Énergie solaire

L'utilisation de l'énergie solaire remonte à l'Antiquité, alors que les Grecs allument la flamme olympique grâce à un système de miroirs concentrant les rayons du Soleil, appelé skaphia[3].

Les applications pratiques apparaissent au XVII^e siècle. Le Français Salomon de Caus construit en 1615 une pompe solaire, grâce à l'utilisation d'air chauffé par le rayonnement solaire. François Villette, opticien au château de Versailles, conçoit un miroir en bronze (appelé « miroir ardent ») d'un mètre de diamètre, grâce auquel il fait des démonstrations de fusion d'objets[4].

En 1747, Georges-Louis Leclerc de Buffon expérimente un miroir qui concentre la lumière du soleil en un point focal. Il arrive à faire fondre un morceau d'argent (soit plus de 1 044 °C). Dans les années 1780, Horace Bénédict de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du soleil qu'il nomme « hélio thermomètre ». Cet instrument utilise l'effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d'un absorbeur dans un caisson isolé[5]. Il crée ainsi un capteur solaire thermique à basse température[6]. À la fin du XVIII^e siècle, grâce à une lentille à liquide qui concentre les rayons solaires, Antoine Lavoisier construit un four solaire[7],[5] qui atteint la température de 1 800 °C.

La conversion de la lumière en électricité, exploitant l'effet photovoltaïque, est découverte par Edmond Becquerel en 1839[8], mais il faut attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène physique. En 1875, Werner von Siemens publie un article sur l'effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs ; en 1887, Heinrich Hertz présente sa compréhension du phénomène dans les Annalen der Physik[9].

Entre la fin du XIXe siècle et le milieu du XXe, les essais de plusieurs chercheurs restent infructueux, en raison de faibles rendements et de coûts prohibitifs.

En 1916, Robert Andrews Millikan est le premier à produire de l'électricité avec une cellule solaire[10], cependant le rendement est insuffisant. En 1954, Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller réussissent à produire des cellules atteignant un rendement de 6 %, grâce à du silicium dopé, c’est-à-dire contenant une petite proportion d’un autre élément, par exemple du phosphore[11]. Les Laboratoires Bell construisent le premier panneau solaire, mais il est trop coûteux pour être produit en série. C'est la conquête spatiale qui fait réellement progresser l'énergie solaire ; le panneau solaire est le seul moyen non-nucléaire d'alimenter des satellites en énergie, de plus l'énergie solaire est une source d'énergie constante pour les satellites en orbite. De fait, c'est en 1958 qu'a lieu le premier lancement d'un satellite fonctionnant à l'énergie photovoltaïque[11]. L'industrie spatiale investit beaucoup de fonds^{[réf. souhaitée]} dans le développement des panneaux solaires.

Pendant les années 1970 et 1980, des efforts sont faits pour réduire les coûts, afin que l'énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres. L'énergie solaire connaît un second élan au cours du premier choc pétrolier dans les années 1970. Alors que le prix du pétrole augmente de façon spectaculaire, les panneaux solaires photovoltaïques commencent à être utilisés pour la première fois dans les maisons. En 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l'université du Delaware et, en 1983, la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie. Depuis, les panneaux solaires se développent lentement. L'énergie solaire connaît un nouvel essor parallèlement à la prise de conscience du réchauffement de la planète et à l'augmentation des prix de l'énergie.

L'énergie solaire devient une priorité pour de plus en plus de pays. Des centrales solaires sont en cours de construction dans le monde entier. Les entreprises du secteur électrique et les gouvernements offrent des subventions et des réductions pour encourager les propriétaires à investir dans l'énergie solaire pour leur maison. En effet, en 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau sont lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.

De nouveaux types de panneaux solaires sont développés : panneaux solaires très fins (4 mm d'épaisseur) et flexibles, peintures solaires, etc.. L'objectif est de réduire très fortement le coût de l'énergie solaire.

En novembre 2015 est fondée l'Alliance solaire internationale (ou ISA, pour International solar alliance). Le projet est porté par Narendra Modi, alors Premier ministre de l'Inde. Cette alliance, soutenue par le secteur privé, doit réunir les États disposant d'importantes ressources solaires afin de mieux coordonner le développement de leur exploitation (thermique et photovoltaïque) via des actions de formation, de standardisation de matériels, de partage d'expériences, des coentreprises, etc. La cérémonie de lancement, organisée par l'Inde et la France, a lieu lors de la Conférence de Paris de 2015 sur les changements climatiques[12].

Répartition quotidienne moyenne de l'énergie solaire reçue au sol sur Terre. Les disques noirs représentent la surface nécessaire pour satisfaire toute la demande énergétique de la planète en 2007 au moyen de capteurs photovoltaïques d'une efficacité de 8 %.

La Terre reçoit 174 pétawatts (PW) de rayonnement solaire entrant (irradiation solaire) dans la haute atmosphère), soit environ 340 W/m² (rayonnement solaire incident moyen à la surface de la Terre)[14]. Environ 30 % sont réfléchis dans l'espace tandis que le reste est absorbé par les nuages, les océans et la masse terrestre. Le spectre du rayonnement solaire à la surface de la Terre est principalement réparti entre le spectre visible et les infrarouges proches, ainsi qu'une petite partie située dans les ultraviolets proches[15].

L'énergie solaire totale absorbée chaque année par l'atmosphère terrestre, les océans et les masses terrestres est d'environ 3 850 zettajoules (10²¹ joules, ou ZJ)[16]. En 2002, cela représente plus d'énergie produite en une heure que la consommation humaine sur une année[17]^,[18]. Pour comparaison, le vent contient 2,2 ZJ[19] ; la photosynthèse capture environ 3 ZJ par an dans la biomasse[20]. La quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la planète est si importante que, en un an, elle représente environ deux fois l'énergie obtenue de toutes les ressources non renouvelables de la Terre — charbon, pétrole, gaz naturel et uranium combinés — exploitées de tout temps par l'Homme[21]. L'ensemble des usages humains de l'énergie représente en effet en 2005 0,5 ZJ[22], dont 0,06 ZJ sous forme d'électricité[23].

