Le soleil est un réservoir pratiquement infini d’énergie renouvelable. Comme le montre le graphique ci-dessous, l’énergie solaire est de loin la plus grande source d’énergie disponible. La taille du réservoir d’énergie solaire est considérablement plus grande que toutes les autres sources d’énergie combinées, y compris les sources renouvelables et non renouvelables. Il a été estimé que si seulement 2% de l’énergie solaire frappant la surface de la terre chaque jour était capturée, tous les besoins énergétiques actuels de l’humanité seraient satisfaits et même dépassés.
Étant donné la grande quantité d’énergie qui peut provenir du soleil, de nombreux efforts récents de recherche et développement dans les énergies renouvelables se sont concentrés sur l’amélioration de la capacité de récolte, de stockage et de distribution de l’énergie solaire. Les nouvelles installations panneau solaire photovoltaïque continuent de croître à un rythme explosif alors que le prix de l’exploitation de l’énergie solaire continue de baisser. En 2013, la capacité mondiale de production d’énergie solaire a augmenté de 26%, passant de 31 Gigawatts (GW) en 2012 à 39 GW en 2013. Aux États-Unis, l’énergie solaire représente actuellement 1,13% de la capacité de production d’électricité. En outre, le département américain de l’Énergie (DOE) prévoit d’ajouter 1 510 MW de capacité d’énergie solaire à la fin des projets solaires actuels d’ici la fin de 2015. L’importance de l’énergie solaire dans l’avenir de l’industrie de l’énergie invite à examiner de plus près 4 façons de utiliser l’énergie solaire.
1. Modules photovoltaïques
Les modules photovoltaïques (PV), souvent appelés panneaux solaires photovoltaïque, sont la technologie de récupération d’énergie solaire la plus répandue. La nature omniprésente des modules photovoltaïques a incité de nombreuses personnes à considérer la performance des modules photovoltaïques comme le principal indicateur de l’industrie solaire globale. De plus, des modules photovoltaïques ont été utilisés pour la production d’électricité résidentielle et commerciale dans les bâtiments, comme les récentes installations solaires de Walmart, ainsi que pour les centrales solaires à grande échelle, la plus grande installation de production photovoltaïque étant la centrale Agua Caliente de 290 MW dans le comté de Yuma. , Arizona.
Les modules PV génèrent de l’électricité en excitant des électrons à l’intérieur de leur système matériel. Les modules PV sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs, qui ont la capacité d’absorber la lumière du soleil et de créer de l’énergie électrique. Lorsque la lumière du soleil est absorbée dans un semi-conducteur, l’énergie optique de la lumière est transférée aux électrons à l’intérieur du matériau. Les électrons sous tension peuvent ensuite être extraits du semi-conducteur dans un circuit électrique, produisant de l’électricité.
Une des principales raisons pour lesquelles des matériaux semi-conducteurs sont utilisés pour les modules PV est leur capacité à séparer les électrons dans des états de haute et basse énergie, qui sont séparés par un intervalle d’énergie inhérent au matériau. Lorsque la lumière du soleil est absorbée dans le semi-conducteur, l’énergie absorbée fait passer un électron de basse énergie en un électron de haute énergie, qui s’écoule ensuite dans le circuit externe. Des trous chargés positivement sont également générés dans ce processus et maintiennent un équilibre de charge dans le système global.
À mesure que la quantité de lumière solaire absorbée augmente, le nombre d’électrons de haute énergie augmente également, ce qui crée alors un courant électrique circulant. La différence d’énergie entre les électrons de faible énergie et les électrons élevés, c’est-à-dire la taille de l’intervalle d’énergie, détermine la tension de sortie du module PV.
2. Solaire thermique
Le solaire thermique, également connu sous le nom de concentration d’énergie solaire (CSP), est une méthode moins connue pour extraire l’énergie solaire. Contrairement aux modules photovoltaïques, le solaire thermique n’est pas couramment utilisé pour la production d’électricité de bâtiments résidentiels ou commerciaux. Le solaire thermique, cependant, a un énorme potentiel pour produire de l’énergie solaire à l’échelle des services publics.
