How next-generation photovoltaics could contribute to electricity storage
Due to the falling price of silicon solar cells, as well as their manageable size, the sight of solar panels on household rooftops has become a familiar one. However, solar energy, as many other sustainable forms of energy, is intermittent.
L'énergie solaire, bien que de plus en plus accessible grâce à la baisse des prix des panneaux en silicium, présente un défi majeur : son intermittence. Contrairement aux énergies fossiles, elle ne produit pas de manière constante. Par exemple, en été et en journée, la production est souvent excédentaire, tandis qu'en soirée ou en hiver, elle diminue fortement, alors que la demande en électricité est maximale. Pour garantir un approvisionnement stable, il est nécessaire d'intégrer des systèmes de stockage au réseau électrique. Sans cela, l'énergie solaire ne peut pas répondre à elle seule aux besoins constants des consommateurs. Cette problématique s'applique à d'autres énergies renouvelables comme l'éolien, qui dépend aussi des conditions météorologiques.
Plusieurs technologies existent pour stocker l'électricité produite par les énergies renouvelables. Les stations de pompage-turbinage (ou pumped hydroelectric storage) sont l'une des méthodes les plus répandues. Elles fonctionnent en pompant de l'eau d'un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur lorsque l'électricité est abondante, puis en la relâchant pour faire tourner des turbines et produire de l'électricité à la demande. Cependant, cette solution est limitée par la disponibilité de sites géographiques adaptés. Une alternative plus flexible est le stockage par batteries électrochimiques, comme les batteries lithium-ion présentes dans les appareils électroniques. Pour les réseaux électriques, des batteries à grande échelle, souvent basées sur la technologie LFP (lithium iron phosphate), sont de plus en plus utilisées. Selon l'Agence internationale de l'énergie (IEA), la demande en lithium pourrait être multipliée par plus de 40 fois d'ici 2040 par rapport à 2020, principalement à cause de cette croissance du stockage électrique. Cependant, l'extraction du lithium soulève des enjeux géopolitiques et environnementaux importants, notamment en termes d'impact sur les ressources en eau, la biodiversité et les conditions de travail locales.
Une autre approche pour stocker l'énergie est le stockage thermique, qui consiste à conserver l'énergie sous forme de chaleur. Cette méthode est particulièrement intéressante pour des durées de stockage prolongées, grâce à la densité énergétique élevée des matériaux utilisés, leur faible coût et leur abondance. Un exemple courant est le chauffe-eau solaire, qui stocke la chaleur du soleil pour une utilisation ultérieure. À plus grande échelle, cette technologie est intégrée dans les centrales solaires thermodynamiques (CSP). Ces installations utilisent des miroirs paraboliques ou plats pour concentrer les rayons du soleil et chauffer un réservoir de sel fondu, qui stocke la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en électricité via une turbine. Des projets comme la centrale Crescent Dunes aux États-Unis ou Andasol en Espagne illustrent cette technologie. Cependant, les CSP restent marginales en raison de leur coût élevé et de leur efficacité limitée, notamment à cause de la loi de Carnot, qui fixe une limite théorique à l'efficacité de conversion de la chaleur en électricité. Par exemple, à 300°C, l'efficacité maximale théorique est d'environ 50 %, et en pratique, elle est encore plus faible.
Le thermophotovoltaïque (TPV) est une technologie émergente qui permet de convertir directement la chaleur en électricité, sans passer par une turbine. Contrairement aux panneaux solaires classiques qui captent la lumière visible du soleil, les cellules TPV transforment le rayonnement infrarouge émis par un objet très chaud, comme du graphite chauffé à plus de 2000°C ou du silicium fondu à 1414°C. À ces températures, la limite de Carnot est repoussée jusqu'à 87 %, et des expériences menées par des chercheurs du MIT et de l'Université du Michigan ont déjà atteint des rendements supérieurs à 40 %. Cette approche évite les contraintes des turbines, qui ne supportent pas des températures aussi élevées. Les cellules TPV pourraient ainsi offrir une solution plus compacte et potentiellement plus économique pour le stockage d'énergie, notamment si elles sont combinées à un système de stockage thermique.
Une variante prometteuse du TPV est le système **SISTPV** (*Storage-Integrated Solar Thermophotovoltaic*), développé dans des laboratoires comme le **PROMES** dans le sud de la France. Ce prototype combine trois fonctions en un seul dispositif : la collecte de l'énergie solaire, son stockage sous forme de chaleur et sa conversion en électricité. Contrairement aux centrales solaires thermodynamiques classiques qui utilisent du sel fondu, le SISTPV chauffe directement un matériau comme le graphite avec des miroirs paraboliques concentrant la lumière du soleil. Cette approche pourrait être rentable à plus petite échelle, contrairement aux CSP qui nécessitent des investissements massifs. Bien que des améliorations soient encore nécessaires pour optimiser l'efficacité globale du système, le SISTPV représente une piste intéressante pour transformer le solaire, une énergie intermittente, en une source fiable et disponible à la demande. Les chercheurs soulignent que cette technologie pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique en rendant le solaire plus flexible et adaptable aux besoins du réseau électrique.