La majorité de la population mondiale vit dans des zones où le niveau d'irradiation solaire est compris entre 150 et 300 W/m², soit 3,5 à 7,0 kWh/m² par jour[24].

Le rayonnement solaire est absorbé par la surface terrestre, les océans — qui couvrent environ 71 % du globe — et l'atmosphère. L'air chaud contenant l'eau évaporée des océans s'élève, provoquant une circulation atmosphérique ou une convection. Lorsque l'air chaud atteint une altitude élevée, où la température est basse, la vapeur d'eau se condense en nuages, puis s'écoule sur la surface de la Terre sous forme de pluie, complétant ainsi le cycle de l'eau. La chaleur latente de la condensation de l'eau réchauffe à son tour l'air ambiant et amplifie la convection, produisant des phénomènes atmosphériques tels que le vent, les cyclones et les anticyclones[25]. Le rayonnement solaire absorbé par les océans et les masses terrestres représente environ 240 W/m² et, ajouté à l'effet de serre, maintient la surface à une température moyenne de 14 °C[26]. Par photosynthèse, les plantes vertes convertissent l'énergie solaire en énergie stockée chimiquement, qui produit de la nourriture, du bois et la biomasse dont sont dérivés les combustibles fossiles[27].

Un héliostat de la centrale solaire Thémis.

L'énergie solaire reçue en un point du globe dépend tout d'abord de l'énergie électromagnétique (lumière visible, infrarouge, ultraviolet et autres rayonnements) émise par le Soleil et arrivant sur Terre, qui connaît des fluctuations décennales, saisonnières et ponctuelles. La latitude, la saison et l'heure influent ainsi sur la hauteur du Soleil et donc sur l'énergie reçue au sol par unité de surface, ainsi que sur la nébulosité en fonction du climat local. Enfin, cette nébulosité (nuages, brouillards, etc.) varie considérablement selon la géographie et les conditions météorologiques ; elle est forte à très forte dans les régions océaniques tempérées et subpolaires ainsi que dans les régions équatoriales, mais faible à très faible en période anticyclonique et dans les régions arides subtropicales ou polaires[28]^,[29]^,[30].

Ainsi, le flux maximum d'énergie solaire reçu au sol terrestre se rencontre-t-il sous les tropiques secs (ou arides), c'est-à-dire dans les déserts chauds où les conditions météorologiques et géographiques sont optimales : basse latitude, vaste espace, ensoleillement ininterrompu, ciel clair, grande sécheresse de l'air. Le Sahara, le plus grand désert chaud du monde, est la région de la Terre qui reçoit le plus amplement la chaleur et la lumière du Soleil[31]. C'est en effet la contrée du globe où la durée de l'insolation moyenne est la plus élevée (jusqu'à 4 300 h/an soit entre 97 et 98 % du jour)[32] et où l'irradiation solaire moyenne est la plus grande, qui atteint plus de 280 W/m² en moyenne sur l'année[33]^,[34].

La centrale solaire thermodynamique SEGS, dans le désert des Mojaves, en Californie.

Or, les régions les plus ensoleillées sont rarement les plus consommatrices d'énergie. Le rapport solaire, défini comme l'énergie solaire reçue rapportée à l'énergie consommée localement, atteint ainsi à peine 100 pour les pays les plus consommateurs, mais plus de 10 000 pour certains pays du tiers monde. Si l'on tient compte de l'efficacité relativement faible des capteurs solaires, il ressort que l'énergie solaire représente un gisement considérable pour les pays en développement, tandis qu'elle ne peut répondre que marginalement à la consommation des pays développés[35].

La collecte et le transport d'énergie depuis le Sahara vers les pays développés est donc envisagée. Elle bute néanmoins sur des obstacles techniques et politiques, et les projets comme Desertec ne sont pas encore d'actualité[36]. Au contraire, les zones développées, à la consommation importante et disposant de la technique requise, voient des réalisations de plus en plus importantes apparaître à leurs confins. Ainsi, dans le désert des Mojaves (Californie et Arizona) se trouvent les plus grandes centrales solaires thermodynamiques au monde, notamment la centrale solaire SEGS, d'une puissance totale de 354 MW[37]. Par ailleurs, l'utilisation de traqueurs solaires permet d'augmenter considérablement le potentiel de l'énergie solaire dans des régions plus éloignées de l'équateur[38], tandis que la reconversion d'ombrières de parking en centrales électriques solaires et l'utilisation de toits d'habitations permet de répondre aux problèmes de place[39].

En 2000, le Programme des Nations unies pour le développement et le Conseil mondial de l'énergie ont publié une estimation de l'énergie solaire pouvant potentiellement être utilisée par les êtres humains chaque année, qui tient compte de facteurs tels que l'ensoleillement, la couverture nuageuse et les terrains utilisables par les humains. Selon elle, d'ici 2100, 70 % de l'énergie consommée sera d'origine solaire[40].

La plus ancienne et certainement la plus importante, quoique discrète, utilisation de l'énergie solaire consiste à bénéficier de l'apport direct du rayonnement solaire, c'est-à-dire l'énergie solaire passive. Pour qu'un bâtiment bénéficie au mieux des rayons du Soleil, on doit tenir compte de l'énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, surface vitrée orientée vers le Sud, isolation thermique, etc.). L'apport solaire passif représente alors une part importante du chauffage et de l'éclairage du bâtiment et les économies d'énergies peuvent être importantes.

L'habitat passif désigne un bâtiment dont les dépenses d'énergie de chauffage sont réduites d'environ 80 % par rapport à une maison neuve construite selon les normes allemandes d'isolation thermique de 1995^{[réf. nécessaire]}. L'énergie solaire passive permet donc de chauffer tout ou partie d'un bâtiment pour un coût proportionnel quasi nul, en tirant parti des conditions d'un site et de son environnement, selon les principes de l'architecture bioclimatique.

