La révolution solaire, enfin en marche ?

La révolution solaire est en marche

Le marché mondial du photovoltaïque est en plein développement et s’est déplacé depuis environ deux ans de l’Europe vers l’Asie, notamment vers la Chine qui a installé en 2014 deux fois plus de panneaux chez elle que l’Allemagne quand elle était à son apogée, ainsi que vers les États-Unis et l’Amérique du Sud. Le Moyen Orient s’y intéresse également de plus en plus, préparant activement l’après pétrole.
Dans cet article, je vous propose de réaliser un tour des nouvelles innovations de ce domaine porteur en ciblant dans un premier temps les nouvelles découvertes en terme de performances énergétiques, puis les nouvelles pistes ouvertes par les panneaux photovoltaïques hybrides et enfin en analysant quelques avancées réalisées dans le domaine du stockage de cette énergie.

Les limites de conversion de l’énergie solaire encore repoussées !

Des chercheurs australiens de l’université de Nouvelle Galle du Sud viennent d’établir un nouveau record mondial de conversion d’énergie solaire en électricité en parvenant à convertir 34.5% de l’énergie solaire avec leur module photovoltaïque.
Ce résultat a été confirmé par le laboratoire américain des énergies renouvelables et prouve que l’on peut encore améliorer l’efficacité des panneaux solaires photovoltaïques.
Le Dr Mark Keevers et le Professeur Martin Green, principaux acteurs de cette prouesse ont ainsi dépassé les prédictions des think tank du domaine qui prédisaient l’atteinte de tels taux de conversion à l’horizon 2050.
Le module des chercheurs australiens fait 28cm2 et est composé d’une cellule de silicium apposée à une face d’un prisme de verre et d’une cellule composée de 3 couches successives sur l’autre face.
Ces différentes couches (indium-gallium-phosphure; indium-gallium-arséniure; germanium) extraient de chaque rayon le maximum d’énergie possible, le résidu atteignant la couche suivante. La cellule de silicium récupère quant à elle une partie des rayons infrarouges, non traités par l’autre cellule, maximisant ainsi la conversion des rayons.

Le procédé de fabrication reste encore complexe et coûteux mais il ouvre la porte à de nombreuses applications notamment dans les centrales solaires utilisant des procédés de concentration des rayons comme les miroirs pour augmenter leurs productions d’électricité.

Toujours sur le domaine de l’efficacité de la conversion énergétique des panneaux photovoltaïque, une équipe de chercheurs internationaux a mis au point un nouveau type de panneaux solaires : flexibles, efficients et peu coûteux !

Les cellules photovoltaïques polymères sont à l’étude dans de nombreuses universités et centres de recherche car ils représentent une véritable alternative aux coûteuses cellules en silicium. Cependant, ils requièrent normalement l’utilisation de fullerènes pour garantir un bon rendement énergétique.
Ce sont de ces mêmes fullerènes, instables face à la chaleur et l’illumination, que le Professor Jianhui Hou du CAS est arrivé à se passer. Il a ainsi développé une combinaison unique de polymère PBDB-T associé à une molécule ITIC qui affiche un résultat de conversion de 11%, ce qui dépasse les résultats de la majorité des cellules photovoltaïques polymères actuelles.

Trois chercheurs de l’université suédoise de Linköping se sont également intéressés à ces recherches. Ils estiment que ce type de cellules polymères peut être imprimé facilement et de manière peu onéreuse par un processus d’impression à rouleau et nous rapprochent ainsi encore un peu plus de leur commercialisation.

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Les panneaux solaires hybrides, le futur du secteur ?

De nombreuses avancés techniques contribuent à rendre l’énergie solaire plus productive et plus abordable (voir ci-dessus). Cependant un problème essentiel persiste : la question du degré d’ensoleillement !
Nous ne sommes en effet pas tous égaux dans ce domaine, et la pluie stoppe normalement le fonctionnement des panneaux solaires. Cependant, le travail de chercheurs chinois de l’Université de l’Océan à Qingdao et de l’Université Normale de Yunnan à Kunming vise l’effet inverse. En effet, Qunwei Tang, Xiaopeng Wang et Benlin He ont ainsi mis au point une cellule photovoltaïque hybride qui fonctionne aussi bien avec la lumière du soleil que l’eau de pluie.
Cette étonnante prouesse technique a été rendue possible par l’ajout d’une fine couche de graphène à une cellule solaire à colorant. Partant du principe que l’eau de pluie contient des impuretés, notamment du sel, et que le graphène est un matériel très conducteur pouvant lier les ions positifs avec leurs électrons, les chercheurs chinois ont réussi à provoquer une différence de potentiel à la surface du point de rencontre entre le graphène et l’eau de pluie, différence suffisante pour produire un courant électrique exploitable. L’invention est vouée à un développement commercial mais le problème du coût de production du graphène ainsi que celui de la durabilité de ces cellules photovoltaïques reste entier.

