Le futur de l'énergie

La numérisation de l'énergie

Comment produire de l'énergie quand et où elle est nécessaire ?

La forte croissance économique de pays comme la Chine et l'Inde signifie que la consommation d'énergie va augmenter d'au moins 50 % d'ici à 2030. Cette croissance concerne principalement des zones reculées qui n'ont encore jamais été desservies par l'électricité. En parallèle, les sources d'énergie traditionnelles utilisées jusqu'à présent se font de plus en plus rares. C'est pourquoi nous recherchons activement de nouvelles sources d'énergie et de nouveaux moyens pour distribuer cette énergie.

Il est urgent de trouver des énergies renouvelables, d'optimiser leur utilisation et de mettre au point des systèmes de stockage innovants afin que cette énergie puisse être utilisée lorsque le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas, par exemple. Les réseaux électriques intelligents sont essentiels pour atteindre cet objectif : ils utilisent des logiciels, des capteurs, des compteurs électroniques et l'Internet pour gérer des informations afin que l'approvisionnement et la demande en électricité soient gérés plus efficacement et que celle-ci soit fournie en lieu et en temps opportuns.

La vidéo, l'article et l'infographie ci-dessous vous font découvrir la transformation radicale de l'industrie de l'énergie en vue de modifier la façon dont l'énergie est utilisée à travers le monde. Il s'agit d'une transition importante qui nous invite à produire, mesurer, monétiser, consommer, contrôler, stocker, échanger et transmettre l'énergie électrique. Quel rôle les réseaux électriques intelligents jouent-ils ? Comment les entreprises qui réinventent la façon de produire et de distribuer l'énergie peuvent-elles collaborer et innover plus efficacement grâce à la plate-forme 3DEXPERIENCE ?

L'ère de l'énergie solaire est-elle pour demain ?

Nous sommes en 2035 et les régions tropicales et désertiques de la planète sont recouvertes d'immenses panneaux qui captent l'énergie émise par le soleil afin de générer de l'électricité transmise dans des réseaux pour une diffusion sans fil d'un nouveau genre. Une quantité d'énergie suffisante est stockée pour permettre la production d'énergie durant la nuit, après le coucher du soleil.

Des millions d'habitations et d'espaces de bureaux sont équipés de panneaux et de fenêtres solaires assez efficaces et abordables pour produire de l'énergie sur place à plus petite échelle durant la journée. Nous conduisons des voitures zéro émission développées dans les années 2010 par de grands constructeurs automobiles comme Audi, BMW, Toyota et Honda, et qui utilisent un combustible à base d'hydrogène créé à partir de l'énergie solaire qui transforme les eaux usées en hydrogène et en oxygène. À la nuit tombée, l'humanité contemple de nouvelles lueurs parmi les étoiles – celles des gigantesques générateurs solaires en orbite qui collectent de l'énergie 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 grâce à la lumière éternelle du soleil, avant de l'envoyer vers d'immenses récepteurs sur Terre au moyen de micro-ondes ou de faisceaux laser.

Pure fantaisie ? Loin de là. La notion d'énergie solaire et sa capacité à devenir la principale source d'énergie de la planète ont émergé bien avant l'apparition de la menace du changement climatique et de l'épuisement des combustibles fossiles faciles d'accès. Par exemple, la première cellule photovoltaïque fut développée en 1883, et l'écrivain Isaac Asimov publia en 1941 une nouvelle intitulée Raison, décrivant une station spatiale qui transfère d'importantes quantités d'énergie solaire à l'aide de faisceaux hyperfréquence. Le scientifique américain Peter Glaser dessina des plans en 1968 pour concrétiser le rêve d'Asimov, mais il se heurta aux contraintes technologiques de l'époque.

Les technologies qui permettraient un monde fonctionnant uniquement à l'énergie solaire existent déjà, faisant taire les critiques selon lesquelles il est impossible de résoudre les problèmes liés à la transmission longue distance d'énergie solaire entre les zones ensoleillées et moins ensoleillées, ou de trouver des solutions de stockage permettant de produire de l'énergie une fois la nuit tombée.

Prenons l'exemple de la Chine qui construit actuellement des lignes électriques à haute tension pour assurer la répartition de l'électricité sur l'ensemble de son territoire à partir de centrales solaires en pleine expansion. Au cours du premier trimestre 2015, le géant asiatique a augmenté sa capacité en énergie solaire connectée à la grille de distribution de 5 gigawatts, l'équivalent de la capacité solaire totale d'un grand pays européen comme la France.

