L’énergie solaire

L’énergie solaire est l’énergie que nous recevons du soleil sous forme de rayonnement électromagnétique, allant des rayons ultra-violets (UV) aux rayons infrarouges (IR) en passant par la lumière visible. L’énergie solaire chauffe et éclaire la Terre. Plus spécifiquement, cette énergie est absorbée par les océans pour créer le cycle de l’eau : elle réchauffe les masses d’air, génère les vents et permet la croissance de plantes et autres organismes végétaux par le processus de photosynthèse.

À chaque instant, la Terre reçoit un flux d’énergie solaire qui atteint 174 petawatts (PW) de puissance. Sur une base annuelle, l’énergie solaire absorbée par la Terre atteint 3 850 000 exajoules (EJ), dont 3 000 EJ sont absorbés par le processus de photosynthèse. Si le rayonnement solaire qui atteint la surface du Canada était transformé en électricité au moyen de technologies solaires photovoltaïques, cette électricité représenterait environ 2000 fois la consommation électrique du Canada. L’humanité exploite une fraction infime de cette énergie renouvelable sous forme d’éclairement naturel, de chaleur (énergie solaire passive et thermique) et d’électricité (énergie solaire photovoltaïque et énergie solaire thermodynamique). On peut aussi l’utiliser pour la cuisson des aliments et le traitement de l’eau.

Dans le contexte du bâtiment, l’énergie solaire passive fait référence à un ensemble d’éléments comme les fenêtres, les murs et les planchers qui sont conçus de façon à capter, emmagasiner et distribuer passivement l’énergie solaire sous forme de chaleur en hiver pour le chauffage de l’espace et la rejeter en été pour prévenir la surchauffe du même espace. En contrepartie, les technologies solaires actives utilisent des dispositifs mécaniques comme les capteurs solaires thermiques ou électriques comme les modules solaires photovoltaïques pour générer de la chaleur ou de l’électricité.

Énergie solaire photovoltaïque (PV) versus solaire thermique

Les technologies solaires photovoltaïques transforment le rayonnement solaire en électricité au moyen de cellules solaires faites à base de semi-conducteurs tel que le silicium cristallin¹. Les modules solaires photovoltaïques, qui sont composés d’un ensemble de cellules, convertissent  l’énergie solaire incidente en électricité de courant continu (cc). L’onduleur, qui fait l’interface entre les panneaux PV et le réseau électrique, transforme le courant continu (cc) en courant alternatif (ca) de même tension électrique (120 V au Québec) et de même fréquence (60 Hz) que le réseau électrique. Une fois produite, l’électricité sert à alimenter les charges électriques de la maison (réfrigérateur, télévision, éclairage, etc.), du bâtiment ou d’autres applications comme la signalisation routière, une station de télécommunication isolée, des parcomètres, etc. L’électricité peut aussi être stockée dans des piles pour en faire un usage ultérieur (éclairage de nuit par exemple). Au Québec, un système photovoltaïque de 4 kW (25 m²) peut produire 4000 kWh par an et ainsi subvenir à 50% des besoins en électricité d’une maison (en excluant le chauffage et la production d’eau chaude, pour lesquels il est préférable de se tourner vers l’énergie solaire thermique et passive).

Les technologies solaires thermiques quant à elles transforment le rayonnement solaire en chaleur afin de chauffer l’air intérieur des bâtiments, chauffer les piscines, produire de l’eau chaude domestique ou pour des procédés industriels. Ces technologies consistent en des panneaux métalliques recouverts d’une vitre ou des tubes de verre sous vide installés sur un bâtiment ou sur le lieu de consommation. Leur rendement de conversion peut atteindre 70% et leur coût de fabrication est beaucoup moins élevé que les modules PV. C’est pourquoi il est recommandé d’utiliser cette technologie pour toute application liée au chauffage de l’eau et de l’air. Au Québec, 6 m² de capteurs solaires thermiques suffisent à subvenir à environ 50% des besoins en eau chaude d’une famille de 4 personnes.

Le potentiel québécois de développement de la filière

Le Québec jouit d’un ensoleillement qui est souvent sous-estimé dû à la rigueur de ses hivers. Par exemple, on retrouvait en Allemagne en 2010 plus de 17 370 MW de puissance photovoltaïque installée (l’équivalent en puissance de 27 centrales nucléaires comme Gentilly). Pourtant le niveau d’ensoleillement annuel de l’Allemagne  représente en moyenne moins de 80% de celui de la ville de Québec. Autre fait intéressant: l’efficacité des technologies solaires photovoltaïques augmente par temps froid.

Il existe au Québec un grand nombre de PME qui œuvrent dans le domaine de l’énergie solaire. L’organisme Énergie solaire Québec et l’Association canadienne de l’industrie solaire (CanSIA) tiennent à jour un répertoire complet des distributeurs, détaillants, consultants, architectes et fabricants de technologies solaires.

