Les panneaux solaires dans l’espace peuvent-ils alimenter la course au net zéro ?

Dans sa nouvelle de 1941 Raison, le doyen de science-fiction Isaac Asimov a décrit un monde dans lequel les humains récoltaient l’énergie solaire de l’espace. Des panneaux solaires géants en orbite ont renvoyé de l’énergie renouvelable vers la Terre via des ondes radio. Aujourd’hui, 80 ans plus tard, la vision futuriste d’Asimov pourrait devenir réalité.

En mars 2022, le ministre britannique des Sciences, George Freeman, a révélé que le gouvernement réfléchissait à une proposition de 16 milliards de livres sterling pour construire une centrale solaire dans l’espace, l’énergie solaire spatiale (SBSP, généralement abrégée en SSP) figurant parmi les technologies dans le portefeuille d’innovation net zéro du gouvernement.

Frazer-Nash estime qu’il y a de la place en orbite pour que les satellites d’énergie solaire fournissent bien plus de 100 % des besoins énergétiques mondiaux prévus en 2050. (Photo de Nasa via Wikimedia Commons)

Un rapport pour les autorités britanniques par le cabinet de conseil Frazer-Nash a récemment décrit l’énergie solaire spatiale comme “claire, abondante et techniquement possible” d’ici 2040, et une analyse américaine en novembre 2021 l’a qualifiée d'”autre flèche dans le carquois pour faire face au changement climatique local”. .

Mais cette technologie futuriste transcendera-t-elle jamais vraiment les domaines de la science-fiction et, si tel est le cas, ce sera à temps pour jouer un rôle de premier plan dans la course au net zéro d’ici 2050 ?

Énergie solaire 24h/24 et 7j/7

Un système SSP est essentiellement un énorme vaisseau spatial équipé d’un déploiement de panneaux solaires. Comme dans les imaginations d’Asimov, les panneaux génèrent de l’électricité qui est transmise sans fil à la Terre à l’aide d’ondes radio à haute fréquence. Une antenne au sol, une “rectenna”, est utilisée pour convertir les ondes radio en électricité, qui est ensuite transférée au réseau électrique. Une station SSP en orbite est éclairée par le soleil 24 heures sur 24, produisant de l’électricité en continu. Cela offre un avantage évident par rapport aux énergies renouvelables terrestres, qui ne produisent de l’électricité que lorsque le vent souffle et que le soleil brille.

“Avec une demande mondiale d’énergie qui devrait augmenter de près de 50 % d’ici 2050, l’énergie solaire spatiale pourrait être essentielle pour répondre à la demande croissante du secteur énergétique mondial et lutter contre l’augmentation de la température mondiale”, a déclaré Jovana Radulovic, responsable du département mécanique et mécanique de l’Université de Portsmouth. ingénierie de conception, a écrit dans un éditorial récent.

Bien qu’il ne s’agisse pas d’une nouvelle technologie, des percées récentes ont rapproché le SSP de la réalité. Jusqu’à la dernière décennie, la technologie était considérée comme non rentable, principalement en raison du coût exorbitant des lancements de satellites. “Mais il y a eu un changement radical”, déclare Martin Soltau, responsable des activités spatiales chez Frazer-Nash et président de la Space Energy Initiative (SEI) basée au Royaume-Uni. “SpaceX a fait la démonstration de fusées réutilisables et le coût de lancement a baissé de 90%.”

En plus de cela, certaines des dernières conceptions de satellites à panneaux solaires sont hyper modulaires – et donc adaptées à la fabrication de masse – ce qui réduit le coût du matériel. Les technologies connexes telles que la robotique autonome et l’assemblage dans l’espace ont également beaucoup évolué.

“Surmontant tout cela, il y a l’urgence croissante du net zéro et la prise de conscience qu’il sera en fait incroyablement difficile à réaliser avec les technologies actuelles”, déclare Soltau. “Tous ces problèmes se sont réunis en même temps, provoquant un regain d’intérêt pour le solaire spatial.”

L’énergie propre par excellence

À première vue, l’énergie solaire spatiale est la technologie d’énergie propre par excellence. Selon le rapport Frazer-Nash, il y a de la place en orbite pour que les satellites d’énergie solaire fournissent bien plus de 100% des besoins énergétiques mondiaux prévus en 2050. Il s’intégrerait bien aux technologies intermittentes telles que l’éolien et le solaire terrestre car il est dispatchable – en d’autres termes, il peut répondre rapidement à l’évolution de la demande causée par la production variable des sources d’énergie intermittentes.

Le SSP aurait relativement peu d’impact sur l’environnement car Frazer-Nash prédit que son infrastructure au sol n’occuperait que 8% de l’espace d’un parc éolien conventionnel pour la même production – et il pourrait également être amarré au large. Le satellite d’énergie solaire CASSIOPeiA de 12,75 milliards de livres sterling (16 milliards de dollars), un prototype de conception d’énergie solaire par satellite développé par la société d’ingénierie britannique International Electric, utilise la technologie de l’énergie solaire concentrée, ce qui signifie qu’il a besoin d’un six millième de la surface photovoltaïque d’une ferme solaire terrestre . “Cela change la donne pour l’impact environnemental, l’utilisation de minéraux de terres rares et le coût du système”, déclare Soltau.

