Produire de l'électricité autrement...
Première partie

De l'électricité grâce au soleil
La production d'électricité grâce à l'énergie solaire trouvera bientôt son second souffle. Les pessimistes qui estiment que le solaire ne peut subvenir à nos besoins modernes en seront pour leur frais. En Californie, on construit depuis plus de dix ans des centrales solaires de puissance, c'est à dire capables d'alimenter en électricité des centaines de milliers d'Etasuniens, ce qui n'est pas rien quand on sait que ces gens-là consomment en moyenne six fois plus d'électricité que nous. A l'autre bout du monde social, en Afrique, des pompes solaires désormais fiables permettent l'irrigation de terres arides.

Il s'agit là de deux applications différentes en théorie mais qui aboutissent toutes deux à la production d'électricité. L'application dans les centrales californiennes par par un stade thermique : on produit de la vapeur grâce à la chaleur du soleil et cette vapeur fait tourner des turbines comme dans la plupart des centrales. Quant aux pompes sahéliennes, elles sont alimentées par de l'électricité qui provient d'une réaction du silicium à la lumière, l'effet photovoltaïque.

L'exemple californien
Le soleil à peine levé sur le désert de Mojave, plusieurs milliers de miroirs commandés par ordinateur se découvrent pour lui faire face. Cylindro-parabolique, ils concentrent ses rayons sur des tubes d'acier, enfermés sous vide dans une enveloppe de verre. A l'intérieur de ces tubes, une huile synthétique est chauffée à près de quatre cents degrés, puis mise en mouvement vers un générateur de vapeur. Celle-ci ira alors frapper les pales d'une turbine d'alternateur. Bienvenus sur les lignes de la South California Edison, 30 méga-watts prennent aussitôt le chemin de Los Angeles, à deux cents kilomètres de là. Ils sont rejoints par les 120 méga-watts des quatre tranches contiguës et par les 44 méga-watts venus de la centrale de Dagget, à quelques miles de là. Au total, près de 200 méga-watts ou de quoi alimenter 270 000 californiens.
Science-fiction ? Nullement. La scène, devenue banale et quotidienne, se passe à Kramer Junction. A Harper Lake, un peu plus loin parmi les épineux et les cactus, une installation de 80 méga-watts s'est vue progressivement rejointe, en cinq ans, par cinq autres de même puissance.

C'est dire qu'il ne s'agit plus de recherche, ni même de démonstration, mais d'une réalité industrielle, commerciale, énergétique : les centrales solaires de puissance existent. Cette percée du solaire aux Etats-Unis ne pouvait sans doute survenir qu'en Californie. La proximité géographique d'un désert et d'une mégalopole comme Los Angeles l'explique moins que la concordance entre les besoins et les ressources. En Californie, où la plupart des bureaux et maisons sont dotés de climatiseurs, c'est quand le soleil tape le plus dur que la demande électrique est la plus forte. Aussi la majeure partie de l'électricité solaire est-elle vendue au tarif des heures de pointe, le plus rentable pour les investisseurs.
Cette percée doit aussi beaucoup à une volonté politique. Pour favoriser les ressources énergétiques nationales, et plus particulièrement les énergies renouvelables, une loi oblige depuis 1978 les "utilities", sortes d'EDF locales, à acheter le courant des producteurs indépendants. Mieux, elle en a fixé les tarifs, selon le principe du coût évité, c'est-à-dire de l'investissement auquel les "utilities" peuvent ainsi renoncer. Enfin, l'Etat fédéral, puis celui de Californie, ont accordé aux investisseurs des crédits d'impôts très avantageux. Fort critiquée à l'étranger, cette politique a pourtant fait la fortune des fabricants d'éolienne au Danemark, en Hollande et au Japon autant qu'aux Etats-Unis. Ils ont ainsi construit des dizaines de milliers d'aérogénérateurs près de San Francisco et de Los Angeles, dont la puissance totale approche 2000 méga-watts.