Barrières et opportunités

Les énergies solaires thermiques et photovoltaïques offrent de multiples avantages sur le plan environnemental. Tout d’abord, les ressources solaires sont renouvelables et ces technologies ne produisent aucune émission de GES ou d’autres formes de pollution durant leur opération qui peut durer plus de 30 ans. Les technologies solaires photovoltaïques sont particulièrement propres lorsqu’on utilise des matériaux abondants et non toxiques comme le silicium pour leur fabrication (plus de 97% des technologies fabriquées aujourd’hui utilisent le silicium sous forme cristalline ou amorphe), qu’on s’assure de ne pas polluer durant la production des modules (des approches de contrôle de la pollution similaires à ce que les industries de micro-électronique mettent en place sont nécessaires) et qu’on effectue le recyclage des modules PV à la fin de leur vie utile. Puisque les cellules solaires mettent de 2 à 4 ans au Québec à produire l’équivalent en électricité de toute l’énergie qui a été mise à les fabriquer, ces cellules génèrent environ sept à 15 fois plus d’énergie sur leur durée de vie utile qu’elles n’en requièrent pour leur fabrication.

Ces technologies ne contiennent pas de pièces qui bougent. Par conséquent, leur coût d’entretien est minimal (nul besoin aussi de déneiger les panneaux solaires en hiver s’ils sont inclinés à 45 degrés ou plus) et elles ne nécessitent pas de coût en carburant.

Ces technologies fonctionnent silencieusement et peuvent être discrètement intégrés sur les bâtiments. Ainsi, bien qu’elles soient encore parfois méconnues du public, leur niveau d’acceptation est généralement très élevé.

Cependant, ces technologies demandent des investissements initiaux importants qui sont parfois rentables à court terme (dans le cas des systèmes PV non raccordés au réseau électrique et de l’architecture solaire passive) au cours d’une période de 10-15 ans (pour les systèmes solaires thermiques) ou seulement à très long terme (20 ans et plus pour les systèmes PV raccordés au réseau), tout dépendant du type d’application, du rayonnement solaire disponible sur place, du prix de l’électricité locale et de la présence ou non de subventions. Aussi, ces systèmes ne produisent pas toujours la quantité de puissance nécessaire au fonctionnement de grands bâtiments et d’usines. Enfin, les systèmes PV ne produisent de l’électricité que lors de périodes d’ensoleillement et de façon intermittente, ce qui complique l’intégration de grandes centrales photovoltaïques au réseau électrique et limite pour le moment le taux de pénétration de cette technologie à grande échelle à moins de 30% de la puissance totale du réseau électrique.

Champs ou domaines d’application

Les applications hors réseau tels que l’alimentation de lampadaires, de bornes de stationnement, de signalisation le long des routes, d’antennes de télécommunication en site isolé et de chalets sont des applications rentables. En contrepartie, les applications raccordées au réseau électrique telles que les centrales photovoltaïques et la production d’électricité pour les  bâtiments n’étaient pas rentables au moment d’écrire ces lignes dû au faible coût de l’électricité au Québec. Il est cependant encourageant de constater que le coût des technologies solaires PV diminue d’année en année à un rythme tel qu’il est envisageable que le coût du kilowattheure photovoltaïque devienne comparable à celui du réseau électrique à partir de l’horizon 2020. D’ici là, le fait que cette technologie devienne de plus en plus abordable favorise son intégration à des projets de bâtiments efficaces et novateurs qui utilisent moins d’énergie dû à une meilleure efficacité énergétique et qui comblent une partie de leurs besoins en chauffage de l’espace, de l’eau et en électricité grâce à l’énergie solaire.

Il est à noter que les municipalités peuvent jouer un rôle important dans le développement de projets solaires photovoltaïques en jouant les rôles suivants :

• Planifier le développement résidentiel de façon à garantir l’accès des résidents à une orientation plein sud qui est optimale pour capter l’énergie solaire
• Faciliter l’accès au financement gouvernemental destiné aux municipalités, principalement celui relié au stimulus économique et aux fonds d’infrastructures
• Faciliter l’obtention de prêts à faible taux d’intérêt pour couvrir les coûts non-couverts par les subventions
• Faciliter, au besoin, l’obtention d’un permis local
• Faciliter l’acceptation sociale du projet
• Chercher le soutien politique du niveau provincial
• Fournir un soutien local et un bureau pour le projet

1 Les  semi-conducteurs sont des matériaux qui ne conduisent pas aussi bien l’électricité que les métaux à température ambiantes mais dont il est possible d’en améliorer la conductivité en les éclairant ou en les chauffant. Une cellule solaire PV convertit la lumière grâce à l’effet photovoltaïque en absorbant des photons (particules de lumière) qui ont une énergie suffisante pour libérer des électrons de leur liaison chimique tout en restant dans la cellule. Ces électrons sont ensuite acheminés vers les contacts de la cellule grâce à un champ électrique établi par les couches P et N de la cellule.