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Une récente évaluation du cycle de vie par l’Université de Strathclyde a calculé que le SSP aurait une empreinte carbone de 24 gCO2 par kilowattheure, soit environ la moitié de celle du solaire terrestre. Selon Frazer-Nash, ce serait également relativement sûr et sécurisé; Une liaison montante cryptée assurerait un contrôle et une orientation précise, et l’intensité maximale du faisceau d’ondes radio ne serait qu’un quart de celle du soleil de midi.

Peut-être plus important encore, il serait compétitif par rapport aux autres sources d’énergie, Frazer-Nash prévoyant un coût actualisé de l’électricité de 26 £ par mégawattheure (MWh), soit environ un tiers du coût de l’énergie nucléaire et moins cher que l’énergie éolienne. et solaire terrestre. En fait, le SEI estime que le coût de développement pour mettre en service le système CASSIOPeiA serait plus proche de 10 milliards de livres sterling, le coût en capital de chaque station SSP de 2 GW étant estimé à 3,6 milliards de livres sterling, soit environ un quart du coût d’une centrale nucléaire.

“Quand je l’exécute [space-based solar power] réduira considérablement les factures d’énergie et assurera la sécurité énergétique des ménages et de l’industrie », déclare Soltau.

La nouvelle course mondiale à l’espace

Plusieurs pays industrialisés explorent le potentiel de la technologie. Aux États-Unis, le Space Solar Power Project développe des cellules solaires à haut rendement ainsi qu’un système de conversion et de transmission d’électricité optimisé pour une utilisation dans l’espace. Le US Naval Research Laboratory a également testé un module solaire et un système de conversion d’énergie dans l’espace en 2020.

“L’armée américaine a développé les ‘modules sandwich’ qui sont l’un des éléments centraux des satellites à énergie solaire”, explique Soltau. “Ils ont terminé des démonstrations de transmission de puissance jusqu’à 1 kW et sur une distance d’un mile.” Un petit article de test vole actuellement dans l’espace à bord de l’avion spatial X-37B [a re-entry spacecraft designed to operate in low-earth orbit]et des démonstrations de transmission d’énergie depuis l’espace sont prévues pour 2025. »

Pendant ce temps, la Chine a récemment annoncé des progrès sur sa station d’énergie solaire spatiale Bishan et vise à avoir un système fonctionnel d’ici 2035. Des chercheurs chinois ont conçu un système appelé Omega, qui devrait être en mesure de fournir 2 GW d’électricité au réseau du pays d’ici 2050.

L’agence spatiale japonaise travaille également sur un système et prévoit une démonstration de faisceaux de puissance depuis l’espace pour 2025. “Le Japon est probablement le leader mondial des faisceaux de puissance, avec un programme dirigé par le gouvernement et une politique nationale déclarée pour développer la technologie, dit Soltau.

L’Agence spatiale européenne cherche à financer des projets SSP, et au Royaume-Uni, le système d’alimentation spatial proposé de 16 milliards de livres sterling a été considéré comme un concept viable sur la base des récentes recherches de Frazer-Nash. S’il est mis en service, le projet devrait commencer par de petits essais, dans le but d’établir une station SSP opérationnelle en 2040. Selon Soltau, l’hypothèse de travail est que le Royaume-Uni dispose de 15 satellites d’énergie solaire d’ici 2050, chacun fournissant 2 GW dans le la grille. Bien qu’il s’agisse d’une quantité d’énergie substantielle – pour produire 2 GW avec des panneaux solaires sur Terre, il en faudrait plus de six millions – elle est modeste par rapport à la capacité de production actuelle du Royaume-Uni, qui est d’environ 76 GW.

«Avec des coûts initiaux extrêmement élevés et un retour sur investissement lent, le projet nécessiterait des ressources gouvernementales substantielles ainsi que des investissements d’entreprises privées», explique Radulovic de Portsmouth. “Mais à mesure que la technologie progresse, le coût du lancement spatial et de la fabrication diminuera régulièrement, et l’ampleur du projet permettra une fabrication de masse, ce qui devrait faire baisser les coûts.”

Le ministère britannique des affaires, de l’énergie et de la stratégie industrielle a déclaré Moniteur d’énergie qu’à la suite du rapport Frazer-Nash, il développe un programme d’innovation «sans regrets» à petite échelle pour soutenir le développement de technologies clés associées au SSP, mais qui ont également des applications terrestres plus larges afin qu’elles puissent contribuer à l’ambition net zéro du Royaume-Uni si SSP décolle ou non.

