Énergie
Solutions énergétiques spatiales pour une énergie propre sans fin
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Pousser les énergies renouvelables plus haut
Les efforts visant à décarboner et à électrifier nos systèmes énergétiques reposent actuellement sur les énergies renouvelables, notamment l’éolien et le solaire. L’énergie géothermique et l’énergie nucléaire pourraient également être utiles.
Malheureusement, chacune de ces solutions souffre de certaines limites :
- La géothermie n’a pas encore fait ses preuves en termes de production à grande échelle et dépend de ressources thermiques locales inégales.
- Le nucléaire est impopulaire, produit des déchets nucléaires et nécessite beaucoup de capital initial. Cela entrave son adoption, même si la plupart de ces problèmes pourraient être résolus d'ici 4thsystèmes de production d'énergie nucléaire.
- Les énergies renouvelables souffrent d’intermittence, obligeant les réseaux électriques écologiques à investir également des sommes massives dans les batteries et autres formes de stockage d’énergie.
En ce qui concerne l’énergie solaire, l’intermittence semble être une caractéristique inévitable, la Terre étant la nuit la moitié du temps. Pour aggraver ce problème, la couverture nuageuse peut réduire considérablement la production d’énergie pendant des semaines, voire des mois dans certaines régions du monde, et cela sans parler des problèmes causés par la poussière ou la neige.
Et si, pour éviter les problèmes nocturnes et climatiques, nous installions notre centrale solaire dans l'espace ? Comment cela fonctionnerait-il ? Et existe-t-il un autre moyen d'alimenter les civilisations terrestres en électricité depuis l'espace ?
Énergie solaire spatiale
La première caractéristique clé de l'énergie solaire spatiale est que, comme les satellites sont en orbite autour de la Terre, ils peuvent être placés sur une orbite qui ne se trouve jamais dans l'ombre de la Terre, produisant ainsi 24 heures sur 7, XNUMX jours sur XNUMX. Non seulement cela double la production, mais cela supprime également le besoin de batteries pour les centrales solaires terrestres.
Combinée à l’absence de production réduite en hiver ou en raison des nuages, l’énergie solaire intermittente se transforme en une énergie de base presque parfaite.
Un autre facteur est que l'atmosphère absorbe une grande partie de la lumière solaire, même sans nuages. L'inclinaison et la forme sphérique de la Terre réduisent également la quantité de soleil qui atteint le sol loin de la région équatoriale.
Les panneaux solaires orbitaux ne souffrent d’aucune de ces limitations. Grâce à tous ces facteurs combinés, un panneau solaire en orbite pourrait produire jusqu'à 40 fois plus qu'un panneau solaire au sol.
Comment ça marche?
Nous savons déjà comment produire de l’énergie solaire dans l’espace, avec des panneaux solaires haute performance alimentant déjà pratiquement tous les satellites et l’ISS. En théorie, il suffirait d’envoyer en orbite beaucoup plus de panneaux solaires de ce type et de renvoyer l’énergie vers la Terre.
Source: Solar.com
Étonnamment, la partie renvoi de puissance n’est pas aussi difficile qu’on peut l’imaginer. Le concept dominant jusqu’à présent est d’utiliser des micro-ondes (2.45 GHz), qui ne sont pas absorbées par les nuages. Les micro-ondes sont ensuite absorbées et reconverties en électricité grâce à un type d’antenne dédié appelé rectenna.
Alternativement, l’énergie pourrait également être renvoyée avec des lasers.
Source: ESA – Agence spatiale européenne
Envoyer une énorme quantité d'énergie vers la surface de la Terre peut paraître inquiétant. Cela évoque l'image d'un rayon mortel digne d'un super-vilain de science-fiction. Cependant, en pratique, un tel faisceau serait riche en énergie, mais loin d'être assez puissant pour représenter un danger pour la surface.
Il convient de noter que l'un des avantages de ce système est que l'énergie continue créée par les panneaux solaires peut être directement utilisée pour la transmettre, l'énergie alternative étant uniquement créée au sol pour injecter l'électricité dans le réseau.
Pourquoi maintenant?
Coûts solaires
Produire de l’électricité à partir de centrales solaires orbitales est une vieille idée. Mais ce n’est que maintenant qu’il semble que cela pourrait devenir viable.
La première raison est l’inefficacité croissante et la baisse des coûts des panneaux solaires, qui sont les mêmes facteurs qui en ont fait une option viable sur le terrain.
