On définit souvent l'énergie solaire comme abondante, renouvelable, non polluante et gratuite. Regardons de plus près ces affirmations. 

L'énergie solaire est très abondante

Cette affirmation est exacte, puisque sur les 1.7^.10¹⁷W arrivant en permanence au sommet de l'atmosphère, un peu plus de la moitié atteint le sol, soit environ 10'000 fois la puissance moyenne consommée par l'homme[1]. Autrement dit, il suffirait de capter cette énergie pendant une heure par année ou pendant 10 secondes par jour pour couvrir l'ensemble de nos besoins.

A titre de comparaison, le rayonnement total horizontal vaut:

Dans ces régions, un changement climatique local se fait nettement sentir: l'îlot de chaleur urbain. Il est dû aussi bien à cette pollution thermique qu'aux modifications apportées aux flux d'énergie naturelle induites par l'urbanisation (augmentation de l'absorption solaire, baisse de l'évapotranspiration, effet de serre local dû aux aérosols). Les conséquences de ce microclimat sur la qualité de la vie et le niveau de pollution sont bien connues (voir les problèmes aigus des métropoles comme: Athènes,Los Angeles,Mexico,... [2, 3 à 5]). 

C'est son principal atout mais c'est aussi plus que cela. 70 % des photons solaires incidents, de courte longueur d'onde (0.5 micron) et de direction donnée (possibilité de les concentrer), sont absorbés par la terre. Chacun d'eux est transformé en une vingtaine de photons infrarouges moins énergétiques (longueur d'onde d'environ 10 microns) et isotropiquement distribués vers l'univers. Cette forte augmentation d'entropie permet à un ordre local très puissant de s'instaurer sous la forme de la vie biologique grâce, d'une part, à la photosynthèse et, d'autre part, à l'élévation de température obtenue dans la biosphère. Capter cette énergie pour les besoins de l'homme, c'est en fait l'utiliser une deuxième fois sans augmenter l'entropie totale. 
La notion de flux disponible - limité en intensité mais inépuisable à l'échelle de l'homme - est étroitement liée aux notions d'équilibre et d'autolimitation, indispensables à un développement durable[6]. L'utilisation intensive de l'énergie solaire permettrait de respecter les cycles naturels mais - en conséquence et de façon cohérente - imposerait des contraintes techniques et économiques telles que l'on peut parler de changement de société. Le stock d'énergie épuisable est théorique-ment suffisant pour opérer ce changement. Reste la volonté d'y parvenir puisque le simple jeu du marché ne convergera pas vers ce type de solution. 

L'énergie solaire est non polluante

On ne dira jamais assez que la seule énergie qui ne pollue pas, c'est celle qui n'est pas consommée. Il vaut donc mieux dire que l'énergie solaire est "moins" ou " peu" polluante. La quantification des effets externes de toute technologie est, on le sait, extrêmement difficile et le solaire n'échappe pas à cette règle. Le gain en nuisances obtenu en utilisant l'énergie solaire plutôt qu'une autre source dépendra des applications, des tech-niques utilisées et de beaucoup d'autres facteurs. Il est réel mais les évaluations diffèreront selon l'origine des études, où la part de l'idéologie n'est souvent pas négligeable (pro ou anti nucléaire/solaire). 

L'énergie solaire est gratuite

Juste. Mais il est aussi vrai de dire que le pétrole, le charbon ou l'uranium sont gratuits. 
Ce n'est pas l'énergie primaire elle-même qui a un coût, ce sont les différentes étapes pour son exploitation: extraction: transformation, transport, stockage, distribution .... Ainsi, le coût d'un kWh solaire produit pour chauffer de l'eau comporte le prix de l'extraction (prix des collecteurs solaires), du transport (prix des pompes, tuyauteries, électricité), du stockage (ballon solaire) et de la distribution (tuyauterie), comme pour une autre source d'énergie. 

Enfin, l'énergie solaire utilisée de façon décentralisée transforme l'utilisateur en (auto)producteur avec tous les problèmes que cela pose (gestion de la puissance de pointe, suivi à long terme, calcul du prix de revient au kWh produit et non pas au m² installé, ...). Un côté positif est la prise de conscience par l'utilisateur des problèmes liés à la production et à la distribution de l'énergie. Cela constitue également un frein pour son développement. 

