Lettre de juillet 2012 1000000000000000000000000000000Retour à Journal

L'énergie photovoltaïque

La révolution de la Physique Quantique ne concerne pas que la science et la technologie. Elle change aussi notre idée de la connaissance et pose donc des questions philosophiques (ce sera le sujet de lettres ultérieures). Mais plus important encore, voire plus urgent, elle intervient dans la forme que prendra notre avenir à tous: la Physique Quantique est appelée à assurer la survie de la civilisation industrielle, qui a conduit l'humanité depuis plus d'un siècle et demi.

La civilisation industrielle était à l'origine l'apanage de quelques pays. Elle s'est depuis répandue sur toute la planète, dans un mouvement qui s'accélère en ce début de siècle. Une force invincible la propulse: elle promet à tous un avenir meilleur! Elle promet à chacun une vie longue, sûre, débarrassée des travaux pénibles, une vie plus intéressante, dans laquelle chacun a la possibilité de développer ses intérêts et ses passions propres. Qui pourrait lui résister?

Hélas, deux graves écueils se dressent sur son chemin. Le premier est environnemental et concerne la surcharge de la planète. Elle est à bout de souffle! Le second est politique et vient de la mauvaise répartition des fruits du progrès entre les humains. Ces deux écueils peuvent tout faire capoter. Or, si la Physique Quantique ne peut rien hélas contre le deuxième, elle peut nous sauver du premier!

D'une façon très générale, on peut dire que la civilisation industrielle repose sur la domestication de l'énergie. En effet, elle n'aurait pas été possible sans disposer d'énormes quantités d'énergie quasi gratuite.

Quasi gratuite, l'énergie? Elle l'est devenue en effet! Prenons un exemple. Considérons le travail nécessaire pour amener une tonne de matériel de la plaine à la montagne, pour une dénivellation, disons, de mille mètre. Ce travail demanderait une semaine de labeur pénible à un homme, ou un à deux jours à une bête de somme. Or une voiture de mille kilo utilise pour ce trajet un ou deux litres d'essence, soit le prix d'un kilo de pain! Qui travaillerait une semaine pour ce salaire?

Où trouver l'énergie?

La poursuite de la civilisation industrielle nécessite donc de disposer d'énergie abondante et quasi gratuite. Or la Physique générale nous enseigne que l'énergie est une grandeur conservée. C'est-à-dire qu'elle ne se crée pas et que nous devons la chercher là où il peut bien y en avoir.

En toute généralité, l'énergie ne peut provenir que:
1) de l'intérieur de la Terre (géothermie)
2) de l'extérieur de la Terre (du Soleil)

Dans la première catégorie on utilise la chaleur interne de la Terre, dont la température au centre n'a presque pas varié depuis sa création. C'est le domaine de la géothermie, des pompes à chaleur et des geysers. (Pour être complet on devrait mentionner l'énergie nucléaire, interne aux noyaux des atomes de la croûte terrestre.)

Dans la seconde catégorie on trouve la chaleur solaire directe et des énergies obtenues du soleil indirectement: la combustion (bois, charbon, tourbe, pétrole, gaz, tous produits par la lumière solaire via la photosynthèse), l'énergie hydraulique (la chaleur du soleil transporte l'eau des océans sur les montagnes) et l'énergie éolienne (c'est la chaleur solaire qui provoque les vents). (Pour être complet on devrait aussi citer l'énergie obtenue des marées, issues de l'attraction lunaire).

(Je ne mentionne que les énergies qu'on peut exploiter. Ainsi j'évite les volcans dans la première catégorie et les éclairs dans la seconde.)

En quoi la Physique Quantique va-t-elle nous aider? Par le phénomène quantique de la photoélectricité, qui convertit directement la lumière en électricité. Grâce à ce phénomène la seule lumière du soleil pourrait suffire aux besoins gigantesques de la civilisation industrielle! (Rappelons qu'un phénomène est dit "quantique" lorsqu'il est expliqué par la Physique Quantique. Le phénomène lui-même n'en a cure!)


L'effet photoélectrique

La Physique Quantique voit la lumière comme un ensemble de particules élémentaires, appelées photons. Un photon est caractérisé par une couleur précise, qui détermine son énergie et son impulsion. Lorsqu'un électron rencontre un photon, il l'absorbe. Le photon disparaît complètement, et l'électron acquiert son énergie et son impulsion.

Interaction entre un photon et un électron

Cette interaction très simple entre la matière (les électrons) et la lumière (les photons) a été proposée par le jeune Albert Einstein en 1905, pour expliquer le phénomène de la photoélectricité. Il s'agit de l'apparition d'un courant électrique dans une plaque métallique lorsque celle-ci est éclairée. Ce phénomène était déjà connu (il a été étudié par Heinrich Hertz en 1887) mais présentait une caractéristique étrange: le courant électrique obtenu dépendait de la couleur de la lumière!

C'est cette surprise que l'image d'Einstein explique. L'énergie acquise par l'électron est celle du photon absorbé, qui dépend donc de sa couleur. Si cette énergie est insuffisante pour extraire l'électron de son atome, il ne se passera rien. Si elle est au-delà, l'électron pourra sauter dans la bande de conduction (voir la lettre sur les semi-conducteurs) et participer à un courant.

Pour tirer de l'énergie à partir de la lumière solaire, grâce à cet effet, il faut trouver la bonne formule technologique. C'est ce qui a été réalisé avec les cellules photovoltaïques.