Le four solaire d'Odeillo.

L'énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur issue du rayonnement solaire. Cet usage se décline en divers procédés :

• en usage direct de la chaleur : chauffe-eau, chauffage solaire dont fours solaires, cuisinières et sécheuses solaires, par exemple ;
• en usage indirect, la chaleur servant pour un autre usage : rafraîchissement solaire, centrales solaires thermodynamiques, etc.

Apparue dans les années 1970, la cuisine solaire consiste à préparer des plats à l'aide d'un cuiseur ou d'un four solaire. Les petits fours solaires permettent des températures de cuisson de l'ordre de 150 °C, les paraboles solaires permettent de préparer les mêmes plats qu'une cuisinière classique à gaz ou électrique.

L'utilisation de l'énergie solaire pour la cuisson des aliments, au-delà d'être gratuite et abondante sur certaines zones géographiques, permet également de réduire la déforestation dans certains pays où la cuisine au bois et au charbon est la norme. Elle permet par la même occasion la diminution des émissions de CO₂ dans l'atmosphère, d'environ quatre tonnes de CO₂ par an pour une famille africaine cuisinant au bois par exemple[41].

• Différents types de cuisinières et fours solaires
• 
  Gâteau dans un four solaire Global Sun Oven.
• 
  Four solaire parabolique Alsol 1.4.
• 
  Cuisinière solaire.
• 
  Four solaire de campagne (hauts-plateaux tibétains).

Installation photovoltaïque intégrée au bâti à Fribourg-en-Brisgau, en Allemagne, et la centrale solaire d'Ivanpah, en Californie.

L'énergie solaire peut être convertie en électricité directement, sous forme d'énergie photovoltaïque (PV), ou indirectement dans des centrales concentration, qui convertissent l'énergie thermique récupérée dans des tours solaires. Des lentilles ou des miroirs focalisent la lumière solaire vers celles-ci en un petit faisceau, tandis que les systèmes photovoltaïques convertissent la lumière en courant électrique en utilisant l'effet photoélectrique[42]. En 2019, les installations électriques existantes peuvent couvrir 3 % de la production mondiale[43]. Selon l'Agence internationale de l'énergie, l'énergie solaire devrait produire 16 % de l'énergie électrique mondiale en 2050[44].

Les premières centrales solaires commerciales sont développées dans les années 1980. La plus grande centrale solaire photovoltaïque du monde en 2020, Noor Abu Dhabi (1 177 MWc), a été mise en service en juillet 2019 dans l'émirat d'Abu Dhabi[45]. Construit en 2018, le complexe solaire Noor Ouarzazate, au Maroc, est alors la plus grande centrale solaire thermodynamique du monde par sa capacité de production de 580 MW[46]. Des projets d'énergie solaire de plus de 1 GW sont en cours de développement[47]. La plupart des installations photovoltaïques existantes sont intégrées à des bâtiments ou sur des toits et produisent moins de 5 kW tout en étant connectés au réseau^{[réf. souhaitée]}. Cependant, les centrales solaires de taille commerciale assurent la majeure partie de la production ; ainsi, aux États-Unis en 2019, l'Energy Information Administration comptabilise 69 017 GWh produits par les centrales photovoltaïques de taille commerciale (1 MW et plus) et 3 217 GWh produits par les centrales thermodynamiques, contre 35 041 GWh produits par les installations photovoltaïques de petite taille. Ces dernières représentent donc 32,7 % de la production solaire totale[48].

Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique d'effet photovoltaïque ou la technique associée. L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire par une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles dans un module photovoltaïque, puis les modules sont regroupés pour former des panneaux solaires, installés chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque. Après transformation en courant alternatif grâce à un onduleur, l'installation solaire peut satisfaire un besoin local (en association avec un moyen de stockage) ou être injectée dans un réseau de distribution électrique (le stockage n'étant alors pas nécessaire).

À l'échelle des villes, des cadastres solaires, établis à l'aide de modèles 3D, permettent d'optimiser le positionnement des panneaux solaires[49].

En 2015 en France métropolitaine, la part d'électricité produite par le photovoltaïque a été de 1,4 %[50].

La centrale solaire Thémis.

Le solaire thermodynamique est une technique solaire qui consiste à concentrer l'énergie solaire (via des héliostats, miroirs, etc.) pour produire[51] :

• de l'électricité, sur le même principe qu'une centrale électrique classique (production de vapeur à haute pression qui est ensuite turbinée) ;
• un travail mécanique, en transformant un liquide en gaz[alpha 2] ou en échauffant directement une partie du moteur, comme dans le moteur Stirling.

En Espagne, à la Plataforma Solar de Almería, moteur Stirling installé au foyer d'un miroir parabolique.

Des moteurs Stirling utilisant l'énergie solaire comme source chaude ont été conçus. Ainsi du moteur « Stirling SOLO V160 » de la Plataforma Solar de Almería (en), une première installation datant de 1992 et initialement composée de trois unités paraboliques de 7,5 m de diamètre, en mesure de recueillir jusqu'à 40 kWth d'énergie au moyen du moteur et qui pouvait générer jusqu'à 9 kW en zone focale. Le projet a été suivi par une unité parabolique de 8,5 m, le moteur pouvant générer 10 kWe[53].

Parmi d'autres projets de ce type figure la Sunmachine solaire, présentée au Salon des énergies renouvelables à Paris, en juin 2008[54].

La recherche en France est surtout faite par le secteur privé, mais le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) ont inauguré en novembre 2010 à Chambéry, Certisolis[56], un laboratoire qui sera à la fois un lieu d'essais et de certification selon les standards internationaux NF EN 61215, NF EN 61646, NF EN 61730 et au regard des performances environnementales et énergétiques des modules photovoltaïques. Une trentaine de tests portent sur la production et la sécurité électriques (flash test ou simulateur pulsé, essais diélectriques et de tension, d'impulsion ou d'essais de foudre). Des essais climatiques et d'ensoleillement estiment les effets du vieillissement des modules, (en enceinte climatique, avec expositions au spectre solaire). Des tests mécaniques portent sur la résistance du module et du système de fixation.

