Énergie solaire : fonctionnement, usages et chiffres clés

Par Florian Tostivint

Responsable éditorial - énergie

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L’énergie solaire est une énergie provenant du rayonnement du soleil et servant dans deux grands domaines d’application : la production d’électricité photovoltaïque et la production d’énergie thermique (chauffage, eau chaude sanitaire, froid). Gratuite et inépuisable, cette énergie renouvelable affiche un potentiel prometteur face aux enjeux économiques et environnementaux de nos sociétés. Elle prend davantage de place au fil des années dans les mix électriques, tant en France (23,3 TWh en 2024) et dans le monde (1 629,90 TWh en 2023).

Qu’est-ce que l’énergie solaire ?

Le Soleil est une étoile vitale pour notre planète Terre. Elle produit une énergie issue de la réaction en chaîne de la fusion nucléaire et la diffuse via le rayonnement solaire. Cette diffusion des ondes électromagnétiques contenues dans les rayons atteint en partie la Terre pour créer et alimenter en continu le cycle de la vie (photosynthèse, marées, courants marins, croissance des êtres humains, etc.). En somme, l’énergie solaire est exploitée naturellement par la Terre et ses occupants.

L’énergie solaire est aussi connue en tant qu’une exploitation humaine de la source énergétique primaire qu’est le rayonnement solaire. Il existe 2 grandes techniques :

• l’énergie solaire photovoltaïque qui permet de produire de l’électricité ;
• l’énergie solaire thermique qui permet de produire de la chaleur.

Fonctionnement photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque est une technique d’exploitation pour capter l’énergie des radiations solaires et la transformer en électricité. Elle utilise un phénomène physique découvert en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel : l’effet photovoltaïque. Il s’agit de la capacité de certains composants semi-conducteurs à convertir l’énergie du rayonnement solaire en électricité lorsqu’ils sont exposés directement au soleil.

Les radiations solaires contiennent des photons qui transmettent leur énergie aux électrons contenus dans la surface de cellules photovoltaïques. Ces cellules sont composées de matériaux semi-conducteurs comme le silicium (qui représente 95 % du marché mondial). Lorsque les photons de la lumière frappent la cellule photovoltaïque, il y a un transfert de charge électrique, formant la production d’un courant continu. Ce courant est ensuite transformé en courant électrique alternatif via son passage dans un onduleur.

Les cellules photovoltaïques peuvent être assemblées à partir d’un seul bloc de silicium ou bien de plusieurs blocs pour former des installations solaires connues : panneaux monocristallins et polycristallins.

L’énergie solaire photovoltaïque produite permet de répondre à de multiples besoins énergétiques à l’échelle d’une maison individuelle, d’une industrie ou d’un secteur d’activité.

• Raccordée au réseau électrique, l’installation solaire produit de l’électricité photovoltaïque vendue en totalité ou seulement en partie (surplus après autoconsommation).
• En autonomie (sans raccordement au réseau), l’installation permet de produire une énergie solaire photovoltaïque auto-consommée directement pour couvrir les besoins énergétiques d’une maison ou d’un bâtiment.

Fonctionnement thermique

L’énergie solaire peut être exploitée de deux manières pour produire de la chaleur à basse température : active ou passive.

• L’énergie solaire thermique active consiste à utiliser des capteurs thermiques pour convertir l’énergie des photons du rayonnement lumineux en chaleur. Les capteurs sont munis d’un circuit composé d’un liquide caloporteur qui monte en température sous l’influence de l’énergie thermique. La chaleur produite peut être utilisée en direct (eau chaude de la cuve d’un chauffe-eau solaire) ou de manière indirecte (rafraîchisseur solaire pour climatisation).
• L’énergie solaire thermique passive n’est pas une technique de transformation de l’énergie du rayonnement solaire au moyen de composants semi-conducteurs (capteurs thermiques). Il s’agit ici d’exploiter le potentiel de l’énergie solaire thermique (à savoir la chaleur) dans des conceptions de bâtiments ingénieuses. On retrouve cette technique d’exploitation dans la conception des maisons passives dont l’orientation, l’emplacement et le choix de matériaux permet d’utiliser l’énergie gratuite du soleil pour chauffer, éclairer ou rafraîchir les pièces.

En parallèle, l’énergie solaire peut être utilisée dans un cycle thermodynamique pour produire de l’électricité avec de la chaleur à haute température (de 250 à 1 000°C). La chaleur est générée par concentration du rayonnement solaire au moyen de miroirs réfléchissants ou de lentilles. Sous l’effet de la chaleur, le fluide caloporteur contenu dans le circuit se transforme un liquide en vapeur ou en gaz. La force mécanique produite par l’évaporation fait tourner une turbine afin de produire de l’électricité.

