Solutions de stockage d’énergie solaire : efficacité augmentée de « plus d’un ordre de grandeur » grâce à une percée de conversion

« La capacité mondiale à produire de l’électricité renouvelable s’accélère plus rapidement que jamais au cours des trois dernières décennies », a déclaré l’Agence internationale de l’énergie dans un rapport publié plus tôt cette année.

Cette croissance, selon l’organisation intergouvernementale autonome basée à Paris, offre « une réelle chance de réaliser » l’objectif de tripler la capacité mondiale, fixé lors de la conférence sur le climat COP28, d’ici la fin de cette décennie.

La capacité renouvelable a augmenté de façon significative au cours de la dernière décennie, l’énergie solaire jouant un rôle majeur à cet égard. En 2023, les sources renouvelables ont produit 30 % de l’électricité mondiale, et le photovoltaïque solaire représentait les trois quarts des nouvelles ajouts de capacité renouvelable dans le monde.

Cela s’explique par le fait que le coût de l’énergie solaire continue de diminuer, devenant moins cher que le charbon. En plus d’offrir des avantages économiques tels qu’une certitude de coût sur le long terme, l’énergie solaire renforce également la résilience et réduit les émissions de carbone.

Cependant, malgré ces avantages et le fait que 50 % de la consommation finale d’énergie mondiale est utilisée pour le chauffage, l’utilisation de l’énergie solaire reste faible comparée aux sources d’énergie fossile.

Cela s’explique par les limitations propres à l’énergie solaire, notamment son indisponibilité la nuit, alors que la demande maximale d’énergie survient généralement le soir. De plus, le changement climatique affecte à la fois la demande et l’offre.

« Nous devons réfléchir à la manière dont le changement climatique affectera le système énergétique dans son ensemble, car, malheureusement, aucun système de production d’électricité n’est à l’abri des impacts du changement climatique. »

– Romany Webb, directrice adjointe du Sabin Center for Climate Change Law à la Columbia Climate School

En ce qui concerne l’impact climatique, la fréquence accrue des vagues de chaleur rend les panneaux solaires moins efficaces, tandis que la demande accrue de climatisation sollicite le réseau et affecte négativement le système. Il a été constaté que les ouragans réduisent la production photovoltaïque de 18 % à 60 %, tandis que les cyclones tropicaux peuvent faire chuter le rayonnement solaire de 80 %. Les intempéries extrêmes, comme les vents violents, peuvent également endommager davantage les infrastructures solaires.

Toutes ces limitations signifient que un stockage d’énergie solaire efficace peut ouvrir une multitude de possibilités.

Des solutions de stockage efficaces permettent de stocker l’excédent d’énergie pour une utilisation pendant les pics de consommation lorsque le soleil se couche. Ainsi, les charges électriques peuvent être équilibrées en fonction de la demande et de l’offre, assurant un flux d’énergie constant.

Le stockage de l’énergie solaire offre également une protection lors d’événements perturbateurs tels que les incendies de forêt, où le réseau énergétique devient vulnérable aux pannes.

Alors, quelles sont ces solutions de stockage ? Elles se répartissent généralement en trois catégories principales : les batteries, les systèmes mécaniques et les systèmes thermiques. Parmi celles-ci, les batteries, en particulier les batteries lithium‑ion, sont la méthode la plus courante et la plus rentable pour le stockage de l’énergie solaire.

Cependant, les chercheurs proposent constamment de nouvelles innovations. Une toute nouvelle approche pour capter et stocker l’énergie solaire plus efficacement implique l’utilisation de stratégies de sensibilisation encore peu explorées.

Collecte et stockage d’énergie solaire plus efficaces

Pour répondre au problème principal de l’utilisation limitée de l’énergie solaire mondiale — l’intermittence de sa disponibilité directe — des chercheurs des universités Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de Siegen ont développé des systèmes moléculaires de stockage de l’énergie solaire.