Les solutions de stockage déjà utilisées dans le monde entier ont démontré la viabilité de deux méthodes en particulier. La première utilise l'énergie solaire pour créer des sels fondus dont les propriétés de rétention de la chaleur procurent l'énergie suffisante pour actionner les turbines d'électricité durant la nuit. D'autres centrales solaires utilisent les rayons du soleil pour compresser le gaz qui est ensuite relâché une fois la nuit tombée pour activer ces turbines.

Le regard tourné vers l'espace

Pour trouver un moyen plus radical de produire de l'énergie une fois le soleil couché, il faut se tourner vers l'endroit où il ne cesse de briller : l'espace. La Chine et le Japon envisagent d'installer des centrales solaires spatiales (SBSP) d'ici 2030 qui éclipseront tous les projets de cette nature réalisés précédemment. « Une centrale électrique spatiale économiquement viable serait immense, avec des panneaux solaires couvrant une surface de 5 à 6 kilomètres carrés », explique Wang Xiji de l'Académie des sciences de Chine.

Mais pourquoi construire des centrales électriques dans l'espace ? L'un des principaux objectifs est d'exploiter 24 heures sur 24 les niveaux beaucoup plus élevés de rayonnement solaire disponibles dans l'espace, car plus de 60 % de l'énergie du soleil est perdue en raison de la réflexion et de l'absorption dans l'atmosphère terrestre. L'ingénieur chinois en aérospatiale Duan Baoyan souligne que « les panneaux solaires spatiaux peuvent produire dix fois plus d'électricité par unité de surface que les panneaux au sol ».

Les stations SBSP présentent des défis immenses et requièrent notamment une transmission extrêmement précise pour éviter d'irradier de vastes portions de la surface de la Terre avec un faisceau errant extrêmement puissant. « L'un des principaux défis liés à la transmission d'énergie par micro-ondes est de déterminer comment effectuer cette transmission avec une précision extrême vers un récepteur au sol. Transmettre des micro-ondes depuis une altitude de 36 000 km vers une surface plane de 3 km de diamètre est aussi complexe qu'enfiler une aiguille », déclare Yasuyuki Fukumuro de l'Agence spatiale japonaise JAXA.

L'entreprise japonaise Shimizu Corporation propose une alternative encore plus surprenante au SBSP : une ceinture de cellules solaires de 400 km autour de l'équateur de la Lune sur une distance de 11 000 km. Nommé Luna Ring, ce projet pourrait récolter suffisamment d'énergie pour satisfaire aux besoins énergétiques de la planète en un clin d'œil.

La maintenance des systèmes dans un environnement spatial hostile et la mise sur orbite des stations SBSP constituent des défis supplémentaires. Une centrale électrique spatiale commercialement viable pèserait plus de 10 000 tonnes, alors que peu de fusées peuvent actuellement transporter des charges utiles supérieures à 100 tonnes.

Bien que la création de stations SBSP soit un défi de taille, elle n'est que le reflet des difficultés rencontrées par l'homme dans les années 1960 lors des premières explorations spatiales. Beaucoup se sont interrogés sur l'intérêt d'envoyer des hommes dans l'espace. Pourtant, les avancées technologiques et les connaissances incontestables dont nous avons bénéficié en relevant ce défi continuent à se faire sentir aujourd'hui.

Contrôle au sol

Bien que les stations SBSP représentent une opportunité fantastique de repousser les limites technologiques, c'est au sol que réside le véritable potentiel. La surface de la Terre capte suffisamment d'énergie solaire, malgré la déperdition due à l'atmosphère, pour satisfaire aux besoins énergétiques de l'humanité. Le Programme mondial Apollo 2015, élaboré par des experts dans le domaine de l'énergie au Royaume-Uni, soutient que la surface de la Terre capte 5 000 fois plus d'énergie solaire que n'en consomme actuellement l'humanité.

De plus, le coût de l'électricité solaire continue à baisser depuis plusieurs années. Au cours des vingt-cinq dernières années, le coût des panneaux solaires a été divisé par vingt, alors que les gains d'efficacité augmentent. Les panneaux en silicone actuels convertissent près de 20 % de l'énergie solaire en électricité, soit trois fois plus que leurs prédécesseurs. De plus, les nouveaux panneaux fabriqués à partir de composés comme l'arséniure de gallium (un conducteur d'électricité plus performant que le silicone) offrent des perspectives encore plus encourageantes. Et ce, en dépit des limites physiques inhérentes liées à l'efficacité des panneaux solaires en raison de divers facteurs tels que la perte d'énergie due à la réflexion et à la conductivité des matériaux (limite de Shockley-Queisser).

