La mobilité solaire: un rêve ou une réalité?

Les émissions de CO₂ d’origine humaine ont atteint un record absolu en 2022: 36,4 Gt! La mobilité est à l’origine d’approximativement un cinquième de ces émissions, dont environ 75% proviennent des transports routiers [1]. Ainsi, la décarbonation des transports passera, d’une part, par l’électrification des véhicules et, d’autre part, par une électricité à faible émission de CO₂.

Avec la vente de 14 millions de voitures électriques au niveau mondial, ce qui représente 18% du marché en 2023, l’électrification de la mobilité est en marche. Les pronostics de l’Agence internationale de l’énergie (IEA) prévoient une part de marché de 60% en 2030 pour les voitures électriques, que ce soit en Chine, aux États-Unis ou en Europe [2]. Quant à la décarbonation de la production d’électricité, une nette tendance à la baisse des émissions est observée en Europe, avec une division par deux de l’intensité carbone entre 1990 et 2021 (de 500 à moins de 250 g CO₂-eq/kWh) [3], bien qu’au niveau mondial la valeur reste encore au-dessus de 400 g CO₂-eq/kWh en 2022 [4].

Une solution pour augmenter l’autonomie énergétique des véhicules électriques et diminuer la dépendance au mix énergétique local consisterait à produire l’électricité grâce à des panneaux photovoltaïques intégrés au véhicule (VIPV, Vehicle Integrated Photovoltaics). Cette solution est d’ailleurs préconisée dans la stratégie énergétique européenne depuis 2022 [5]. À noter qu’en Suisse, une surface d’un mètre carré reçoit annuellement l’équivalent d’un baril de pétrole (159 l) en énergie solaire. Avec une efficacité de conversion de 20%, une durée de vie de 25 ans et une surface de 1,7 m², un panneau solaire standard, une fois acquis, produira en énergie électrique l’équivalent de 1000 l de mazout, le tout localement et sans émission de CO₂.

Du verre au polymère

L’histoire de la voiture solaire est étroitement liée à la Suisse. En effet, l’une des premières compétitions de véhicules électriques solaires au monde s’est déroulée de Romanshorn à Genève en 1985 [6]. Plusieurs compétitions ont ensuite vu le jour, dont la plus renommée est le World Solar Challenge, durant laquelle les bolides solaires parcourent les 3000 km entre Darwin et Adélaïde à plus de 100 km/h en moyenne [7].

Des produits automobiles avec photovoltaïque (PV) intégré sont actuellement disponibles sur le marché. Par exemple, la Toyota Prius possède en option un toit solaire depuis 2012, et les Hyundai Sonata et Ioniq 5 ont toutes deux en option un toit PV de plus de 200 W (figure 1). De plus, de multiples start-up voient le jour et proposent des véhicules solaires: parmi celles-ci, Lightyear, qui a présenté en 2023 un premier prototype haut de gamme avec un design sans vitre arrière dédié à l’intégration PV, ou encore Aptera, une start-up nord-américaine qui propose une voiture à trois roues entièrement recouverte de modules solaires (figure 2). Même Tesla a annoncé et breveté de l’intégration solaire pour son futur CyberTruck [8].

Aujourd’hui, les produits PV sur le marché automobile sont basés sur une conception en verre qui les rend relativement lourds. De plus, pour des raisons de sécurité, ceux-ci ne peuvent recouvrir que le toit des voitures. Il existe donc une demande pour des solutions de modules PV en polymère. Il serait ainsi possible de réduire la consommation grâce à un poids plus faible, d’augmenter la résistance aux chocs en comparaison au verre et, finalement, de permettre une couverture quasi-totale de la surface extérieure des véhicules, et ce, même pour des formes de carrosserie complexes.

Les projets PVAB et SolarBody

Au Centre d’énergie durable (Sustainable Energy Center) du CSEM, à Neuchâtel, le développement de cellules PV de nouvelle génération, de matériaux innovants et de designs de panneaux solaires pour les applications mobiles est en plein essor et va bon train. Ainsi, un concept spécial de module solaire léger, efficace et robuste, y a été développé et testé dans des conditions extrêmes. Le premier exemple d’intégration est l’avion stratosphérique SolarStratos de Raphael Domjan, avec un module PV pesant seulement 0,7 kg/m² et atteignant une efficacité de près de 22%. La seconde application concerne le secteur nautique: le CSEM a développé des matériaux permettant aux modules solaires légers de passer les tests de grêle tout en gardant une haute efficacité, ce qui a permis, entre autres, au Swiss Solar Boat fabriqué par les étudiants de l’EPFL de remporter la première place du championnat lors du Monaco Energy Boat Challenge 2022.