Contrairement aux systèmes traditionnels de stockage thermique qui ne conservent l’énergie que pendant de courtes périodes, les systèmes moléculaires de stockage d’énergie solaire peuvent la stocker sur une période prolongée, de plusieurs semaines à plusieurs mois. Cela s’explique par le fait que l’énergie solaire est ici stockée sous forme de liaisons chimiques.

Le fonctionnement des systèmes moléculaires de stockage d’énergie solaire repose sur le fait que des molécules spécialisées ou des photoswitches absorbent d’abord l’énergie solaire, puis la libèrent sous forme de chaleur à la demande.

Même ce système n’est pas exempt de défis. Le problème principal avec l’excitation des photoswitches réside dans le compromis entre une absorption efficace de la lumière solaire et la capacité de stockage d’énergie. Cela limite les performances globales des systèmes moléculaires de stockage d’énergie solaire.

Ainsi, l’équipe de recherche de Mayence et de Siegen a mené une étude pour surmonter ce problème en utilisant une nouvelle approche.

La nouvelle classe de photoswitches a d’abord été présentée à Siegen, démontrant un potentiel de stockage d’énergie incroyable comparé aux batteries lithium‑ion traditionnelles.

La chimie de batterie la plus largement utilisée, ces batteries comprennent une ou plusieurs cellules lithium‑ion ainsi qu’un circuit imprimé. Une cellule lithium‑ion possède des électrodes, une anode, une cathode, un électrolyte qui conduit l’électricité, des collecteurs de courant et un séparateur. Un photoswitch, quant à lui, est une molécule qui modifie sa géométrie structurale et ses propriétés chimiques lorsqu’elle est exposée à un rayonnement électromagnétique.

Le photoswitch novateur, bien qu’ayant un potentiel de stockage d’énergie exceptionnel, était limité à une activation par la lumière ultraviolette (UV). La lumière UV possède des longueurs d’onde de 10 à 400 nanomètres et ne représente qu’une petite partie du spectre solaire.

Ainsi, la dernière étude a proposé une technique de capture de lumière indirecte. Celle‑ci ressemble à la façon dont la capture de lumière fonctionne dans la photosynthèse. Ici, un second composé est incorporé, à savoir un sensibilisateur qui présente d’excellentes propriétés d’absorption de la lumière visible. Selon le professeur Christoph Kerzig du département de chimie de la JGU, qui a dirigé l’étude avec l’étudiant en doctorat Till Zähringer :

« Dans cette approche, le sensibilisateur absorbe la lumière puis transfère l’énergie au photoswitch, qui ne peut pas être directement excité dans ces conditions. »

Grâce à cette nouvelle approche, les équipes de recherche ont amélioré l’efficacité du stockage d’énergie solaire de plus d’un ordre de grandeur. Cette avancée majeure dans la conversion d’énergie ouvre des applications potentielles tant pour les solutions de chauffage domestique que pour le stockage d’énergie à grande échelle.

L’équipe de recherche basée à Mayence a également réalisé des analyses spectroscopiques approfondies pour explorer le système complexe afin de comprendre le mécanisme sous‑jacent.

Acquérir une compréhension détaillée du fonctionnement du système aidera à « repousser considérablement la limite de la capture de lumière », a déclaré le premier auteur Zähringer, ajoutant que cela pourrait également améliorer l’efficacité de conversion de la lumière en énergie chimique stockée.

En conditions opérationnelles, chaque photon absorbé peut déclencher un processus de formation de liaison chimique. Cela est rarement observé dans les réactions photochimiques en raison de plusieurs canaux de perte d’énergie.

Les chercheurs ont validé avec succès la robustesse de la praticité du système en alternant de nombreuses fois entre les états de stockage et de libération d’énergie à l’aide de la lumière solaire, soulignant le potentiel du système pour des applications réelles.

Derniers développements dans la collecte et le stockage de l’énergie solaire

Étant donné le rôle important que joue le solaire dans le mix énergétique renouvelable, il est devenu le centre d’intérêt croissant des chercheurs, des entreprises et des initiatives gouvernementales, qui cherchent à approfondir leur compréhension du fonctionnement global et à développer de meilleures solutions pour capter l’énergie et son stockage.

