Solaire Nocturne – Comment les Diodes Thermoradiatives pourraient bientôt éliminer le besoin de batteries

L’une des sources d’énergie les plus abondantes et naturelles dont nous disposons est l’énergie solaire. Chaque jour, le soleil se lève et projette sa lumière sur nous, nous offrant chaleur et électricité.

Même les zones isolées, éloignées et rurales peuvent profiter de cette source d’énergie, étant donné que la plupart des régions de la planète reçoivent un certain ensoleillement. Il n’est même pas nécessaire d’exploiter une grande partie de cette source inépuisable ; moins de 10 % de l’énergie solaire suffit à nous aider à répondre à la demande énergétique mondiale.

En tant que source d’énergie renouvelable, elle ne génère aucune émission nocive de gaz à effet de serre tout en étant parfaitement adaptée au réseau électrique et aux batteries.

L’utilisation de la lumière du soleil n’est pas entièrement nouvelle. Les humains utilisaient déjà la lumière solaire dès le VIIe siècle av. J.-C. pour allumer des feux en reflétant les rayons du soleil sur des objets brillants.

Cependant, les avancées technologiques ont rendu la capture de la lumière solaire pour générer de l’électricité, puis la stocker pour une utilisation ultérieure, très efficace.

Les technologies solaires captent le rayonnement électromagnétique, c’est‑à‑dire la lumière émise par le soleil, et le transforment en formes d’énergie utiles. Les deux principaux types de technologies solaires sont le photovoltaïque (PV), utilisé dans les panneaux solaires, et le solaire thermique concentré (CSP).

Les panneaux solaires sont actuellement le moyen le plus répandu de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire. Les panneaux PV ont une durée de vie utile de 20 à 25 ans, et peu d’entretien est nécessaire une fois installés, à part un nettoyage périodique.

Fabriqués généralement à partir d’un matériau semi‑conducteur comme le silicium, lorsque ce matériau est exposé aux photons du soleil, il libère des électrons et produit une charge électrique. Cette charge génère un courant électrique, capté par les panneaux solaires, puis un onduleur le convertit en courant alternatif (CA), utilisé pour alimenter vos appareils.

L’effet photovoltaïque (PV) a en fait été découvert il y a plusieurs décennies, en 1839, lorsque le physicien français Edmond Becquerel expérimentait avec une cellule composée d’électrodes métalliques dans une solution conductrice et constata que la cellule générait davantage d’électricité lorsqu’elle était exposée à la lumière.

Puis, en 1954, la technologie PV est née avec le développement de la cellule PV en silicium, capable d’absorber et de convertir l’énergie du soleil en énergie pour faire fonctionner les équipements électriques du quotidien.

Aujourd’hui, les systèmes d’énergie solaire sont intégrés non seulement aux foyers et aux entreprises, mais sont devenus un mélange important de sources d’énergie renouvelable pour assurer l’approvisionnement en électricité.

L’énergie solaire a en réalité le potentiel de réduire considérablement la consommation d’électricité, de générer une alimentation de secours en la combinant avec du stockage, de contribuer à un réseau électrique résilient, de fonctionner à petite ou grande échelle avec une efficacité similaire, et de créer des emplois tout en stimulant la croissance économique.

Parallèlement, en termes de coût, outre les coûts matériels évidents, il existe également des coûts indirects tels que les permis, le financement et l’installation du solaire, ainsi que d’autres dépenses opérationnelles de ces entreprises, qui influent sur le prix de l’énergie solaire.

Bien que l’énergie solaire offre d’énormes avantages, le défi demeure en termes d’intermittence. La quantité de lumière solaire disponible varie, bien sûr, selon le moment, le lieu et la saison.

Par exemple, le photovoltaïque génère de l’énergie principalement au milieu de la journée, lorsque le soleil est le plus brillant. Bien que des systèmes de stockage plus efficaces et fiables nous permettent d’utiliser cette source d’énergie tout au long de la journée, même après le coucher du soleil ou par temps nuageux, les chercheurs recherchent des alternatives encore meilleures.

En 2022, des chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) ont réalisé une percée majeure dans ce domaine, ce qui leur a permis de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire même pendant la nuit. Cette technologie est désormais emmenée dans l’espace.

Énergie solaire nocturne

Ainsi, il y a deux ans, en mai, une équipe de l’UNSW a réalisé cette percée majeure dans la technologie des énergies renouvelables en produisant de l’électricité à partir de l’énergie solaire pendant la nuit.