Répartition de la capacité par département.

En France, 10 m² de panneaux photovoltaïques produisent chaque année environ 1 000 kWh d'électricité, de sorte qu'une surface de 5 000 km² de panneaux (soit 1 % de la superficie) permettrait de produire l'équivalent de la consommation électrique du pays[58].

La filière solaire française a pâti, tout comme son homologue allemande, de la baisse du prix de rachat de l'électricité produite par énergie solaire : Photowatt, leader du secteur installé à Bourgoin-Jallieu (Isère) avec plus de 400 salariés, en a fait les frais, contraint de déposer le bilan en novembre 2011 avant d'être rachetée par EDF Énergies Nouvelles Réparties en février 2012[59].

Un pôle de compétitivité, Tenerrdis[60], est créé en 2007 et regroupe une centaine d'acteurs de la filière solaire française[61] (dont le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et 60 « PME innovantes »), participant à 43 projets labellisés bénéficiant d'un financement total de 100 M€[62], visant à aider la France à rattraper son retard dans le domaine du solaire. Ce pôle travaille notamment sur l'amont de la filière, sur les équipements de production, les matériaux (silicium notamment), les cellules solaires, les panneaux PV et les systèmes électriques (6 500 emplois en France en 2010[62]).

En 2010 et 2011, Geneviève Fioraso, alors députée de l'Isère, vice-présidente de la communauté d'agglomération Grenoble-Alpes Métropole et administratrice du pôle Tenerrdis, incite le gouvernement à au moins tripler l'objectif annoncé de 5,4 GW à l'horizon 2020, afin notamment de répondre aux objectifs du Grenelle de l'environnement. Elle appelle également les grands groupes à investir dans la filière en France en alertant sur les retards pris pour la seconde phase de l'Institut national de l'énergie solaire (INES) en raison de financements qui ont été bloqués. Selon Jean-Pierre Vial, sénateur UMP et vice-président du conseil général de la Savoie, coprésident de l'INES et administrateur du pôle Tenerrdis, si ces projets d'investissement sont bloqués et que les grands groupes l'investissement pas en France c'est également parce qu'il y a une responsabilité de la part de l'État qui ne s'est pas assez investi dans cette filière[63].

Fin 2010, Tenerrdis avait labellisé plus de 400 projets de recherche et développement depuis sa création, dont 146 aidés à hauteur de 142 M€ (pour un budget global de 322 M€). 41 projets de R&D ont concerné le solaire photovoltaïque (labellisés et financés)[64].

Un procédé Photosil (silicium métallurgique) a été soutenu par l'INES, Apollon Solar et FerroAtlantica avec une pré-production industrielle annoncée pour 2011. Des fabricants français de silicium cristallin et applicatifs (ECM Technologies, Vesuvius, Mersen (ex-Carbone Lorraine), Emix et Photowatt Technologies) se font connaître dans le monde[62]. SolarForce et S'tile innovent dans les technologies couches minces. Concentrix (racheté par Soitec), et Heliotrop se développent sur le domaine du photovoltaïque à concentration[62]. Le premier champ français opérationnel de trackers, qui comprend quatre-vingts unités réparties sur un peu plus de deux hectares, réalisé par Concentrix, se trouve en production sur la commune de RIANS, non loin du CEA de Cadarache, dans le département du Var. Son raccordement au réseau ERDF sera effectif en mai 2011.

L'INES et le consortium PV Alliance (Photowatt, EDF ENR et le CEA) ont monté un projet « NanoCrystal » (190 M€) qui devrait permettre de produire des cellules à haut rendement et peu chères (unité pilote de démonstration « LabFab » (25 MW) en cours), avec un projet PV20 (porté par MPO Énergie). Nexcis et Screen Solar travaillent de leur côté aux couches minces CIGS. Le procédé Nice (de l'anglais New Industrial Cell Encapsulation) développé avec l'INES, Apollon Solar et Vincent Industries. Il assemble des cellules solaires sous vide, sans soudure (chaînes en cours de montage en France et Tunisie en 2010)[62]. Des projets d'usines d'assemblage de panneaux PV étaient portés en 2010 par Tenesol et Photowatt, mais aussi par Sillia, Auversun, Fonroche Énergie, Solarezo, France Watts, Elifrance qui s'appuient sur des fournisseurs de composants et matériaux tels que Micel Films, Toray, Arkema, MAP, Saint-Gobain, Versaplast, A. Raymond, Air liquide, Komax, Semco Engineering, Machines Dubuit, check Up Solar, IBS, Ardeje[62], etc.

La filière aval a vu naître de nouvelles entreprises (Nexans, Ogire, Schneider Electric, Radiall, Heliotrop, Exosun, Greenercos, Fleet technologies, EHW Research, Multicontact)[62].

En 2012, le groupe Total revendique être « le premier employeur de l'industrie solaire en France avec deux usines de fabrication de panneaux solaires et plus de 400 salariés »[65]: il est en effet propriétaire de Sunpower, qui doit ouvrir une usine à Porcelette, en Moselle, ainsi que de Tenesol[65]. Avec les DOM, la France atteint alors une puissance photovoltaïque installée de 4 286 MWc.