Il est difficile de traiter à fond ce sujet en quelques lignes -et même en quelques pages. On se rapportera par exemple aux références[7 et 8] pour un tour d'horizon Suisse et mondial. Nous nous bornerons a décrire les applications principales de l'énergie solaire. 

La production d'énergie thermique

Il s'agit de l'utilisation la plus ancienne et la plus aisée dont on considérera 3 applications: 
- l'eau chaude sanitaire (température demandée de 20 à 50^oC, toute l'année) 
- l'eau chaude industrielle (température demandée >80^oC, toute l'année) 
- le chauffage des bâtiments (température demandée 20^oC, en hiver et dans les zones tempérées et froides). 

a) l'eau chaude sanitaire 
Un système actif, comprenant capteurs solaires, pompes, tuyauteries, régulation électronique, etc., permet d'extraire et d'utiliser l'énergie thermique issue du rayonnement solaire. Il s'agit d'une application assez ancienne puisque le capteur solaire proprement dit a été inventé par de Saussure (1740-1799) pour mesurer le flux solaire incident. Il disait déjà:«[…] je ne pensais qu'à faire servir cette invention à des usagers qui ne demandent qu'une chaleur peu supérieure à celle de l'eau bouillante [...]». Les recherches effectuées ces dernières années ne l'ont que peu démenti. 

Les capteurs solaires utilisés aujourd'hui ne sont guère différents de celui de Saussure. Une plaque noircie transforme le rayonnement solaire en chaleur qui est évacuée par un fluide, en général de l'eau. Cette plaque est plus ou moins isolée de l'air extérieur selon la température à atteindre. On trouve actuellement des fabricants dans tous les pays du monde pour des produits de qualité et de prix très divers. 

La totalité des bâtiments construits pendant les années 60 seront à rénover dans ces prochaines années et il y aurait là une bonne occasion d'augmenter la part du solaire dans notre approvisionnement énergétique. Ces immeubles sont très souvent la propriété de groupes privés - banques, assurances - et, pour les raisons évoquées plus haut, on peut craindre que seule une infime partie d'entre eux seulement soient équipés de capteurs solaires pour le préchauffage de l'eau chaude et ceci malgré les subventions existantes. 

b) l'eau chaude industrielle 

Il s'agit de maintenir de l'eau à des températures supérieures à 80^oC pour des usages industriels, médicaux ou autres. Pour ce faire, des capteurs solaires plus perfectionnés, donc plus onéreux, doivent être utilisés si l'on veut maintenir un rendement correct pour l'installation (>25%). 

c) le chauffage des bâtiments 

Un bâtiment moyen en Suisse est chauffé à raison d'environ 10% par le soleil. On peut sans trop de problèmes monter cette part à 20-30 % en utilisant mieux le rayonnement solaire à disposition. Certaines maisons du plateau suisse sont même uniquement alimentées par l'énergie solaire (y compris l'électricité). Il y a donc de belles perspectives pour ce qu'on appelle l'architecture bioclimatique[11]. 

Une des plus belles découvertes de l'homme est à la base de l'utilisation passive du rayonnement solaire: le verre. Grâce à ses propriétés optiques, ce matériau réalise l'effet de serre et reste aujourd'hui extrêmement intéressant aussi bien pour l'éclairage que pour le chauffage. Des grands noms d'architectes, comme Frank L.Wright ou Le Corbusier sont associés à une reprise en compte du climat dans le bâtiment. De nombreux systèmes passifs de captation solaire ont été expérimentés et sont basés sur les 3 principes suivants: capter, stocker et restituer (serre, veranda, atrium, double peau, mur trombe...). 

La qualité des vitrages progresse sans cesse: le double vitrage se fait peu à peu détrôner par les vitrages sélectifs qui permettent, pour une transmission du rayonnement solaire à peine plus faible, de réduire les pertes thermiques de moitié. Les derniers produits actuellement mis sur le marché réduisent encore ces pertes à des valeurs équivalentes à celle obtenue avec 5 cm d'isolation, et laissent passer environ 50% du rayonnement solaire. De tels vitrages, qui ont un bilan thermique hivernal positif même au Nord, se composent de 3 couches de verre et ne mesurent que 3 cm d'épaisseur. 

