Tout est une question d'argent. Pourquoi des solutions technologiques apparemment géniales peuvent parfois échouer

Quand j'étais plus jeune, je croyais que la science seule pouvait résoudre n'importe quel défi technologique - et que la meilleure solution techniquement l'emporterait. Ce n'est qu'après avoir passé quelques années dans l'industrie que j'ai réalisé à quel point l'économie, les forces du marché et la concurrence jouent des rôles tout aussi importants (et parfois plus importants). Une solution technologique qui peut sembler excellente sur le papier peut, ai-je appris, être freinée par des difficultés pratiques et un mauvais timing.

Pour quiconque développe une nouvelle technologie, il est donc important de définir des points d'examen sur les projets, d'évaluer en permanence le marché et la concurrence, et d'examiner régulièrement l'état de préparation de votre technologie de manière impartiale et équilibrée. Je peux penser à des dizaines de technologies qui n'ont pas fonctionné comme prévu. Mais ici, je vais explorer le photovoltaïque à "concentrateur solaire" (CPV) - des dispositifs qui génèrent de l'électricité à l'aide de lentilles ou de miroirs incurvés pour concentrer la lumière du soleil sur de minuscules cellules solaires.

Je me suis souvenu de ce sujet alors que écrire sur la cellule solaire la plus efficace au monde, qui a été développé en 2019 au US National Renewable Energy Laboratory. C'est un appareil CPV et a une efficacité record de 47.1% lorsqu'il est éclairé par 143 soleils. À première vue, l'appareil semble incroyable étant donné que les panneaux plats photovoltaïques (PV) en silicium d'aujourd'hui ont une efficacité de seulement 22 %.

Pourquoi le photovoltaïque à concentrateur, qui était autrefois présenté comme la prochaine grande nouveauté, a-t-il été abandonné ?

Bien sûr, la plupart des installations CPV semblent impressionnantes et futuristes, mais le prix des panneaux photovoltaïques en silicium à écran plat a tellement baissé que les tentatives de déploiement de CPV se sont presque arrêtées depuis 2017 (même si les recherches à leur sujet se sont poursuivies). Est-ce la raison pour laquelle les CPV, qui étaient autrefois présentés comme la prochaine grande chose, sont tombés au bord du chemin ?

Les forces du marché

La recherche sur les CPV a commencé au milieu des années 1970 après le choc de l'embargo pétrolier au Moyen-Orient (Programme. Photovolt. Rés. Appl. 8 93). La plupart des travaux ont eu lieu aux Sandia National Laboratories au Nouveau-Mexique, le premier système consistant en une lentille de Fresnel en acrylique qui focalisait la lumière du soleil sur des cellules photovoltaïques en silicium. Les cellules ont été refroidies par de l'eau pour les empêcher de se réchauffer et de perdre de leur efficacité ; ils ont également utilisé un système de suivi afin qu'ils soient toujours face au Soleil.

D'autres entreprises se sont rapidement essayées, avec des systèmes CPV développés par tout le monde, de Motorola et Boeing à GE et RCA. Plusieurs projets de démonstration réussis à grande échelle ont émergé de ces premiers travaux, notamment le projet Soleras de 350 kW en Arabie saoudite et le système Entech de 300 kW à Austin, au Texas. Le premier a fonctionné en continu depuis 1981 pendant plus de 15 ans et a fourni des informations précieuses sur les aspects pratiques et les coûts d'exploitation des CPV.

Au début des années 1980, cependant, les travaux ont stagné à mesure que l'urgence de la crise énergétique passait. Le pétrole et le gaz naturel se révélant beaucoup plus abondants que prévu, le coût de ces carburants a chuté. Ainsi, une fois que les fonds fédéraux américains pour les CPV sont devenus rares, la plupart des participants ont abandonné. La recherche a été réduite, bien que quelques personnes dévouées aient continué à poursuivre le rêve.