En France, un exemple d’initiative gouvernementale pour l’encouragement de l’énergie solaire est la loi Énergie Climat, adoptée le 8 novembre 2019, qui vise à diminuer la dépendance nationale aux énergies fossiles et encourage à cette fin l'utilisation d'énergies renouvelables et notamment solaire[68]. Cette loi a entraîné la modification de deux articles du Code de l’urbanisme, créant de nouvelles opportunités en matière d’installations photovoltaïques :

• l’article L111-7 38 permettant la construction d’une infrastructure de production d'énergie solaire installée sur des parcelles déclassées ou aires de repos, de service ou de stationnement des axes routiers[68] ;
• l’article L111-18-1 crée une obligation d’installation d'un dispositif de production d'énergie renouvelable, de végétalisation, ou analogue pour tout nouveau bâtiment de plus de 1 000 m² dédié à une exploitation commerciale, un usage industriel, ou au stationnement public. Le dispositif doit couvrir 30 % de la surface de toiture[68].

La réglementation en matière de pose de panneaux solaires dépend de la localité concernée (région, département, commune) et des critères esthétiques, propres à ces localités, peuvent contraindre cette installation. Le plan local d'urbanisme (PLU) aide les citoyens à savoir si et comment ils peuvent poser des panneaux solaires sur leurs maisons. Le document précise ainsi par exemple qu’il est interdit de faire poser des panneaux solaires sur un bâtiment listé au patrimoine national ou comme héritage local. Pour poser des panneaux solaires individuels, les démarches administratives à suivre sont :

• contacter la mairie ou autorité locale afin de connaître les éventuelles contraintes imposées par le PLU[69] ;
• si l'on veut revendre une partie de l’électricité au réseau, une demande de raccordement doit être faite[70].

Au Royaume-Uni, le gouvernement britannique cherchait à multiplier par quatre sa puissance solaire entre 2014 et 2020, soit passer de 5,5 à 22 GW/an[alpha 3]. Pour cela, des mesures ont été prises pour faciliter la production d’électricité chez les particuliers, comme le Smart Export Guarantee (SEG), approuvé en juin 2019, et entré en vigueur le 1^er janvier 2020. Ce dernier permet à des particuliers et à des entreprises de revendre leur électricité au réseau national s'ils ont une installation allant jusqu'à 5 MW de puissance, ce pour plusieurs énergies renouvelables comme le photovoltaïque, l’éolien ou l’hydroélectrique. Le prix de revente est déterminé par l’acheteur, qui doit être un fournisseur officiel d’électricité[71].

Plusieurs règles lors de la pose de panneaux solaires doivent être respectées. Par exemple, ces derniers ne peuvent être installés plus haut que la partie la plus haute du toit, et ne peuvent pas dépasser le bord du toit de plus de 20 cm. Comme en France, si le bâtiment concerné est listé comme faisant partie d'un patrimoine ou d’un héritage nationale, aucun panneau solaire ne peut être posé dessus. Pour les panneaux isolés ne faisant pas partie d’un bâtiment, d’autres règles sont appliquées[72].

En France, le gouvernement soutient le développement de l'énergie solaire au travers de tarifs d’obligation d’achat pour les petites installations (<100 kWc) et des appels d’offre pour les installations plus puissantes. Les tarifs d’obligation d’achat sont fixés par la loi 2000-108 du 10 février 2000, et obligent les distributeurs d’énergie nationaux à acheter l'électricité produite par les producteurs éligibles à un prix fixé[73]. Les producteurs éligibles sont les installations photovoltaïques d’une puissance de moins de 12 MW ayant obtenu un dossier auprès de la direction régionale de l'Industrie, de la Recherche et de l'Environnement.

Au Royaume-Uni, le Energy Entrepreneur Fund, un fond soutenu majoritairement par l’État, soutient le développement de technologies, de produits et de processus dans le domaine de l’énergie renouvelables. Il recherche les meilleurs idées des secteurs privé et public en privilégiant le soutiens aux petites et moyennes entreprises. Depuis 2012, ce fonds a déjà investi 75 millions de livres dans plus de 130 sociétés[74].

En Suisse, une votation populaire du 21 mai 2017 a résulté en la mise en place d’une rétribution unique (RU) pour remplacer la « rétribution à prix coûtant » (RPC), qui ne bénéficiait pas d'assez de fonds. La RU est une aide à l’investissement unique qui couvre entre 20 et 30 % du coût d’investissement d’une installation. La rétribution dépend fortement de la puissance du dispositif et de sa date d'installation. Le système de rétribution unique différencie le cas d’une petite installation (<100 kWc), qui peut bénéficier d’une « petite rétribution unique » (PRU), des grandes installations (>100 kWc) qui peuvent bénéficier de la « grande rétribution unique » (GRU). Cependant, le temps d’attente de ces rétributions est relativement long: environ un an et demi pour la PRU et environ deux ans pour la GRU[75].

Dans de nombreux pays d’Afrique, des dispositifs de soutien au solaire se retrouvent aussi, souvent sous forme de projets et d’initiatives soutenus par la Banque mondiale, la Banque africaine de développement et l’Union européenne. L’Alliance solaire internationale (ASI) a été lancée par la France et l’Inde et comporte 47 membres, dont plus de la moitié sont des États africains. Son premier axe de travail est l'amélioration des cadres réglementaires dans le cadre de l’énergie solaire. L’ASI a lancé depuis 2018 des programmes de soutien pour les réseaux à échelle locale et les toitures solaires. Un autre programme, « Terawatt Initiative », a été lancé en 2015, porté par des entreprises privées comme Engie, Total, IBM, et cherche à structurer le dialogue entre les États et les secteurs privés pour déployer un térawatt de capacité voltaïque dans le monde d’ici à 2030[76].

L’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), fondée en 2011, rassemble 159 États. Elle vise à faciliter la création de projets en mettant des outils à disposition (Project navigator, Marketplace) et des aides financières.

Pour la totalité des descriptifs de soutiens gouvernementaux européens, un outil de recherche sur les dispositifs de soutiens aux énergies renouvelables a été créé par la Commission européenne[77].