Avantages et inconvénients

Avantages

En tant qu’énergie renouvelable, l’énergie solaire peut jouer un rôle clé dans la transition énergétique mondiale. Gratuite et illimitée, le potentiel de production du solaire photovoltaïque ou thermique s’avère stratégique à la fois pour les pays, les entreprises mais aussi à l’échelle des particuliers.

L’exploitation de l’énergie solaire aide ainsi :

• à réduire le recours aux ressources fossiles ;
• à produire massivement en journée ;
• à faire baisser la facture d’électricité.

L’utilisation de l’énergie solaire est une alternative écologique aux sources d’énergies fossiles dans la production d’électricité ou de chaleur. Les énergies fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole) sont de grands émetteurs de gaz à effet de serre (GES) et ont donc un fort impact sur le dérèglement climatique mondial. Sur ce point, l’orientation des politiques énergétiques de chaque pays est capitale pour réduire la dépendance aux énergies fossiles.

Les limites et leurs solutions

L’intégration de l’énergie solaire dans le mix électrique implique de coûteux investissements dans les outils de production (panneaux, centrales, etc.), d'installation et de maintenance. Rappelons qu’il existe un panel d’aides financières pour le solaire à destination des particuliers et des entreprises (voir dernier point de l’article) afin de réduire le coût initial du projet photovoltaïque ou solaire thermique.

D’autre part, il s’agit d’une énergie intermittente soumise au cycle jour/nuit et aux aléas climatiques (pluie, nuages). Ainsi, il n’y a en général aucune production d’électricité photovoltaïque pendant la nuit ou lorsque le soleil est caché par la couverture nuageuse (ou alors une production réduite). Cette intermittence de l’énergie solaire peut créer des instabilités sur le réseau électrique et nécessite une adaptation dans du réseau que du marché électrique.

Enfin à l’échelle d’une entreprise ou d’un particulier, il est en général difficile d’avoir une autoconsommation solaire couvrant la totalité des besoins énergétiques. Une autre source d’électricité ou de chaleur est nécessaire. Ainsi, l’électricité doit souvent être tirée en partie sur le réseau de distribution, et un chauffage d’appoint est souvent nécessaire.

Toutefois, les innovations technologiques permettent aujourd’hui de contourner les limites de production du solaire à une certaine échelle. Les technologies autour du stockage à court ou moyen terme de l’énergie photovoltaïque et thermique (batteries physiques ou virtuelles, hydrogène par électrolyse) peuvent se révéler des solutions viables pour augmenter le rendement des installations. D’autre part, les centrales solaires thermiques peuvent continuer à produire de la chaleur, même par temps nuageux.

Les types de centrales solaires

Afin d’encourager et de répondre aux objectifs de la transition énergétique, chaque pays peut mettre en place des solutions de production d’électricité photovoltaïque ou de solaire thermique à plus ou moins grande échelle.

Les centrales solaires photovoltaïques

Il s’agit de grandes installations composées d’un parc de plusieurs dizaines, centaines ou milliers de panneaux solaires. La puissance totale de la centrale solaire photovoltaïque peut atteindre plusieurs mégawatts.

On distingue plusieurs types de centrales photovoltaïques en fonction de leur emplacement :

• au sol installées sur des terrains de différentes surfaces, jusqu’à plusieurs hectares parfois. Notez que l’installation sur des trackers solaires (montage des panneaux sur pieds auto-orientables suivant la course du soleil) permet d’optimiser le rendement des panneaux.
• en toiture installées sur des bâtiments industriels, commerciaux ou résidentiels. Il s’agit du mode d’installation le plus courant du fait de l’orientation et de l’inclinaison optimale offerte par la surface non utilisée du toit. Le potentiel de production solaire exploitable en toiture se situerait à 612 km² en France pour une production de 49 TWh/an.
• flottantes installées sur des plans d’eau douce non exploitées (en majorité) tels que des lacs de barrages. Au niveau mondial, ce type d’installation solaire photovoltaïque dispose actuellement d'une puissance installée d'environ 2,6 GW.
• en agrovoltaïsme (ou agrivoltaïsme) qui exploite certaines parcelles agricoles. Ce type d’installation solaire permet ainsi aux agriculteurs de percevoir un revenu complémentaire via la vente de l’électricité produite, tout en protégeant leurs cultures ou leurs bétails de la chaleur excessive.

