Mémento sur l'énergie (partie 2) : L'énergie solaire

L’énergie solaire provient des réactions de fusion nucléaire qui se produisent au centre du soleil dans les conditions de température et de densité très élevées : 1,5.10⁷ K et 1,5.10⁵ kgm^-3. La figure 1 schématise une séquence des réactions de fusion nucléaire qui transforment l’hydrogène en hélium, dégageant une énergie totale d'environ 26 MeV.

Figure 1. Schéma très simplifié de la fusion nucléaire au centre du soleil

Le bilan global de ces réactions successives est le suivant : quatre noyaux d’hydrogène sont consommés pour produire un noyau d’hélium composé de deux protons et deux neutrons, tandis que sont émis deux positons (e⁺) et deux neutrinos (ν), ce qui conserve la charge électrique et le nombre leptonique. Les positons sont rapidement annihilés par réactions positon-électron et les neutrinos s'échappent dans l'espace. La majeure partie de l’énergie est libérée localement sous forme d'énergie thermique. On peut vérifier que la production d'énergie correspond à une perte de masse lors de la transformation de l'hydrogène en hélium.

D’importantes recherches scientifiques sont conduites depuis les années 1960 pour tenter d’obtenir de l’énergie contrôlée à partir du phénomène de fusion nucléaire. Actuellement l’objectif du projet international ITER, implanté à Cadarache, est de réaliser les conditions physiques qui permettent la fusion thermonucléaire.

La majeure partie de l’énergie produite au centre du soleil (plus de 98%) est finalement émise dans l'espace sous forme de rayonnement électromagnétique, le reste émis sous forme de neutrinos. (Pour en savoir plus sur les neutrinos solaires, voir par exemple Stolarczyk).

Le spectre du rayonnement solaire est centré sur le domaine de la lumière visible, avec une répartition proche d’un rayonnement de corps noir de température 5 800 K. La puissance de l’émission subit une très faible variation (0,1%) selon une période de 11 ans, figure 2. Ce cycle d’activité solaire est lié aux effets de magnéto-hydro-dynamique dans les couches extérieures, produisant sur la surface des éruptions et des tâches.

Les conditions climatiques et la vie sur terre dépendent essentiellement de l’énergie reçue du soleil. L’ensemble terre-atmosphère reçoit une petite fraction de rayonnement solaire, soit la puissance :

P_s = (ω / 4π) x L_s = 5,66.10^-9 x L_s = 1,73.10¹⁷ W

où ω = (πr² / D²) est l’angle solide du cône des rayons du soleil atteignant la terre, exprimé en fonction de la distance soleil-terre D = 150.10⁶ km et du rayon de la terre r = 6,37.10⁶ km.

Au dessus de l’atmosphère, si le soleil est au zénith, l’éclairement énergétique est de E_S = L_s / (4π D²) = 1368 W/m². C’est la puissance reçue par unité de surface et intégrée sur tout le spectre. Sa valeur est souvent appelée « constante solaire ».

Les courbes en couleur indiquent les mesures par différents satellites de l'irradiance solaire (ou éclairement énergétique). La courbe en noir donne le nombre de tâches solaires en fonction du temps. Source : NASA.   Figure 2. Irradiance solaire mesurée entre 1975 et 2012

L’atmosphère terrestre absorbe du rayonnement solaire, notamment l’ultra-violet, et en rediffuse une partie (figure 3).

Source : UVED.   Figure 3. Énergie du rayonnement solaire reçu sur Terre en fonction des longueurs d'ondes

La proportion de la puissance E_S qui atteint le sol est d’environ 80%. En moyennant sur l’ensemble du globe terrestre et sur la durée, on obtient une valeur moyenne de l’éclairement énergétique reçu au sol du soleil égale à  :

<E_st> = (0,8x0,5x0,5) x E_S ≈ 273 Wm^-2

Le facteur approximatif 0,8 tient compte de l’écrantage de l’atmosphère, les deux facteurs 0,5 tiennent compte de l’alternance jour-nuit (le soleil n’éclaire qu’un hémisphère terrestre) et de l’inclinaison des rayons solaires par rapport au zénith (la surface de l’hémisphère éclairée étant le double de sa projection normale aux rayons).

C’est une valeur moyenne de la puissance solaire théoriquement disponible par unité de surface sur le sol terrestre.

On en déduit la puissance solaire totale reçue sur la surface du globe

P = π d² <E_st> = 1,39.10¹⁷ W

Cette valeur moyenne théoriquement disponible de l’énergie solaire reçue au sol dépasse d’un facteur 7 000 les besoins actuels de la population mondiale (besoins de nutrition des hommes et animaux, voir l’analyse détaillée de M. Combarnous, 2012), qui est d’environ 1,7.10¹³ W. Néanmoins, ce calcul théorique ne prend pas en compte l'espace réellement disponible sur Terre, étant donné que 30% de la planète est composé de terres émergées dont 40% sous forme de désert de glace ou de sable (source Nation Unies). Ainsi, la mise en place d'installations de conversion et de transport de l'énergie, en prenant en compte les différents rendements de la chaîne ne permettront jamais de cumuler une telle quantité d'énergie.