L'utilisation d'un stockage saisonnier de la chaleur demande de gros investissements qui ne sont raisonnables que si la taille du stockage est suffisante pour limiter les pertes thermiques relativement à la quantité de chaleur stockée. La capacité thermique minimum requise va dépendre de la qualité de l'isolation. Pour les stocks peu ou pas isolés, elle est d'environ 50 GJ/kg, soit 20'000 m³ de terre ou 10'000 m³ d'eau[12]. Des stocks plus petits demandent une isolation très poussée dont le volume peut atteindre le volume de stockage actif. Quatre types de stockage ont été expérimentés: 
- Les stocks diffusifs par puits forés ou battus. Le fluide caloporteur circule dans un réseau de tubes verticaux distants d'environ 2.5 m. L'excavation n'est pas nécessaire, ce qui conduit à un coût relativement bas. La puissance de transfert est par contre limitée et il faut veiller à ce qu'aucun déplacement d'eau souterrain n'existe. Un exemple situé pres de Genève a été suivi en détail pendant plusieurs années[12]. Le stockage, constitué de 20'000 m³ de terre, est alimenté en chaleur par 1000 m² de capteurs solaires constituant en même temps la toiture du bâtiment. L'échange de chaleur se fait grâce à 253 puits forés à 15 m de profondeur. La température du stockage oscille annuellement entre 10 et 40^oC et une pompe à chaleur à gaz permet de relever la température à la valeur souhaitée. Ce système fournit 28% des besoins de chauffage du bâtiment. Il serait techniquement possible de monter ce chiffre à 60% en optimisant le stockage afin de pouvoir travailler à plus haute température et se passer ainsi de pompe à chaleur, point faible de ces systèmes. 
- Les stocks en aquifère, où la chaleur est injectée dans la nappe phréatique par circulation d'eau. L'excavation n'est pas nécessaire et les puissances échangées sont importantes. Des problèmes de corrosion peuvent exister. 
- Les stocks en cuve à eau ou en bassin. L'excavation est nécessaire pour les grands volumes, ce qui rend l'opération chère et très sensible au facteur d'échelle. Par contre, la puissance échangée est grande et les flux de chaleur bien contrôlés. La plus grande expérience actuelle se trouve à Lyckebo, en Suède[13], où une énorme caverne de forme toroïdale a été creusée dans le granit (30m de haut, 18m de largeur et 75m de diamètre). Elle est remplie de 100'000 m³ d'eau. La chaleur est fournie par 30'000m² de collecteurs solaires (dont 4'500 m² ont été installés, le reste étant pour le moment fourni par chauffage électrique) et est utilisée par un chauffage à distance. L'énergie est stockée à haute température (90^oC en haut du stock, 40^oC en bas) . 

• les investissements sont élevés et le coût de l'énergie non compétitif;
• le faible développement des réseaux de chauffage à distance; or ce sont justement les grandes installations qui sont les plus intéressantes;

La production d'énergie électrique

La production mondiale d'énergie hydraulique (énergie solaire indirecte) représentait en 1985 environ 450 MTEP, soit un peu moins de 20% de l'électricité produite et 6% de l'énergie primaire totale consommée (contre respectivement 330 MTEP, 13% et 4% pour l'énergie nucléaire). Le potentiel de développement au sud est encore très important. Quant à l'énergie éolienne, elle se développe lentement (*)et de façon très diverse d'un pays à l'autre. Ainsi en Europe, si 520 MW de puissance éolienne ont été installés au Danemark, on en trouve seulement... 3 MW en France, qui possède pourtant plusieurs milliers de km de littoral, en général venteux. 