Les centrales solaires thermiques

La majorité des centrales solaires thermiques utilisent le principe de la thermodynamique par concentration solaire. On distingue deux familles de centrales solaires thermiques : à concentration linéaire et à concentration de foyer.

Les centrales solaires thermiques à concentration linéaire

Ce type de parc solaire thermique utilisent un ensemble de miroirs pour pointer le rayonnement solaire vers un système de tubes remplis d’un fluide caloporteur. Une fois chauffé, le fluide provoque une force mécanique qui fait tourner une turbine productrice d’électricité ou de chaleur.

Les centrales solaires cylindro-paraboliques, les plus courantes mondialement sur le marché, disposent de miroirs hémicylindriques alignés en parallèle et tournant sur un axe pour suivre le mouvement quotidien du soleil. Le tube avec le fluide caloporteur (souvent de l’huile) est installé à l’horizontal tout le long des miroirs pour capter le maximum du rayonnement lumineux. Ce type de centrale solaire thermique est installé en général en zones arides ou désertiques avec un fort ensoleillement (exemple : Nevada Solar One aux États-Unis de 64 MW, Shams aux Émirats Arabes Unis composée de 258 000 miroirs paraboliques pour une surface de 2,5 km² et une puissance de 100 MW).

Les centrales solaires à miroirs de Fresnel utilisent des miroirs paraboliques légèrement incurvés tandis que les tubes avec le fluide caloporteur sont placés au-dessus desdits miroirs. Avec cette disposition en décalé, le rendement de l’installation est inférieur à celui d’un parc solaire cylindro-parabolique. Exemples dans le monde : Almería (puissance de 50 MW) ou Puerto Errado (31,4 MW) en Espagne.

Les centrales solaires thermiques à concentration par foyer

Le rayonnement solaire est dirigé vers un capteur de petite taille avec une forte concentration (+1 000 fois). L’élévation de température de l’énergie thermique peut atteindre entre 500 et 1 000°C.

Les centrales à tour solaire utilisent des héliostats pour concentrer et réfléchir la lumière vers le sommet d’une tour centrale équipée d’un récepteur à fluide (eau, sodium liquide ou sels fondus) avec turbine. Les héliostats sont des miroirs solaires suivant la course de l’astre. Ce mode de concentration du rayonnement solaire limite les pertes d’énergie et accroît la performance du système de production solaire thermodynamique. Exemple, la gigantesque centrale à deux tours solaires thermodynamiques en province de Gansu (Chine) dotée de 30 000 miroirs. Elle fonctionne 24h/24h grâce au récepteur à sels fondus qui permet de garder l’énergie thermique pendant 15 heures en moyenne pour une puissance de 10 MW.

Les centrales à miroirs paraboliques Dish-Stirling focalisent le rayonnement lumineux sur un circuit de gaz fermé pour alimenter un moteur. L’énergie mécanique produite actionne le mouvement de la turbine pour générer de l’électricité ou chaleur. Très onéreux, ce mode de concentration solaire est inadapté à grande échelle industrielle mais convient mieux à des productions à moyenne échelle pour des zones géographiques non raccordées au réseau, comme à Phoenix (Arizona) aux États-Unis de 1,5 MW.

Les usages solaires en autoconsommation

À l’échelle individuelle, un particulier peut bénéficier du potentiel de l’énergie solaire au quotidien. Plusieurs moyens de production photovoltaïques ou thermiques domestiques existent sur le marché.

Panneaux solaires photovoltaïques

En France et au niveau mondial, le marché du photovoltaïque est dominé par deux types de panneaux solaires : monocristallins et polycristallins, tous deux à base de silicium. Entre les deux, la technologie monocristalline affiche un rendement moyen entre 15 et 24 % contre 14 à 18 % pour le panneau polycristallin.

Installables en toiture, au sol, en carport solaire (ombrière de parking) voire en installation solaire murale, ces types de panneaux se différencient aussi par leur apparence (bleutée pour le polycristallin et une surface noire uniforme pour le monocristallin). Ils sont reliés à un onduleur ainsi qu’au compteur électrique chargé de comptabiliser la production et la consommation d’énergie.

En parallèle, l’avancée des technologies permet de voir émerger d’autres modèles de panneaux solaires photovoltaïques. 