L’équipe de chercheurs de l’École de génie photovoltaïque et des énergies renouvelables (SPREE) a produit de l’électricité à partir de la chaleur émise par la Terre sous forme de lumière infrarouge (IL), de la même manière que la planète se refroidit la nuit en rayonnant dans l’espace.

Pour cela, l’équipe a créé un dispositif semi‑conducteur appelé diode thermoradiative. Une diode est un dispositif semi‑conducteur qui permet au courant de circuler dans une direction tout en le bloquant dans l’autre. Elle convertit le courant alternatif (CA) en courant continu pulsé (CC).

Une diode thermoradiative (TRD), quant à elle, produit de l’électricité en émettant de la lumière infrarouge. Elle peut générer de l’énergie à partir de toute surface chaude et possède ainsi la capacité de fournir de l’énergie solaire pendant la nuit. La diode thermoradiative développée par l’équipe était constituée de matériaux utilisés dans les lunettes de vision nocturne (NV) afin de générer de l’électricité à partir de la lumière infrarouge émise.

En ce qui concerne la capacité de puissance, elle était très faible, environ 100 000 fois inférieure à celle fournie par un panneau solaire. Malgré cela, les chercheurs croient que le résultat pourra être amélioré à l’avenir. Selon le chef d’équipe, le professeur associé Ned Ekins-Daukes:

Nous avons réalisé une démonstration sans ambiguïté de la puissance électrique provenant d’une diode thermoradiative.

Il a expliqué qu’en utilisant des caméras thermiques, nous pouvons observer la quantité de rayonnement la nuit. Cependant, cela ne concerne que l’infrarouge (rayonnement électromagnétique avec des longueurs d’onde entre 760 nm et 100 000 nm) et non le spectre visible (entre 380 et 780 nm). Ainsi, l’équipe a créé un dispositif « capable de générer de l’énergie électrique à partir de l’émission de rayonnement thermique infrarouge ».

En fin de compte, le processus exploite toujours l’énergie solaire, a déclaré le professeur Ekins-Daukes. Pendant la journée, la lumière du soleil frappe notre planète, la réchauffant. Cette même énergie se radie ensuite dans l’espace extérieur vaste et froid pendant la nuit sous forme de lumière infrarouge. Le concept de diode radiative tire parti de ce processus, que l’équipe a démontré capable de générer de l’électricité.

Chaque fois qu’il y a un flux d’énergie, nous pouvons le convertir entre différentes formes.

– Professeur Ekins-Daukes, chef d’équipe

Tout comme nous avons développé le processus artificiel du photovoltaïque pour la conversion directe de la lumière solaire en électricité, le processus thermo‑radiatif détourne l’énergie qui circule dans l’infrarouge depuis une Terre chaude vers l’univers froid.

De même, tout comme une cellule solaire peut produire de l’électricité en absorbant la lumière du soleil, la diode thermoradiative produit de l’électricité en émettant de la lumière infrarouge dans un environnement plus froid.

Dans les deux cas, la différence de température est ce qui nous permet de générer de l’électricité.

– La co‑auteure de l’article, Dr Phoebe Pearce

Ce qui était auparavant un processus théorique a été concrètement réalisé par l’équipe, confirmant que des dispositifs spécialisés et bien plus efficaces pourront être fabriqués à l’avenir pour capter l’énergie à une bien plus grande échelle.

Le professeur Ekins-Daukes a comparé cette nouvelle recherche à celle des ingénieurs de Bell Labs lorsqu’ils ont présenté la première cellule solaire en silicium pratique, qui n’était efficace qu’à environ 2 %. Nous avons parcouru un long chemin depuis, étant maintenant capables de convertir environ 23 % de la lumière du soleil en électricité.

Selon la co‑auteure, le Dr Michael Nielsen:

Même si la commercialisation de ces technologies est encore loin, être au tout début d’une idée en évolution est une position très excitante pour un chercheur.

Cette nouvelle technologie, selon les chercheurs, pourra trouver de nombreuses applications à l’avenir, notamment l’alimentation de dispositifs bioniques tels que les cœurs artificiels qui utilisent actuellement des batteries devant être remplacées régulièrement. Ainsi, leur technologie novatrice pourrait potentiellement éliminer le besoin de batteries dans certains appareils ou aider à les recharger.

Jusqu’à présent, cependant, la diode radiative n’a pu générer une « puissance relativement très faible ». Il a été difficile de détecter cette puissance, et il reste environ une décennie de recherche universitaire avant que l’industrie ne l’adopte. Mais en théorie, il est possible que la technologie « produise finalement environ un dixième de la puissance d’une cellule solaire ».