Source: Chaîne d'information 3
De nouveaux progrès technologiques pourraient entraîner une augmentation supplémentaire de l’efficacité de la conversion. Actuellement, les panneaux solaires au sol couramment utilisés ont un rendement compris entre 20 et 23 %. Ceux utilisés dans l’espace atteignent souvent 30 %, car le coût supplémentaire est compensé par moins de poids à transporter en orbite, avec des gains supplémentaires attendus.
"Les panneaux actuellement utilisés dans l'espace atteignent une efficacité de l'ordre de 30 % dans la conversion de la lumière solaire en électricité, et dans les 20 prochaines années, nous prévoyons qu'ils atteindront 40 %
Coûts de lancement
L'autre sujet de préoccupation concerne l'effondrement du coût de l'atteinte de l'orbite, presque entièrement imputable aux avancées de SpaceX dans le domaine des fusées réutilisables. Ce coût a déjà été divisé par dix et devrait continuer à baisser avec le lancement de Starship et la production en série de la plus grande fusée de l'histoire.
Source: Arche Investir
Lorsque les coûts de lancement étaient de 7,716 154 £ par kilogramme, cela représentait environ 2 £ par watt de « frais d’installation », contre seulement 1.5 à XNUMX £ au sol. Mais si les coûts de lancement peuvent baisser suffisamment, cela rendra l’énergie solaire spatiale viable d’un point de vue économique. Et Elon Musk vise seulement 100 $/kg à long terme, grâce à la réutilisation complète de l'énorme charge utile du Starship.
Limites de l’énergie solaire spatiale
Prix et coûts de lancement
Comme expliqué ci-dessus, l’énergie solaire n’est viable que si les coûts de lancement diminuent considérablement. Bien que cela puisse se produire, il est difficile de savoir dans combien de temps une réduction supplémentaire de 10 fois du coût du lancement orbital peut être obtenue.
Cela pourrait retarder considérablement l'adoption de l'énergie solaire spatiale, la plupart des grands projets de prototypes (proches de l’échelle du MW) ne sont pas attendus avant 2025-2030 au mieux. Un impact significatif ne sera pas obtenu avant la construction de tels systèmes 1,000 XNUMX fois plus grands au niveau GW.
Encombrement orbital
Une autre préoccupation concerne la durabilité réelle des panneaux solaires en orbite. L’espace est un environnement hostile et à fort rayonnement, et les panneaux se dégraderont avec le temps. La même chose est susceptible d’arriver aux composants électroniques comme l’antenne micro-ondes.
De plus, l’espace orbital devient de plus en plus encombré. Les débris spatiaux deviennent une préoccupation majeure, et les constellations de satellites en orbite terrestre basse (LEO) augmentent de façon exponentielle le nombre d'objets autour de notre planète.
Les centrales solaires spatiales s’étendraient sur plusieurs kilomètres carrés, ce qui les rendrait susceptibles d’être régulièrement touchées par des débris spatiaux. Même les micrométéorites deviendront un problème si on leur donne suffisamment de surface et de temps.
Dans le pire des cas, un impact majeur créerait davantage de débris, qui à leur tour en créeraient davantage, provoquant une cascade catastrophique détruisant la plupart des satellites de la Terre. C'est un phénomène connu sous le nom de syndrome de Kessler.
Actuellement, le syndrome de Kessler serait suffisamment dommageable, détruisant les télécommunications, l’imagerie spatiale et la science, ainsi que les systèmes d’alerte précoce et de détection des armes nucléaires.
Mais si une grande partie de l’énergie de la Terre est fournie par des centrales solaires orbitales, un tel événement serait encore plus dévastateur.
Durabilité et recyclage
Sauf s’ils sont situés sur une orbite très lointaine, loin de LEO, les trajectoires des satellites ont tendance à décliner assez rapidement. Les centrales solaires devront donc être poussées sur des orbites plus élevées, vers des orbites géostationnaires (GEO), ce qui augmentera les coûts car elles nécessiteront une plus grande capacité de lancement.
Cela remet également en question leur recyclage, car ces panneaux solaires consommeront beaucoup de ressources précieuses et non renouvelables, dont l'argent.
Ainsi, à long terme, toute infrastructure d’énergie solaire à grande échelle devra également maîtriser le recyclage des panneaux au lieu de les détruire en les gardant en orbite ou en les écraseant sur Terre.
