Rendement solaire : comment la pollution atmosphérique et les particules fines réduisent la production d'électricité des panneaux solaires
De nombreux dangers émanant des polluants atmosphériques comme les particules fines sont indéniables et connus. Mais outre ces raisons sanitaires de faire davantage pour une bonne qualité de l'air, il existe aussi des raisons économiques : le rendement solaire peut être considérablement réduit par la pollution atmosphérique et les particules fines – et ce, à double titre.
Le rendement solaire, c'est-à-dire le produit de l'irradiation solaire spécifique par mètre carré et de la puissance de crête d'un panneau solaire, diminue d'une part parce que les particules atmosphériques en haute altitude absorbent le rayonnement, comme le montre désormais une nouvelle étude. D'autre part, parce que les particules fines se déposent sur les panneaux photovoltaïques eux-mêmes et les salissent. Or, un nettoyage fréquent des panneaux solaires comporte le risque de minuscules dommages à la surface. Comment la pollution atmosphérique et les particules fines réduisent-elles donc la production d'électricité des panneaux solaires ?
Moins d'irradiation solaire spécifique en raison de l'air pollué
Des chercheurs chinois de l'Institute of Atmospheric Physics de la Chinese Academy of Sciences ont désormais confirmé dans leur étude que l'air pollué diffuse ou absorbe la lumière solaire. Ainsi, moins de lumière solaire atteint la surface terrestre – et il y a moins d'irradiation solaire spécifique.
Ce qui est particulièrement délicat, c'est que les effets deviennent d'autant plus nocifs que les particules fines sont petites. Certes, l'intensité de l'irradiation solaire varie au fil du temps. Mais outre les couvertures nuageuses, des particules d'aérosols libérées, des cendres ou de la poussière peuvent également réfracter ou diffuser la lumière solaire.
Les chercheurs constatent qu'à mesure que la pollution atmosphérique augmente, le rapport entre le rayonnement diffus et le rayonnement global augmente également, de sorte que finalement moins de lumière solaire pénètre jusqu'à la surface terrestre. De plus : plus la concentration de particules est élevée, plus la pénétration directe du rayonnement solaire jusqu'à la surface terrestre est réduite. Parallèlement, une pollution atmosphérique accrue augmente également le potentiel de diffusion.
Dans différentes conditions météorologiques et lumineuses, les chercheurs ont étudié, pour différents degrés de pollution atmosphérique, comment celle-ci affecte l'irradiation solaire. Le rayonnement solaire atteignant la surface terrestre – le SSR (surface solar radiation) – est la véritable source d'énergie des installations photovoltaïques.
Le rendement solaire est particulièrement plus faible pour les installations photovoltaïques urbaines
Les conclusions de cette étude indiquent ainsi des difficultés potentielles auxquelles la production d'électricité solaire est confrontée, et pas seulement en Chine, ce qui ne rend pas la transition vers les énergies renouvelables moins difficile.
Dès 2017, des chercheurs de l'American Chemical Society ont étudié les effets des particules fines dans l'atmosphère sur l'irradiation solaire spécifique par kilomètre carré. En Chine et en Inde, les chercheurs ont constaté une production d'énergie photovoltaïque réduite de 17 à 20 %. Extrapolé, cela signifie : les particules fines sont actuellement responsables d'une réduction du rendement solaire pouvant atteindre 1 gigawatt en Inde. En Chine, ce sont même jusqu'à 10 gigawatts de puissance solaire non produite en raison de l'air pollué. Le rendement solaire est donc réduit en conséquence.
Les particules fines issues de l'activité humaine particulièrement dramatiques
Même si une grande partie des particules déposées provient de poussière et de saleté, les particules fines issues d'activités humaines comme la combustion de combustibles fossiles sont nettement plus problématiques. Ces particules sont souvent très petites. De plus, elles sont difficiles à nettoyer, car souvent collantes. Or, plus les panneaux solaires sont nettoyés fréquemment, plus le risque d'endommager ces surfaces hautement sensibles est grand.
Les chercheurs ne sont d'ailleurs nullement seuls avec leurs conclusions : dans la revue Energy & Environmental Science, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) confirment en 2018 que les effets sont effectivement considérables. Dans certains cas – les scientifiques du MIT ont également étudié la situation en Inde et en Chine – cela peut faire la différence entre une installation solaire performante et une installation qui, au final, n'atteint pas le niveau de production attendu, et engendre éventuellement des pertes.
Parmi les participants à l'étude figurait notamment le professeur du MIT Tonio Buonassisi, de la faculté de génie mécanique. Pendant deux ans, les scientifiques ont collecté des mesures d'irradiation solaire et de pollution environnementale – et ont confirmé une réduction significative de l'irradiation solaire spécifique sur les panneaux solaires. Il s'est avéré qu'à Delhi (Inde), il n'y a aucun jour sans air pollué.
Des dommages économiques de plusieurs milliards ?
Résultat : les chercheurs ont finalement déterminé un taux d'atténuation annuel moyen de la performance des cellules solaires d'environ 12 %. Ces 12 % dépassent souvent les marges bénéficiaires, rendant ainsi les installations photovoltaïques moins rentables.
Extrapolé, le dommage économique est immense : rien qu'à Delhi, les pertes de chiffre d'affaires liées à la production d'électricité pourraient atteindre jusqu'à 20 millions de dollars par an, à Calcutta environ 16 millions de dollars, et à Pékin et Shanghai environ 10 millions de dollars par an chacune, estime l'équipe. Les installations prévues à Los Angeles pourraient perdre entre 6 et 9 millions de dollars. Au total, ils prévoient que les pertes potentielles « pourraient facilement s'élever à des centaines de millions, voire des milliards de dollars par an ».
Une autre conclusion, selon l'évaluation des scientifiques du MIT, mène à une réduction du rendement solaire : le réchauffement climatique. Dans une autre étude, Ian Peters et Tonio Buonassisi arrivent au résultat que, en moyenne, le rendement solaire diminue de 0,45 % par degré de réchauffement de la température. Ce chiffre varie certainement selon le type de panneau solaire utilisé, mais constitue déjà un risque à prendre en compte.
Avec ces conclusions en tête, il devient encore beaucoup plus clair que la limitation des émissions de polluants est également incontournable dans l'optique de la transition énergétique.
(Image : Mariana Proenca/ unsplash)