De nouvelles recherches de l’Université d’État de Caroline du Nord se sont concentrées sur une compréhension plus approfondie de ce qui se passe dans les cellules organiques lorsque la lumière du soleil se convertit en électricité. Pour visualiser les interfaces où l’énergie lumineuse se transforme en charges électriques, les chercheurs ont développé une méthode novatrice, la microscopie à sonde de balayage, et l’ont utilisée pour améliorer l’efficacité des cellules solaires.

Fabriquées à partir de matériaux polymères à base de carbone, les cellules solaires organiques ont le potentiel d’être utilisées pour des applications solaires flexibles et légères ainsi que pour des fenêtres semi‑ou totalement transparentes, mais elles ne sont pas aussi efficaces que les technologies solaires à pérovskite ou à silicium pour convertir la lumière en électricité.

Cela s’explique par le fait que ces cellules sont constituées d’un mélange de deux matériaux ; l’un capte les électrons (donneur) mais doit ensuite interagir avec le second pour les transférer (accepteur), et les interfaces entre les deux sont responsables d’une perte de tension, limitant ainsi l’efficacité des cellules solaires organiques.

La dernière étude a constaté que le différentiel d’énergie entre les matériaux donneur et accepteur constituants, ainsi que le désordre énergétique le long des interfaces, entraînent une perte de tension.

Selon le co‑auteur Aram Amassian, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord, le choix de matériaux avec des décalages énergétiques minimaux réduit les pertes de tension. Les paramètres de solvant et de traitement qui diminuent le désordre interfacial peuvent également réduire davantage les pertes d’énergie.

Une autre étude récente s’est donnée pour tâche d’estimer de manière fiable la capacité des systèmes de stockage d’énergie domestiques afin d’avoir une idée du déploiement futur de systèmes photovoltaïques résidentiels efficaces.

Pour cela, les chercheurs ont introduit une technique d’estimation de capacité évolutive, qui implique trois étapes clés: déterminer quand un système de stockage est à pleine capacité et quand il est vide, puis calculer la capacité entre ces deux états.

Elle a ensuite été utilisée pour mesurer 21 systèmes basés sur des batteries lithium‑ion dans des foyers privés en Allemagne sur huit ans. L’analyse a révélé que, en moyenne, les systèmes perdaient 2 à 3 % de leur capacité chaque année.

Il est à noter que la méthode peut être utilisée par les fabricants et les entreprises d’énergie solaire pour estimer la capacité de leurs systèmes de stockage d’énergie. De plus, les chercheurs ont publié un ensemble de données exhaustif, comprenant 14 milliards de points de données couvrant plus de 100 ans, pouvant être exploité pour des études supplémentaires ou pour entraîner des modèles computationnels.

Plus tôt cette année, en juin, des chercheurs ont également développé un système de capture de lumière innovant capable d’« absorber une grande quantité d’énergie lumineuse dans une couche mince relativement », à l’instar des systèmes naturels de capture de lumière.

En possédant une structure de bande similaire à celle des semi‑conducteurs inorganiques, il peut absorber la lumière panchromatiquement sur l’ensemble du spectre visible, tandis que l’utilisation de coefficients d’absorption élevés des colorants organiques lui permet d’absorber une grande quantité d’énergie.

Le système comporte quatre colorants mérocyanine différents qui sont repliés et empilés étroitement, permettant un transport d’énergie ultra‑rapide et efficace à l’intérieur. Il a été constaté que le système pouvait convertir 38 % de l’énergie lumineuse irradiée.

Pour un stockage efficace de l’énergie solaire et réduire les pertes de conversion, des chercheurs du monde entier se sont également réunis plus tôt cette année afin de étudier la dynamique des transformations photo‑ et électrochimiques afin de concevoir une molécule mieux adaptée aux fonctions souhaitées.