Il existe également un certain nombre d’entreprises privées qui effectuent des recherches et des études conceptuelles à petite échelle. La Space Energy Initiative a été récemment créée dans le but de développer une approche commerciale de l’énergie solaire spatiale. Il rassemble 50 organisations des secteurs de l’énergie, de l’espace et de la finance, notamment Airbus, Thales, CGI, le UK Department of Trade, l’Imperial College de Londres et l’Université de Cambridge. “Nous venons de créer la société Space Solar Limited pour diriger un programme de développement solaire basé dans l’espace, soutenu par les membres de SEI”, déclare Soltau.

“La chose la plus stupide qui soit”

Mais la technologie n’est pas sans défis. En fait, en 2012, Elon Musk – qui dirige à la fois une entreprise d’énergie solaire et une entreprise spatiale – a qualifié SSP de “la chose la plus stupide qui soit”. Le poids des panneaux solaires a été identifié comme un défi précoce, mais cela a été résolu par le développement de cellules solaires ultra-légères. “L’énergie solaire spatiale est considérée comme techniquement réalisable, principalement en raison des progrès des technologies clés, notamment les cellules solaires légères, la transmission d’énergie sans fil et la robotique spatiale”, a déclaré Radulovic.

Une station SSP est basée sur une conception modulaire, impliquant un grand nombre de modules assemblés en orbite par des robots. Cependant, transporter tous ces éléments dans l’espace est difficile, coûteux et aura un impact sur l’environnement, selon Radulovic. L’assemblage d’une seule centrale solaire spatiale nécessitera de nombreux lancements de navettes spatiales. “Bien que l’énergie solaire spatiale soit conçue pour réduire les émissions de carbone à long terme, des émissions importantes sont associées aux lancements spatiaux”, a déclaré Radulovic.

Bien que des entreprises comme SpaceX travaillent à rendre les navettes spatiales réutilisables, la technologie n’est pas encore disponible dans le commerce et une station SSP opérationnelle serait confrontée à un certain nombre de défis pratiques. Les panneaux solaires seraient vulnérables aux dommages causés par les débris spatiaux et, sans le bouclier de l’atmosphère terrestre, se dégraderaient probablement à un rythme beaucoup plus rapide que leurs homologues terrestres en raison du rayonnement solaire intense.

L’efficacité de la transmission d’énergie sans fil a également été remise en question. Transmettre de l’énergie sur de si grandes distances est extrêmement difficile et, sur la base de la technologie actuelle, “seule une petite fraction de l’énergie solaire collectée atteindrait la Terre”, explique Radulovic. Soltau soutient cependant que l’efficacité du système est d’environ 60 %. “L’efficacité n’est pas la principale mesure de performance lorsque le carburant (le soleil) est gratuit et abondant”, dit-il.

À temps pour le net zéro ?

Beaucoup de ses partisans pensent que l’énergie solaire spatiale peut jouer un rôle essentiel dans l’ambition mondiale d’atteindre zéro émission nette de gaz d’ici 2050. La Space Energy Initiative a créé un plan de développement de 12 ans qui verrait les premiers systèmes d’ici 2035. , avec plusieurs gigawatts de capacité de production ajoutés chaque année par la suite. Au milieu des années 2040, Soltau pense que le Royaume-Uni pourrait tirer 25% de sa production d’électricité de l’espace – un taux de production qui, selon lui, est également reproductible pour d’autres pays.

“C’est un peu là-bas, mais ce n’est pas si loin là-bas”, a récemment déclaré Brian Ryan, vice-président de l’innovation pour le service public britannique National Grid. La semaine magazine. “Je pense que nous verrons l’énergie solaire spatiale jouer un rôle énorme dans notre écosystème énergétique au cours des 20 prochaines années… Le potentiel est illimité.”

Soltau établit la comparaison avec la fusion nucléaire, une autre future technologie d’énergie propre très convoitée qui a reçu des niveaux considérables d’investissement et d’attention pour son potentiel de décarbonisation du système énergétique mondial. Il souligne que même si les chercheurs en fusion explorent encore les moyens de faire fonctionner la physique de la technologie, avec l’énergie solaire spatiale, “nous n’avons pas besoin de percées dans notre compréhension de la physique ou de la technologie des matériaux ou des performances des composants – c’est pourquoi Nous avons pu élaborer une feuille de route de 12 ans pour développer un système solaire opérationnel basé dans l’espace ».

D’autres sont moins évangéliques. Que le SSP puisse nous aider à atteindre le zéro net d’ici 2050 “reste à voir”, dit Radulovic. Selon elle, d’autres technologies, telles que le stockage d’énergie diversifié et flexible, l’hydrogène et la croissance des systèmes d’énergie renouvelable, sont mieux comprises et plus faciles à mettre en œuvre.

Néanmoins, malgré les défis de la technologie et les opinions divergentes sur la vitesse de sa mise à l’échelle, la plupart conviennent que l’énergie solaire spatiale est susceptible de jouer un rôle dans l’approvisionnement énergétique mondial futur. Pour cela, nous devons remercier M. Asimov.

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