La centrale solaire Ivanpah de 377 MW dans le désert de Mojave en Californie est la plus grande installation d’énergie solaire au monde. La centrale d’Ivanpah, construite à Bechtel pour 2,2 milliards de dollars, était un projet conjoint de NRG, Google et BrightSource Energy, et ses 377 MW d’énergie solaire peuvent alimenter 140 000 foyers américains. Malgré son énorme potentiel d’application à l’échelle des services publics, le solaire thermique a récemment fait face à un scepticisme accru en raison de sa nature intensive en terres, ainsi que des préoccupations environnementales liées à la mortalité aviaire.
Le processus de récupération d’énergie du CSP est intrinsèquement différent du photovoltaïque solaire. Dans le CSP, la lumière du soleil est dirigée à l’aide de miroirs, puis concentrée en un seul point. L’énergie optique concentrée est alors utilisée pour faire bouillir l’eau et générer de la vapeur à haute énergie. La vapeur à haute énergie fait ensuite tourner une turbogénératrice pour produire de l’électricité. Les générateurs à vapeur sont une technologie très établie pour produire de l’électricité qui est utilisée par pratiquement toutes les centrales électriques traditionnelles, y compris le charbon, le gaz naturel et les centrales nucléaires. La différence inhérente entre les centrales solaires thermiques et traditionnelles est que le CSP utilise des énergies renouvelables pour produire de la vapeur.
3. Biocarburants (photosynthèse naturelle)
Un des défis majeurs du panneau solaire photovoltaïque et de la production d’énergie solaire thermique est leur incapacité à stocker efficacement l’énergie. Cela crée un problème de réponse à la demande, car l’électricité produite doit être consommée instantanément.
Cependant, les plantes ont la capacité de stocker l’énergie solaire en utilisant la photosynthèse. Au cours de la photosynthèse, les plantes absorbent du CO2 et de l’eau pour produire de l’oxygène et du glucose, une forme de sucre. La photosynthèse a été largement étudiée et l’abondance de plantes à la surface de la terre témoigne de l’évolutivité de la photosynthèse naturelle.
Les produits du processus de photosynthèse de certaines plantes peuvent ensuite être affinés pour créer des carburants chimiques ayant une densité d’énergie suffisante pour des applications pratiques. Ce procédé est déjà appliqué dans la fabrication de carburants à base d’éthanol à partir de matières premières de maïs.
Étant donné la controverse de l’utilisation du maïs pour produire des carburants, les chercheurs étudient des cultures supplémentaires qui peuvent être utilisées pour la production de biocarburants. Leur objectif est de trouver des cultures de biocarburants qui poussent rapidement et efficacement, ont une densité énergétique élevée et atténuent le conflit entre la nourriture et le carburant.
Malgré l’immense échelle des biocarburants, l’un des principaux inconvénients de la photosynthèse naturelle reste sa faible efficacité intrinsèque. L’efficacité de conversion énergétique de la photosynthèse naturelle est inférieure à 0,5%, ce qui est l’une des principales raisons pour lesquelles de nombreuses cultures de biocarburants nécessitent des étapes de raffinage importantes pour être converties en biocarburants utilisables.
4. Photosynthèse artificielle
La photosynthèse artificielle vise à remédier au défaut inhérent à la photosynthèse naturelle en concevant un schéma chimique qui convertit la lumière du soleil en carburants chimiques utilisables. La photosynthèse artificielle vise à imiter le processus de photosynthèse naturelle et à augmenter l’efficacité de conversion énergétique en remplaçant les agents biologiques dans le schéma naturel par des matériaux à l’état solide qui entraînent des réactions chimiques pour produire les carburants souhaités.
Le principe de la photosynthèse artificielle est basé sur l’électrochimie. De nombreuses réactions chimiques naturelles produisent de l’électricité avec une tension distincte. Ce phénomène a été la base scientifique utilisée pour concevoir certains des premiers systèmes de batteries au monde. Comme de nombreux phénomènes dans le monde chimique, les réactions électrochimiques sont réversibles. Cela signifie que si l’on applique de l’électricité avec une certaine tension à un système chimique, on peut déclencher une réaction chimique qui ne se produit pas naturellement.
Un exemple courant de ce concept est la production d’aluminium: à l’état naturel, l’aluminium se trouve dans divers composés, y compris l’oxyde d’aluminium, qui est plus stable chimiquement que l’aluminium pur dans la nature. Dans ce cas, la réaction électrochimique naturelle consiste à faire réagir l’oxygène avec l’aluminium pur pour former de l’oxyde d’aluminium. La réaction inverse peut être déclenchée en faisant circuler de l’électricité à travers l’oxyde d’aluminium pour créer de l’aluminium pur. Ce procédé de fabrication de l’aluminium est connu sous le nom de procédé Hall-Heroult et est encore aujourd’hui une pratique industrielle courante.
