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31 juillet 2014 4 31 /07 /juillet /2014 18:24

Selon une étude menée à l’université de Brunswick, il suffirait de recouvrir de panneaux solaires un carré de 254 kilomètres de côté pour satisfaire à l’ensemble des besoins mondiaux en électricité.  

La perspective est attrayante : une telle surface : 64 500 kilomètres carrés, un peu moins que l’Irlande, ne représente guère plus de quatre dix millièmes (0,04 %) des terres émergées, un bien petit sacrifice au regard de ce que nous infligeons à la planète pour assurer notre production d’énergie électrique. Adieu controversées centrales nucléaires, adieu polluantes centrales à charbon et disgracieuses éoliennes ?

Voyons en détail cette surprenante estimation.

La consommation mondiale d’électricité s’élève aujourd’hui à 23 000 térawattheures (TWh) par an soit 2,3 x 1016 Wh (1).

La production d’un panneau solaire dépend :

- de la quantité d’énergie reçue du soleil sous forme de lumière.

- de son rendement, c'est à dire de sa capacité à transformer cette lumière en courant électrique.

Le rayonnement maximum reçu par un panneau solaire de un mètre de côté est limité par la constante solaire qui est la puissance de rayonnement reçue, toutes longueurs d’ondes confondues, en provenance du soleil (à la distance de la Terre) sur une surface d'un mètre carré orientée perpendiculairement à ce rayonnement. Hors atmosphère terrestre, elle vaut environ 1 360 watts.

Si les panneaux sont posés sur le sol (2), la Terre étant sphérique, cette puissance doit être divisée par quatre (3). Le rayonnement solaire incident moyen par mètre carré est donc de 340 watts. Pour un rendement de 100 % et si l’atmosphère et les nébulosités n’en diminuait pas la capacité tel est le maximum que pourrait produire de telles installations : 340 wattheures par heure et par mètre carré soit un peu plus de 8 kilowattheures par jour.

Bien évidemment, les rendements des panneaux solaires sont loin d’atteindre 100 %. En retenant une valeur moyenne de 10 % (4), la production d’un panneau d’un mètre de côté peut donc être estimée à 34 wattheures  (340 Wh x 0,1) pour une période d’une heure, soit un peu moins de 816 wattheures par jour et donc environ 300 kWh (816 Wh x 365) pour un an.

Il suffit alors de diviser la consommation électrique mondiale par cette valeur pour trouver le nombre de mètres carrés de panneaux solaires nécessaires :

2,3 x1016 / 3 x105 = 7,7 x 1010 mètres carrés soit 77 000 kilomètres carrés, ce qui correspond à un carré de 277 kilomètres de côté. Nous sommes bien dans le même ordre de grandeur.

Un ordre de grandeur est d’ailleurs la seule chose à laquelle puisse prétendre ce genre de calcul. Trop d’éléments font appel à l’arbitraire ou pour le moins à une estimation globale.

- Le rendement des panneaux solaires (4).

- Leur taux de disponibilité.

- La prise en compte de l’énergie consommée pour la fabrication, la mise en place, l’entretien et le recyclage des installations. Le coût de cet ensemble souvent dénommé « énergie grise » ne peut être justement estimé sans une connaissance précise de la durée de vie de ces équipement, point qui se trouve justement discuté : 25, 30, 40 ans ?

- Le lieu d’implantation, pour des raisons de latitude et de météo.

- Les conditions de transfert de cette énergie vers les zones de consommation. Au niveau mondial, cette question est loin d’être négligeable.

Dans l’étude de l’université de Brunswick on envisageait une installation au cœur du Sahara pour bénéficier à la fois d’une latitude relativement basse, d’un climat sec et ensoleillé et d’une quasi absence de végétation ce qui limiterait l’atteinte écologique.

A ces sources d’interrogation s’ajoutent évidemment deux éléments essentiels

- La question du coût : à 432 € le panneau de 2 m2, l’étude évoque une facture globale d’investissement de 14 000 milliards d’euros ! Cela correspond à une dépense de 2 000 € par terrien ce qui est absolument rédhibitoire compte tenu du niveau de vie moyen de la majorité des habitants de la planète. Le coût d’un panneau fabriqué en telles quantités reste toutefois soumis à caution.