Il était facile d'attribuer la perte d'intérêt pour les CPV aux bas prix du gaz naturel ou à un manque de volonté politique. Mais le plus gros problème était que les systèmes CPV ne se vendaient pas. Les panneaux solaires photovoltaïques plats et réguliers en silicium, en revanche, ont des centaines d'applications, allant de la navigation aux télécommunications. Ils sont incroyablement fiables, manquent de pièces mobiles et nécessitent très peu d'entretien.

Les panneaux solaires photovoltaïques sont particulièrement utiles pour les habitants des pays en développement, qui les utilisent désormais pour l'éclairage, la réfrigération et le pompage de l'eau, en particulier dans les zones reculées où d'autres sources d'énergie ne sont pas disponibles. En termes simples, aucune de ces applications n'est particulièrement adaptée aux CPV, qui n'étaient rentables que pour les installations de plus de 100 kW.

Une nouvelle aube?

Le marché des CPV s'est amélioré suite au développement au début des années 2000 des CPV multi-jonctions "tandem" à haut rendement, qui associent le silicium à un semi-conducteur III-V tel que l'arséniure de gallium. En fait, divers projets CPV de plusieurs mégawatts ont été mis en service dans le monde depuis 2010 en utilisant de tels dispositifs. Les systèmes commerciaux modernes ont des rendements allant jusqu'à 42 % et l'Agence internationale de l'énergie pense que cela pourrait atteindre 50 % d'ici le milieu des années 2020.

Et pourtant, même ces CPV supérieurs ne sont pas parfaits, nécessitant des systèmes de suivi actifs pour qu'ils soient toujours face au soleil ainsi qu'un refroidissement spécial. C'est beaucoup de complexité supplémentaire pour l'efficacité supplémentaire. De plus, les cellules ne fonctionnent pas aussi bien dans des conditions brumeuses ou polluées car le spectre ne correspond pas aux cellules spectralement « accordées ». Les jours nuageux sont un autre problème car la lumière du soleil n'est pas assez concentrée.

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Ces limites des systèmes photovoltaïques multi-jonctions réduisent leur puissance de sortie et ont un impact sur l'économie avec des coûts d'investissement et des factures de maintenance plus élevés. Difficile de voir comment ils peuvent améliorer les panneaux solaires photovoltaïques, dont le prix a chuté de 82 % entre 2010 et 2019, selon le Agence internationale de l'énergie renouvelable.

La baisse du coût des panneaux solaires photovoltaïques plats a été principalement due aux économies d'échelle, mais le gouvernement chinois a également joué un rôle. En subventionnant fortement son industrie solaire photovoltaïque, certains ont argumenté que la Chine a été en mesure de vendre des panneaux solaires aux États-Unis et en Europe pour moins que ce qu'il en coûte pour les fabriquer et les expédier. Connue sous le nom de « dumping », cette pratique a chassé les concurrents et permis aux fournisseurs chinois de s'accaparer le marché.

Avec l'économie qui favorise désormais si fortement le solaire photovoltaïque à écran plat, les perspectives à court terme pour l'industrie du CPV se sont estompées. Plusieurs des plus grandes usines de fabrication de CPV ont fermé leurs activités, notamment celles de Suncore, Soitec, Amonix et SolFocus. Les panneaux solaires photovoltaïques à écran plat, bien qu'ils soient moins efficaces, ont gagné la journée en raison de simples considérations économiques.

Cependant, tout n'est pas perdu. Peut-être qu'un deuxième âge d'or pour la technologie des concentrateurs solaires est sur les cartes en utilisant l'énergie concentrée pour réchauffer les liquides, la chaleur stockée étant convertie en électricité lorsque le soleil ne brille pas. C'est une possibilité fascinante dont je parlerai le mois prochain.

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• La source: https://physicsworld.com/a/its-all-about-the-money-why-seemingly-great-technological-solutions-can-sometimes-fail/