Tout ce que vous devez savoir sur l'énergie solaire et la chaleur solaire

Qu'est-ce que l'énergie solaire ? Quels sont les meilleurs emplacements pour les centrales de production d'énergie solaire ? Comment produire de l'électricité solaire ? Comment produire de la chaleur solaire ? Comment fonctionne un système de production d'électricité solaire ? Comment fonctionne un système de chauffage solaire ?
Comment l'électricité solaire peut-elle être stockée ? Comment la chaleur solaire peut-elle être stockée ? Est-il intéressant d'exploiter un système de production d'énergie solaire ? Est-il intéressant d'exploiter un système de chauffage solaire ?
Vous trouverez ici les réponses à ces questions et à bien d'autres concernant l'énergie solaire. À la fin, vous pourrez décider si vous souhaitez vous lancer dans le secteur de l'énergie solaire à l'avenir en tant que producteur d'énergie solaire ou en tant qu'investisseur.

Qu'est-ce que l'énergie solaire ?

L'énergie solaire est une énergie qui atterrit sur la terre avec les rayons du soleil et qui peut être exploitée
- sous forme d'électricité (électricité solaire),
- sous forme de chaleur (chaleur solaire)
- ou sous forme d'énergie solaire stockée chimiquement sous forme de biomasse, que les plantes constituent grâce à la photosynthèse,
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Il s'agit de rayons électromagnétiques qui sont générés à la surface du soleil, où les températures avoisinent les 5 500 degrés Celsius (°C). La raison de ce rayonnement, également appelé rayonnement du corps noir, est le processus de fusion nucléaire à l'intérieur du soleil, également connu sous le nom de combustion de l'hydrogène.
Selon les connaissances scientifiques actuelles, le soleil continuera à fournir de l'énergie pendant encore cinq milliards d'années. Le soleil est donc actuellement la plus grande source d'énergie renouvelable (régénérative) que l'humanité puisse exploiter.

Dans le cadre du tournant énergétique - abandon des sources d'énergie fossiles au profit des sources d'énergie renouvelables - le terme "énergie solaire" a pris une signification très concrète : L'énergie solaire désigne les deux formes d'énergie que nous tirons du rayonnement délivré par le soleil :
- la chaleur solaire
- et l'électricité solaire.

En d'autres termes, dans l'usage quotidien, nous avons tendance à appeler "énergie solaire" les produits que nous générons à partir de l'énergie solaire. Pour ces deux formes d'énergie, nous avons développé des technologies (centrales solaires) pour convertir le rayonnement solaire en énergie thermique (chaleur) et en énergie électrique (électricité).

Qu'est-ce qu'un système solaire ?

Solar systems are technical systems with the help of which we obtain usable energy from solar energy. This involves energy conversion from one form of energy (electromagnetic energy) to another (thermal energy or electrical energy).
Depending on how solar systems work (working principle) and which form of energy they ultimately produce, a distinction is made between three types of solar systems:
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- Solar thermal systems generate usable heat
   Solar thermal systems (also called thermal solar systems or solar heating systems) are solar systems that use collectors to    "collect" and absorb solar radiation, generating heat in the rather low temperature range. The heat is either transferred directly to    heat consumers via a suitable heat transfer medium (gaseous or liquid) and consumed by them, or it is first transferred to a heat    storage tank to be consumed at a later time. The payback period for a solar thermal system is on average 15 to 20 years.

   Solar thermal systems are available in small, medium and large sizes: To supply a single household with heat for hot water and/or    central heating backup, a few square metres of collectors can be installed on the roof of the house or on the façade, or set up and    operated freely on the property.
   Medium-sized systems supply entire apartment buildings, hotels or sports facilities with solar heat. Large solar thermal systems    with a collector area of up to several thousand square metres are also called ground-mounted systems (FFA) and are installed on    suitable sites.
   They supply heat directly to a heating network (local heating network), which either supplies a village community or an urban    district with heat, or to a heating network of a heat supplier (district heating network).
   Alternatively, the heat from medium-sized and large plants can also be used as process heat for various commercial or industrial    processes.