Enfin, envoyer du matériel en orbite est très gourmand en énergie. Ainsi, seules des fusées à haut rendement rendront le processus viable, permettant aux panneaux solaires orbitaux de « récupérer » l’énergie utilisée non seulement pour les fabriquer, mais aussi pour les envoyer en orbite.
Pertes d'énergie
Comme nous l’avons dit, les panneaux solaires dans l’espace reçoivent beaucoup plus d’énergie que ceux au sol. Cependant, ils doivent également franchir plusieurs étapes supplémentaires par rapport aux systèmes au sol avant d’alimenter le réseau :
- Basé sur le sol : collectez la lumière du soleil -> convertissez le courant continu en courant alternatif -> envoyez de l'énergie au réseau.
- Basé sur l'espace : collectez la lumière du soleil -> convertissez les micro-ondes -> reconvertissez les micro-ondes en électricité -> convertissez le courant continu en courant alternatif -> envoyez de l'énergie au réseau.
Les multiples étapes supplémentaires impliquant la diffusion de micro-ondes provoquent des pertes d'énergie massives, s'ajoutant au maximum de 30 à 40 % de lumière solaire -> efficacité de conversion d'énergie.
Le système que nous avons utilisé lors de notre démonstration présentait un rendement global d'environ 5 %. Ce n'est pas viable opérationnellement, même si l'énergie solaire est gratuite. Pour qu'une centrale solaire spatiale soit viable, le rendement devrait être d'au moins 20 %.
Orbites stables et vent solaire
Une dernière question est de savoir comment gérer la trajectoire orbitale des centrales solaires.
Le panneau solaire devra constamment ajuster sa position pour bénéficier d'une exposition solaire maximale. Les faisceaux micro-ondes devront être constamment redirigés pour atteindre la zone appropriée de la surface terrestre.
En raison de leur légèreté et de leur exposition maximale à la lumière du soleil, les panneaux solaires seront poussés par les ailes du soleil et la lumière. En fait, cette pression de la lumière a été considérée comme créant des voiles solaires pour propulser les vaisseaux spatiaux.
Dans le contexte d’une centrale solaire orbitale qui doit rester stable, cela pourrait devenir un problème.
Perspectives globales du photovoltaïque spatial
L’avenir de l’énergie solaire spatiale dépendra en grande partie du développement de l’industrie spatiale dans son ensemble. Quelques facteurs clés devront s’articuler pour que cela se produise :
- La croissance de l’industrie permet d’évoluer et d’innover pour réduire les coûts de lancement aux niveaux requis.
- Développement d'une économie industrielle orbitale et/ou cislunaire, au minimum pour la maintenance et le recyclage des satellites de puissance.
- Bonne gestion des débris spatiaux et maintien de l’orbite comme zone neutre et pacifique.
Alternative au solaire spatial photovoltaïque
Miroirs solaires et orbitaux concentrés
Le système lumière -> alimentation -> micro-ondes -> retour au système électrique provoque intrinsèquement des pertes massives, qui contrebalancent partiellement la production solaire plus élevée provenant de l'espace.
C'est une critique fondamentale de ce concept, même adopté par personne d’autre qu’Elon Musk dès 2012
« Laissez-moi vous parler d’une de mes pièces préférées : l’énergie solaire spatiale. OK, la chose la plus stupide qui soit.
Et si quelqu’un devait aimer l’énergie solaire spatiale, ce devrait être moi. J'ai une entreprise de fusées et une entreprise solaire. Je devrais être comme – je devrais vraiment y être, tu sais.
Bien sûr, beaucoup de choses ont changé depuis 2012. Les prix des panneaux solaires et les coûts de lancement se sont effondrés. Et le besoin de production d’électricité de base renouvelable est bien plus important.
Il existe néanmoins une alternative : réfléchir directement la lumière du soleil au lieu de la capter avec des panneaux photovoltaïques. Cela pourrait être réalisé en mettant un miroir géant en orbite.
L’un des avantages de cette méthode est que nous savons comment construire des miroirs ultralégers et ultra-minces dans l’espace, à l’aide de feuilles d’aluminium. Comme le matériau doit uniquement être réfléchissant, sans électronique, il peut être beaucoup moins cher et plus léger au mètre carré qu'une cellule photovoltaïque.
