Mégastructure photovoltaïque spatiale par Caltech et Northrop Grumman

Je n'ai pas d'article venant de journaux "plus scientifiques" et plus poussé mais je trouve que c'est une idée intéressante.

L'université de Caltech et le groupe Northrop Grumman parlent d'un projet d'envoyer une surface de 9 km² de panneaux photovoltaïques en orbite afin de produire de l'énergie et l'envoyer sur Terre afin de réduire les coûts de production et l'impact sur l'environnement.
Cette surface serait constituée de 2 500 satellites formés chacun de 900 panneaux, eux-même constitués de 400 tuiles de 10 x 10 x 3 cm.

Je trouve que c'est une idée vraiment intéressante. Les deux choses qui me chiffonnent aux premiers abords, c'est le moyen de transfert de l'énergie du satellite vers la Terre et la protection de cette surface contre les débris spatiaux ou micrométéorites qui pourraient endommager la structure.
Selon l'article, ce deuxième point ne semble pas être un problème car un dommage de cette nature n'affecterait pas l'efficacité de la structure.



http://fr.ubergizmo.com/2016/04/14/2500-panneaux-solaires-en-orbite-pourraient-fournir-de-lenergie-illimitee-sur-terre.html

9 km² de panneau solaires ? diantre, il ya intéret a avoir une sacré reserve d'ergol pour compenser la traîné atmosphérique et la chute d'altitude

edit: l'article de la nasa: http://climate.nasa.gov/news/2426/

Si on transfère la puissance électrique par ondes RF avec du GW au niveau de l'émission, je comprends qu'il n'y ait pas que les "électrosensibles" qui se révoltent...

Faisons quelques plans sur la comète:

Admettons que:

- On puisse "téléporter" toutes ces structures dans l'espace, c'est à dire cout de mise en orbite nul ( juste pour l'exercice de pensée :blbl: ).
- les couts d'exploitations/maintenance de ces centrales spatiales sont égaux à ceux de leur équivalents terrestre.
- Il fait jour 24/24h dans l'espace. elles sont donc au moins globalement 2x plus productive. comptons 3x (voir * plus bas)

Ces centrales seront plus productive que leur équivalent terrestre si et seulement si la perte dans la transmission d’énergie est inférieur à 66%.

Tous ces projets de centrales solaires spatial évitent soigneusement de faire un calcul sur ces pertes dans ces transmissions d’énergies. et celles-ci sont fondamentales (au sens physique du terme).
Pour les limiter, il faut utiliser des longueurs d'onde courtes... et là ca commence à ressembler plus à un projet militaire... :wall:
Ces pertes vont générer en plus de l'effet joule qu'il va falloir refroidir avec un radiateur de très grande taille (toujours absent des croquis... comme c'est bizarre )


Pour la petite histoire, il y avait eu une interview d'Elon Musk ou il disait que possédant SolarCity (solaire) et SpaceX, il devrait logiquement être le plus intéressé par ce genre de projet.
Et pourtant, il a démontré que c'était un miroir aux alouettes même si le cout d'accès à l'espace était nul.
l’énergie solaire a sa place dans l'espace, mais pour une énergie consommée localement.
EDIT: je l'ai retrouvée! https://youtu.be/gVgM2BlMczY?t=43m10s

(*) Pourquoi 3 fois?
Seul un panneau solaire pointé vers le soleil est en production maximal.
un champ de panneaux solaires de ce type se feront des ombres mutuelles si le soleil est bas sur l'horizon.
des mini champs de panneaux solaires distribués pallierons à ce problème, mais pas complétement.

On peut aussi faire un autre calcul:

La puissance reçue du Soleil dans l'espace au niveau de la Terre est de 1200W/m2

En tenant compte d'un rendement des cellules de 25%, ce qui est déjà bien, on récupère 300W

Le rendement de transformation au niveau du satellite en micro ondes et l'inverse sur terre, plus les pertes dues aux faisceaux et à la traversée de l'atmosphère peut être évalué à 50%, donc on récupère 150W électriques

l'ensemble faisant 9 km2, soit 9000000m2, la puissance électrique récupérée serait de 1350 MW. Par comparaison, une des dernières centrales nucléaires construites, Cattenom en Moselle, possède 4 réacteurs de 1350MW CHACUN. La France possédant 53 tranches nucléaires (il est vrai certaines moins puissantes), il faudrait une cinquantaine de satellites de ce type pour fournir l'équivalent de la production électrique française, qui ne représente que 17% de l'énergie totale consommée en France.

