Ces dernières années, l’énergie solaire a connu une croissance rapide, ainsi que des améliorations prometteuses en matière de technologie et de prix. Jusqu’à présent, environ 3% de l’électricité mondiale provient de l’énergie solaire; et c’est une énorme industrie internationale avec 141 milliards de dollars investis en 2019. Mais c’est bien en deçà des 794 milliards de dollars (27 billions de dollars d’ici 2050) estimés par l’Agence internationale des énergies renouvelables, dont l’énergie renouvelable est nécessaire chaque année pour atteindre les objectifs de l’accord sur le climat et éviter une crise mondiale.
Pour atteindre une telle cible, disent les experts, nous devons résoudre une longue liste de problèmes. Par exemple, les panneaux existants sont limités dans la quantité de lumière solaire qu’ils peuvent convertir en électricité. L’efficacité a augmenté au cours des 40 dernières années, mais seulement d’environ 10%. Et bien que les défenseurs considéreraient l’installation de toits résidentiels comme un bon moyen pour les gens de s’impliquer dans l’énergie propre, une véritable révolution solaire nécessiterait probablement des installations à grande échelle.
Voici une liste de quatre choses qui, selon les chercheurs, aideraient à faire progresser l’énergie solaire – si nous pouvons trouver une solution.
Problème 1: Trouver un meilleur matériau pour les panneaux
Les inconvénients des panneaux en silicium traditionnels incluent un coût élevé et une efficacité moindre. Mais avec l’aide des pérovskites, un minéral composé de calcium, de titane et d’oxygène, l’efficacité solaire devrait s’améliorer considérablement: les panneaux de pérovskite peuvent être fabriqués en couches très minces, nécessitent moins de matière et sont créés à partir d’un processus moins énergivore.
Après une décennie de recherche et de développement, le taux d’efficacité des panneaux de pérovskite est passé de 2% à 25%; cela bat les meilleurs panneaux de silicium disponibles. Mais les pérovskites viennent avec leur propre ensemble de problèmes.
« la commercialisation est encore très limitée », explique Ufuk Alparslan, analyste de données sur l’électricité et le climat chez EMBER, un groupe de réflexion indépendant sur le climat et l’énergie basé au Royaume-Uni. Selon Alparslan, la durabilité et le coût sont deux inconvénients des pérovskites, le premier problème étant lié à une durée de vie « beaucoup plus courte que les panneaux solaires ordinaires. »
À OxfordPV, un hors-champ de l’Université d’Oxford, les chercheurs tentent de faire progresser les pérovskites en les plaçant sur des panneaux de silicium, également appelés cellules en tandem. Henry Snaith, directeur scientifique d’OxfordPV et professeur de physique, explique qu’ils ont pu ajuster le spectre de la lumière solaire que les pérovskites peuvent absorber avec des cellules en tandem.
« Nous extrayons beaucoup plus d’énergie du spectre visible », explique Snaith, ajoutant que si les pérovskites sont recouvertes de silicium, « elles absorbent très bien les infrarouges », ce qui les rend plus efficaces. Snaith espère que les cellules en tandem seront la prochaine étape – l’amélioration de l’énergie solaire traditionnelle. Au cours des 10 à 20 prochaines années, « la feuille de route consiste à doubler environ l’efficacité de ce que sont les modules aujourd’hui. »
Problème 2: Amélioration du stockage et de la transmission
D’autres défis techniques pour l’énergie solaire incluent l’augmentation de la capacité de stockage. Aux États-Unis, les améliorations visant à étendre la transmission de l’énergie solaire sur de grandes distances, comme du sud de la Californie où il fait beau au nord-est nuageux, sont également primordiales.
« À mesure que vous atteignez des niveaux de pénétration plus élevés », explique David Feldman, analyste financier principal au National Renewable Energy Laboratory, « la flexibilité est vraiment facilitée par le stockage, en particulier en fonction de la façon dont le réseau incite ou paie l’énergie. Le stockage devient une très grande partie de nombreux marchés. Si nous voulons atteindre les niveaux de déploiement dont nous avons parlé, je pense que le stockage sera un élément clé de cela. »
De plus, les experts estiment qu’il est probable que d’autres formes d’énergie propre contribueront à supplanter les zones les plus faibles du solaire.