Au stade de la recherche et développement, plusieurs projets se distinguent :

• les panneaux amorphes constitués de silicium. Ils se caractérisent par une apparence fine, souple et malléable permettant une intégration facile au bâti. En revanche, leur faible rendement se situe entre 6 et 9 %.
• les panneaux à base polymère disposent de cellules composées de plastique. Très souples, ces types de panneaux sont moins chers que les technologies solaires basées sur le silicium. Le rendement est encore en dessous de 19 % ;
• les panneaux à cellules photochromiques variant de couleur selon l’intensité du rayon lumineux. Le potentiel de ce type d’installation solaire sans silicium permet d’envisager une intégration en lieu et place de vitrages d’immeubles ou d’habitation.

Panneaux solaires thermiques

Les panneaux solaires thermiques servent principalement à produire de l’eau chaude sanitaire (ECS) via un chauffe-eau solaire ou à chauffer un bâtiment via un système de chauffage/rafraîchisseur central (plancher chauffant, climatisation).

Il peut être muni de différents types de capteurs thermiques :

• à plans vitrés, les plus courants, composés d’un réseau de serpentins contenant un liquide caloporteur et disposé derrière un verre trempé ainsi qu’un isolant thermique ;
• à plans non vitrés composés de tubes de plastiques noirs où circule le fluide caloporteur (souvent de l’eau). Ce type de capteur se retrouve pour le chauffage de piscine ;
• tubulaires sous vides se composent de tubes en verre alignés côte à côte, l’ensemble est placé derrière une plaque métallique qui absorbe l’énergie solaire.

La filière du solaire thermique comporte aussi des panneaux solaires hybrides (PVT) ayant la capacité de produire de l’électricité (capteurs photovoltaïques à l’avant du panneaux) et de la chaleur (face arrière).

Une installation solaire thermique peut s’inscrire dans un système solaire combiné (SCE) consistant à coupler les panneaux à une chaudière biomasse ou gaz en relais. La chaudière vient couvrir les besoins énergétiques en chauffage non couverts par les panneaux.

L’énergie solaire en France et dans le monde en chiffres clés

La filière du solaire fait l’objet d’un fort développement partout dans le monde, avec une préférence accordée au photovoltaïque (PV) plutôt qu’au thermique.

Dans le monde

Au niveau mondial, le parc photovoltaïque installé représentait près de 1 642 GW en 2023.

En tant que 1er pays producteur de solaire, la Chine applique une politique de massification de l’énergie solaire photovoltaïque avec un parc total installé de 887 GW selon les chiffres de l’Administration nationale de l'énergie (NEA). Rien que sur l’année 2024, la Chine a installé près de 277 GW en solaire PV soit près de 50 % des nouvelles installations dans le monde. En cause, ses objectifs en matière de neutralité carbone pour 2060 et sa forte dépendance au charbon.

L’Union Européenne détient un parc solaire de 338 GW avec 65,5 GW de nouveau solaire en 2024. Selon le dernier rapport de SolarPower Europe, le secteur de l’énergie solaire photovoltaïque a subi un fort ralentissement passant de 53 % entre 2021-2023 à seulement 4 % de croissance en 2024. En cause, la normalisation des prix de l’électricité après le choc engendré par la crise énergétique de 2021. L’organisme SolarPower Europe prévoit un potentiel d’investissement dans le solaire de l’ordre de 3 à 7 % entre 2025 et 2028. Un chiffre censé satisfaire les objectifs de neutralité carbone avec le solaire pour 2030 de 750 GW de capacité totale installée. L’organisme pointe aussi du doigt l’absence d’incitation européenne pour les installations solaires en toiture ou le manque de flexibilité du système électrique.

Données en TWh de la production brute d'électricité d'origine solaire - Source : EurObserv'ER, 2023 et 2024 - Graphique : Selectra

Le marché du solaire thermique affiche une croissance moins exponentielle de seulement 3 % avec 21 GW de nouvelle capacité installée en 2021 pour un parc mondial total de 522 GW selon l’étude de Solar Heat Worldwide. Toutefois, la filière retourne à une croissance positive avec 7 années de stagnation. En cause, l’engouement des entreprises et du secteur industriel pour la filière avec le développement des réseaux de chaleur et des systèmes de chauffage décarbonés.

En France

Le parc du solaire photovoltaïque français en 2023 représente une capacité installée de 20 GW pour une production annuelle de 23 TWh. La filière a bénéficié d’un fort engouement des politiques publiques au travers des subventions (aides à l’installation, prix de rachat avantageux avec les obligations d’achat OA). 48 % des installations en 2023 sont en autoconsommation totale ou partielle, soit une production photovoltaïque autoconsommée de 871 GWh. À noter que 90 % des installations concernent des projets solaires de puissance entre 3 kWc et 9 kWc (soit pour des particuliers ou petites entreprises) pour 15 % de la puissance totale du parc. En comparaison, les centrales solaires photovoltaïques de 100 kWc à +250 kWc représentent moins de 2 % du parc pour 60 % de la puissance totale.