Combien pèse un satellite de cette dimension? En comptant la structure, les moteurs d'attitudes, la centrale de conversion, et tout le reste, on ne doit pas être loin de 4000 tonnes. Le coût au kilo en orbite (basse, ce qui serait nettement insuffisant pour une telle structure) est de 15000€. Avec un lanceur super lourd, on peut envisager 10000€. La centrale reviendrait donc à 40000000000€, (40 milliards d'euro) pour l'envoyer dans l'espace, plus le prix de sa construction. Je rappelle que la rentabilité de Flamanville, en construction, de puissance supérieure, est remise en cause car son prix dépasse les 11 milliards d'euros.

C'est valable, à condition de payer son électricité entre 5 et 15 fois plus cher.... :wall:

Lunarjojo a écrit: Le coût au kilo en orbite (basse, ce qui serait nettement insuffisant pour une telle structure) est de 15000€.

en orbite basse????
On perdrais le seul et unique avantage de panneaux solaires spatiaux qui est l'insolation 24/24h!
Dans ce cas-là, autant l'installer sur terre, on reçoit autant de soleil (ou pratiquement)!
C'est pas parce qu'il est dans l'espace qu'il devient magique!

même si il existe probablement une orbite polaire toujours perpendiculaire au soleil, le fait que ça soit une orbite basse fait que la station au sol ne pourra recevoir l’énergie que pendant un laps de temps très court.
On finit donc avec une énergie intermittente, ce qui était le seul avantage du solaire spatial!

non vraiment... aucune personne sensée ne peut défendre des stations solaires spatiales alimentant la terre en énergie...
c'est une utopie, même on considérant gratuit l'envoi de cette masse dans l'espace et en ayant une technologie de conversion électricité/photon au maximum théorique.


P-S: par contre des miroirs en orbite qui renvoient (et focalisent) la lumière vers des panneaux solaires au sol.... là... OK... :hot: 
moins de conversions... moins de pertes...les rendements sont avec nous!

Pourquoi en orbite basse ? Ce serait bien plus profitable une orbite polaire haute...

Et si l'on met ces satellites en charges utiles secondaires, ça pourrait réduire les coûts de mise à poste (ça ne doit pas peser bien lourd), non ? (Je me rends compte que c'est surement utopique de ma part, mais on peut rêver :eeks: )

Vous me direz, les charges utiles primaires ne sont pas ce qu'il y a de plus courant pour accompagner nos petits amis :bounce:

LuckySan a écrit:

Lunarjojo a écrit: Le coût au kilo en orbite (basse, ce qui serait nettement insuffisant pour une telle structure) est de 15000€.

en orbite basse????
On perdrais le seul et unique avantage de panneaux solaires spatiaux qui est l'insolation 24/24h!

C'est pourquoi j'ai bien précisé qu'une orbite basse n'est pas adaptée pour cette utilisation. Si on veux aller plus haut, le coût du kilo augmente....

Dans le principe, ces stations doivent rester fixes par rapport à la station de réception au sol, ce qui implique l'orbite géostationnaire, à 36000 km et au dessus de l'équateur.
C'était une chimère il y a 40 ans, et ça l'est toujours aujourd'hui, il n'y a pas de viabilité économique en dessous de 50-100 GW et des coûts de lancement inférieurs à 500$/kg.