« Pendant les périodes d’hiver très froides dans certaines régions du pays, il est plutôt difficile de compter uniquement sur le solaire et le vent », selon Uday Varadarajan du Rocky Mountain Institute, lors d’un forum virtuel organisé par l’Environmental and Energy Study Institute. « L’efficacité ainsi que d’autres technologies comme la séquestration et le stockage de l’hydrogène et du carbone, ainsi que le nucléaire, peuvent vraiment aider à résoudre ces difficultés. »
Problème 3: Aider l’énergie solaire à rester à flot, littéralement
Une méthode d’expansion de l’installation solaire qui n’a pas encore été largement mise en œuvre consiste à faire flotter les panneaux sur les lacs et les océans.
Ces panneaux fonctionnent de la même manière que les unités terrestres ordinaires, mais présentent divers avantages: l’eau maintient les panneaux au frais, augmentant les performances de 5 à 10%. L’installation de ces panneaux sur l’eau permet de contourner le problème de l’acquisition de terrains pour des projets à grande échelle. Et le solaire flottant peut également utiliser l’hydroélectricité et faire partie du réseau énergétique.
Cependant, floating solar a son propre ensemble de pièces de puzzle uniques. « La chose à considérer ici est de ne pas trop couvrir la surface de l’eau pour que cela affecte la vie aquatique », explique Alparslan. « Mais même une couverture de 10% des réservoirs hydroélectriques se traduit par des milliers de térawatts de potentiel d’énergie solaire dans le monde. »
Mais l’amarrage et l’ancrage des panneaux en place peuvent s’avérer compliqués, ainsi que plus coûteux qu’un système solaire régulier mis à la terre.
Problème 4: Obtenir les bonnes lois et les bons investissements
Les améliorations de la fabrication ont rendu l’énergie solaire plus disponible au cours des 20 dernières années. Selon EMBER, l’énergie solaire dans l’UE a atteint un niveau record en juin et juillet 2021, représentant 10% de l’électricité totale (bien au-dessus de la moyenne mondiale.) Mais cela ne suffit pas – et l’ampleur du défi de la mise à l’échelle est intimidante. Les solutions possibles se résument à l’argent et à la politique, plutôt qu’à la seule technologie.
Par exemple, en juillet 2021, dans le cadre de son Pacte vert européen, la Commission européenne a proposé un paquet législatif visant à porter les objectifs en matière d’énergies renouvelables à 40% d’ici 2030. Il comprend des mesures visant à faciliter l’installation de projets solaires à grande échelle, à exempter les installations sur les toits des permis de construction, à investir dans le réseau électrique et à exiger des niveaux minimaux d’énergie renouvelable dans certains bâtiments.
Aux États-Unis, l’Energy Information Administration a noté que les livraisons de panneaux solaires avaient atteint une augmentation record de 33% en 2019. Le ministère de l’Énergie a publié un rapport décrivant comment l’énergie solaire pourrait fournir près de la moitié de l’électricité du pays d’ici 2050. Grâce à de lourdes dépenses, l’énergie solaire passerait de 3% de l’électricité du pays en 2020 à 40% d’ici 2035. Le plan budgétaire proposé par le président Joe Biden, et fortement débattu, de 3,5 billions de dollars, s’il est adopté – un gros si pour le moment – lance des projets solaires à construire sur des sites miniers actuels ou anciens.
Mais un gros problème est simplement de rendre plus facile pour les gens de mettre la main sur des panneaux solaires – dans leurs propres maisons ou dans leur industrie. Selon Daniel Gregory, chercheur en technologies énergétiques émergentes chez Accenture Labs, « Mettre la technologie à la disposition d’un nombre suffisant de personnes est plus un problème que la technologie elle-même. Pour quelqu’un qui loue une maison ou un appartement, il n’est pas évident de savoir comment il se joindrait à cela et utiliserait l’énergie solaire pour les maisons louées. »
Malgré les défis qui restent, de nombreux chercheurs pensent que le solaire est destiné à poursuivre son élan et à se développer à travers le monde. « Je pense que nous avons atteint le point de basculement où l’énergie solaire est une activité importante », déclare Feldman. « Je pense vraiment que lorsque vous regardez tous les engagements là-bas, il semble inévitable que nous nous dirigeons vers le solaire et l’éolien. »