L'idée est notamment défendue par Ben Nowack, fondateur de Reflect Orbital, l'Université de Glasgow SOLSPACE (avec une subvention de 2.5 millions d'euros du Conseil européen de la recherche) et le géant de l'énergie Laborélec d'Engie.
L’idée est d’alimenter des fermes solaires au sol pendant la nuit en leur dirigeant la lumière du soleil. Ainsi, le modèle commercial consisterait à « vendre » la lumière solaire aux services publics solaires au sol.
Un tel système ne serait pas capable de traverser la couverture nuageuse mais pourrait constituer une excellente option pour les parcs solaires installés dans des zones arides ou désertiques.
Potentiellement, le concept pourrait également renforcer les centrales photovoltaïques spatiales « classiques », augmentant à moindre coût l'énergie totale qu'elles reçoivent avant de la transmettre à la Terre.
En 2018, la Chine a annoncé son intention d'utiliser un tel système de miroirs pour remplacer les lampadaires nocturnes d'ici 2022.. Bien que cela n’ait pas été fait, cela pourrait être une manière créative d’utiliser le « solaire » spatial pour réduire notre consommation d’énergie la nuit lorsque les énergies renouvelables sont sous-produites.
Usines spatiales
Comme expliqué ci-dessus, l’un des coûts majeurs de l’énergie solaire spatiale est la nécessité d’envoyer des centaines, voire des milliers de tonnes de matériaux en orbite. Une solution à ce problème serait de produire directement les panneaux solaires (ou miroirs) dans l’espace, en utilisant les ressources déjà présentes sur place.
Cette méthode supprimerait entièrement de l’équation le coût de la mise en orbite de la centrale solaire. Au lieu de cela, il le remplacerait par le coût d’envoi uniquement de l’équipement nécessaire à la création d’une usine spatiale de panneaux solaires (ou de miroirs).
Une façon d’y parvenir serait de capturer des astéroïdes avec les ressources appropriées, de les exploiter et de mettre directement la centrale électrique en orbite.
D’un point de vue conceptuel, cela reste cependant très spéculatif, car aucune exploitation minière d’astéroïdes, sous quelque forme que ce soit, n’a encore été réalisée.
Base lunaire
Même si des centrales solaires sont produites dans l’espace, les problèmes d’équilibre entre les impacts du vent solaire, des débris spatiaux et du recyclage demeureront.
Une alternative serait d’installer des stations solaires sur la Lune. L’énergie serait collectée par d’immenses fermes solaires construites sur la Lune, puis transmise directement ou indirectement à la Terre. Les faisceaux de micro-ondes provenant de la Lune peuvent également être redirigés par des miroirs, car les métaux réfléchissent les micro-ondes.
Source: Arizona State University
Par rapport aux satellites solaires LEO et GEO, cela présente quelques avantages :
- Gravité:Avec 1/6 de la gravité terrestre, la Lune pourrait être beaucoup plus propice à l'adaptation du processus de fabrication de la Terre à l'espace que des environnements totalement en apesanteur.
- Parfait pour le solaire:sans atmosphère, la surface de la Lune ne souffre jamais de vent, de nuages, de brouillard, de glace, de tempêtes de poussière, de grêle, etc. La production d'énergie sera donc hautement fiable et prévisible.
- Entretien humain: les systèmes orbitaux devraient entièrement s’appuyer sur des robots pour l’assemblage, la maintenance et le recyclage. Au lieu de cela, les projets à venir de bases lunaires par les États-Unis ainsi que par la Chine et la Russie fourniraient la main-d’œuvre locale lorsque les robots ne suffiraient pas.
- Ressources: La Lune est un corps céleste massif, susceptible de contenir de nombreuses ressources. Cela en fait un meilleur candidat pour une usine spatiale que l’idée non prouvée de l’exploitation minière d’astéroïdes.
Le silicium, l'aluminium et le fer peuvent être extraits chimiquement du sol lunaire pour la fabrication de cellules solaires. Des oligo-éléments peuvent être importés de la Terre pour doper les cellules solaires.
On estime qu’un kilogramme de matériaux transportés de la Terre vers la Lune entraînerait la livraison de 200 fois plus d’énergie électrique sur Terre qu’un kilogramme d’un satellite alimenté par l’énergie solaire.
Cependant, l’idée présente certaines limites.
Notamment, la Lune a un cycle jour/nuit de 28 jours, obligeant un tel concept à s'appuyer sur une succession de centrales électriques réparties sur toute la surface de la Lune (ou miroirs orbitaux) pour produire une production continue.