Le processus de récupération d’énergie du CSP est intrinsèquement différent du photovoltaïque solaire. Dans le CSP, la lumière du soleil est dirigée à l’aide de miroirs, puis concentrée en un seul point. L’énergie optique concentrée est alors utilisée pour faire bouillir l’eau et générer de la vapeur à haute énergie. La vapeur à haute énergie fait ensuite tourner une turbogénératrice pour produire de l’électricité. Les générateurs à vapeur sont une technologie très établie pour produire de l’électricité qui est utilisée par pratiquement toutes les centrales électriques traditionnelles, y compris le charbon, le gaz naturel et les centrales nucléaires. La différence inhérente entre les centrales solaires thermiques et traditionnelles est que le CSP utilise des énergies renouvelables pour produire de la vapeur.
3. Biocarburants (photosynthèse naturelle)
Un des défis majeurs du solaire photovoltaïque et de la production d’énergie solaire thermique est leur incapacité à stocker efficacement l’énergie. Cela crée un problème de réponse à la demande, car l’électricité produite doit être consommée instantanément.
Cependant, les plantes ont la capacité de stocker l’énergie solaire en utilisant la photosynthèse. Au cours de la photosynthèse, les plantes absorbent du CO2 et de l’eau pour produire de l’oxygène et du glucose, une forme de sucre. La photosynthèse a été largement étudiée et l’abondance de plantes à la surface de la terre témoigne de l’évolutivité de la photosynthèse naturelle.
Les produits du processus de photosynthèse de certaines plantes peuvent ensuite être affinés pour créer des carburants chimiques ayant une densité d’énergie suffisante pour des applications pratiques. Ce procédé est déjà appliqué dans la fabrication de carburants à base d’éthanol à partir de matières premières de maïs.
Étant donné la controverse de l’utilisation du maïs pour produire des carburants, les chercheurs étudient des cultures supplémentaires qui peuvent être utilisées pour la production de biocarburants. Leur objectif est de trouver des cultures de biocarburants qui poussent rapidement et efficacement, ont une densité énergétique élevée et atténuent le conflit entre la nourriture et le carburant.
Malgré l’immense échelle des biocarburants, l’un des principaux inconvénients de la photosynthèse naturelle reste sa faible efficacité intrinsèque. L’efficacité de conversion énergétique de la photosynthèse naturelle est inférieure à 0,5%, ce qui est l’une des principales raisons pour lesquelles de nombreuses cultures de biocarburants nécessitent des étapes de raffinage importantes pour être converties en biocarburants utilisables.
4. Photosynthèse artificielle
La photosynthèse artificielle vise à remédier au défaut inhérent à la photosynthèse naturelle en concevant un schéma chimique qui convertit la lumière du soleil en carburants chimiques utilisables. La photosynthèse artificielle vise à imiter le processus de photosynthèse naturelle et à augmenter l’efficacité de conversion énergétique en remplaçant les agents biologiques dans le schéma naturel par des matériaux à l’état solide qui entraînent des réactions chimiques pour produire les carburants souhaités.
Le principe de la photosynthèse artificielle est basé sur l’électrochimie. De nombreuses réactions chimiques naturelles produisent de l’électricité avec une tension distincte. Ce phénomène a été la base scientifique utilisée pour concevoir certains des premiers systèmes de batteries au monde. Comme de nombreux phénomènes dans le monde chimique, les réactions électrochimiques sont réversibles. Cela signifie que si l’on applique de l’électricité avec une certaine tension à un système chimique, on peut déclencher une réaction chimique qui ne se produit pas naturellement.
Un exemple courant de ce concept est la production d’aluminium: à l’état naturel, l’aluminium se trouve dans divers composés, y compris l’oxyde d’aluminium, qui est plus stable chimiquement que l’aluminium pur dans la nature. Dans ce cas, la réaction électrochimique naturelle consiste à faire réagir l’oxygène avec l’aluminium pur pour former de l’oxyde d’aluminium. La réaction inverse peut être déclenchée en faisant circuler de l’électricité à travers l’oxyde d’aluminium pour créer de l’aluminium pur. Ce procédé de fabrication de l’aluminium est connu sous le nom de procédé Hall-Heroult et est encore aujourd’hui une pratique industrielle courante.
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