Documentation > Energie > Energie > Pourrait-on alimenter la France en électricité uniquement avec du solaire ? (février 2001)
L'énergie solaire reçue par notre bonne vieille terre vaut, en chiffres ronds, environ 10.000 fois la quantité totale d'énergie consommée par l'ensemble de l'humanité. En d'autres termes, capter 0,01% de cette énergie nous permettrait de nous passer de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium : c'est dire que cela fait un certain temps déjà que l'homme caresse l'idée d'exploiter cette énergie de manière significative. Il y a pourtant loin de la coupe aux lèvres : en 2002 le solaire a représenté 0,01% de l'énergie consommée en France (et 0,04% dans le monde). Est-ce à dire que nous ne pourrons jamais en tirer mieux ? Pour que chacun puisse se forger son propre jugement, je vous propose quelques calculs d'ordre de grandeur.
La production française d'électricité a été de 550 TW.h en 2002 (1 TW.h = 1 milliard de kW.h).
La production annuelle d'un panneau solaire photovoltaïque est de 100 kWh par m2, au moins sur la majeure partie de l'Europe (cf. ci-dessous).
 On remarque :
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Energie solaire recue par m2 et par an en France selon l'ADEME. Pour obtenir la production annuelle d'un panneau il faut en gros diviser par 10. |
Si nous ne regardons que les productions brutes, il faudrait donc couvrir de panneaux solaires une surface de 5.000.000.000 m2 environ pour assurer la production française d'électricité, soit 5.000 km2 environ. C'est certes considérable en valeur absolue, mais rapportée à la surface du territoire métropolitain (qui est de 500.000 km2), cela n'en représente que 1% environ. Et surtout, la surface bâtie en France (hors routes, parkings, et surfaces artificielles non bâties) est désormais supérieure à 10.000 km2 (cette valeur a été atteinte en 1997 ; voir chiffres sur l'urbanisation).
En nous contentant de couvrir la moitié de la surface de toits existante de panneaux solaires, nous pouvons donc disposer d'une production brute qui est du même ordre de grandeur que notre consommation électrique annuelle, c'est-à-dire quelque chose qui est de l'ordre de 20 à 40% de notre consommation d'énergie totale, selon la manière de compter l'électricité (voir explications ici).
En outre, la consommation finale d'électricité en France en 2002 n'a pas été de 550 TWh, mais plutôt de 420 TWh : 10% de la production est perdue dans le réseau électrique pendant le transport et la distribution, et 15% de notre électricité est exportée. Comme la production solaire est généralement faite sur le lieu de consommation, nous n'avons pas à tenir compte des pertes de réseau pour la production photovoltaïque si celle-ci devient très répandue. Par ailleurs il semblerait curieux de faire de l'électricité de cette manière pour l'exporter, donc c'est plutôt sur les 420 TWh de consommation domestique qu'il faut raisonner, et la surface à mobiliser est un peu moins importante : 0,8% du territoire plutôt que 1%.
Par contre si un tel mode de production devenait très répandu, il faudrait stocker une part importante de la production obtenue. En effet, il n'y a du soleil que le jour (c'est même une définition du jour !), alors qu'une partie importante de l'électricité est consommée la nuit (consommation des usines qui tournent en permanence, appareils de froid domestiques, une partie de l'électronique de loisirs, éclairage, chauffage....). En outre il y a plus de soleil l'été, alors que l'on consomme plus d'électricité l'hiver.
Et c'est là que commencent les ennuis, car l'électricité se stocke très mal. A titre d'exemple voyons ce que donne un stockage sous forme d'hydrogène, cet hydrogène étant obtenu par électrolyse avec l'électricité obtenue du panneau solaire :
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| Electrolyse pour produire de l'hydrogène |
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| Stockage de l'hydrogène par compression à 700 bars |
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| liquéfaction de l'hydrogène |
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| Cogénération pile à combustible |
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| Production d'électricité à partir d'hydrogène dans une pile à combustible |
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| Fabrication de la pile, du réservoir, de la tuyauterie... |
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| Rendement global d'une filière panneau -> electrolyse -> compression -> pile à combustible |
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Si nous prenons l'hypothèse que les 2/3 de ce qui est produit doivent être stockés (ne serait-ce que du jour vers la nuit), le dernier tiers étant consommé au moment de sa production, on voit donc que ce serait plutôt 2% de la France (en gros 0,8%*1/3 + 3*0,8%*2/3) qu'il faudrait couvrir de panneaux, si l'on tient compte des pertes associées et si le stockage se fait avec des piles.