Surtout, cette politique a donné au solaire, et particulièrement à la technique de la société Solar Luz, le coup de pouce nécessaire au démarrage. Le kilowatt/heure fourni par la première centrale coûtait 24 cents. Il est tombé à 8 cents pour la plus récente, grâce à de nombreuses améliorations techniques et aux économies d'échelle. Cependant, Luz mène une politique active de lobbying à Washington pour que les crédits d'impôts soient reconduits, et aussi pour que soient repoussées les deux limites fixées aux producteurs indépendants : celle de la puissance maximale par installation et celle de la part de l'énergie classique d'appoint utilisée à la production.
Les centrales de Luz utilisent en effet du gaz naturel, en hiver pour compléter l'apport solaire de la journée, et en été pour produire après le coucher du soleil, alors que la demande électrique reste forte et le courant vendu un bon prix. Ce fonctionnement mixte assure aux parties turbines à vapeur et alternateurs un rendement maximal.

Le succès de la technique cylindro-parabolique ne manquera pas de surprendre ceux qui misaient sur les centrales thermiques à tour, où toute l'énergie lumineuse est concentrée en un point unique, créant bien des difficultés. Ainsi la centrale française Thémis de 2,5 méga-watts est aujourd'hui totalement délaissée. A croire qu'EDF l'a fait exprès, comme pour la trop grosse éolienne d'Ouessant qui s'est écroulée tout de suite.

La recherche nous rapproche des centrales photovoltaïques de puissance
Les centrales thermiques solaires utilisés en Californie sont très en avance sur les espérances suscitées par le photovoltaïque, des cellules solaires à base de semi-conducteurs qui convertissent directement la lumière en électricité. Des centrales à photopiles existent bien en Californie mais aucune ne fournit plus de quelques méga-watts. Les photopiles sont tout simplement encore trop chères, même si leur coût ne cesse de diminuer et l'éventail des techniques et des matériaux employés, de s'accroître. Le Japon, les Etats-Unis, l'Allemagne mettent en oeuvre d'importants programme de recherche pour pouvoir, par exemple, produire des photopiles en continu, en rouleau, à des prix très bas, même si leur rendement reste faible. Les cellules à couches minces qui équipent les calculettes japonaises, moins onéreuse, améliorent sans cesse leur résistance au vieillissement et leur rendement, qui approche désormais les 10%, contre 15 à 20% pour les cellules au silicium cristallin.

La recherche technologique va bon train.
Les Allemands auraient mis au point des peintures photovoltaïques qui pourraient servir à peindre et alimenter des voitures... Ailleurs, on essaie d'améliorer les rendements et des résultats encourageants sont obtenus avec des méthodes de concentration de la lumière comme les lentilles de Fresnel. De nouveaux systèmes onéreux mais productifs émergent dans les services de développement des industriels.
Les cellules multicouches ont aussi fait leur apparition. Elles sont constituées d'un empilement de deux différentes couches minces de semi-conducteurs, chacune absorbant une fraction du rayonnement solaire dans une longueur d'ondes spécifique. L'ensemble permet un rendement de plus de 15%. Les tenants de ces filières affirment que les couches minces pourront constituer des centrales de puissance là où le rendement importe moins que le prix, là où la place au sol n'est pas chère. Ainsi, l'étasunien Chronar, l'un des spécialistes du silicium amorphe, s'intéresse-t-il à l'électrification villageoise dans le Maghreb.

Pour l'instant, pour les applications professionnelles telles que télécommunications, pompage de l'eau et autres, les cellules cristallines gardent encore la préférence des utilisateurs, avant tout désireux de fiabilité.
Dans ce secteur, la recherche est moins théorique qu'industrielle. Elle porte principalement sur les procédés de fabrications susceptibles d'abaisser les coûts à la sortie de l'usine. Ainsi la société Photowatt à Caen a-t-elle développé une scie à fil perfectionnée pour ramener à 150 microns l'épaisseur des cellules et diminuer les pertes de sciage.
L'électricité photovoltaïque n'a donc pas dit son dernier mot. Si elle n'est pas en mesure aujourd'hui de concurrencer, au sein des grands réseaux électriques, ni les sources classiques d'énergie, ni le nucléaire, ni même le solaire... thermo-électrique, elle paraît chaque jour d'avantage à même d'apporter une énergie précieuse entre les mailles de ces réseaux. Les applications professionnelles en ont fait la preuve un peu partout dans le monde : alimentation des satellites, relais de télécommunications, phares et balises, électrification de villages ou maisons isolés, de refuge de montage, protection des pipe-lines, parcmètres, surveillance, etc...

