Énergie solaire photovoltaïque
Contexte énergétique de l'humanité

Un problème technique commun à la plupart des sources d'énergie renouvelable est le fait que ces sources d'énergie présentent des fluctuations. Ceci pose deux types de problèmes :

• Au niveau du producteur d'énergie, les fluctuations ont pour conséquence que les convertisseurs doivent être dimensionnés pour supporter les pointes de production, et sont donc la plupart du temps sous-utilisés. Cela entraîne un surcoût au moment de l'installation (surdimensionnement important par rapport à la puissance moyenne produite) et des pertes d'énergie car le rendement des convertisseurs est souvent moins bon à charge partielle (sauf s'ils ont été conçus spécialement pour garder un bon rendement dans ce cas, mais cela augmente encore leur prix). Une autre cause de pertes d'énergie est que beaucoup de convertisseurs ont une inertie qui empêche leur contrôleur de "suivre" les fluctuations de la source de façon à les utiliser en permanence au mieux) ;
• Surtout, ces fluctuations compliquent la gestion de l'énergie produite. En effet, la plupart des utilisations nécessitent une puissance constante. Dans le cas des réseaux publics de distribution d'énergie, la possibilité de régler la puissance consommée en faisant varier légèrement la tension est mise en échec par la multiplication des systèmes automatiques qui maintiennent la puissance consommée constante malgré ces variations (que l'on pense aux alimentations électroniques des téléviseurs par exemple).
  Pour que la consommation puisse rester constante, il est nécessaire, lorsqu'une source d'énergie fluctue, soit de prévoir une autre source d'énergie capable de compenser ces fluctuations (ce qui implique qu'elle soit facilement réglable), soit de stocker de l'énergie aux moments où la production excède la consommation pour la restituer lorsque l'inverse se produit. Dans le bilan énergétique, il faut tenir compte du fait que l'énergie stockée n'est qu'en partie récupérée. A titre d'exemple, si le rendement d'une batterie est de 70% et que l'on stocke 55% de l'énergie produite (les 45% restant étant utilisés immédiatement), le rendement global de l'installation est affecté d'un facteur 0.835 .

Les systèmes de stockage d'énergie à utiliser dépendent de la quantité d'énergie à stocker, mais surtout du temps de stockage, ainsi que de la vitesse avec laquelle l'énergie doit pouvoir être stockée et rendue. Le tableau ci-dessous résume quelques solutions utilisées ou envisagées.

Les problèmes se présentent différemment selon l'échelle de temps à laquelle les fluctuations d'énergie se produisent.

Certaines de ces fluctuations se font à une échelle de temps très courte, et sont peu prévisibles, si ce n'est statistiquement.

C'est le cas de l'énergie solaire, à cause du défilement des nuages, ainsi que de turbulences atmosphériques peu visibles à l'œil nu.

C'est le cas de l'énergie éolienne, le vent soufflant fréquemment en rafales. C'est aussi le cas de l'énergie des vagues.

Un premier effet gênant de ces fluctuations est le fait que le convertisseur utilisé a du mal à traiter de façon optimale les "salves" d'énergie qu'il reçoit.

Le problème est relativement facile à résoudre dans le cas du solaire photovoltaïque, le système étant purement électronique, donc présentant peu d'inertie.

Il est plus difficile à traiter dans le cas des éoliennes car modifier la vitesse de rotation ou l'orientation des pales de façon à maintenir la position optimale demande un temps non négligeable. Les éoliennes sont parfois munies de détecteurs permettant de mesurer la vitesse du vent à distance et donc d'anticiper l'arrivée des rafales.

Mentionnons un problème similaire pour l'énergie des vagues.

Enfin, dans le cas du solaire avec cycle thermique à température élevée, les fluctuations de puissance correspondent à des chocs thermiques que le récepteur doit pouvoir supporter.

Le principal problème des fluctuations rapides est cependant que la toute grande majorité des utilisations ne peut s'en accommoder. A courte échelle de temps, on ne peut guère envisager le recours à une source d'énergie "de réserve". Il faut donc prévoir un stockage d'énergie à court terme. Ceci ne pose guère de problème dans le cas du solaire thermique grâce à la capacité thermique des fluides de transport et thermodynamiques.