Centrales électriques à l'hélium 3, à la fusion et à la lune
Une autre discussion sur l’énergie future impliquant la Lune concerne son dépôt d’hélium-3. L'élément très rare sur Terre pourrait théoriquement alimenter une forme ultra-efficace de fusion nucléaire.
En théorie, cela pourrait faire de l’exploration spatiale et de l’exploitation minière un élément clé de notre futur approvisionnement énergétique. En pratique, la fusion en est encore au stade expérimental.
Des sources similaires d’isotopes rares d’hydrogène, d’hélium et d’autres éléments, par exemple dans la géante gazeuse Jupiter et Saturne, pourraient jouer un rôle similaire à long terme.
La Lune pourrait également être imaginée comme le site d’un système énergétique potentiellement dangereux mais hautement productif (notamment nucléaire), éliminant ainsi les conséquences d’une panne catastrophique sur Terre. Cependant, la perte d’énergie liée au renvoi d’une telle source d’énergie, ainsi que les coûts de construction dans l’espace, pourraient la rendre non rentable.
Entreprises spatiales solaires
1. Espace Solaire
Space Solar est une société britannique qui cherche à développer un satellite solaire spatial de 2 GW, CASSIOPeiA. Ce serait de loin l’une des plus grandes structures jamais construites par l’humanité, ce qui rendrait minuscules certains des plus hauts gratte-ciel en comparaison.
Source: Espace Solaire
CASSIOPeiA contiendrait 60,000 2,000 panneaux solaires, pèserait XNUMX XNUMX tonnes et orbiterait à une altitude géosynchrone.
La transmission de puissance se ferait à l’aide d’un réseau de phases changeantes pour diriger le faisceau d’énergie. La station au sol devrait avoir un diamètre de 5 km. La technologie des faisceaux de puissance a jusqu’à présent été démontrée sur Terre, avec une puissance de 30 kW. Ceci a été réalisé grâce à HARRIER, le premier 360° transmission de puissance sans fil ne nécessitant aucune pièce mobile, un facteur clé d’une grande fiabilité.
Le concept du satellite électrique reposerait sur 2 réflecteurs solaires renvoyant la lumière solaire vers le segment central du collecteur.
Source: Espace Solaire
Le programme devrait coûter 17 milliards de livres sterling pour la première version, et 3.6 milliards de livres sterling pour les itérations suivantes. Cela le porterait à 1/4 du coût d’une centrale nucléaire équivalente d’une capacité de 2 GW, une comparaison équitable, compte tenu du profil de charge de base de la centrale.
2. Réfléchir orbital
Comme mentionné ci-dessus, Reflect Orbital ne cherche pas à générer de l’énergie en orbite. Au lieu de cela, son activité vise à « vendre la lumière du soleil la nuit tombée » aux entreprises solaires basées au sol.
Avec des prix culminant souvent juste après le coucher du soleil, lorsque les gens sont de retour chez eux mais que les énergies renouvelables sont hors ligne, cela peut être une bonne stratégie. De plus, le rayon de soleil du satellite peut être facilement redirigé vers différents endroits, permettant ainsi un arbitrage entre différents prix entre pays ou des conditions météorologiques défavorables dans une zone.
Cela en fait une entreprise intéressante à suivre au cas où, en effet, la conversion de la lumière solaire en électricité, puis en micro-ondes, puis à nouveau en électricité, serait un processus trop inefficace pour rivaliser avec l'énergie solaire au sol.
Pour l'instant, l'entreprise développe ses satellites et lève des fonds. Pour mieux expliquer le concept, ils ont également réalisé une démonstration utilisant une montgolfière de 3 km de haut qui est devenue virale.
Source: Réfléchir orbital
La société envisage de tester un prototype d’ici 2025. Le satellite ne pèserait que 35 livres (16 kilogrammes) chacun et serait équipé de miroirs en mylar de 33 pieds sur 33 pieds (9.9 mètres sur 9.9 mètres), se dépliant une fois en orbite.
Les plans Reflect Orbital peuvent être moins high-tech qu’un réseau de satellites solaires entièrement orbitaux ou basés sur la Lune. Mais cela pourrait peut-être être un point fort, car il n’utilise essentiellement et de manière créative que des technologies entièrement connues et déjà maîtrisées depuis des décennies. Cela pourrait quelque peu réduire les risques du projet.
