Énergie solaire photovoltaïque
Contexte énergétique de l'humanité

La principale réserve d'énergie du système solaire est due à l'existence de grandes quantités de noyaux atomiques légers (hydrogène...). En effet, ces noyaux peuvent fusionner pour donner des noyaux plus lourds (hélium...). Cette réaction, appelée fusion nucléaire, dégage de grandes quantités d'énergie.

L'humanité ne sait pas (encore) contrôler suffisamment cette réaction pour pouvoir l'utiliser comme source de l'énergie dont elle a besoin. La fusion nucléaire se produit heureusement de façon naturelle à l'intérieur du Soleil. La plus grande partie de l'énergie actuellement utilisée provient indirectement du Soleil, et donc de la fusion nucléaire.

Le soleil n'est cependant pas à l'origine de toute l'énergie que nous utilisons. Une partie importante de l'énergie électrique consommée provient de la fission nucléaire, c'est-à-dire de l'éclatement de noyaux atomiques lourds (uranium...) en noyaux plus légers (fer...). Cette réaction produit, elle aussi, de grandes quantités d'énergie. Elle se déroule de façon naturelle à l'intérieur de la terre, où elle est une source d'énergie géothermique. C'est cependant surtout la fission artificielle qui est utilisée pour produire de l'énergie. On provoque à cet effet le phénomène dans les réacteurs des centrales électriques nucléaires.

Une troisième réserve d'énergie, peu exploitée, est l'énergie cinétique et gravitationnelle des astres. L'énergie de la lune produit les marées, et on en récupère une partie dans les centrales marémotrices.

Le tableau ci-dessous cite les trois réserves d'énergie mentionnées ci-dessus, et détaille la façon dont l'énergie solaire conduit à la formation du rayonnement solaire (lumière...).

Figure S00-1 : mode de formation de l'énergie fossile

La chaleur produite par fusion nucléaire à l'intérieur du Soleil gagne la surface de celui-ci (en environ 1000 ans). La température à la surface du Soleil est encore très élevée (de l'ordre de 5000°C). La surface du soleil, comme tous les corps chauds, dégage alors un rayonnement (lumière, infrarouges, ultraviolets...).

Le tableau de la figure S00-2 indique comment le rayonnement solaire a permis l'apparition de réserves d'énergie fossiles (charbon et pétrole).

Figure S00-2 : formation d'énergie fossile

Une minuscule partie du rayonnement solaire atteint la Terre (en environ 8 minutes).

Exercice proposé S00-12 : quelle partie ?

Une partie de ce rayonnement est absorbée par l'atmosphère ou diffusée par elle vers l'espace.

Une minuscule partie du rayonnement qui atteint la surface terrestre est absorbée par les plantes vertes qui s'en servent pour produire des composés chimiques organiques (biomasse). La biomasse constitue une source d'énergie importante pour l'humanité, mais elle est très limitée.

Une minuscule partie de la biomasse se trouve piégée dans le sol et est pétrifiée. Le processus est très lent (plusieurs dizaines de millions d'années). Il conduit à la formation de réserves d'énergie fossile (charbon, pétrole...).

La plus grande partie de l'énergie électrique consommée par l'humanité est issue de cette énergie fossile. Le tableau de la figure S00-3 détaille la filière principale utilisée dans ce but.

Figure S00-3 : principale filière de production d'énergie électrique.

Les combustibles fossiles (charbon, pétrole...) sont extraits et transformés. Leur combustion dans des chaudières (combinaison chimique avec l'oxygène de l'air) produit de l'énergie sous forme de chaleur à température élevée (de l'ordre de 1000°C).

Cette chaleur est transférée à un fluide (eau, vapeur d'eau) qui se dilate. Le fluide acquiert ainsi une énergie associée à sa température, mais aussi à sa pression et à sa vitesse. La détente du fluide dans une turbine permet d'obtenir une énergie mécanique (associée à la rotation de l'arbre de la turbine).

La turbine entraîne un convertisseur électromécanique (machine électrique) appelée alternateur. L'alternateur produit une énergie électrique (associée à un courant et une tension électrique) qu'il faut encore transporter et distribuer aux consommateurs industriels et privés.

La suite décrite aux figures S00-1, S00-2 et S00-3, si elle constitue la filière principale conduisant à l'obtention d'énergie électrique, est loin d'être la seule.

Je vous propose de compléter sous forme d'exercices le tableau formé par ces trois figures.

Exercice S00-15 : Filière des centrales nucléaires.

Exercice S00-16 : Filière des centrales hydrauliques.

Exercice S00-17 : Filière des cultures énergétiques.

Exercice S00-18 : Filière des éoliennes.

Exercice S00-19 : Filière de l'énergie solaire thermique.

Dernière mise à jour le 15-03-2003