvre 367 ha et fonctionne depuis 2012. Les modules sont fabriqués par la firme américaine First Solar et utilisent le tellure de Cadmium. Elle a coûté 430 M€.

             Une autre utilisation possible de l’énergie solaire n’est malheureusement pas très répandue et serait probablement plus rentable au plan de centrales : les installations thermodynamiques.

            Les premières étaient de petites installations mobiles destinées à un emploi particulier. On recevait les rayons solaires sur un miroir parabolique qui concentrait l’énergie sur un récepteur (figure de gauche ci-dessous) ou bien sur des miroirs cylindro-paraboliques qui concentraient l’énergie sur des tuyauteries contenant un fluide à réchauffer (figure de droite ci-dessous). Le but n’était pas forcément de produire de l’électricité mais de chauffer une installation.

Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques.Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques.

 

           De telles installations ont été expérimentées en France à Odeillo, dans les années 80, par des services de l’Etat, mais les pouvoirs publics ne s’y sont jamais intéressé.

            Des installations à l’échelle de centrales peuvent en être déduites selon les deux schémas ci-dessous. Dans la première une multitude de petits miroirs paraboliques placés en cercle autour d’une tour, concentrent l’énergie solaire sur un récepteur dans lequel circule un fluide caloporteur. Dans la seconde les miroirs sont linéaires, ainsi que le récepteur.

Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques.Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


             
Le fluide caloporteur peut être de l’eau transformée en vapeur qui alimente ensuite des turbines classiques qui produisent l’électricité. Il peut être aussi constitué de sels fondus qui transforment l’eau en vapeur dans un échangeur. L’avantage des sels fondus est leur température (environ 650 d°), ce qui permet de continuer à produire de la vapeur pendant une certaine durée, alors que l’intensité de l’ensoleillement à disparu.

            Une grande centrale de ce type existe en Espagne, Gemasolar, près de Séville, constituée de 2500 héliostats qui concentrent la chaleur solaire sur un récepteur dans la tour, contenant des sels fondus, ce qui les chauffe à 900 degrés et permet de produire de l'électricité pendant 15 heures sans ensoleillement.Elle produit trois fois plus d'énergie qu'une centrale photovoltaïque de même puissance. D'une puissance de 20 MW, elle produit110 GWh/an, et alimente en électricité 25 000 foyers en Andalousie. Elle a coûté 710 millions d'euros.
Seul inconvénient : elle couvre 187 hectares.

 

Produire l'électricité à partir de l'énergie solaire : aspects techniques. 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Dans le prochain article, je parlerai des aspects économiques de l’énergie solaire photoélectrique.

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