Dans une étude menée en Suède entre 2008/2009 et 2014/2016 évaluant la perspective des propriétaires, les motifs principaux avancés pour acheter et installer des panneaux solaires sont la volonté de diminuer l’impact environnemental du foyer et d’économiser de l’argent en achetant moins d’électricité. Les possesseurs de panneaux solaires souhaitent ainsi dans l’idéal subvenir à leur propres besoins énergétiques. Toutefois, les lois en Suède stipulent pour la période 2008/2009 que produire de l’électricité sur sa propriété est synonyme d’activité économique, et que des taxes s’imposent donc, représentant un premier frein à l’achat de ces dispositifs[78].

Un problème administratif est également évoqué : les propriétaires jugent manquer d'informations fiables et non-biaisées. Les autorités locales sont mal informées et ne peuvent pas répondre aux questions que posent les propriétaires sur les potentiels avantages (économiques notamment) à devenir prosommateur[78].

L'achat de panneaux solaires est relativement simple : il peut se faire sur Internet, mais l'installation pose divers problèmes, car les propriétaires ne peuvent souvent pas procéder à l'installation eux-mêmes, au risque d’entraver le fonctionnement optimal du dispositif. De plus, l'installation requiert un changement du compteur électrique qui mesure la quantité d'électricité consommée. L'électricité produite en excès doit être décomptée, et certains compteurs électriques plus traditionnels ne peuvent tourner à l'envers. Ce remplacement est sur la période 2008/2009 à la charge des propriétaires.

Pour la période 2014/2016, les mêmes problèmes sont évoqués, avec un plus fort accent mis sur les problèmes administratifs : avant de devenir prosommateur, il faut remplir de nombreux contrats pour obtenir des subsides de l'état ou pour pouvoir revendre l'excès d'électricité produit aux compagnies électriques. Il faut également parfois obtenir un permis de construire avant de pouvoir installer des panneaux solaires, démarche qui peut impliquer de longs délais.

Les modalités pour pouvoir revendre l'excédent produit sont contraignantes : par exemple, certaines compagnies d'électricité requièrent que le propriétaire soit déjà leur client avant l'acquisition de panneaux solaires[78].

Afin d'atteindre ses objectifs climatiques fixés pour 2030, la Californie mise fortement sur les panneaux photovoltaïques. Une loi intitulée "The California solar mandate"[79] adoptée en mai 2018 rend obligatoire l'installation de panneaux photovoltaïques sur les nouvelles résidences dès le 1^er janvier 2020 pour compenser leur consommation énergétique. Cependant, l'électricité excédentaire est réinjectée dans le réseau urbain qui en est surchargé le jour. Une telle situation s’est produite au printemps 2018, où les centrales solaires photovoltaïques étaient contraintes de diminuer de 95 000 MWh leur production afin d'empêcher une saturation. A contrario, avec l'absence de soleil la nuit, et les autres sources d'électricité renouvelables n’arrivant pas à combler cet écart, l'électricité tend à manquer, surtout quand le vent est trop faible pour les éoliennes. Ces déficits sont actuellement compensés par des sources d’énergies non renouvelables, souvent émettrices de gaz à effet de serre[80].

Une solution proposée est de stocker l'énergie pour la réutiliser en différé. Les infrastructures de stockage sont cependant très coûteuses et nécessitent des conditions géographiques spécifiques, telles qu’un paysage montagneux pour les barrages hydroélectriques ou un certain type de sol pour le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé. Ces contraintes limitent leur utilisation^{[source insuffisante]}[80].

Une stratégie parallèle serait d'encourager la population à effectuer certaines tâches coûteuses en énergie le jour plutôt que la nuit, par effacement de consommation. Un exemple est la recharge des véhicules électriques, très consommatrice d'électricité. Inciter la population à recharger ses véhicules en plein jour permettrait de répondre à la demande en stockage d'énergie et d'équilibrer la surcharge du réseau aux pics de rayonnement solaire[80].

La politique actuelle de la Californie concernant le photovoltaïque, qui ne prévoit pas suffisamment de stockage, a pour conséquence directe une chute du prix de l'électricité. Ceci rend désavantageuse l'installation d'autres dispositifs de production d'énergie renouvelable et conventionnelle, posant de grands problèmes aux entreprises concernées qui voient leurs profits fortement diminuer[80]^{[source insuffisante]}.

Au niveau individuel, il y a un scepticisme des citoyens envers le financement direct de tels projets, l’investissement semblant conséquent et les gains faibles à court terme[81].

Une alternative proposée par certains fournisseurs est l'installation sans frais des panneaux. Les résidents payent l'électricité produite chez eux à l'entreprise qui se charge du maintien des infrastructures. Un rachat des panneaux est possible ultérieurement. Cette stratégie permet de pondérer cette peur de l’investissement initial et facilite donc l’achat de panneaux solaires[81]^{[source insuffisante]}.

Les régions rurales des pays en développement, principalement en Afrique mais également en Amérique latine, des régions généralement ensoleillées, offrent un grand potentiel pour l’énergie solaire. Cependant, de nombreux facteurs rendent son intégration socio-matérielle difficile.

• Facteurs défavorables à l’échelle macroéconomique[82]: les institutions qui investissent dans l’énergie solaire et dans les énergies renouvelables en général sont rares. Le principal facteur est économique : le capital initial pour acquérir le matériel nécessaire est élevé, et le volume des ventes est faible. Le manque d’expérience sur le long terme pose des incertitudes quant à la performance de ces dispositifs relativement nouveaux. De plus, de nombreux gouvernements soutiennent massivement les énergies fossiles par des subventions. Au contraire, au Kenya par exemple, en 2008, l’équipement solaire était toujours très taxé, et donc réservé aux ménages aisés. Au Cameroun, en 2008 également, les politiques douanières compliquaient l'importation des équipements.

• Facteurs défavorables à l'échelle microéconomique : le coût d'une installation photovoltaïque est un inconvénient majeur, étant cinq à dix fois plus élevé que pour une installation avec un générateur Diesel, par exemple[83]. À cela s'ajoutent des difficultés pour l'entretien des installations : l'accès aux pièces de rechange est plus difficile en l'absence de fabricants locaux. De plus, localement, personne n'a été formé pour réaliser l'installation ou l'entretien de ces dispositifs. Pour simplement entretenir une installation, il faut faire venir un technicien formé, installé en ville, ce qui augmente significativement le coût de la maintenance.