Cellules photovoltaïques

Comment rassembler les électrons qui ont reçu de l'énergie par la lumière et les diriger pour obtenir un courant? On utilise pour cela une diode (voir la lettre sur le transistor) en profitant du potentiel électrique qu'elle possède au repos. Ainsi les électrons excités par la lumière trouvent tout naturellement une direction à suivre.

Cellule photovoltaïque

Reprenons la configuration de la diode donnée dans la lettre sur le transistor. Rappelons que les atomes de phosphore du donneur cèdent un électron aux atomes d'aluminium de l'accepteur. Il en résulte un potentiel électrique statique permanent. En éclairant la cellule les photons de lumière excitent des électrons et les propulsent dans la bande de conduction. Ces électrons très mobiles se précipitent sur les ions P+ pour les neutraliser. Or les atomes de phosphore veulent céder un électron à l'accepteur. Il en résulte une poussée pour chasser l'électron superflu des ions Al-. Il suffit alors de brancher un circuit extérieur entre accepteur et donneur pour collecter ces électrons et qu'un courant s'installe.

L'énergie photovoltaïque au secours de la civilisation industrielle

Les cellules photovoltaïques construites à ce jour arrivent à un rendement dépassant 10%. Cela suffirait-il pour alimenter en énergie toute d'humanité?

Effectuons une courte estimation. Si, comme cela est communément admis, la moyenne de la consommation d'énergie par seconde par habitant est de 2'000 Watt (2 kW) cela donne pour 7 milliards d'humains la somme de 14 milliards de kW, soit 14 TW (TeraWatt). Il s'agit de la consommation totale d'énergie (chauffage, déplacement, éclairage, industrie, etc...), toutes sources confondues (électricité, pétrole, bois, etc...).

Le soleil fournit sur la terre une énergie totale par seconde d'environ 140'000 TW, soit 10'000 fois la consommation totale de l'humanité. Or la plus grande partie n'est pas accessible (océans, forêts, montagnes, glaciers, etc...)

Puissance solaire au zénith

Faisons un petit calcul. L'énergie par seconde fournie au sol par le soleil lorsqu'il est au zénith est de 1 kW par m2 horizontal. Or le soleil n'atteint le zénith que dans la zone tropicale. Restreignons-nous à ces régions pour faire notre estimation. De plus, le soleil n'est au zénith que pour quelques minutes. Aux autres moments il est plus bas, et même absent la nuit. On peut alors considérer qu'en moyenne au cours d'une journée complète le soleil des tropiques apporte par seconde 0,2 kW par m2 horizontal.

Ainsi 10 m2 tropicaux reçoivent l'énergie nécessaire à un être humain consommant moyennement. Et 70 milliards de m2 (70'000 km2) reçoivent l'énergie de toute l'humanité.

Comme les cellules photovoltaïques ont un rendement d'au moins 10%, il faudrait en recouvrir une surface de 700'000 km2 pour satisfaire l'humanité et sa civilisation industrielle. Cette surface représente 5% des déserts tropicaux.


Soyons réalistes

Le seul but du calcul précédent est de montrer que cela pourrait être possible. Le projet européen Desertec d'ailleurs y croit (bien qu'utilisant le solaire thermique). Pourtant les remarques suivantes s'imposent.

La consommation de 2 kW par habitant est une moyenne qui souffre d'énormes écarts suivant les pays (0,2 kW pour l'Érythrée, 10 kW pour les États-Unis). On peut espérer que cette moyenne va tenir, et que l'étalement géographique de la civilisation industrielle sera compensée par l'amélioration des rendements et des habitudes individuelles!

Environ un quart de l'énergie consommée est utilisée pour le chauffage. Or l'électricité est une énergie trop subtile pour la gaspiller ainsi. Pour chauffer il vaut mieux utiliser les panneaux solaires thermiques (dont le rendement dépasse 80%), le bois, la géothermie, le biogaz, etc... après avoir effectué une isolation rigoureuse.

L'énergie photovoltaïque a d'immenses avantages. Elle s'installe partout (cabanes de montagne, hôpital de brousse, désert...), elle est parfaitement propre (pas de pollution), elle prend sa source dans une énergie renouvelable et gratuite. Cependant il faut lui reconnaître des faiblesses:
- intermittence du rayonnement solaire
- grande distance entre la zone de production optimale (déserts) et les zones industrielles
- trop d'énergie grise (énergie nécessaire pour fabriquer les panneaux)
- coût final de l'énergie produite non concurrentiel

Pour résoudre ces difficultés, il faut améliorer le stockage et le transport de l'électricité, les techniques de production des panneaux et le volume de leur vente pour en baisser le prix. Ceci ne peut s'obtenir que par des investissements dans la recherche, du courage des décideurs politiques et de l'engagement individuel de toute personne de bonne volonté.


Références

- Les semi-conducteurs, lettre de février 2012
- Le transistor, lettre d'avril 2012
- Présentation de la recherche sur le photovoltaïque de l'Institut de Microtechnique de Neuchâtel, Prof. Christophe Ballif: Cellules solaires en silicium à haut rendement, Bulletin 3/2011 de Electrosuisse
- Pour les statistiques: EIA statistics, International Energy Agency (en anglais)
- Le concept Desertec
- On peut aussi fouiller les articles de Wikipedia sur ces sujets et consulter les références citées

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