Alors comment se fait-il que l'énergie solaire ne représente qu'1 % de la fourniture mondiale d'électricité ? D'après les conclusions du Programme mondial Apollo et du rapport 2015 The Future of Solar Energy (L'avenir de l'énergie solaire) publié par le MIT, la principale contrainte n'est pas liée à la technologie, mais à l'inertie politique largement entretenue par les intérêts personnels des géants des combustibles fossiles et à un manque d'investissements adéquats. Elles démontrent comment le montant élevé des subventions globales occulte le coût réel de l'énergie produite à partir de combustibles fossiles, ainsi que le manque de transparence à l'égard du coût environnemental et des dommages sanitaires qu'ils présentent.

Selon Stéphane Declée, vice-président du secteur Énergie et Procédés chez Dassault Systèmes, un éditeur de logiciels international, il existe également un « manque de cohérence entre les législateurs, les réglementations et les acteurs technologiques ».

« Nos clients doivent s'adapter à l'évolution des réglementations et des exigences. Avec notre plate-forme 3DEXPERIENCE, les acteurs du secteur de l'énergie solaire peuvent démontrer la viabilité et la fiabilité de leurs solutions à un grand nombre de parties prenantes : des régulateurs aux financiers, en passant par les communautés locales et les médias. »

En outre, Stéphane Declée explique qu'en raison de « la part croissante des sources d'énergies renouvelables intermittentes, comme le solaire, la production d'énergie ne correspondra pas toujours aux périodes de forte demande ». Selon lui, la solution consiste à développer des systèmes permettant de contrôler plus efficacement la demande, comme des réseaux électriques intelligents, capables de mieux réguler l'intermittence de la production et une demande plus flexible, par exemple en stockant une partie de l'énergie renouvelable pour une utilisation ultérieure.

Exemples concrets

Outre les projets menés dans des pays comme le Japon ou la Chine, de nombreuses entreprises mettent en place des programmes innovants visant à produire et à stocker de l'énergie de manière encore plus efficace et rentable. La gigantesque centrale de Solana dans l'Arizona illustre bien la façon dont les centrales solaires thermodynamiques à concentration (CSP) peuvent contribuer à un avenir tourné vers l'énergie solaire. Ses 3 000 miroirs géants concentrent les rayons du soleil pour créer de la vapeur d'eau surchauffée qui actionne d'immenses turbines, fournissant suffisamment d'énergie pour alimenter 70 000 maisons. En outre, Solana dispose de réservoirs géants remplis de sels fondus qui stockent suffisamment de chaleur durant la journée pour faire fonctionner les turbines à plein régime pendant six heures après le coucher du soleil. C'est pourquoi, il est prévu que le nombre de centrales CSP soit multiplié par deux à l'échelle mondiale d'ici 2018.

Des avancées technologiques à plus petite échelle contribuent également à façonner un monde alimenté à l'énergie solaire. C'est le cas des « fenêtres solaires » équipées de nouvelles cellules solaires en polymères transparents (PSC) qui produisent de l'électricité en absorbant la lumière infrarouge, tout en laissant passer la lumière. « Nos PSC sont légères, flexibles et peuvent être produites en grande quantité et à moindre coût », explique Yang Yang, responsable de l'équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) qui les ont développées. « Les fenêtres solaires sont une innovation révolutionnaire ».

La donne change également dans l'industrie des transports. L'année 2015 a été marquée par le tour du monde de l'avion solaire ultraléger Solar Impulse, même si dans le secteur de l'aviation il est probable qu'un carburant à base d'hydrogène produit grâce à l'énergie solaire est susceptible d'être utilisé. Les voitures électriques alimentées par de l'hydrogène produit grâce au soleil sont déjà en circulation et affichent des résultats plus que prometteurs. Eicke Weber, directeur de l'Institut allemand Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems conduit un véhicule capable de parcourir 300 km avec un seul chargement de 5 minutes grâce à une « pompe » à hydrogène solaire.

Les technologies existantes ont déjà ouvert la voie à un avenir tourné vers l'énergie solaire, par exemple avec des stations spatiales qui obligent nos ingénieurs les plus brillants à repousser les frontières technologiques. Nous devons définir de nouvelles priorités politiques et économiques afin que cette révolution énergétique potentielle soit au cœur des débats.

Avec des entreprises telles que Dassault Systèmes qui innovent et offrent une vision claire et commune de ce que le futur nous réserve, le rêve d'un avenir alimenté par l'énergie solaire pourrait rapidement être concrétisé.

La vidéo, l'infographie et l'article ont d'abord été publiés sur le site Web bbc.com dans le cadre d'une campagne publicitaire et ont été créés par l'équipe commerciale et publicitaire de la BBC en partenariat avec Dassault Systèmes.