Un biais de genre a également été rapporté : dans les régions rurales, les femmes passent plus de temps que les hommes à pratiquer des activités requérant de l'énergie. Les hommes sont généralement responsables des décisions budgétaires, comme l'achat d'une installation solaire, et ils ne sont souvent pas prêts à investir leur capital dans des dispositifs dont l’utilisation bénéficierait principalement aux femmes[82]. Ce sont elles par exemple qui font la cuisine, ou fabriquent des vêtements, des tâches qui requièrent de l’énergie[84].

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Chargeurs de batteries, ventilateurs, lampes de jardin, pompes hydrauliques, tables[85], etc. De plus en plus d'appareils peuvent fonctionner à l'énergie solaire. On peut désormais emporter dans son sac un GPS équipé d'un chargeur solaire, et des panneaux photovoltaïques se multiplient sur les toits. Indispensable à la vie sur Terre, le Soleil peut nous rendre de nombreux autres services : chauffer nos habitations, alimenter en énergie les lieux les plus reculés.

Dans le monde, des projets de centrales électriques voient le jour presque partout, basés sur un immense potentiel : « 5 % de la surface des déserts permettrait de produire toute l'électricité de la planète », affirment Patrick Jourde et Jean-Claude Muller[86], chercheurs au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et au CNRS.

Il existe également des moyens de transport individuels, du vélo à assistance électrique à la voiture électrique, en passant par le scooter et la moto électrique, pour des puissances de 500 W à 45 kW (60 ch) voire plus. Certaines voitures électriques peuvent être rechargées par une production individuelle (dans les bonnes conditions climatiques).

Le principal obstacle à l'exploitation industrielle de l'énergie solaire est son intermittence dans la plupart des régions ayant un besoin régulier d'énergie. Pour cette raison, l'avenir de cette ressource énergétique est intimement lié à l'amélioration des techniques de stockage et de transport de l'énergie, notamment électrique.

Ordinateur alimenté par des panneaux solaires.

Dans les années 1990 apparaissait la calculatrice de poche solaire. Quelques cellules photovoltaïques y remplaçaient avantageusement les piles électriques, toxiques pour l'environnement. En 2013, des magasins dédiés à l'écologie, mais aussi des enseignes plus grand public, proposent de nombreux objets fonctionnant à l'énergie solaire : torches, lampes de jardin, radioréveils, mobiles animés, montres... Preuve que l'énergie solaire séduit les consommateurs par l'image « verte » qu'elle véhicule. Son autre atout est son côté nomade : des chargeurs solaires permettent désormais d'alimenter en électricité, où que l'on se trouve, un téléphone mobile, un GPS ou un ordinateur portable. Pour les voyageurs au long cours, il existe même des sacs à dos équipés de capteurs solaires. Certains imaginent des vêtements également dotés de cellules photovoltaïques, pour y brancher directement son baladeur MP3 ou même son téléphone portable.

Le principe d'une centrale électrique thermique solaire est de concentrer les rayons du Soleil, à l'aide de miroirs paraboliques, vers des tubes ou une chaudière contenant un fluide caloporteur. La chaleur ainsi récupérée est transmise à de l'eau. L'eau se transforme en vapeur, qui actionne une turbine couplée à un générateur produisant de l'électricité.

L'Espagne mise sur cette technologie plutôt que sur le photovoltaïque, dont le coût de production s'avère plus élevé en raison du prix du silicium des cellules photoélectriques. L'Espagne possède depuis 2009 la plus puissante centrale solaire thermodynamique d'Europe Andasol, d'une puissance de 150 MW. Quelque 400 000 miroirs, soit une superficie de 1,5 million de mètres carrés, recueillent l'énergie du Soleil et approvisionne en électricité 45 000 foyers[87].

Le Maroc aussi s'est lancé début 2010, profitant de son désert, avec un investissement de deux milliards d'euros, dans la construction d'une des plus grandes centrales solaires à concentration du monde à Ouarzazate d'une puissance de 510 MW, sur 3 040 hectares[88]. La centrale solaire Noor Ouarzazate a été suivie par d'autres centrales à concentration qui ont été programmées dans le cadre du plan solaire marocain. L'objectif est d'installer 2 000 MW à l'horizon 2020. Les centrales solaires thermiques marocaines en service à la fin de l'année 2019 sont Noor Ouarzazate I, II et III (510 MW)[89]^{[source insuffisante]} et Aïn Beni Mathar (20 MW).

Aux États-Unis, l'entreprise Florida Power & Light a annoncé l'ouverture pour fin 2010 d'une centrale solaire de 190 000 miroirs[90] et 75 MW. Elle se situe en Floride sur la côte orientale, au nord du comté de Palm Beach et s'étend sur plus de 200 hectares[90].

Les panneaux photovoltaïques convertissent la lumière du Soleil en électricité. Des années 2000 à 2013, en France et en Belgique, grâce aux aides fiscales de l'État, les particuliers ont été de plus en plus nombreux à s'en équiper. En France, le producteur a le choix entre l'autoconsommation et la vente de l'intégralité de sa production à EDF, qui est tenue depuis 2002 de racheter l'électricité d'origine renouvelable produite par les particuliers ou les collectivités.

À la suite d'une augmentation plus forte que prévu des demandes de raccordement d'installations photovoltaïques, un moratoire a été décidé en décembre 2010 par l'État français pour les installations de plus de 3 kWc : « L'obligation de conclure un contrat d'achat de l'électricité produite par les installations mentionnées au 3° de l'article 2 du décret du 6 décembre 2000 susvisé est suspendue pour une durée de trois mois courant à compter de l'entrée en vigueur du présent décret. Aucune nouvelle demande ne pouvait être déposée durant la période de suspension »[91]^,[92], moratoire critiqué par les parties prenantes impliquées dans des opérations déjà lancées ou que l'État devait financer[93].