Tout cela semble en effet relever plus de la fable que du véritable projet industriel....Northrop Grumman a heureusement des projets bien plus réalistes en cours comme le méga-contrat de 80 milliards signé récemment pour le développement du B-21. 
Bombardier qui bien-sur n'existe pas encore mais dont on montre les contours dans une pub du Super Bowl... autant dire que les B-24 ou même 25 seront bientôt mis à la retraite par le B-26... le secret défense ce n'est plus ce que c'était!  :megalol:

lambda0 a écrit:Dans le principe, ces stations doivent rester fixes par rapport à la station de réception au sol, ce qui implique l'orbite géostationnaire, à 36000 km et au dessus de l'équateur.
C'était une chimère il y a 40 ans, et ça l'est toujours aujourd'hui, il n'y a pas de viabilité économique en dessous de 50-100 GW et des coûts de lancement inférieurs à 500$/kg.

L'aspect le plus important dans l'équilibre économique du concept est en fait la puissance par unité de masse, ce qui est directement lié à la capacité de produire des films photovoltaïques les plus minces possibles. J'avais commis un modeste papier en 2007 pour des SPS en GEO : Lien vers fichier SPS cogitations.pdf et Lien vers classeur Excel sps.xls
Mais tout ça ne règle pas le délicat problème du transfert de l'énergie au sol dans des conditions techniques satisfaisantes (rendements) et à moindres nuisances en termes de surfaces de réception au sol immobilisées pour la réception... (Quoiqu'à ma connaissance on peut en termes de débits de doses microondes pratiquer l'agriculture sous les rectennas et y circuler, mais pas y habiter)

Édit : correction d'une petite erreur d'unité dans la dernière ligne du tableau dans le classeur sps.xls

Henri a écrit:

lambda0 a écrit:Dans le principe, ces stations doivent rester fixes par rapport à la station de réception au sol, ce qui implique l'orbite géostationnaire, à 36000 km et au dessus de l'équateur.
C'était une chimère il y a 40 ans, et ça l'est toujours aujourd'hui, il n'y a pas de viabilité économique en dessous de 50-100 GW et des coûts de lancement inférieurs à 500$/kg.

L'aspect le plus important dans l'équilibre économique du concept est en fait la puissance par unité de masse, ce qui est directement lié à la capacité de produire des films photovoltaïques les plus minces possibles. J'avais commis un modeste papier en 2007 pour des SPS en GEO : Lien vers fichier SPS cogitations.pdf et Lien vers classeur Excel sps.xls
Mais tout ça ne règle pas le délicat problème du transfert de l'énergie au sol dans des conditions techniques satisfaisantes (rendements) et à moindres nuisances en termes de surfaces de réception au sol immobilisées pour la réception... (Quoiqu'à ma connaissance on peut en termes de débits de doses microondes pratiquer l'agriculture sous les rectennas et y circuler, mais pas y habiter)

Édit : correction d'une petite erreur d'unité dans la dernière ligne du tableau dans le classeur sps.xls

Je pense que dans ce modèle, la masse des radiateurs et du système de conversion micro-ondes ne devrait pas être liée à la masse des cellules via Rms.
Ou alors si Rms vaut 1 en technos actuelles, sa valeur devrait être beaucoup plus élevée en technos de cellules avancées ultralégères.
Si Ms tend vers 0, Pbs ne tend pas vers l'infini : même à masse de cellule nulle, on a toujours les autres masses...

LuckySan a écrit:Dans ce cas-là, autant l'installer sur terre, on reçoit autant de soleil (ou pratiquement)!
C'est pas parce qu'il est dans l'espace qu'il devient magique!

Tu passes de 1350 W/m² en orbite basse  à moins de 500 W/m² au sol.  C'est donc un peu magique ;)

de plus en orbite géostationnaire, on a presque pas de nuit .

lambda0 a écrit:

Henri a écrit:
L'aspect le plus important dans l'équilibre économique du concept est en fait la puissance par unité de masse, ce qui est directement lié à la capacité de produire des films photovoltaïques les plus minces possibles. J'avais commis un modeste papier en 2007 pour des SPS en GEO : Lien vers fichier SPS cogitations.pdf et Lien vers classeur Excel sps.xls
Mais tout ça ne règle pas le délicat problème du transfert de l'énergie au sol dans des conditions techniques satisfaisantes (rendements) et à moindres nuisances en termes de surfaces de réception au sol immobilisées pour la réception... (Quoiqu'à ma connaissance on peut en termes de débits de doses microondes pratiquer l'agriculture sous les rectennas et y circuler, mais pas y habiter)

