L’énergie solaire spatiale : folie ou coup de génie ?

Le Soleil brille toujours dans l’espace, à moins qu’une planète embêtante ne se mette en travers de son chemin. C’est plus ou moins l’idée essentielle derrière l’énergie solaire spatiale (SBSP) telle que récemment présentée par le directeur général de l’ESA, Josef Aschbacher sur Twitter. Plutôt que de mettre des panneaux solaires photovoltaïques à la surface de la Terre qui a cette propriété gênante de faire constamment tourner lesdits panneaux loin du Soleil pendant ce qu’on appelle communément la « nuit », les panneaux seraient immobilisés dans l’espace, non affectés par la rotation de la Terre et Météo.

Bien qu’il s’agisse d’une idée simple, elle nécessite la résolution d’un certain nombre de problèmes. La première question évidente est de savoir comment faire monter ces panneaux dans l’espace, à des centaines de kilomètres de la surface de la Terre, pour créer une structure plusieurs fois plus grande que la Station spatiale internationale. La question suivante est de savoir comment ramener le courant sur Terre, suivie de questions sur la sécurité, la maintenance, les pertes de transfert et les inévitables aspects économiques.

Avec des organisations allant de la NASA à l’Académie chinoise des technologies spatiales (CAST), en passant par des institutions américaines et d’autres impliquées dans des projets SBSP, il semblerait que ces problèmes soient à tout le moins jugés solubles. Cela soulève la question de savoir comment la proposition la plus récente de l’ESA s’inscrit dans ce tableau. L’Europe sera-t-elle bientôt alimentée par des panneaux solaires orbitaux ?

Poser les bonnes questions

Résumé simplifié de l'énergie solaire spatiale (SBSP).  Crédit : ESA.
Résumé simplifié de l’énergie solaire spatiale (SBSP). Crédit : ESA.

L’annonce de l’ESA ne vient pas de nulle part, mais fait suite à la réalisation de deux études sur le sujet qui ont été commandées au début de cette année. Selon ces études, il serait possible de fournir de l’électricité à des prix compétitifs aux foyers et aux entreprises européennes d’ici 2040, avec des ventes aussi importantes que cela pourrait atténuer le besoin de solutions de stockage des services publics à grande échelle.

Comme nous l’avons vu précédemment, le stockage au niveau du réseau sera sous pression pour combler les creux de la production d’électricité solaire. Les satellites SBSP transmettraient cependant de l’énergie vers la Terre idéalement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, ce qui leur donnerait des performances similaires à celles d’une centrale nucléaire avec un facteur de capacité bien supérieur à 90 %. Ceci est également noté sur la page de présentation de l’ESA pour SBSP et en particulier leur projet SOLARIS proposé.

En un mot, le manque d’atmosphère rend le solaire spatial beaucoup plus efficace que le solaire terrestre, avec un satellite SBSP projeté nécessitant environ 600 000 panneaux s’étendant sur un kilomètre de diamètre pour générer environ 2 GW, semblable à une centrale nucléaire avec deux réacteurs .

Pour la station de réception au sol – pour le rayonnement micro-ondes ou laser émis par le satellite SBSP – une empreinte d’environ dix fois celle-ci (~ 10 km) serait nécessaire. Bien que cela rendrait l’empreinte au sol plus petite que celle des quelque six millions de panneaux solaires photovoltaïques plus la surcapacité, cela prendrait beaucoup plus d’espace qu’une centrale électrique au charbon, au gaz ou nucléaire comparable.

Les questions ici semblent se condenser en deux questions principales, en supposant que les combustibles fossiles ne sont pas une option :

  • Le SBSP est-il compétitif avec un programme électronucléaire bien géré, comme par exemple en Corée du Sud et en Chine ?
  • SBSP est-il compétitif avec un réseau 100 % renouvelable entièrement soutenu par le stockage ?