Une seconde piste d’installation photovoltaïque hybride est actuellement étudiée en Chine. Publiée par le prestigieuse ACS, la Société Américaine de Chimie, les recherches de Shuhua Wang, Xue Wang, Zhong Lin Wang et Ya Yang présentent le fonctionnement d’un dispositif hybride d’un nouveau genre.
Alliant une cellule photovoltaïque en silicium à un nano-générateur triboélectrique pouvant fonctionner de concert ou individuellement en fonction des conditions climatiques extérieures, ce dispositif a pour but de maximiser l’énergie récupérable, notamment sur les toits des immeubles des grands centres urbains qui n’offrent pas assez de place pour des éoliennes par exemple. La cellule photovoltaïque délivre 8 milliWatts tandis que la partie éolienne peut délivrer jusqu’à 26 milliWatts et la différence d’impédance des deux composants est régulée par un transformateur.
Les chercheurs espèrent qu’à terme leur nouveau système de production d’énergie hybride servira à alimenter la forte consommation en électricité des villes connectées de demain.

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Le stockage de l’énergie solaire, un problème encore d’actualité ?

L’un des principaux arguments contre la généralisation de l’emploi de l’énergie photovoltaïque est la difficulté existante liée au stockage de l’énergie ainsi produite. Il existe bien des batteries destinées à cet usage, mais elles ont une durée de vie limitée, sont encombrantes et nécessitent de nombreuses précautions d’emplois…
Partant de ce constat, le visionnaire Elon Musk, PDG de Tesla Motors et président de Solar City entre autre, a développé le Powerwall, une batterie domestique, répondant aux différents problèmes évoqués ci-dessus, destinée au stockage de l’énergie, notamment solaire, chez soi.
Basée sur un accumulateur lithium-ion Panasonic, très semblable aux batteries des voitures du constructeur Tesla, cette batterie domestique au design assumé est conçue pour un usage quotidien. Elle stocke ainsi l’énergie fournie par des panneaux solaires dans la journée et la redistribue progressivement lorsque le soleil s’est couché. Elle peut également se recharger aux heures les plus économiques de la journée afin d’être utilisée en heure de pointe.
Les 38 000 commandes reçues sur le premier mois suivant sa sortie démontrent l’intérêt réel des consommateurs pour ce type d’installation qui permet d’être bien moins dépendant des réseaux électriques nationaux, voir indépendant, et qui peuvent aussi avoir une utilité en tant que générateur de secours en cas de coupure de ce même réseau.
Le Powerwall a une capacité de stockage de 6.4 kWh et peut réaliser 250 à 300 cycles de chargement/déchargement par an. Il est de plus garanti 10 ans par le constructeur et une seconde version, 100% Tesla cette fois-ci, devrait être présentée cet été.
Il est actuellement proposé au prix de 3500 € mais en comptant l’installation complète et la pose d’un onduleur double-flux adapté (obligatoire pour convertir le courant continu en courant alternatif) le coût total oscille entre 6000€ et 7000€.

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Les problèmes de capacité et de durée de vie des batteries restent cependant d’actualité…Toutefois la récente découverte d’un chercheur américain pourrait bien résoudre ces problèmes tout en divisant, à terme, le coût des batteries par 5 !
Dr. Kyeongjae Cho, chercheur de l’Université du Texas à Dallas, a en effet découvert de nouveaux matériaux catalyseurs pour les batteries à lithium-air.
Ce type de batterie fait l’objet de nombreuses recherches industrielles et universitaires, jusqu’ici peu fructueuses, en raison de son fort potentiel et de ses multiples applications pour l’autonomie des appareils mobiles ou des voitures électriques.
Une batterie lithium-air couple le lithium au dioxygène, offrant ainsi une densité énergétique comprise entre 1700Wh/kg et 2400Wh/kg et pouvant théoriquement atteindre 3450 Wh/kg. Elle est de plus non polluante, présente bien moins de risque d’utilisation et l’effet mémoire, obligeant à attendre la décharge totale d’une batterie avant son rechargement pour éviter d’amputer sa capacité, n’existe pas sur les batteries lithium-air. Cependant, les résultats étaient pour l’instant encore décevants tant en terme d’autonomie que de stabilité.
Dr.Cho et son collègue Yongping Zheng se sont concentrés sur la partie du catalyseur d’électrolyte de ces batteries et, en collaboration avec l’Université de Séoul, ont développé un nouveau type de catalyseur soluble, appelé dimethylphenazine, qui présente des résultats très prometteurs.
L’application de ces recherches pour le développement industriel de nouvelles batteries plus performantes et moins coûteuses devrait toutefois prendre au moins 5 ans, mais elles ont au moins l’intérêt de stimuler fortement un secteur dont l’avancée devient de plus en plus cruciale.

Pour conclure, la révolution du solaire photovoltaïque semble donc être véritablement en marche. Longtemps confinée aux pays européens tels l’Allemagne ou les Pays-Bas, on constate aujourd’hui que la majorité de la recherche de pointe et de l’innovation technologique dans ce secteur est réalisée par les Etats-Unis et la Chine. Les investissements massifs de ces acteurs majeurs de l’économie mondiale permettent de raviver l’espoir d’une transition énergétique d’échelle planétaire, portée notamment par l’utilisation de plus en plus efficiente de l’énergie solaire.

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