Si le stockage se fait avec une batterie au plomb, ce qui est la manière actuelle de faire, le calcul est un peu différent : le rendement du stockage est de 70% en gros, mais il faut aussi déduire l'énergie de fabrication de la batterie, tout comme il faut tenir compte de l'énergie de fabrication du panneau. Cette dernière représente aujourd'hui de l'ordre de 5 ans de production dudit panneau, auquel il faut rajouter 5 ans de fonctionnement pour "rembourser" l'énergie de fabrication de la batterie, ou des batteries qui se succèderont (car la durée de vie d'une batterie au plomb va de 5 à 20 ans !).
Sachant que le panneau a une durée de vie de 25 ans environ, on peut retenir comme ordre de grandeur que la moitié du temps de fonctionnement sert à rembourser l'investissement énergétique de départ. si l'on stocke avec des batteries. Si nous stockons sur pile, nous pouvons forfaitairement prendre les mêmes déductions pour la fabrication de la pile elle-même, du réservoir d'hydrogène, de l'électrolyseur, etc.
De ce fait, selon le moyen de stockage utilisé nous aboutissons aux ordres de grandeur suivants :
avec une pile à combustible : 2*(0,8%*1/3 + 3*0,8%*2/3) = 4% du territoire,
Dit autrement, si nous voulons aussi produire l'énergie nécessaire à la fabrication des panneaux et des batteries, c'est entre 2 et 4% de la surface du pays qu'il faut couvrir. Si nous ne sommes plus en mesure, avec un tel pourcentage, d'envisager la production de la totalité de l'électricté française, ces ordres de grandeur n'interdisent pas encore de penser qu'il devrait être possible de tirer du photovoltaïque beaucoup plus qu'aujourd'hui.
En outre, la production des panneaux solaires va encore connaître des sauts technologiques. Par exemple, avec les technologies dites des couches minces (parce que cela consiste à déposer de très minces couches de semi-conducteur sur un substrat en plastique), la durée de production du panneau qui compense l'énergie dépensée pour sa fabrication pourrait être ramenée à moins de 2 ans, voire à moins d'un an. Cela lèverait un premier obstacle pour envisager un déploiement significatif de cette forme de production (rappelons que la consommation de filière des hydrocarbures est de 20% : cela signifie que pour chaque litre de pétrole consommé au final nous avons brûlé 20 cl en plus pour l'extraction, le transport et le raffinage).
Mais, pour l'heure, c'est le stockage qui constitue encore le point faible. On pourrait bien sûr envisager de produire en masse du solaire photovoltaïque connecté au réseau, mais si le but du jeu est de s'affranchir des combustibles fossiles ou des émissions de gaz à effet de serre, alors il vaut mieux utiliser des barrages ou des centrales nucléaires (voir ci-dessous). En outre comme la production est intermittente, on ne peut pas envisager un système "100% solaire photovoltaïque" sans stockage ou sans moyen complémentaire. Et lorsque l'intermittence est très forte (ce qui est le cas du solaire photovoltaïque : tout la journée, rien la nuit) les moyens complémentaires sont du gaz ou du charbon, ce qui n'est pas optimum pour les deux objectifs mentionnés dessus !
Si les systèmes solaires sont envisagés essentiellement pour de l'autoconsommation, il faut donc stocker : avec les technologies actuellement disponibles (les batteries plomb-acide), il faudrait mettre dans chaque maison quelques tonnes de batteries (voir calculs sur cette page), et les ressources nécessaires seraient assez considérables. Un déploiement significatif de panneaux photovoltaïques reste donc difficile à envisager aujourd'hui sans un perfectionnement important des dispositifs de stockage, outre que les puissances fournies par la décharge d'une batterie sont beaucoup plus adaptées aux applications domestiques qu'industrielles (en France l'industrie consomme à peu près la moitié de l'électricité produite). Et dans le domaine du stockage, malheureusement, les progrès semblent moins en vue que pour ce qui concerne les panneaux eux-mêmes.
La réponse - étonnante - est que cela dépend très nettement de la manière de produire l'électricité utilisée pour faire les panneaux solaires...
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| charbon |
800 à 1050 suivant technologie |
| cycle combiné à gaz |
430 (°) |
| nucléaire |
6 |
| hydraulique |
4 |
| photovoltaïque |
60 à 150 (*) |
| éolien |
3 à 22 (**) |
Si le photovoltaïque se place nettement mieux que l'électricité produite au charbon ou au gaz, il reste nettement plus émetteur que les deux modes de production d'électricité "sans CO2" que sont l'hydraulique et le nucléaire (l'éolien est totalement marginal et condamné à le rester pour un bout de temps). En France, par exemple, remplacer des centrales nucléaires par du solaire photovoltaïque - outre que c'est un peu une vue de l'esprit compte tenu des productions respectives de l'un et de l'autre - ne fait rien gagner au niveau des émissions de gaz à effet de serre, au contraire.