Le fonctionnement des cellules photovoltaïques
L'énergie solaire a les mêmes caractéristiques de base que l'énergie atomique. C'est d'ailleurs en espérant imiter le soleil que des scientifiques ont cherché à exploiter les minerais radioactifs de la Terre. Il s'agit dans les deux cas d'une réaction puissante de la matière, la réaction nucléaire, qui dégage de grandes quantités de chaleur et de rayonnement, lumineux ou pas, lorsqu'un noyau d'atome se forme, la fusion, ou bien se disloque, la fission. Dans le soleil, les deux réactions coexistent et il nous envoie une quantité phénoménale de particules dont la plupart sont arrêtés par notre atmosphère protectrice, par la couche d'ozone notamment. Néanmoins, de très nombreux photons parviennent à la surface de notre planète et le développement de la vie s'est fait en fonction de cette donnée de base, voire grâce à elle. Les photons ne sont donc pas dangereux, bien qu'ils peuvent tuer. Ils ont, avec l'eau, animé la matière, la poussière des étoiles.

Les cellules photovoltaïques, des petites plaques de silicium généralement regroupées en panneaux, captent les photons du soleil pour les transformer en électricité selon un principe assez simple que l'on peut résumer ainsi : le photon tombe sur le silicium et y crée une petite tension. Toutes les cellules étant reliées entre elles par des fils électriques, la tension d'un groupe de cellules peut atteindre une certaine puissance et un voltage suffisant pour alimenter des éclairages et de petits appareils.
Tout est affaire de rendement en matière de photovoltaïque et de gros progrès technologiques seraient les bienvenus car ce mode de production d'électricité reste encore limité en puissance et ne peut prétendre au chauffage d'une habitation ou de l'eau chaude domestique, ni de la cuisson des aliments, ni au repassage du linge, pas même l'utilisation d'un aspirateur ou d'une machine à laver le linge. Pour ces fonctions, d'autres alternatives existent, solaire thermique, énergie éolienne, groupe électrogène, Pantone à eau.

Néanmoins, on peut couvrir facilement les besoins en électricité pour l'éclairage, l'audiovisuel et l'informatique, et même pour l'usage des ustensiles de cuisine comme le robot électrique, à condition de ne pas trop prolonger l'utilisation.
Pour améliorer le rendement de son installation, on peut poser des panneaux sur une terrasse de dallage clair bordée de murets peints en blanc, l'équiper de réflecteurs, et surtout monter ses panneaux sur une structure orientable aussi bien d'est en ouest que verticalement. Les panneaux solaires ont un rendement de 30% d'électricité en plus si on prend soin de les orienter au fur et à mesure de la journée et selon la hauteur saisonnière de la course du soleil.

Le réseau Hepsul
En attendant les centrales de puissance photovoltaïques, l'adage small is beautiful fait une intéressante percée en France par l'intermédiaire de l'expérience menée au sein du réseau Hepsul. Aujourd'hui, environ 250 micro-centrales photovoltaïques ont été installées chez eux par des particuliers.
Ces micro-centrales sont reliés au réseau EDF, ce qui permet de faire l'impasse sur les batteries, qui sont des équipements chers et polluants aussi bien à l'élimination qu'à la fabrication. Avec ce système, la sur-production part directement dans le réseau et en échange le réseau pallie au période de sous-production ou aux besoins des appareils puissants. Cela fonctionne avec 2 compteurs : un qui calcule la consommation normale et l'autre qui compte la production des panneaux. Il reste à payer la différence à EDF. Sachant qu'EDF rachète l'électricité produite par les particuliers plus cher qu'elle ne facture l'électricité qu'elle produit, le système permet d'avoir des factures très faibles et parfois positives !

Lecture complémentaire : [Article] Produire de l'électricité autrement... (2ème partie)

Sources
Guide de l'Habitat Ecologique, Editions du Fraysse, pages 964 à 973