Source : RTE - Graphique : Selectra

L’organisme Socol soutenu par l’Ademe note les bons chiffres de la France qui occupe la première place du podium mondial pour la filière solaire thermique et hybride. Selon les chiffres clés des énergies renouvelables de 2024 du Ministère de la transition écologique, la production solaire thermique représente 2,8 TWh en 2023 malgré un ralentissement des ventes de l’ordre de 23 % des équipements de production du solaire domestique (chauffe-eau solaire individuels pour 87 % du marché français en 2022 et panneaux solaires hybrides pour les 13 % restants).

Les coûts et subventions

En 1975, le prix des panneaux solaires photovoltaïques dépassait 100 $ par watt produit. Depuis, ce prix n'a cessé de diminuer, atteignant 0,26 $ par watt en 2022. De fait, le coût final de production baisse lui aussi.

Graphique: selectra.info - Source: IRENA Renewable Cost Database

Les mécanismes de financement pour les centrales

En France, les centrales solaires représentent un investissement financier important pour une entreprise, une collectivité ou une industrie. Pour le photovoltaïque, les prix moyens constatés en 2023 pour des centrales solaires dépendent de nombreux facteurs : puissance installée, nombre de modules, lieu d’emplacement (toiture, sol, ombrières de parking, etc.), etc.

Chiffres : Photovoltaïque.info

À ces coûts de matériels, plusieurs autres frais s’ajoutent au budget d’installation d’une centrale solaire : raccordement (sur devis), étude faisabilité (1 000 à 5 000 €), une étude environnementale (30 000 à 40 000 €), les assurances (1 à 3 % du budget total).

Il existe plusieurs subventions et aides pour le financement des centrales solaires en France.

• La prime à l’autoconsommation pour les puissances ≤ 500 kWc d’un montant entre 100 € / kWc (≤ 100 kWc) et 80 € / kWc (≤ 3 kWc) ;
• Le tarif de rachat obligation d’achat variant selon la puissance installée : 0,1295 € (≤ 36 kWc), 0,1126 € (≤ 100 kWc) et entre 0,0950 € (≤ 500 kWc) ;
• Les aides des collectivités locales ;
• Des avantages fiscaux sous forme d’une réduction de 50 % du tarif d’imposition de l’Impôt forfaitaire des entreprises de réseaux (IFER) pour les installations >100 kWc ;
• Un réduction de 60 % (taux de réfaction) sur les frais de raccordement des panneaux photovoltaïques ;
• Les aides du Fonds Chaleur de l’Ademe pour une centrale solaire thermique pouvant atteindre près de 60 % du budget total.

À noter que l’investissement dans le photovoltaïque est une obligation légale pour les entreprises dotées de parkings selon la loi du 10 mars 2023 d’accélération de la production d’énergies renouvelables (APER). La réglementation fixe a minima 50 % d’ombrières photovoltaïques pour les surfaces existantes ou neuves de 1 500 m². D’autre part, les entreprises ou collectivités avec des bâtiments de plus de 500 m² doivent investir dans des solutions de solarisation pour couvrir au minimum 50 % des toitures à partir de 2027.

Les aides à l’achat pour les particuliers

À l’échelle individuelle, un particulier est aussi encouragé à investir dans des solutions de production à énergie solaire par des aides, afin de couvrir une partie de sa propre consommation d’électricité ou de chauffage, voire la revendre.

• La prime à l’autoconsommation entre 80 €/KWc (jusqu'à 3 kWc) et 80 € (jusqu'à 9 kWc) ;
• MaPrimeRénov pour des panneaux solaires thermiques ou hybrides entre 1000 € et 10 000 € ;
• La Prime CEE (certificats d’économie d’énergie) pour un chauffe-eau solaire ou SCE variable selon le fournisseur d’énergie délivrant l’aide ;
• L’éco-PTZ d’un montant variable pour des travaux de rénovation énergétique (dont l’installation d’un chauffage à énergies renouvelables) jusqu’à 50 000 € de prêt sans intérêts ;
• La TVA entre 5,5 % (panneaux solaires thermiques/hybrides) et 10 % (panneaux photovoltaïques).