- Les problèmes géostratégiques que poserait une telle concentration des sources d’approvisionnement énergétique. On ne connaît que déjà trop bien l’effet conflictuel de l’inégale répartition des réserves pétrolières et gazières.

La dernière remarque peut toutefois être contournée si l’on considère, et c’est probable, qu’une telle étude vise moins à promouvoir le projet en l’état, qu’à fixer les ordres de grandeurs et à montrer que pour une surface utilisée minime, l’énergie photovoltaïque serait en mesure de répondre à nos besoins. Le « solaire » est d’ailleurs par nature une énergie décentralisée qu’il serait peut-être stupide de vouloir concentrer pour la diffuser ensuite partout sur la planète avec les difficultés et les coûts afférents. On pourrait plutôt imaginer de répartir une surface équivalente de panneaux sur les bâtiments existants de façon à réduire à néant toute nouvelle emprise humaine sur le milieu. Cela résoudrait également en partie la question des pertes liées à la distribution du courant électrique à longue distance, même si la multiplication des producteurs constitue une source importante de complexité pour le réseau. La question du recyclage des panneaux reste ouverte, toutefois les filières se mettent en place.

Savoir si le photovoltaïque est une bonne solution (hors des lieux isolés de tout réseau où son utilisation est facile à justifier) dépend donc de la bonne appréciation des facteurs suivants.

- Les quantités d’énergie grise déjà évoquées sont-elles correctement évaluées ? Les opposants avancent des chiffres très différents quant à l’intérêt des panneaux solaires, certains prétendent que globalement, un panneau coûte énergétiquement une fraction importante de ce qu’il rapporte, point de vue contesté par les acteurs du système qui annoncent une rentabilité énergétique à partir de 3 ou 4 ans pour une durée de vie prévisible de 25 ans au minimum !

- Les filières de recyclages sont-elles réellement efficaces et sont-elles généralisables à la quasi-totalité des produits effectivement mis en service ? Dans l’estimation proposée les quantités en cause sont énormes, environ 10 mètres carré de panneaux par personne.

- Les coûts écologiques des autres énergies sont-ils réellement supérieurs ?

- La fabrication, l’installation, l’entretien et le recyclage de tels panneaux sont-ils concevables sur de telles échelles dans un monde où le pétrole serait (sera ?) devenu rare et cher ? L’or noir reste la source d’énergie ultra dominante pour les transports (toute activité nécessite du transport) et la chimie du pétrole intervient dans la fabrication de nombreux composants des panneaux. Notons que cette remarque, qui est aussi une inquiétude, doit s’appliquer à toutes les autres formes d’énergie, nucléaire compris.

Cette approche globale permet donc de fixer les ordres de grandeur. Pour l’instant, en France, le solaire est largement subventionné auprès des particuliers notamment à partir d’une politique très favorable de rachat du courant produit, politique qui ne pourra être maintenue dès lors que ce type d’énergie se développera. Il faudra que le photovoltaïque assure sa propre rentabilité. N’oublions pas non plus que cette étude ne concerne que l’énergie électrique soit environ 18 % de la consommation finale d’énergie mondiale (voir ici les statistiques fournies par EDF). Il reste donc à trouver des solutions pour les 82 % restant. Toutefois, si une forme de production électrique s’avérait particulièrement satisfaisante, on peut imaginer que la part de l’électricité dans la consommation d’énergie finale augmenterait.

Ajoutons que la consommation d’électricité est de toute façon probablement amenée à augmenter fortement du fait de la croissance conjointe de nos effectifs - nous devrions passer de 7,2 milliards d’habitants aujourd’hui à 10,9 milliards en 2100  (+ 51 %) selon le scénario moyen de l’ONU - et de la consommation électrique par habitant qui globalement augmente avec l’élévation du niveau de vie, malgré les efforts effectués, notamment en Europe pour maîtriser la dite consommation. Notre  « grand carré bleu » verrait alors sa surface augmenter en proportion.