Depuis 2020, le CSEM fait partie du consortium du projet PV Automotive Body (PVAB) en tant que responsable du développement des modules VIPV. Le projet, guidé par Simoldes Plastics, fournisseur automobile et spécialiste de l’injection de polymères basé au Portugal, conceptualise, développe et démontre une nouvelle architecture de modules photovoltaïques sans verre pour l’automobile [9]. Le consortium du projet inclut également le CEiiA, un centre d’ingénierie portugais, en tant que responsable du design et des calculs mécaniques, ainsi que le groupe automobile Stellantis comme utilisateur final. De plus, le projet SolarBody, dirigé par le CSEM et soutenu par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), a pour but de développer la lamination et la simulation des performances des modules PV courbés ainsi que l’électronique spécifique, et ce, afin d’intégrer les modules solaires de manière optimale aux véhicules électriques.

Intégration des cellules dans la carrosserie

Le style extérieur des automobiles comporte des lignes avec des courbures variables: convexes, concaves ou combinées (vague). Il est dès lors important de connaître le comportement en flexion des cellules solaires en silicium cristallin déjà interconnectées. Une étude spécifique a donc été menée avec des moules aux rayons de courbure fixes afin de définir les zones d’intégration des cellules solaires (figure 3).

Fiabilité des panneaux solaires sans verre

Le verre possède un coefficient d’expansion thermique (CET) relativement faible, proche de celui des cellules en silicium. Lorsque le verre est remplacé par un polymère, le CET peut être multiplié par un facteur 10, ce qui induit des contraintes thermomécaniques sur les interconnecteurs métalliques entre les cellules. Les premiers tests montraient une perte de contact électrique après quelques dizaines de cycles thermiques oscillant entre -40°C et +85°C. Grâce au développement des matériaux du panneau solaire, les derniers échantillons ne présentent aucune perte de puissance électrique après plus de 1800 cycles thermiques (ce qui équivaut à 8 fois la norme). Actuellement, comme la standardisation des tests pour les modules VIPV n’existe pas encore, une combinaison des tests utilisés pour le PV, pour l’électronique embarquée et pour les pièces automobiles extérieures est appliquée.

Performance des modules solaires courbés

La mesure standard des performances de cellules et modules PV constitue l’activité principale de Pasan, une filiale de Meyer Burger basée à Neuchâtel. Concernant les modules PV courbés, il existe actuellement un groupe de travail, dont Pasan et le CSEM font partie, qui a pour but de définir une norme équivalente. Cette tâche est cependant difficile et complexe. D’une part, l’irradiance varie en fonction de la distance à la source lumineuse et, d’autre part, l’angle incident de la lumière varie en fonction de la position sur le module. Un outil de simulation précis est donc nécessaire afin de modéliser la courbe courant-tension lors de la mesure du module PV courbé (figure 4).

Gain en autonomie

L’autonomie solaire des véhicules électriques a été calculée sur la base des performances de divers modules PV courbés et de données météorologiques annuelles typiques, et ce, en fonction de l’orientation des modules et de la localisation géographique [10]. Des conditions optimales ont été utilisées pour le calcul, incluant un stationnement à l’extérieur sans ombrage et une batterie toujours disponible (si la batterie est chargée à pleine capacité, le panneau PV ne pourra pas la recharger).

Les résultats obtenus indiquent que l’autonomie solaire d’un véhicule efficient consommant en moyenne 14 kWh/100 km [11], dont le toit est recouvert de modules solaires d’une puissance nominale totale de 270 W, s’élève à 2000 km par an à Berne, et à 3040 km par an à Séville, en Espagne. Le même véhicule avec toutes les surfaces extérieures recouvertes de modules PV d’une puissance nominale totale de 1260 W (figure de titre) bénéficiera d’une autonomie solaire de 7090 km par an à Berne, et de 10'360 km par an à Séville. Les 280 kWh produits annuellement par le toit d’une voiture solaire à Berne représentent environ une économie de 110 CHF/an, avec un prix de l’électricité de 40 ct./kWh. Ainsi, sur une durée de vie du véhicule de 10 ans, une somme de 1100 CHF peut être économisée grâce au toit solaire.

Futurs développements

Les progrès de la technologie solaire permettront d’accroître encore l’autonomie solaire des véhicules électriques: par exemple, les cellules à contact arrière à hétérojonction développées par Meyer Burger peuvent apporter un gain en puissance relatif de 16% par rapport à la technologie actuelle ainsi qu’une esthétique améliorée. Et dans un futur plus lointain, les cellules tandem pérovskite-silicium ajouteront presque 50% de puissance à la solution actuelle.