LA LETTRE NUCLEAIRE

Lettre nucléaire n° 10

Les énergie renouvelables peuvent-elles remplacer l’énergie nucléaire ?

2 / l’énergie solaire

On regroupe dans les énergies dites renouvelables, principalement les énergie hydraulique, solaire, éolienne, la biomasse et la géothermie.
L’énergie hydraulique est utilisée depuis longtemps et sa part dans la production d’électricité est très variable d’un pays à l’autre, en fonction des caractéristiques locales des marées, lacs et cours d’eau :Norvège 99 %, Chine 18 %, Etats-Unis et Japon 8 %.
En France, l’énergie hydro-électrique, qui représente une contribution stable de 60 TWh/an (environ 16 % de la production électrique nationale), s’est principalement développée dans les années 1950 grâce à la construction de barrages. Cette contribution ne pourra plus croître dans le futur étant donné la saturation des sites disponibles.
La biomasse et la géothermie ne pouvant produire de l’électricité qu’en quantité marginale, la présente lettre se concentrera sur l’ énergie solaire. La précédente lettre (lettre nucléaire n° 9 du 1/10/00) traitait, quant à elle, l’énergie éolienne.

Energie solaire

Soleil et énergie

Le soleil constitue un gigantesque réacteur nucléaire dans lequel chaque seconde, 600 millions de tonnes d’hydrogène sont transformées en hélium lors de réactions de fusion nucléaire qui se traduisent, d’une part par une perte de masse du soleil d’environ 4 millions de tonnes par seconde et d’autre part par l’émission d’un rayonnement électromagnétique d’une puissance par m2 solaire d’environ 60 millions de Watts.

Avant de nous parvenir, cette puissance est diluée dans l’espace, puis dans l’atmosphère terrestre de sorte qu’en moyenne, la puissance par m2 terrestre est d’environ 225 Watts. Cette puissance peut dépasser 1 kW dans les déserts tropicaux.

En France, selon les régions, la puissance moyenne par m2 au sol varie entre 150 et 200 Watts, c’est-à-dire 300 000 fois moins qu’à la surface du soleil.

Ainsi, si l’énergie produite par le soleil est considérable, une très faible partie parvient jusqu’à la surface terrestre.

En outre, cette énergie comporte 3 inconvénients importants :

• Elle est très diluée
• Elle est périodique (alternance jour/nuit) et aléatoire (présence de nuages)
• Elle est difficile à stocker

1. L’électricité solaire

L’énergie solaire peut être convertie en électricité, soit directement par effet photovoltaïque :
Energie solaire --> électricité,
soit indirectement après conversion en chaleur puis en énergie mécanique, dans une centrale thermique solaire :
Energie solaire --> chaleur --> énergie mécanique --> électricité

Electricité solaire photovoltaïque

L’effet photovoltaïque fut découvert par Becquerel en 1839 et permit la conversion directe du rayonnement solaire en électricité.

Comme toute onde électromagnétique, la lumière du soleil transporte de l’énergie sous forme d’un flux de photons qui, si l’énergie de chaque photon est suffisante, peut arracher et déplacer les électrons d’un matériau exposé. La lumière est donc capable de mettre en mouvement des électrons, c’est-à-dire de créer un courant électrique.

Cela est généralement réalisé dans des semi-conducteurs cristallins où les électrons sont localisés dans des états énergétiques qui les lient aux atomes du réseau. Sous l’effet du flux de photons, ces électrons peuvent se libérer de l’attraction du réseau et participer à la conduction électrique.

Les cellules photovoltaïques sont généralement faites de silicium monocristallin ou multicristallin.

Le premier requiert un refroidissement lent du silicium fondu (plusieurs heures) et on obtient un cristal qui peut atteindre 1 mètre de long. Ce cristal est ensuite découpé à la scie diamantée en fines tranches de 300 à 400 microns. Le rendement (rapport entre l’énergie électrique créée et l’énergie solaire reçue) peut atteindre

15 %.

Le silicium multicristallin, quant à lui, est refroidi plus rapidement. Les cristaux sont plus petits et le rendement est moins élevé du fait de l’hétérogénéité de la cellule (13 %), mais sa fabrication est moins consommatrice d’énergie, donc moins onéreuse.
Enfin, il existe, à moindre échelle, des cellules constituées de silicium non cristallin (dit amorphe). Ce matériau est bon marché. En outre, il absorbe mieux la lumière que le silicium cristallin et une couche mince de 1 micron suffit. Cependant, les photopiles obtenues ont un rendement faible (6 %) et instable dans le temps. Elles se sont rapidement imposées sur le marché des calculettes peu sensibles au rendement des photopiles et aux instabilités, mais ces défauts deviennent rédhibitoires sur le marché de l’énergie.
Une convention internationale a défini la puissance-crête (unité : le Watt-crête (Wc)) comme étant la puissance optimale que peut fournir une photopile dans les conditions de référence suivantes : éclairement solaire de 1000 Watts par m2 à une température de 25 °C.