Les chercheurs se penchent sur le norbornadiene, qui est un isomère d’hydrocarbure comportant deux anneaux moléculaires et, lorsqu’il est exposé à la lumière UV, se convertit en quadricylane fortement tendu.

Étant donné que la densité d’énergie pure du système norbornadiene‑quadricylane est comparable à celle d’une batterie lithium‑ion, si sa conversion inverse peut être contrôlée de manière fiable, cela pourrait permettre de réaliser un module solaire efficace également adapté au stockage d’électricité.

Se concentrer sur les molécules d’hydrocarbure offre une méthode rentable qui ne nécessite aucun métal rare et peut être facilement recyclée ou éliminée. Tous ces développements récents dans le secteur témoignent de l’intérêt croissant pour l’augmentation de l’adoption de l’énergie solaire à l’échelle mondiale.

Entreprises susceptibles de bénéficier de cette avancée

Nous allons maintenant examiner deux des noms les plus en vue qui peuvent bénéficier ou proposer un tel système de stockage d’énergie solaire moléculaire. Ces deux noms sont NextEra Energy, Inc. (NEE ) et Enphase Energy, Inc. (ENPH ), toutes deux des entreprises basées aux États‑Unis et activement impliquées dans les énergies renouvelables.

1. NextEra Energy (NEE )

Connue pour ses investissements dans les technologies d’énergie renouvelable, NextEra Energy peut bénéficier de cette technologie en termes d’efficacité de stockage.

Avec une capitalisation boursière de 161 milliards de dollars, les actions de NextEra s’échangent actuellement à 78,37 $, en hausse de plus de 29 % cette année. L’entreprise affiche un BPA (TTM) de 3,37 et un PER (TTM) de 23,24, tout en versant un rendement de dividende de 2,63 %.

La société d’infrastructure énergétique a récemment rapporté les résultats financiers du 3T24, révélant que son bénéfice net a bondi à 1,85 milliard de dollars, contre 1,29 milliard de dollars au 3T 2023. Le bénéfice ajusté par action a quant à lui augmenté de 10 % d’une année sur l’autre. Selon son PDG John Ketchum, ces résultats montrent une « performance financière et opérationnelle solide et continue ».

Par ailleurs, la Florida Power & Light Company (FPL), filiale de NextEra Energy, a enregistré un bénéfice net de 1,29 milliard de dollars, tandis que ses dépenses d’investissement s’élevaient à 2 milliards de dollars, et le capital réglementaire employé a augmenté de 9,5 % d’une année sur l’autre. En évoquant l’impact des ouragans Helene et Milton sur ses clients floridiens, Ketchum a souligné que les « investissements de FPL dans le renforcement et la technologie de réseau intelligent ont évité des centaines de milliers de pannes ».

Actuellement, NextEra Energy Resources, pour le deuxième trimestre consécutif, a ajouté environ 3 gigawatts de nouveaux projets d’énergies renouvelables et de stockage à son carnet de commandes. Elle a également annoncé des accords avec deux clients du Fortune 50 pour le développement de projets renouvelables et de stockage, totalisant jusqu’à 10,5 gigawatts d’ici 2030.

« La performance solide et continue de nos activités ainsi que notre envergure, notre expérience et notre technologie nous permettront de tirer parti de l’opportunité que la demande accrue d’électricité apporte à notre secteur. »

– Ketchum, PDG de NextEra Energy

La semaine dernière, la société leader de l’énergie propre a conclu un accord pour vendre pour 1,5 milliard de dollars d’unités d’actions à d’importantes institutions financières, dont Goldman Sachs (GS ), J.P. Morgan et Mizuho. Les fonds seront utilisés pour des investissements dans des projets énergétiques liés à l’IA et pour rembourser ses obligations de papier commercial en cours.