Deux autres possibilités s'offrent pour transformer directement l'energie solaire en électricité: la voie thermique et la voie photovoltaïque. Regardons-les plus en détail: 

a) La voie thermique 

Le rayonnement solaire est concentré pour obtenir un fluide à haute température permettant d'actionner une turbine couplée à un générateur électrique. Elle n'utilise que le rayonnement direct et ne fonctionne bien que dans les zones très ensoleillées. Plusieurs centrales solaires ont été expérimentées, principalement aux Etats-Unis (déserts californiens), mais une seule méthode s'est avérée commercialement viable, qui est basée sur une faible concentration du rayonnement solaire sur des tubes évacués dans lesquels circule un fluide calopoiteur. 

Basées sur ce principe, les 9 centrales de Luz, en Califomie, atteignent une puissance totale de 300MWe. Elles produisent de l'électricité pour 300'000 personnes à un prix compétitif (environ 12 cents le kWh) puisque vendue aux heures de pointe. 

b) La voie photovoltaïque 

Il s'agit de la voie royale pour le solaire: l'énergie solaire se transforme directement en électricité à l'intérieur d'un matériau. Il n'y a ni usure (aucune pièce en mouvement), ni entretien, ni fluide, ni fumée. 

Le principe de l'énergie photovoltaïque est le suivant: à l'intérieur de certains matériaux, la lumière absorbée est capable de mettre en mouvement les électrons qui s'y trouvent, créant ainsi un courant électrique utilisable. Les semiconducteurs sont un milieu favorable, sous forme monocristalline, polycristalline ou amorphe. D'autres matériaux plus complexes sont actuellement en développement, comme les films semiconducteurs nanocristallins colorés de Graetzel (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne)[15]. Toutes ces cellules produisent un courant électrique proportionnel à la lumière incidente et à un potentiel à peu près constant (1/2 à 1 volt par cellule). Le groupement de cellules en panneaux et de panneaux entre eux permet de générer courants et tensions continus aux valeurs désirées. 

Pour les petits systèmes isolés, indépendants et autonomes, les panneaux doivent être couplés à des batteries permettant le stockage de l'énergie et auxquelles se raccorde l'utilisateur. Ce type de systèmes est de plus en plus employé dans les zones isolées, dans les pays du Nord comme dans les pays du Sud. Ils délivrent en fait plus des prestations (éclairage, frigo...) que du kwh. Ils apporteront sans doute beaucoup à l'amélioration des conditions de vie des habitants du Sud sans que cela soit réellement visible sur les statistiques: l'énergie produite n'est pas vendue mais utilisée directement par le propriétaire du système. 

Une autre possibilité est de coupler directement les panneaux sur le réseau électrique par le biais d'un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif. Un ou plusieurs utilisateurs peuvent se connecter entre l'onduleur et le réseau. Un comptage électrique est alors réalisé sur les flux entrant et sortant. 

La puissance des centrales photovoltaïques est modulable depuis quelques watts jusqu'à quelques MW ou plus. 

Indépendamment de leur qualité, chaque W photovoltaïque installé fournit environ 1 kWh d'électricité chaque année à Genève, 2 kWh dans les pays les plus ensoleillés. Chaque m² de cellules fournissent environ 100 W. 

Le prix de l'énergie photovoltaïque est encore élevé; un ordre de grandeur supérieur à celui du marché actuel. Si l'on considère une baisse du prix de l'unité électrique photovoltaïque produite de 50% tous les 10 ans, ce qui a été grossièrement observé ces 2 dernières décennies, il faudrait attendre une trentaine d'années pour que l'électricité photovoltaïque soit commercialement rentable en plus de ses autres qualités. Avec les techniques actuelles, cette baisse de prix est hypothétique car on ne sait pas quel potentiel d'amélioration existe encore. Le développement des cellules de Graetzel à coût nettement plus bas (1/6)15 laisse pourtant présager un avenir meilleur à cette technologie. 

Il faut distinguer les pays du Nord (en fait plus au nord que le 30e à 40e parallèle de l'hémisphère nord) et les pays du Sud (le reste): 

L'énergie solaire a un beau rôle à jouer pour la production pour autant qu'elle continue à progresser techniquement et qu'elle se rapproche des coûts des autres énergies. Cela nécessite d'encourager les efforts de recherche et de développement et, en parallèle, d'agir sur le prix des autres énergies pour prendre en compte les coûts externes liés à leur utilisation.