Édit : correction d'une petite erreur d'unité dans la dernière ligne du tableau dans le classeur sps.xls

Je pense que dans ce modèle, la masse des radiateurs et du système de conversion micro-ondes ne devrait pas être liée à la masse des cellules via Rms.
Ou alors si Rms vaut 1 en technos actuelles, sa valeur devrait être beaucoup plus élevée en technos de cellules avancées ultralégères.
Si Ms tend vers 0, Pbs ne tend pas vers l'infini : même à masse de cellule nulle, on a toujours les autres masses...

Tu penses qu'il n'est pas possible de réduire la masse des convertisseurs en microondes dans les mêmes proportions que la masse des cellules photovoltaïques, c'est ça ? J'avais effectivement considéré que le gros de la masse était constitué des cellules et des structures de haubanage tandis que celle des convertisseurs était négligeable tant qu'on ne cherchait à gagner qu'un gros ordre de grandeur (~23) pour Psb (Puissance électrique brute par unité de masse en orbite). Faudrait creuser les valeurs... La question est de savoir si on peut passer de l'hW/kg à 1 ou 2 kW/kg en ne jouant que sur la masse surfacique des cellules et des structures de positionnement des cellules...

Je n'en sais rien  en fait. Mais je me disais que ce sont quand même des technologies plus matures, pour lesquelles il serait surprenant de gagner autant que sur les cellules. Et il y a aussi les radiateurs, et des éléments de structures, pour lesquels je ne vois pas comment le gain pourrait être aussi important que pour les cellules. Le complément à 100% du rendement des convertisseurs est autant de puissance à dissiper, probablement sous la forme de chaleur à basse température, ce qui n'est pas très favorable pour les radiateurs.

Pour ces questions de viabilité économique, j'en étais resté à une étude ESA de 2004, mais qui ne fournit malheureusement pas le détail des masses, et qui convergeait vers des coûts de lancement de l'ordre de 500-700 €/kg pour atteindre une viabilité économique en base (on a droit à un peu plus en pic).
Ref:
http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/POW/ACT-RPR-NRG-2005-RASTS-SPS_for_21st_Century_Energy_Systems.pdf

Ce papier, fait la comparaison entre le solaire orbital et terrestre et non pas avec les autres types de centrales terrestres. Là où le papier est muet, c'est sur les emprises au sol comparées entre le solaire spatial et le solaire terrestre... La faible illumination moyenne au sol se paye en termes de surfaces requises.

Même les blogs du Monde.fr s'y mettent:

http://internetactu.blog.lemonde.fr/2016/04/16/notre-avenir-energetique-viendra-t-il-de-lespace/

Lunarjojo a écrit:Même les blogs du Monde.fr s'y mettent:

http://internetactu.blog.lemonde.fr/2016/04/16/notre-avenir-energetique-viendra-t-il-de-lespace/

Quand je vois les commentaires des lecteurs du Monde... Il y a 100 000 ans ces gars seraient resté terrés dans leurs grottes à débattre de l'esthétique des peintures murales... :face:

On peut aller jeter un oeil à l'étude SPS-Alpha.
http://www.nasa.gov/pdf/716070main_Mankins_2011_PhI_SPS_Alpha.pdf
Une alternative à l'utilisation de cellules minces mais de faible rendement est d'utiliser des cellules à haut rendement et des miroirs de concentration.
On trouve en section 7 des bilans de masse sur des études de cas.
Cas 1 : démonstrateur de 30 kW, m=12 tonnes
Cas 5 : 2 GW, m=34800 tonnes
(il s'agit de puissance à l'arrivée, disponible dans le réseau électrique après toutes conversions)
Pour ce cas 5, pour avoir 0.09$/kWh à l'arrivée, le transport devrait être à 500$/kg, on retombe sur des résultats comparables à l'étude ESA de 2004.
Ca donne une idée de ce qu'il faudrait gagner par rapport aux coûts de lancement actuels.