Après la « démonstration sans ambiguïté de la puissance électrique », l’équipe a commencé à travailler avec un nouveau matériau plus facile à fabriquer, afin de le mettre à l’échelle.

Parallèlement, l’équipe travaille à l’application de leur technologie aux engins spatiaux tels que les satellites. Les satellites alimentés par l’énergie solaire ne sont pas nouveaux ; ils ont été démontrés pour la première fois en 1958.

Alimentés par des cellules solaires, ces engins spatiaux dépendent de batteries pendant les éclipses. Ainsi, les chercheurs de l’UNSW appliquent désormais la technologie pour générer de l’énergie pour les satellites lorsqu’ils orbitent dans l’obscurité.

La technologie, d’abord utilisée dans l’espace, a maintenant été employée pour produire d’énormes quantités d’électricité à partir de l’énergie solaire pour nos foyers, et de manière similaire, le professeur Ekins-Daukes envisage « de faire voler la diode radiative dans l’espace d’ici les deux prochaines années ».

Cliquez ici pour découvrir pourquoi l’augmentation de l’utilisation de l’énergie solaire marque le début de l’ère solaire.

Le passage à une énergie solaire propre et abondante

Étant donné que les panneaux solaires ont besoin de la lumière du soleil pour produire de l’énergie et ne peuvent donc pas fonctionner la nuit, de nombreuses recherches et développements ont cherché des solutions à ce problème.

L’une des solutions mises en œuvre est le stockage par batteries, qui permet de conserver l’excédent de production d’énergie. Cette énergie stockée peut ensuite être utilisée à tout moment, la nuit ou les jours nuageux. Des solutions telles que le Tesla (TSLA ) Powerwall ou le Generac PWRcell offrent une alternative. Ces banques de batteries servent de sources d’électricité hors réseau lors des coupures de courant.

Une autre méthode est le comptage net. Ici, l’accès à un programme de rachat solaire vous permet d’utiliser le réseau électrique local comme batterie. Pour obtenir des crédits de facturation, vous devez renvoyer l’excédent d’énergie généré par vos panneaux solaires pendant la journée au réseau. Les crédits accumulés seront appliqués à votre facture d’électricité pour couvrir votre consommation nocturne.

Des chercheurs ont même créé des panneaux solaires qui captent l’électricité du ciel nocturne. Par exemple, les cellules anti-solaires fonctionnent à l’inverse des panneaux solaires pendant la journée. Il existe également des panneaux à friction qui convertissent le mouvement en énergie et exploitent le rayonnement provenant de surfaces chaudes.

Récemment, des scientifiques de l’Université Stanford ont conçu un nouveau type de panneau solaire capable de produire de l’électricité la nuit. Pour cela, ils ont intégré un générateur thermoélectrique dans les cellules solaires classiques. Non seulement il offre une génération d’énergie continue, mais il améliore également l’efficacité pendant la journée.

Il y a aussi la startup californienne Reflect Orbital, qui a partagé son projet de vendre la lumière du soleil la nuit. Pour y parvenir, elle prévoit d’utiliser une constellation de satellites équipés de miroirs en mylar, orbitant à 370 miles au-dessus de la surface. Ils refléteront la lumière du soleil sur les panneaux solaires de la Terre.

Nous pensons que la lumière du soleil est le nouveau pétrole, et l’espace est prêt à soutenir l’infrastructure énergétique.

– Ben Nowack, co‑fondateur de Reflect Orbital sur X (anciennement Twitter)

Si l’on examine les chiffres, parmi les sources d’énergie propre, le solaire est clairement en tête. 2023 a été une année record pour cette source d’énergie, le monde ayant déployé 447 GW de nouvelle capacité solaire, soit 78 % de l’ensemble des nouvelles capacités renouvelables ajoutées. En enregistrant une hausse de 87 % par rapport à l’année précédente, le marché solaire mondial a connu un taux de croissance qui n’avait pas été observé depuis 2010.

La majeure partie de cette croissance a été tirée par la Chine, qui est le plus grand marché solaire du monde. Elle a ajouté 253 GW de nouvelle capacité photovoltaïque, soit une hausse de 167 %, et a représenté 57 % de la capacité installée mondiale l’année dernière.

Cette « croissance imprévue » de l’énergie solaire totale, selon le rapport Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028, est due à un effondrement massif des prix d’environ 50 % des modules. Cette baisse résulte d’une augmentation substantielle des capacités de fabrication PV mondiales, entraînant des surcapacités.

