Énergie solaire : des implants à la voiture sans recharge, les innovations les plus prometteuses

Rideaux, implants sous-cutanés, voitures sans recharge, panneaux photovoltaïques aux rendements exceptionnels… Coup de projecteur sur les projets de recherche en cours autour de l’énergie solaire qui laissent penser que l’exploitation de cette énergie renouvelable ne fait que commencer.

Quand on parle d’énergie solaire, on imagine des panneaux rigides – et pas très esthétiques – installés sur les toits ou recouvrant de vastes surfaces en plein désert, tout en insistant sur le faible taux de conversion entre énergie reçue et électricité générée. Il y a sans doute un peu de ça, mais pas que. Les panneaux photovoltaïques sont plus versatiles qu’il n’y paraît. Surtout, plusieurs projets de recherche sur les matériaux et l’énergie solaire laissent entrevoir des progrès très significatifs en la matière.

De l’armée à la rue

En 2020, on trouve sur le marché des montres solaires (et même des smartwatchs solaires), des claviers d’ordinateur sans fil solaires, des chargeurs solaires, des caméras de surveillance solaires, des lampes solaires, ou encore des écouteurs audio sans fil et solaires. On voit également apparaître des objets hybrides, comme cette SunTable, à la fois table d’appoint d’extérieur (pour terrasse ou balcon), enceinte audio et borne de recharge sans fil, le tout n’étant pas raccordé au grid.

Autre exemple : la société Pvilion, qui fabrique pour l’armée américaine des « tentes solaires » prenant la forme de structures semi-rigides, autosuffisantes et faciles à déployer : une fois montées, elles abritent, éclairent et régulent la température de l’habitacle. Autrement dit, le solaire se banalise dans la vie quotidienne, dans l’espace urbaine et même sur le terrain militaire.

Plusieurs projets de recherche tentent également de créer des « textiles solaires » en tissant ensemble fibres textiles et cellules photovoltaïques ultra-miniaturisées. L’université de Nottingham Trent a montré fin 2018 un prototype de tissu solaire, aussi souple qu’un tissu épais conventionnel, pouvant recharger un téléphone mobile et un bracelet Fitbit. En Allemagne, le centre de recherche Fraunhofer, qui poursuit activement cette idée, a présenté en 2019 plusieurs prototypes de textiles solaires, souples et disponibles sous différentes formes, avec des applications multiples, des bâches de camions aux stores et rideaux pour les bureaux, qui devraient être commercialisés dans les cinq ans qui viennent.

Implant photovoltaïque

Il est même possible qu’on puisse un jour alimenter par la lumière des composants électroniques… à l’intérieur du corps humain. Début juillet 2020, des chercheurs sud-coréens ont présenté un prototype d’implant agrémenté de cellules photovoltaïques testé avec succès sur des souris. Un patch collé sur la peau facilite la conduite de la lumière au travers des tissus, la lumière étant ensuite convertie en électricité pour faire fonctionner l’implant, sans nécessiter de batterie.

Aujourd’hui, on dénombre également une demi-douzaine de projets plus ou moins avancés de « voitures électriques solaires » destinées à un usage grand public. L’entreprise hollandaise Lightyear, après une nouvelle injection de capital début juillet 2020, prépare la commercialisation de sa luxueuse berline solaire pour la fin de l’année prochaine. En Allemagne, Sono Motors a, elle, levé 53 millions d’euros de façon communautaire en début d’année pour produire la Sion, un spacieux véhicule recouvert de 248 cellules solaires, prévu pour début 2022.

Faut-il voir dans ces projets des gadgets prétendument écolo ou bien des inventions vraiment disruptives ? Difficile à dire pour le moment. Ce qui est certain, en revanche, c’est que l’apport de l’énergie solaire sera de moins en moins négligeable. Sono Motors assure que, même dans un pays peu ensoleillé comme l’Allemagne, son véhicule bénéficie d’une autonomie additionnelle de 34 km uniquement grâce au solaire, tout en affichant « une pleine autosuffisance sur de petites distances. »

Même constat pour Hanergy, qui compte également entrer dans la course aux voitures solaires. Fin 2019, le fabricant chinois publiait les résultats de tests sur un prototype de petite citadine électrique équipée de sa technologie de capteurs solaires minces et utilisée durant 30 jours sans jamais être rechargée autrement qu’au solaire. « Pendant toute la durée du test, après un trajet quotidien de 20 km, la voiture disposait toujours d’une charge de batterie de 60 à 80%, signifiant qu’elle pouvait encore parcourir 30 à 80 km ce jour-là », d’après Hanergy, qui ajoute que « le dernier jour du test, malgré une période de huit jours de pluie, la batterie disposait toujours de 60% de charge. »

Voiture électrique sans recharge

Autre nouvel acteur, Aptera. Après avoir levé 2 millions de dollars en juin dernier, l’entreprise assure elle aussi que sa voiture éponyme, dont la production est prévue en 2022, sera « le premier véhicule électrique au monde qu’on ne recharge jamais. » L’affirmation est sans doute optimiste mais, en fonction du niveau d’ensoleillement, cette voiture miniature au look rétrofuturiste, à deux places et sur trois roues, pourrait offrir jusqu’a 60 km d’autonomie sans utiliser de borne de recharge électrique.