Une seule cellule circulaire de silicium monocristallin de 10 cm de diamètre produit une puissance-crête de 1,3 Wc . Cette puissance correspond à une intensité de courant de 2,7 Ampères sous 0,5 Volts, ce qui est insuffisant pour une quelconque utilisation industrielle. Aussi les cellules sont-elles connectées en série-parallèle (afin d’augmenter à la fois l’intensité et la tension du courant de sortie) et encapsulées dans un verre ou un plastique pour former un module. Pour fixer les idées, un module de 1 m2, constitué d’une centaine de cellules de silicium monocristallin de 10 cm de diamètre, atteindra une puissance-crête d’une centaine de Watts. Sous un éclairement solaire moyen de 200 W/m2, ce module produira dans une journée une énergie électrique maximale de 0,5 kWh. Les modules peuvent être assemblés en panneaux pouvant eux-mêmes être interconnectés pour former un champ de modules.

Les panneaux photovoltaïques convertissent donc directement l’énergie solaire en énergie électrique. Celle-ci est stockée dans une batterie d’accumulateur au plomb qui la restitue à la demande. Un régulateur protège la batterie contre d’éventuelles surcharges.

Ainsi le jour, les panneaux chargent les batteries et la nuit, l’électricité est fournie par les batteries.

En ce qui concerne la production d’électricité raccordable au réseau national, l’électricité photovoltaïque, qui coûte de 2 à 6 francs le kWh, est de 5 à 10 fois plus chère que l’électricité traditionnelle.

Néanmoins, hormis les petits appareils (montre, calculettes, gadgets,…), l’utilisation de l’électricité photovoltaïque peut s’avérer intéressante pour l’alimentation d’équipements publics isolés (abris mobiles, panneaux publicitaires, relais de télécommunication, …).

Centrales thermiques solaires

Une fois l’énergie solaire convertie en chaleur, le principe de fonctionnement est le même que celui d’une centrale thermique classique (charbon, fuel, gaz ou uranium) : la chaleur emmagasinée est transmise à un circuit dont l’eau est vaporisée. Ensuite, la vapeur founit de l’énergie mécanique en se détendant dans une turbine et un alternateur associé convertit cette énergie mécanique en énergie électrique.

Le rendement thermique d’une turbine se définit comme étant le pourcentage de l’énergie thermique de la vapeur qui est transformée en énergie mécanique dans la turbine.

Il est au maximum égal à l’écart relatif de température entre la source chaude et la source froide (principe de Carnot). En conséquence, il faut disposer d’une chaleur à très haute température (plusieurs centaines de degrés) pour garantir un rendement suffisant, ce qui ne peut être obtenu qu’en focalisant les rayons solaires sur une cible.

On distingue 3 types de centrales solaires qui se différencient par la façon de focaliser les rayons du soleil :

• Les collecteurs cylindro-paraboliques à focalisation linéaire
• La centrale à tour
• La centrale à collecteurs paraboliques

Dans les 3 concepts, les rayons solaires sont concentrés sur des cibles grâce à une multitude de miroirs. La chaleur emmagasinée dans ces cibles est ensuite utilisée pour chauffer un fluide caloporteur qui est transporté par canalisation.

Il faut donc disposer de grands surfaces de terrain (on considère qu’il faut au moins 4 ha par MWe produit, soit 40 km2, c’est-à-dire près de la moitié de la surface de Paris intra-muros, pour produire l’équivalent d’une seule centrale nucléaire, à condition toutefois que les conditions d’ensoleillement soient favorables).

Le coût de l’électricité d’une centrale solaire située dans une région où le rayonnement est suffisant est d’environ 0,60 francs à 1 franc le kWhe, soit plus de 3 fois le prix du kWhe nucléaire.

BWM Conseil
Section Communication
bmwconseil@nucleaire.net

Pour en savoir plus, lire l'ouvrage " l'Atome Ecologique " de Bernard Wiesenfeld. 1998, Editions EDP Sciences ( customers@edpsciences.com ).

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