Un champ de mines politique

C’est une triste réalité que la politique énergétique soit fortement politisée. En ce qui concerne le pitch SOLARIS de l’ESA, cela pourrait être considéré comme un moyen d’obtenir un financement approuvé pour le propre programme européen de fusées lourdes qui pourrait rivaliser avec quelque chose au niveau du Starship de SpaceX.

C’est un point soulevé par Eric Berger dans son analyse, qui fait également référence au rejet ferme de SBSP par Elon Musk, et à une analyse de 2019 du physicien Casey Handmer de SBSP. Handmer aborde l’autre éléphant dans la salle, de l’efficacité de la transmission et des pertes globales du système. La puissance des panneaux solaires doit être convertie en micro-ondes pour la transmission, transmise à la station au sol, qui capture ce qui traverse l’atmosphère à l’aide d’une gigantesque antenne à mailles métalliques, où elle doit être reconvertie en une forme utilisable pour l’électricité. la grille.

Vue d'artiste d'un satellite solaire.  Crédit : ESA.
Vue d’artiste d’un satellite solaire. Crédit : ESA.

En supposant une efficacité de conversion généreuse de 80 % de l’électricité PV en micro-ondes, cela nécessiterait également que le satellite traite d’une manière ou d’une autre 400 MW de chaleur résiduelle pour un réseau de 2 GW dans un environnement où la déperdition de chaleur est notoirement difficile. Pour la transmission des micro-ondes elle-même à travers l’atmosphère terrestre, des pertes seraient également subies par l’atténuation et la réflexion par l’eau et d’autres éléments (Karmakar et al., 2010).

La puissance qui serait finalement reçue au sol serait donc tout sauf constante, mais fluctuerait plutôt en fonction de facteurs tels que la quantité de vapeur d’eau entre le satellite et l’antenne de la station au sol. Sur les 2 GW capturés à l’origine, 1,8 GW seraient convertis en micro-ondes, ce qui, selon l’estimation du Dr Handmer, ne représenterait pas plus de 40%, nous laissant avec 720 MW, ce qui, après d’autres pertes de station au sol et de transmission, devrait s’élever à entre 500 MW et 700 MW, selon la météo.

A ce stade, nous nous trouvons confrontés à la question inconfortable de la logistique de l’envoi de ces satellites dans l’espace, assemblés et surtout financés.

Trop bon marché pour mesurer

Dommages MMOD sur le panneau solaire de l'ISS.
Dommages observés sur le panneau solaire 3A de l’ISS, panneau 58 (côté cellule à gauche, côté arrière Kapton à droite). Remarque by-pass
la diode est déconnectée en raison d’un impact MMOD. (Crédit : Hyde et al., 2019)

Aussi vite que les prix de lancement ont chuté depuis que des entreprises comme SpaceX ont lancé le gant de lancement commercial, mettre un kilogramme de quoi que ce soit en orbite coûte toujours cher, même avec le vaisseau spatial de SpaceX volant régulièrement. Son coût de lancement serait probablement d’environ 10 millions de dollars par vol, soit 100 dollars par kilogramme. Le poids de l’un de ces satellites serait bien supérieur à celui de l’ensemble de l’ISS, y compris ses panneaux photovoltaïques, sa structure de support, son générateur de micro-ondes et son antenne de transmission, ainsi que du matériel de contrôle et de communication supplémentaire.

Le coût d’un de ces satellites plus une station au sol serait de l’ordre de milliards, le tout pour générer l’équivalent de ce qu’une grande centrale solaire à concentration (CSP) ou une petite centrale nucléaire pourrait générer aujourd’hui. Même en supposant que les coûts de lancement devaient tomber aux 10 $/kg suggérés par Elon Musk, cela ne résoudrait pas les problèmes thermiques et les pertes de transmission. Cela ne résoudrait pas non plus le problème non résolu de l’assemblage et de la maintenance.