En plus des commandes des années précédentes enfin installées en 2023, les particuliers, les entreprises et les gouvernements se tournent vers l’énergie solaire comme solution fiable et rentable face à la hausse des prix de l’énergie.

Grâce à une disponibilité accrue des produits, à des améliorations de coûts et aux nombreux avantages offerts par la technologie, le rapport prévoit une « croissance substantielle de la demande d’énergie photovoltaïque solaire dans les années à venir ».

Entreprises qui font progresser le secteur de l’énergie solaire

Examinons maintenant quelques noms de premier plan qui ont adopté des voies alternatives pour générer de l’énergie.

Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) est une de ces entreprises qui exploite des parcs éoliens et des centrales solaires pour fournir une énergie propre et renouvelable, tandis que Ormat Technologies (ORA ) se concentre sur la production d’énergie géothermique. Heliogen est un autre acteur de ce secteur, utilisant l’IA et une technologie de miroirs avancés pour concentrer la lumière du soleil et générer de l’électricité. Enphase Energy (ENPH ) et Piedmont Lithium (ELVR ) dirigent quant à eux le domaine du stockage d’énergie.

#1. Bloom Energy

Cette entreprise utilise la technologie des piles à combustible à oxyde solide pour générer une électricité fiable et efficace. En utilisant leurs serveurs d’énergie pour la production sur site, Bloom Energy (BE ) offre une alternative plus propre à la production d’électricité traditionnelle et réduit la dépendance au réseau.

Au moment de la rédaction, les actions BE s’échangent à 10,80 $, en baisse de 26,82 % depuis le début de l’année, avec une capitalisation boursière de 2,465 milliard $. Bloom Energy affiche un BPA (TTM) de -1,30 et un PER (TTM) de -8,31. Pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 335,8 millions de dollars, soit une hausse de 11,5 % d’une année sur l’autre. La marge brute du trimestre était de 20,4 %, tandis que la perte d’exploitation s’élevait à 23,1 millions de dollars. Bloom Energy a également émis des obligations vertes convertibles à 3 % à cette période pour renforcer son bilan.

De plus, l’entreprise s’est associée au leader de l’IA CoreWeave (CRWV ) pour alimenter le centre de données haute performance détenu par Chirisa Technology Parks. Les piles à combustible Bloom alimenteront également les centres de données AWS de Silicon Valley Power d’une capacité de 20 MW. Selon le PDG de Bloom, KR Sridhar:

Il est désormais largement reconnu que la demande d’électricité devrait largement dépasser l’offre disponible via le réseau. Cela représente une énorme opportunité pour Bloom. Nous constatons un fort intérêt commercial pour nos produits et solutions. Nous continuons à bien exécuter nos plans, à faire progresser notre technologie et à développer notre équipe pour une croissance future.

#2. NextEra Energy

Avec un accent sur le solaire, l’éolien et le stockage par batteries, NextEra est devenue l’un des plus grands producteurs d’énergie renouvelable. Les actions de la société d’électricité et d’infrastructures énergétiques s’échangent actuellement à 83,85 $, en hausse de 38,05 % depuis le début de l’année, ce qui porte la capitalisation boursière de NextEra à 172,27 milliard $. Son BPA (TTM) est de 3,67 et son PER (TTM) de 22,85.

Pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un bénéfice net GAAP de 1,622 milliard de dollars tout en ajoutant plus de 3 000 MW de nouveaux projets d’énergie renouvelable et de stockage à son carnet de commandes. Il y a quelques mois, sa filiale NextEra Energy (NEE ) Resources, conjointement avec Entergy, a annoncé un accord de développement conjoint visant à accélérer la création de jusqu’à 4,5 GW de nouvelles installations de production solaire et de stockage d’énergie.

Conclusion

Le soleil est une ressource d’énergie inépuisable et, lorsqu’il est combiné à des technologies efficaces et avancées, il offre un grand potentiel pour répondre à la demande énergétique mondiale en forte hausse et pour lutter contre le changement climatique.

En tant que leader émergent de la transition mondiale vers l’énergie propre, l’industrie solaire a bénéficié d’importants investissements, dépassant l’ensemble des autres technologies de production combinées l’année dernière ainsi que le développement. Tout cela a conduit à de nombreuses percées technologiques, telles que les cellules solaires à suivi du soleil, les cellules solaires imprimables, les fenêtres photovoltaïques et, bien sûr, la génération d’énergie solaire nocturne, qui peut aider à faire du solaire la solution énergétique à long terme pour les générations futures.

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