Alors que la frénésie de l’IA entraîne une demande croissante d’énergie provenant des centres de données IA et que l’entreprise se concentre sur le développement de son activité d’énergie renouvelable, NextEra Energy mène également des études et discute avec les régulateurs fédéraux du redémarrage de la centrale nucléaire Duane Arnold dans l’Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Spécialisée dans les onduleurs solaires et le stockage, Enphase Energy pourrait également élargir son offre pour inclure un stockage moléculaire innovant, si cela s’avère commercialement viable, afin d’améliorer la résilience et l’efficacité énergétique pour ses consommateurs.

Avec une capitalisation boursière de 11,8 milliards de dollars, les actions d’Enphase s’échangent actuellement à 87,46 $, en baisse de 33,87 % cette année. L’entreprise affiche un BPA (TTM) de 0,44 et un PER (TTM) de 198,82. Au troisième trimestre 2024, la société technologique énergétique mondiale a déclaré un chiffre d’affaires de 380,9 millions de dollars et une marge brute non GAAP de 48,1 %. Au cours de cette période, Enphase a expédié plus de 1,73 million de micro-onduleurs et 172,9 MWh de batteries.

Le principal fournisseur mondial de systèmes solaires et de batteries basés sur des micro-onduleurs a, quant à lui, clôturé le trimestre avec 161,6 millions de dollars de flux de trésorerie disponible, tandis que la trésorerie, les équivalents de trésorerie et les titres négociables s’élevaient à 1,77 milliard de dollars.

Durant cette période, Enphase a lancé un logiciel basé sur l’IA pour optimiser l’utilisation de l’énergie en intégrant la prévision solaire et de consommation avec les tarifs électriques afin d’aider les consommateurs à maximiser leurs économies.

En octobre, l’entreprise a commencé à expédier les micro-onduleurs IQ8™ pour soutenir les panneaux solaires plus récents et à haute puissance dans certains pays, a élargi son soutien aux programmes de services de réseau (ou centrales virtuelles) dans certains États américains, et a lancé les micro-onduleurs IQ8X avec la garantie résidentielle standard la plus longue, soit 25 ans, en Australie.

Au cours des deux mois précédents, elle a lancé son système Enphase Energy le plus puissant à ce jour, annoncé une solution pour étendre les systèmes de comptage net d’énergie (NEM) hérités en Californie sans pénalité, lancé des connecteurs NACS pour les chargeurs IQ EV, et expédié les micro-onduleurs IQ8 pour soutenir les modules solaires plus récents et à haute puissance dans certains pays d’Europe. Elle a également introduit IQ Energy Management afin de permettre la prise en charge des tarifs d’électricité dynamiques et l’intégration de chargeurs EV tiers et de pompes à chaleur aux Pays‑Bas.

L’entreprise se prépare désormais au lancement du chargeur EV IQ® de 2ᵉ génération, de la batterie IQ à 3 phases avec secours, et du kit solaire de balcon IQ® pour le marché européen, tandis que son système énergétique de quatrième génération, comprenant le collier de compteur IQ®, la batterie IQ de 10 kWh et le combineur IQ® amélioré, sera présenté aux États‑Unis au début de l’année prochaine.

Dans l’ensemble, les ventes d’Enphase en Europe ont chuté de 15 % par rapport au deuxième trimestre en raison d’« un affaiblissement supplémentaire de la demande européenne », tandis que le retour des stocks à des niveaux normaux a fait augmenter son chiffre d’affaires aux États‑Unis de 43 % d’un trimestre à l’autre.

Conclusion

Dans le cadre de l’effort mondial en faveur des énergies renouvelables, l’énergie solaire s’est imposée comme un acteur majeur offrant une solution propre et abondante. Cependant, son adoption à l’échelle mondiale est freinée par le coût, le manque de solutions plus efficaces et l’absence d’infrastructures, entre autres facteurs.

Les avancées récentes, allant du stockage solaire moléculaire aux innovations des cellules solaires organiques, offrent un grand potentiel pour rendre l’énergie solaire plus efficace, aider à répondre à la demande mondiale d’électricité, même dans des conditions défavorables, et ouvrir la voie à un avenir durable.

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