Malgré ces moratoires, la puissance solaire installée début 2012 sur les toits et dans les parcs solaires équipés de cellules photovoltaïques représentait 2 672 MW en France[94] et 1 500 MW en Belgique[95]. À titre de comparaison, en 2010, plus de 7 400 MW photovoltaïques ont été vendus et raccordés au réseau en Allemagne (pays leader dans le domaine photovoltaïque)[96] pour un parc installé total de 17 320 MW.

Une nouvelle génération de panneaux, dit panneaux solaires hybrides, apparaît en 2010 sur le marché, produisant à la fois chaleur et électricité, avec un rendement photovoltaïque amélioré grâce au refroidissement du panneau et à la cogénération^{[réf. souhaitée]}.

Un enjeu prospectif, notamment identifié par Jeremy Rifkin avec son concept de Troisième révolution industrielle, est d'associer une domotique poussée à un réseau électrique intelligent (il parle d'un « Internet de l'énergie »), pour orienter le surplus d'électricité produite vers le besoin le plus proche et ainsi éviter les pertes en ligne ou liées au stockage. Des ensembles de toitures solaires pourraient ainsi devenir l'équivalent de vastes centrales solaires dont les éléments sont distribués au plus près des besoins. Des véhicules électriques peuvent aussi servir de stockage tampon du surplus d'électricité produite. Vers 2010 apparaissent des outils logiciels et modèles 3D permettant de positionner idéalement les panneaux solaires dans les villes, également utiles pour prévoir l'ensoleillement de terrasses végétalisées ; ainsi un « cadastre solaire » sera disponible pour tous les Parisiens en 2012[97]. Ces mêmes outils peuvent généralement intégrer la thermographie aérienne qui permet de profiter d'opérations de rénovation thermique de toiture pour les remplacer par des panneaux solaires.

En 2011, les centrales solaires photovoltaïques les plus puissantes au monde sont celles de Sarnia[98] au Canada, de Finsterwalde en Allemagne et d'Okhotnykovo en Ukraine. Occupant chacune plus de 300 hectares, avec une puissance installée d'environ 80 MWc, elles sont composées de plus d'un million de panneaux photovoltaïques fixes, dans la plupart des cas ou pouvant s'orienter automatiquement vers le Soleil, pour les autres.

Après les centrales de Chambéry, inaugurée en 2005, La Réunion, en 2006, et Narbonne, construite en 2007-2008 (10 MWc, environ 10 120 MWh/an, comptant 80 000 m² de panneaux photovoltaïques[99]), les plus grandes centrales solaires photovoltaïques en service fin 2011 étaient celles de Losse (Landes). Construite par EDF énergies nouvelles et achevée depuis mi-2011, elle comprend 300 ha de panneaux majoritairement fixes avec une puissance crête de 67,2 MW[100]. La 2^e (par la puissance) en 2011 était celle des Mées (31 MWc) dans les Alpes de Haute Provence[101].
La plus grande centrale solaire photovoltaïque en service en France en 2016 est celle de Cestas au sud de Bordeaux ; sa puissance crête atteint 300 MW. C'est une des dix plus puissantes centrales solaires au monde.

La Suisse s'est elle aussi lancée dans la course au solaire.^{[réf. nécessaire]}

Les 57 000 panneaux du Bavaria solarpark fonctionnent depuis 2005 (10 MWc) ; ils ont été suivis par les centrales de Brandis, 40 MWc en 2009 et de Finsterwalde, 80 MWc en 2011.

Le 27 octobre 2009, le président Barack Obama a inauguré la plus grande centrale solaire des États-Unis à DeSoto près de Miami. Équipée de plus de 9 000 panneaux, la centrale d'une puissance de 25 MWc permet de fournir plus de 3 000 foyers[102].

L'Inde a fait du solaire l'une de ses priorités, Narendra Modi, s'est juré de faire de son pays une nouvelle puissance dans ce domaine, à savoir plus de 420 000 panneaux photovoltaïques ont été installés au nord-ouest de l'Inde[103].

Dans une cheminée solaire, un vaste collecteur solaire en verre chauffe de l'air, lequel en montant à grande vitesse dans la tour, actionne des turbines générant de l'électricité.
Un premier prototype avait été mis en service en 1982 à Manzanares en Espagne ; on envisagea ensuite la construction d'une tour solaire de 750 mètres de hauteur, capable d'alimenter 120 000 foyers.

Lampadaire solaire à Elinkine, un village de Casamance (Sénégal).

Dans les pays suffisamment proches de l'équateur terrestre, où l'ensoleillement est souvent très important, le solaire peut fournir aux régions rurales et urbaines une énergie décentralisée pour l'éclairage et l'alimentation des réfrigérateurs, pompes hydrauliques, installations de télécommunication, etc.

Soutenus par des ONG, des projets d'électrification de villages sont en cours dans de nombreux pays d'Afrique et d'Amérique du Sud[104].

• Louis Boisgibault, L'énergie solaire après Fukushima, la nouvelle donne, Medicilline, octobre 2011.
• Le Soleil au service de l'homme, Congrès international de l'Organisation des Nations unies pour l'éducation, la science et la culture (UNESCO), juillet 1973.
• L'Énergie solaire, conférence internationale de Nice, 1977.
• Pierre-Henri Communay, Héliothermique. Le gisement solaire. Méthodes et calculs, Groupe de Recherche et d'Édition, Toulouse, 2002, 530 p., 16 × 24 cm (ISBN 2-8413-9036-5).
• Julien Labbé, L’Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d'électricité pour systèmes photovoltaïques isolés [PDF], thèse de doctorat en énergétique, École des mines de Paris, 21 décembre 2006.
• Le solaire a rendez-vous avec la ville, CNRS, 2015.

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