Les émissions de gaz à effet de serre de l'énergie solaire photovoltaïque étant cependant inférieures à ce qu'elles sont pour les combustibles fossiles, il est par contre parfaitement recevable de l'utiliser en priorité pour "sortir du pétrole".
Le prix du kWh produit (de l'ordre de 30 à 60 centimes d'Euros le kWh ; estimations variables en fonction des sources, sans tenir compte du stockage) ressort actuellement à environ à 4 fois le prix du courant résidentiel. Mais :
Ce "calcul de coin de table" n'a pas la prétention d'apporter une solution évidente à très court terme au double problème de l'effet de serre et de la fin programmée de nos ressources en combustibles fossiles. Mais il met en évidence le fait que les ordres de grandeur permettent quand même d'envisager un jour (pas trop éloigné, de préférence, si nous voulons nous éviter de gros ennuis) de disposer là d'une source significative en énergie de flux pour nos besoins (lesquels pourraient - et même devraient - être fortement diminués par ailleurs).
Pour un exemple de bilan de toit solaire en France (et donc en zone urbaine) voir la page bien documentée de Vincent Fristot qui donne notamment le bilan de son installation (intégré et non en différence brute). NB : ce lien ne signifie pas que j'approuve son engagement anti-nucléaire probable (vu les liens qu'il mentionne), mais concerne simplement la partie de son site traitant factuellement du toit solaire.
Il y a bien d'autres manières de faire de l'électricité avec de l'énergie solaire qu'en mettant des panneaux en silicium sur son toit (ou par terre) :
Schéma de principe d'une centrale solaire à concentration. Un réflecteur parabolique concentre le rayonnement solaire sur un tube rempli de liquide, lequel va chauffer, via un échangeur, un gros réservoir (ne figure pas sur le schéma). Ce réservoir sert alors de source chaude pour engendrer de la vapeur qui fait tourner un alternateur.
Le reservoir est assez chaud, et suffisamment bien isolé, pour que l'installation puisse continuer à produire de l'électricité la nuit.
La surface mobilisée par TWh produit est probablement plus faible qu'avec des panneaux photovoltaïques d'un facteur 2. De telles installations sont d'ores et déjà économiquement compétitives dans les zones très bien insolées. Au lieu d'exporter du pétrole, certains pays tropicaux pourraient exporter de l'électricité solaire ! Il est vrai que cela ne résoudrait pas le problème de l'indépendance énergétique de notre pays, mais enfin nous résoudrions au moins pour partie celui du changement climatique, ce qui n'est pas sans intérêt....
La concentration du rayonnement solaire peut aussi se faire avec une forêt de miroirs plans, fixés au sol, et concentrant le rayonnement sur une tour.
Il y a une autre manière de se servir du solaire, qui est elle technologiquement suffisemment au point pour être d'ores et déjà employée à large échelle : c'est pour utiliser le chauffage de l'astre du jour. Dans ce cas, plutôt que de mettre sur un toit un panneau pour produire de l'électricité, on peut y mettre un simple capteur de chaleur, permettant de produire de l'eau chaude sanitaire pour la douche, ou de l'eau chaude pour alimenter un chauffage intérieur. Le rendement d'un panneau solaire thermique est 3 fois meilleur que celui d'un panneau photovoltaïque (c'est-à-dire qu'un tel panneau récupère 30% à 40% de l'énergie solaire incidente).
L'ordre de grandeur de ce que l'on peut économiser avec un chauffage solaire dans les bons cas de figure est d'ores et déjà de 50% des consommations afférentes en gros (c'est à dire 50% de gain sur la dépense de chauffage + d'eau chaude).
Sachant que la consommation d'énergie liée à ce "confort thermique" est de l'ordre de 30% de la consommation totale d'énergie en France (en incluant habitation et locaux d'activité, ces derniers étant généralement désignés sous le terme "tertiaire", voir ci-dessous), la généralisation du chauffage solaire permettrait un gain rapide de 10 à 15% de notre consommation énergétique (à titre indicatif, les Danois ont obtienu 1,5% de leur consommation d'énergie finale avec leur éoliennes en 1999). Le recours "massif" au solaire thermique, couplé avec une isolation importante des logements anciens, pourrait permettre de substituer environ 25% de notre consommation énergétique.