Et de gros constructeurs semblent y croire également. Au Japon, Toyota a commencé à tester sur les routes un prototype de véhicule solaire (une Prius recouverte de cellules photovoltaïques) en juillet 2019 et a montré que le véhicule pouvait bénéficier via l’énergie solaire de 44 à 56 km d’autonomie additionnelle par jour.

Heliogen, qui entend « remplacer les énergies fossiles par la lumière », est la première entreprise à commercialiser de l’énergie solaire convertie en hautes températures, utilisables par les industries lourdes. En Suisse, Synhelion convertit la chaleur du soleil en combustibles traditionnels (gazole, méthanol, kérosène). L’entreprise, dont la centrale vient d’être achetée par l’aéroport de Zurich, compte commercialiser des premiers « carburants solaires » en 2023 (avec une réduction de 50% des émissions carbone), et espère pouvoir, à l’horizon 2030, produire du carburant pour les avions sans rejeter la moindre émission, à partir de CO2 récupéré dans l’air, d’eau et de soleil.

Sans même se limiter au photovoltaïque proprement dit, on peut aussi utiliser l’énergie solaire pour le traitement de l’eau. L’année dernière, l’université australienne Monash présentait un dispositif solaire de désalinisation d’eau de mer, éliminant presque 100% du sel et fonctionnant de façon passive, sans électricité. Des procédés de désalinisation solaire sont également en cours de développement ou déjà opérationnels dans plusieurs pays, notamment en Arabie Saoudite ou au Kenya. Et le sujet fait d’ailleurs l’objet d’une compétition américaine lancée en avril 2020 par le Département de l’énergie, avec 9 millions de dollars à la clé pour récompenser les entreprises les plus innovantes en matière de désalinisation à base d’énergie solaire.

Rendements records

Reste le problème du rendement. Le taux de conversion de lumière en électricité par les panneaux photovoltaïques actuellement commercialisés dépasse rarement 20%. La plupart sont à base de silicium (ou d’autres métaux rares) et leur rendement est forcément — c’est-à-dire physiquement — limité (le rendement maximal théorique est par exemple de 33% pour les cellules dites « à jonction unique »). Mais plusieurs projets de recherche tentent de s’affranchir de ces contraintes. Et les records se succèdent, du moins en laboratoire.

En 2016 en Australie, des chercheurs atteignaient un rendement record de 34,5%, au-delà de la limite théorique de la technologie traditionnelle. En avril 2020, aux États-Unis, le Laboratoire national d’énergie renouvelable (NREL) atteignait un nouveau record avec des cellules à six jonctions offrant un rendement de 47% (après concentration artificielle de la lumière du soleil) et de 39% en conditions réelles. Via des améliorations structurelles, « on pourrait atteindre de façon réaliste des rendements de plus de 50% », estiment les chercheurs du NERL.

Qu’il s’agisse de nouveaux matériaux (comme les très prometteurs pérovskites, des minéraux susceptibles de remplacer le silicium, avec lesquels ont déjà été atteints des rendements de 28%) ou d’artifices pour mieux concentrer la lumière (comme les panneaux recouverts de loupes en verre de la start-up suisse Insolight, offrant un rendement de 29%), tout porte à croire que l’on atteindra un jour des taux de conversion de lumière en électricité bien supérieurs à ceux d’aujourd’hui.

D’autant plus que de nouvelles pistes apparaissent. Par exemple, à l’université de Rice, on développe des panneaux solaires en fibres de carbone dont le but n’est plus de convertir directement le soleil en électricité, mais d’absorber la chaleur de l’énergie solaire, de la transformer en lumière (photons) et enfin en électricité. De façon contre-intuitive, avec cette étape intermédiaire supplémentaire, le procédé s’avère extrêmement efficace : en adjoignant ce principe aux panneaux solaires existants pour récupérer la chaleur jusqu’alors perdue, les chercheurs estiment que l’on pourrait théoriquement porter leur rendement à 80%.

Autre piste prometteuse, présentée fin 2019 par l’université de Houston, au Texas : ne capturer que la chaleur, stockée sous forme d’énergie moléculaire. Le procédé permet de disposer d’énergie solaire de jour comme de nuit, la chaleur étant restituée la nuit avec un rendement de 80% et une température supérieure à celle capturée dans la journée.

Bien sûr, il est difficile d’estimer l’impact énergétique et écologique global de toutes ces innovations. On sait notamment que la production de cellules photovoltaïques est coûteuse et assortie d’émissions nocives. Quant aux pérovskites, ils sont encore peu stables et difficiles à utiliser sur de grandes surfaces. Mais les innovations se succèdent et les progrès sont bien réels. En tout état de cause, il paraît réducteur de ne raisonner qu’en grandes masses, en opposant le solaire aux autres sources d’énergie sur la base de chiffres globaux, a fortiori en ne considérant que les rendements constatés actuellement. Le solaire ne se limite pas au photovoltaïque, ni à quelques scénarios d’usage comme des panneaux sur les toits de maisons individuelles. Surtout, le photovoltaïque lui-même ne se limite pas, loin de là, à une technologie unique. Le solaire est protéiforme et l’on peut raisonnablement penser que l’exploitation de la principale source d’énergie propre dont nous disposons, en quantité infinie, n’en est qu’à ses débuts.