Dans le cas des éoliennes, on pourrait atténuer les fluctuations en utilisant l'énergie accumulée sous forme d'énergie cinétique dans les pales et le convertisseur. Cette solution n'est cependant pas suffisante car cette accumulation d'énergie ne couvre en pratique que quelques secondes de production. De plus, pour en profiter, il faut que l'éolienne soit à vitesse variable car l'éolienne doit ralentir pour que l'on puisse en extraire de l'énergie cinétique. Il est vrai que de plus en plus d'éoliennes sont à vitesse variable, bien que cela augmente le coût du dispositif chargé de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique, mais le but poursuivi est de pouvoir régler la vitesse de façon à rendre le rendement maximum. Il faudrait donc prévoir un autre mode de stockage d'énergie, par exemple sous forme cinétique mais dans des systèmes électromécaniques distincts de l'éolienne (moteur avec volant d'inertie).

Enfin, le solaire photovoltaïque n'accumule pas d'énergie par lui-même (constante de temps inférieure à la milliseconde !). Il est donc souvent associé à un système de stockage (batteries).

L'énergie solaire et éolienne présente aussi des fluctuations à une échelle de temps plus longue.
Ces fluctuations peuvent elles aussi être compensées par stockage, mais avec des capacités plus grandes que dans le cas cité au paragraphe précédent. On espère pouvoir augmenter la durée de stockage dans les systèmes à stockage cinétique.
Une autre solution consiste à coupler les sources d'énergie avec une source pouvant être commandée rapidement (groupe électrogène avec moteur Diesel)... mais ceci est généralement contraire à la philosophie des auteurs du projet et du pouvoir subsidiant, d'autant plus que l'expérience montre que cette source auxiliaire est souvent plus utilisée que nécessaire.

La nécessité de stocker l'énergie ou d'utiliser une source auxiliaire peut être légèrement réduite en utilisant plusieurs sources différentes d'énergie voisines l'une de l'autre (solaire et éolien par exemple). Une solution plus efficace consiste à utiliser plusieurs centrales (fermes éoliennes...) distantes de plusieurs dizaines de kilomètres. Les échanges d'énergie se font alors via le réseau électrique public, ce qui posera des problèmes de plus en plus aigus de stabilité.

Un exemple de fluctuation à échelle moyenne est l'alternance jour-nuit, tout à fait prévisible dans le cas de l'énergie solaire. Ici aussi, on espère pouvoir allonger les durées de stockage sous forme d'énergie cinétique.

Les variations climatiques à l'échelle de quelques jours peuvent aussi être comprises dans cette catégorie.

Pour les installations isolées, la solution consiste dans le stockage d'énergie dans des batteries. Cette solution est coûteuse. Elle n'est normalement pas utilisée lorsqu'un réseau électrique public est disponible, bien que l'on envisage d'utiliser ces batteries pour couvrir les pointes de consommation du réseau (problème de tarification si ces batteries sont gérées par un particulier). A noter que le coût des batteries dépend du nombre de jours non ensoleillés que l'on prévoit de couvrir, lequel est très différent dans un désert ou dans un pays au climat humide. Le coût des batteries dépend de leur durée de vie, laquelle dépend fortement de la manière de les gérer. Pour une gestion optimum, l'installation devrait comporter un système de contrôle des batteries (avec capteurs de tension, de température...). Quoi qu'il en soit, il faut normalement prévoir le remplacement périodique des batteries pendant la durée de vie de l'installation.

Autres solutions : stockage d'énergie thermique, de pression (air comprimé), gravitaire (pompage hydraulique), chimique (stockage d'hydrogène).

Le stockage d'énergie à l'échelle de l'année conduit à des prix prohibitifs, sauf pour des applications à très petite puissance (signalisation autonome). Il en est évidemment de même si l'on veut compenser les "mauvaises années" en stockant de l'énergie pendant les "bonnes".

La complémentarité entre le solaire et l'éolien peut être mise à profit en ce qui concerne les variations saisonnières.

Autres solutions : stockage d'énergie de pression (air comprimé), gravitaire (pompage hydraulique), chimique (stockage d'hydrogène).

Dernière mise à jour le 22-07-2005