- Solar thermal power plants generate heat and usable electricity from it
   So-called solar thermal power plants concentrate the sun's rays with the help of mirrors to generate high-temperature heat, which    they use to heat water vapour or a so-called thermal oil to drive turbines that use generators to produce electricity. A distinction is    made between
        - parabolic trough power plants
        - and solar tower power plants.  
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   A parabolic trough power plant works like this: curved mirrors bundle the incident solar radiation in a so-called focal line. A thin    absorber tube runs along this line, in which water vapour or a thermal oil circulates. The heat generated by absorbing the solar    energy is transferred to the steam or thermal oil - we are talking about temperatures of up to several hundred degrees Celsius.    Then the hot steam or oil is led to turbines.
   The trough-shaped mirrors of the parabolic trough power plant are usually adjusted to the position of the sun in order to harvest a    maximum of solar radiation throughout the day.
   A solar tower power plant also makes use of the fact that solar radiation can be concentrated. Here, however, hundreds of    computer-controlled burning mirrors direct it to the top of a tower. There is a comparatively small absorber in which temperatures of    up to 1,000 degrees Celsius are generated. This heat is used to generate steam that drives turbines with generators.
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- Photovoltaic systems generate usable electricity
   A photovoltaic system consists of interconnected solar cells that have been assembled into modules. When solar radiation hits the    modules, it causes an electrical voltage (direct current). An inverter turns this into alternating current, which can be fed directly to    the consumer, temporarily stored in a battery for electricity storage or fed into the electricity grid. Photovoltaic systems also come in    small, medium and large sizes. Small ones, for example, supply a household partially or completely with electricity, medium-sized    ones supply entire apartment buildings as well as other medium-sized electricity consumers, and large systems installed on open    spaces feed their large amounts of electricity into the grid.
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   According to the Federal Environment Agency, photovoltaic systems pay for themselves in terms of energy after one to two years    of operation. After this time, a system will have generated as much energy as is needed for its production, operation and disposal.
   Most solar cells consist of the semiconductor material silicon, i.e. quartz sand, which is highly purified and crystallised under    oxygen deprivation. A crystalline solar cell has three layers:
        - The top layer consists of silicon atoms that are "contaminated" with foreign atoms such as phosphorus. This is called a           negatively doped layer. The individual atoms are saturated here, so that free electrons can be found in this layer.
        - The lowest silicon layer, on the other hand, is enriched with boron atoms, which have too few electrons.
          It is also called a p-doped layer.
        - The so-called boundary layer contains saturated silicon atoms. Via this layer, the excess electrons from the upper layer           migrate to the lower layer to attach themselves to the boron atoms.
          Thanks to the electron movements, an internal electric field is formed, which is also called a p-n junction.
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   When solar radiation hits the solar cell, the electrons detach again from the boron atoms in the boundary layer and migrate to the    now unsaturated atoms in the negative layer. Metal contacts made of aluminium or silver are placed on the top and bottom of the    solar cell and connected to each other via a cable.
   They conduct the electrons and make them flow through the cable - an electric circuit is created. In addition to the crystalline solar    cells described above, there are also monocrystalline and polycrystalline solar cells, non-crystalline (amorphous) thin-film cells and    organic solar cells (thin-film modules made of organic plastics).
   Solar electricity can be consumed or marketed. Exciting financing models arise here for large-scale plant operators or investors.    Likewise for land leasers for the installation of a solar park.

Le rayonnement solaire est-il suffisant pour assurer le fonctionnement économique d'une installation solaire ?

Pour que l'exploitation d'une installation solaire soit économiquement viable, il faut un rayonnement solaire suffisant. La quantité de rayonnement solaire qui atteint un point de la planète dépend largement des conditions météorologiques et de la position du soleil dans le ciel (position du soleil).
Comme ces deux facteurs varient, l'intensité du rayonnement solaire qui atteint la surface de la terre varie également. Du seul fait de l'excentricité de l'orbite de la terre autour du soleil, elle varie d'environ 7 % au cours de l'année. En moyenne, l'intensité du rayonnement solaire à la limite de l'atmosphère terrestre est d'environ 1 367 watts par mètre carré (W/m²) - une valeur également connue sous le nom de constante solaire.

Une partie de l'énergie du rayonnement solaire est diffusée et réfléchie par l'atmosphère terrestre. Par exemple
- par des particules solides en suspension comme les cristaux de glace et les particules de poussière,
- par des particules liquides en suspension
- ou par des composants gazeux de l'atmosphère.

L'atmosphère absorbe une autre partie de l'énergie du rayonnement et la convertit directement en chaleur. Le reste du rayonnement traverse l'atmosphère et atteint la surface de la terre. Là aussi, il est en partie réfléchi et en partie absorbé et converti en chaleur. Finalement, toute l'énergie du soleil est renvoyée dans l'espace sous forme de lumière réfléchie et de rayonnement thermique.
La quantité de rayonnement réfléchi et absorbé et la quantité transmise dépendent de l'état actuel de l'atmosphère.

Des facteurs climatiques tels que l'humidité, la couverture nuageuse et la longueur du trajet que les rayons empruntent dans l'atmosphère influencent l'ensemble. On calcule qu'environ 30 % du rayonnement est perdu lorsqu'il traverse l'atmosphère. Les 70 % restants constituent le rayonnement global et peuvent être divisés à peu près à parts égales entre le rayonnement direct et le rayonnement diffus.
La moyenne journalière du rayonnement atteignant la surface de la terre (sur 24 heures) est d'environ 165 W/m², avec des fluctuations considérables selon la latitude, l'altitude et les conditions météorologiques.
Il faut savoir que la quantité totale d'énergie atteignant la surface de la terre est plus de cinq mille fois supérieure à celle dont l'homme a besoin.