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Il y a donc là une marge de manoeuvre réelle pour effectuer des économies d'énergie fossile sans perte significative de confort. En outre le stockage de la chaleur est une voie qui a été assez peu explorée dans nos sociétés modernes (on s'est beaucoup plus intéressé au stockage de l'électricité) et si nous pouvions disposer de dispositifs de stockage saisonniers performants (par exemple en faisant des réservoirs souterrains très bien calorifugés et remplis de saumure, qui stockent la chaleur l'été et la restituent l'hiver), nous pouvons surement obtenir encore plus de cette source.
Et puis un vaste plan pour le solaire thermique et l'isolation serait une excellente affaire pour l'emploi : actuellement 2 millions de personnes achètent une voiture neuve chaque année, valant un peu moins de 15.000 euros en moyenne. Si s'affranchir des énergies fossiles devenait la première priorité de notre économie, on peut imaginer qu'un demi-million à un million de foyers achètent plutôt chaque année une rénovation complète de leur logement, avec passage au chauffage solaire entre autres choses, de telle sorte que tous les logements soient rénovés en moins de 40 ans (résidences secondaires comprises) en vue de leur faire consommer moins d'énergie de chauffage avec une contribution solaire majeure pour le solde. Avec des installations unitaires de l'ordre de 15.000 euros, cela créerait une filière industrielle de 30 milliards d'euros par an en France, pour une large part au profit des plombiers, des maçons, et des PME de chaudronnerie.
Avec des centrales solaires (par exemple les centrales à concentration, voire ci-dessus), on peut aussi envisager de produire de l'hydrogène, par thermolyse de l'eau (il s'agit alors d'une filière totalement renouvelable) ou d'un mélange vapeur d'eau+méthane (une partie de la source est alors fossile, non renouvelable, et conduit à des émissions de gaz à effet de serre, mais bien moins que lors de la production actuelle d'hydrogène à partir de méthane). Toutefois, comme les seuls lieux où ce genre d'opération pourrait se faire à grande échelle sont les déserts tropicaux, nous nous trouvons dans ce cas de figure confrontés au problème du transport de l'hydrogène sur de longues distances, qui n'est pas simple à résoudre.
En effet, l'énergie de stockage et de transport d'un gaz - par unité de volume - est à peu près la même quel que soit le gaz (la faute à M. Mariotte !), ce qui signifie en clair qu'il faut consacrer la même quantité d'énergie pour transporter et stocker 1 m3 de gaz, qu'il s'agisse de méthane ou d'hydrogène, alors que l'énergie restituée par la combustion est bien plus forte, par unité de volume, pour le méthane que pour l'hydrogène (il y a un rapport de 3 à 1 : 10 kWh/m3 pour le méthane, 3,3 kWh/m3 pour l'hydrogène).
Le rendement du stockage et du transport longue distance de l'hydrogène sera donc probablement durablement mauvais pour des raisons physiques. Par contre ce genre de dispositif de production pourrait être très intéressant pour les pays à très forte insolation, qui sont quand même assez nombreux !
Enfin le soleil fait pousser les arbres... qui consituent donc un stock d'énergie solaire. Est-il intéressant d'en faire de l'électricité ? La production brute d'énergie de combustion par hectare est de 5 tonnes équivalent pétrole par an dans le meilleur des cas, soit 60 MWh environ (cette production correspond à la pousse annuelle, bien sûr, et non à ce qu'il serait possible d'obtenir en coupant tous les arbres d'un coup). Sachant que le rendement d'une centrale est de l'ordre de 40% à 50%, il faut donc mobiliser de l'ordre de 500 km2 au sol pour faire un TWh (c'est-à-dire un milliard de kWh).
La production annuelle d'électricité en France (550 TWh) à partir de biomasse correspondrait donc à l'exploitation à cette seule fin d'une surface de l'ordre de...50 à 100% du territoire métroplitain ! Cela rejoint les ordres de grandeur de mes calculs sur les carburants d'origine agricole.
Utiliser la biomasse pour faire de l'énergie électrique est donc impossible sur une grande échelle.
Par contre, le potentiel du bois est probablement réel pour les chaudières à haut rendement pour le chauffage direct des habitations. Sachant que la dépense de chauffage du logement est de 0,75 tep par Français en gros, et que le rendement d'une installation de chauffage au bois est de 60%, chauffer la France au bois demanderait l'affectation d'une surface de l'ordre de 120.000 km2 (20% à 25% de l'Hexagone). Cela revient en ordre de grandeur à ne plus avoir de bois d'oeuvre, ou à se passer de viande rouge (chaque usage mobilise en gros 20% du territoire métropolitain).