Si l’ISS était lancée aujourd’hui avec un vaisseau spatial, elle aurait encore besoin d’un assemblage en orbite à l’aide d’humains et/ou d’un bras robotique. L’assemblage de la plus grande structure en orbite de l’histoire de l’humanité soulève de nombreuses questions ouvertes. Le rapport Frazer-Nash commandé par l’ESA indique qu’ils s’attendent à ce que l’assemblage en orbite prenne entre quatre et six ans, par satellite.

Même en supposant cette estimation optimiste, cela se compare au temps de construction de cinq à six ans observé (Loring et al., 2016) avec des centrales nucléaires, par exemple lors de la construction des années 1970 en France ou de la construction actuelle d’une centrale nucléaire en Chine, avec même le retard massif et dépassement de budget du réacteur EPR Olkiluoto 3 à environ 8,5 milliards d’euros pour une production de 1,6 GW atteignant un coût actualisé de l’électricité de 30 €/MWh. Les réacteurs modernes ont également une durée de vie nominale de plus de 80 ans, ce qui aide en outre à amortir les coûts initiaux importants.

Cela nous amène au point suivant, à savoir celui de la maintenance. Bien que les satellites SBSP et les panneaux solaires PV soient en toute sécurité hors des limites de l’atmosphère terrestre et de ses conditions météorologiques, ils sont soumis à la météo spatiale, y compris les débris spatiaux, ainsi que les micrométéorites. L’ISS a subi sa part de dommages à la fois dans ses structures centrales et dans ses panneaux solaires. Avec l’augmentation de l’exposition aux rayonnements dans l’espace, cela signifie que les panneaux solaires spatiaux se dégraderaient beaucoup plus rapidement que les panneaux au sol, et pourraient être détruits par un coup malchanceux sur une partie cruciale du satellite.

La durée de vie attendue d’un tel satellite peut être estimée à partir des données glanées notamment sur l’ISS. Contrairement aux panneaux solaires terrestres, les panneaux des engins spatiaux utilisent de l’arséniure de gallium au lieu du silicium. Ceux-ci ne se dégradent pas aussi rapidement dans l’environnement hostile de l’espace, même s’ils sont toujours vulnérables à une frappe cinétique. Cette nécessité de protéger contre les radiations les panneaux solaires photovoltaïques signifie également qu’ils sont beaucoup plus coûteux que les panneaux solaires photovoltaïques produits en série couramment utilisés sur Terre.

Avec la réparation en orbite de ces satellites SBSP, là aussi nous nous heurtons au problème qu’aucune telle chose n’a jamais été tentée, au-delà des travaux de maintenance sur des stations spatiales comme l’ISS, utilisant des astronautes et des bras robotiques, et les missions de service sur le Hubble Space Télescope. Ce furent des efforts héroïques.

Un cas difficile

Comme alternative potentiellement beaucoup moins chère au SBSP, on peut imaginer quelque chose comme des miroirs spatiaux. Ceux-ci ne seraient pas aussi high-tech que les panneaux solaires PV orbitaux émettant des micro-ondes vers le sol, mais pourraient être aussi simples que des satellites à miroir à déploiement automatique avec des propulseurs ioniques pour maintenir la position. Ceux-ci pourraient refléter la lumière du soleil vers un panneau solaire PV sur Terre, par exemple, ne coûtant qu’une fraction et utilisant une technologie principalement éprouvée.

En 2019, la Chine avait annoncé qu’elle lancerait « très probablement » ses propres satellites SBSP en orbite entre 2021 et 2025, avec un satellite de niveau MW lancé d’ici 2030. Jusqu’à présent, il y a eu un grave manque de mises à jour. Le sentiment distinct ici est que peut-être SBSP est plus une chose de prestige national, encore plus que les stations spatiales. De la construction orbitale massive à une gamme d’autres éléments «jamais réalisés auparavant», un projet SBSP réussi serait peut-être le plus grand flex de puissance national imaginable.

En attendant, il semble que la meilleure stratégie pour alimenter nos sociétés consiste à continuer à construire des centrales nucléaires aux côtés du solaire et de l’éolien, ce qui ne nous oblige pas à inventer de toutes nouvelles technologies et industries à partir de zéro.