En fonction du lieu, on peut compter sur 1 300 à 1 900 heures d'ensoleillement pour une installation solaire en Allemagne. La moyenne est de 1 550 heures d'ensoleillement par an. Le rayonnement global en Allemagne est en moyenne de 1 050 kilowattheures par mètre carré et par an (kWh/m2/a). Dans le nord de l'Allemagne, on peut s'attendre à des valeurs inférieures à 1 000 kWh/m2/a et dans le sud de l'Allemagne à des valeurs supérieures à 1 200 kWh/m2/a. Cela signifie que tant les installations solaires thermiques que les installations photovoltaïques peuvent être exploitées de manière économique dans ce pays.
À condition que l'emplacement réponde également aux exigences suivantes :

L'emplacement idéal pour une installation solaire
Les installations solaires doivent être orientées de manière à recevoir un maximum de rayonnement solaire. Pour les installations situées en Allemagne, cela signifie que vous devez les orienter vers le sud. Si l'orientation s'en écarte, vous devez vous attendre à une perte de rendement. On suppose que
- environ 5 % de rendement en moins si le système est orienté vers le sud-est ou le sud-ouest,
- environ 20 % de rendement en moins si le système est orienté vers l'est ou l'ouest.

De plus, l'angle d'inclinaison des capteurs et des modules influence le rendement solaire du système. Ici, on considère qu'un angle d'inclinaison de 30 à 40 degrés (°) permet de maximiser le rendement. Des angles plus élevés sont recommandés pour le nord de l'Allemagne et des angles plus plats pour le sud de l'Allemagne.
En outre, l'ombrage des capteurs et des modules solaires joue également un rôle dans le rendement maximal des systèmes. Les montagnes, les grands bâtiments, les grands arbres et les buissons sont autant de sources potentielles d'ombre. C'est pourquoi il faut toujours anticiper la planification d'une installation solaire et tenir compte des futurs bâtiments.

Comment se portent les installations solaires en Allemagne ? - Faits et chiffres actuels

Les faits et chiffres suivants sur les installations solaires en Allemagne, les installations solaires thermiques ainsi que les installations photovoltaïques, proviennent de l'Association allemande de l'industrie solaire (BSW Solar).

Installations solaires thermiques en Allemagne (à la fin de 2021)
Selon BSW Solar, 2,5 millions d'installations solaires thermiques étaient installées en Allemagne à la fin de 2021. Ensemble, ils représenteraient une surface de capteurs solaires de 21,6 millions de mètres carrés (m2). 81 000 nouveaux systèmes solaires thermiques ont été ajoutés en 2021, pour une surface totale de capteurs solaires de 0,64 million de m2.
Selon l'association industrielle, la capacité totale générée par les systèmes thermosolaires en 2021 était de 15,1 gigawatt-thermiques (GWTh). Une capacité thermosolaire de 450 mégawatts-thermiques (MWTH) a été nouvellement installée dans l'année.
Au total, les systèmes solaires thermiques en Allemagne ont généré 8,8 térawattheures de chaleur solaire thermique (TWhTH) en 2021. Cela a permis d'éviter des émissions de gaz à effet de serre en équivalents CO2 de 2,4 millions de tonnes.

Systèmes photovoltaïques en Allemagne (en mai 2022)
L'association professionnelle estime à 2,2 millions le nombre de systèmes photovoltaïques installés en Allemagne à la fin de 2021. Ensemble, ils auraient une capacité photovoltaïque installée totale d'environ 60 gigawatts crête (GWP). En 2021, 235 600 systèmes photovoltaïques ont été nouvellement installés et une capacité photovoltaïque incluant les systèmes PPA de 6 GWP a été nouvellement déclarée.
En 2021, la production brute d'électricité à partir de systèmes photovoltaïques s'est élevée à 50 térawattheures (TWhP). La part des systèmes photovoltaïques dans la production nette d'électricité pour l'approvisionnement public en électricité était de 10 %.
Au total, les systèmes photovoltaïques en service en Allemagne en 2021 ont permis d'éviter 34,4 millions de tonnes (t) d'émissions de gaz à effet de serre en équivalents CO2.

Quels sont les avantages et les inconvénients de l'énergie solaire ?

Les avantages et les inconvénients de l'énergie solaire sont rapidement énumérés :

Avantages de l'énergie solaire
- La production d'énergie solaire, de chaleur solaire et d'électricité solaire, ainsi que leur utilisation, ne libèrent aucun polluant atmosphérique.
- La production et l'utilisation de l'énergie solaire n'émettent pas non plus de gaz à effet de serre.
- L'énergie solaire est fournie gratuitement par le soleil à la centrale de production.
- Elle remplace les combustibles fossiles et réduit ainsi la dépendance à l'égard des importations de pétrole et de gaz.
- L'énergie solaire renouvelable est disponible en quantité pratiquement illimitée.

Inconvénients de l'énergie solaire
- Pour que l'énergie solaire puisse fournir un approvisionnement énergétique constant ou adapté à la demande, des technologies de stockage appropriées sont nécessaires.
- Les grandes installations solaires (systèmes au sol) nécessitent des terrains. La demande de terrain est en concurrence avec d'autres parties intéressées par le terrain (agriculture et habitat/transport).

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