Un autre élément doit enfin être pris en compte : la nécessaire diversité des sources d’approvisionnement. Un mode unique de production fragiliserait nos sociétés, de façon générale la résilience suppose la diversité.

_____________________________________________________________ 

(1) EDF indique sur son site une production  de 20 407 TWh en 2011. Le site Saga Science du CNRS propose 21 964 TWh pour 2011. Le site Enerdata indique pour 2013 la valeur de 22 600 TWh (au vu du graphique). Comme la production est plutôt sur une pente croissante nous retiendrons la valeur de 23 000 TWh  2,3 x 1016 Wh pour l’année en cours (2014). Un térawatt (mille milliards ou un billion de watts) vaut 1012 watts. 23 000 térawatts valent donc 2,3 x 1016 watts).

Rappel : l’unité d’énergie est le joule (J) qui correspond à une puissance de un watt appliquée (ou produite) pendant une seconde, un wattheure correspond donc à une puissance de un watt appliquée (ou produite) pendant une heure soit 3 600 joules, le kilowattheure de nos factures électriques vaut 1 000 wattheures ou 3,6 millions de joules. Le watt (W) est une unité de puissance, le wattheure (Wh) ou le joule (J) sont des unités d’énergie c’est-à-dire d’une puissance multipliée par un temps. Vous trouverez parfois l’orthographe wattheure, watt.heure ou watt-heure qui sont équivalentes, ainsi bien sûr que pour leurs multiples.

(2) Il est plus simple en effet d’imaginer des panneaux sinon posés sur le sol ou du moins parallèle à celui-ci. Toute autre configuration serait particulièrement complexe et coûteuse pour un projet de cette envergure. De plus, des panneaux installés sur des surfaces orientables se feraient de l’ombre les uns les autres dès lors que le soleil serait assez bas sur l’horizon.

(3) On divise une première fois par deux pour tenir compte de l’hémisphère dans la nuit et une seconde fois par deux parce que l’hémisphère éclairé présente lui-même une surface égale au double du disque de même diamètre interceptant la lumière solaire, la surface d’une sphère est d’ailleurs égale à 4 x Pi x R2 (R étant le rayon) soit 4 fois celle du disque correspondant. La surface d’un disque étant donnée par la formule : Pi x R2

(4) Dans cette estimation se situe évidemment la plus grande part d’arbitraire du calcul, EDF indique un rendement de 14,5 % pour des panneaux solaires cristallins du marché. Si l’on prend en compte l’obligation pour de grandes surfaces de réserver des espaces aux voies de communication, le fait qu’une partie du parc sera toujours indisponible et qu’une partie verra ses rendements baisser pour différentes raisons (vieillissement, ensablement, problèmes électroniques dans la chaîne de transmission…) l’évaluation d’un rendement à 10 % est peut-être même assez optimiste.

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Published by Didier BARTHES - dans Energie
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commentaires

Alexen 26/06/2015 14:49

Evariste a bien complété ton article, bravo pour vos travaux très intéressants à lire.

Evariste 14/08/2014 12:45

Note : le lien précédent est répété avec le nom pour un accès plus commode.

Evariste 14/08/2014 12:42

Ce genre de généralités ne veut pas dire grand chose car il est bien loin des références concrètes d'une famille vivant dans un pays donné, en France par exemple.

Pour fixer les idées, une étude est beaucoup plus intéressante.

http://energeia.voila.net/renouv/eolien_solaire_surface.htm

Dans cette étude, 90% de l'électricité utilisée en France pourrait être produite avec l'éolien plus le photovoltaïque. En ajoutant l'hydraulique et la biomasse, cela donne encore pas mal d'excédent
pour l'exportation.

- 320 TWh/an (64%) avec l'éolien, c'est un groupe de cinq éoliennes tous les dix kilomètres de routes ou chemins.

- 140 TWh/an (28%) avec le solaire, c'est 7% à 8% de la surface des toitures et 12% de la surface des parkings.

Au moins, cela parle concrètement aux lecteurs.

Julien Dembélé 10/08/2014 02:05

Voici une des types d'études qui peuvent soutenir la lutte vers le développement durable !

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