Energie solaire photovoltaique

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Energie solaire photovoltaique

√Čnergie solaire photovolta√Įque

Atlas solaire mondial
Panneaux photovolta√Įque du plus grand bateau solaire d'Europe en 2007 (180 places) (voir ci dessous)
Ce bateau solaire de 180 places a √©t√© affr√©t√© par l'ONG Natuur monumenten pour le centre d'interpr√©tation de la nature de Dordrecht pour visiter les zones humides du Parc national de Biesbosch (9000 ha) aux Pays-Bas. Co√Ľt : 1 million d'euros (moteur diesel compl√©mentaire ou de secours)
L'énergie solaire est particulièrement adaptée aux lieux isolés ensoleillé, par exemple ici dans le village de Grand Bassin (Île de la Réunion)

L'√©nergie solaire photovolta√Įque est une √©nergie √©lectrique produite √† partir du rayonnement solaire. L'√©nergie solaire √©tant une √©nergie renouvelable, l'√©nergie solaire photovolta√Įque l'est aussi.

La cellule photovolta√Įque est un composant √©lectronique qui est la base des installations produisant cette √©nergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photo√©lectrique. Plusieurs cellules sont reli√©es entre-elles sur un module solaire photovolta√Įque, plusieurs modules sont regroup√©s pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'√©lectricit√© qui peut √™tre consomm√©e sur place ou alimenter un r√©seau de distribution.

Le terme photovolta√Įque d√©signe selon le contexte le ph√©nom√®ne physique - l'effet photovolta√Įque - ou la technologie associ√©e.

Sommaire

Technologie

Article d√©taill√© : cellule photovolta√Įque.

Le principe de l'obtention du courant par les cellules photovolta√Įques s'appelle l'effet photo√©lectrique. Ces cellules produisent du courant continu √† partir du rayonnement solaire. Ensuite l'utilisation de ce courant continu diff√®re d'une installation √† l'autre, selon le but de celle-ci. On distingue principalement deux types d'utilisation, celui o√Ļ l'installation photovolta√Įque est connect√©e √† un r√©seau de distribution d'√©lectricit√© et celui o√Ļ elle ne l'est pas.

Les installations non connect√©es peuvent directement consommer l'√©lectricit√© produite. √Ä petite √©chelle, c'est le cas des calculatrices solaires et autres gadgets, con√ßus pour fonctionner en pr√©sence de lumi√®re naturelle ou artificielle (dans un logement ou un bureau). √Ä plus grande √©chelle, des sites non raccord√©s au r√©seau √©lectrique (en montagne, sur des √ģles ou des voiliers, un satellite...) sont aliment√©s de la sorte, avec des batteries d'accumulateur pour disposer d'√©lectricit√© au cours de p√©riodes sans lumi√®re (la nuit notamment).

Des installations photovolta√Įques sont aussi connect√©es √† un r√©seau de distribution. Sur les grands r√©seaux de distribution (Am√©rique du Nord, Europe, Japon...) des installations photovolta√Įques produisent de l'√©lectricit√© et l'injectent dans le r√©seau. Pour ce faire, ces installations sont munies d'onduleurs qui transforment le courant continu en courant alternatif aux caract√©ristiques du r√©seau (e.g. fr√©quence de 50 Hz en Europe ou 60 Hz en Am√©rique du Nord par exemple). Elles n'ont pas besoin d'installation de stockage.

Les diff√©rentes technologies de modules photovolta√Įques

Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovolta√Įques :

  • Les modules solaires monocristallins : Ils poss√®dent un meilleur rendement au m¬≤, et sont essentiellement utilis√©s lorsque les espaces sont restreints. Le co√Ľt, plus √©lev√© que celui d'une autre installation de m√™me puissance, contrarie le d√©veloppement de cette technologie.
  • Les modules solaires polycristallins : Actuellement c'est le meilleur rapport qualit√©/prix et les plus utilis√©s. Ils ont un bon rendement et une bonne dur√©e de vie (plus de 35 ans), et en plus ils peuvent √™tre fabriqu√©s √† partir de d√©chets de l'√©lectronique.
  • Les modules solaires amorphes : Ces modules auront un bon avenir car ils peuvent √™tre souples et ont une meilleure production par faible lumi√®re. Le silicium amorphe poss√®de un rendement divis√© par deux par rapport √† celui du cristallin, ce qui n√©cessite plus de surface pour la m√™me puissance install√©e. Toutefois, le prix au m¬≤ install√© est plus faible que pour des panneaux solaires compos√©s de cellules. [1]
  • Les modules solaires en couche mince √† base d'absorbeur CdTE :
  • Les modules solaires en couche mince a base d'absorbeur CIGS :

Influence de l'ensoleillement

M√™me si la constante solaire est de 1,367 kW/m¬≤[2], les pertes de lumi√®re lors de la travers√©e de l'atmosph√®re r√©duisent l'√©nergie re√ßue au sol √† environ 1 kW/m¬≤ au midi vrai : 1 m¬≤ de panneaux expos√©s en plein soleil re√ßoivent 1 kW (1000 watts). C'est cette valeur qui est commun√©ment retenue pour les calculs, et en laboratoire pour d√©terminer le rendement d'une cellule ou d'un panneau solaire, c'est une source lumineuse artificielle de 1 kW/m¬≤ qui est utilis√©e. Au final, l'√©nergie qui arrive au sol d√©pend de la n√©bulosit√©, de l'inclinaison du soleil (et de l'√©paisseur de l'atmosph√®re √† traverser) et donc de l'heure de la journ√©e.

Au cours d'une journ√©e, m√™me sans nuage, la production √©lectrique du panneau varie en permanence en fonction de la position du soleil et n'est √† son maximum que pendant un bref passage au plein midi. Le nombre d'heures d'√©quivalent plein soleil, la valeur qui concerne le producteur d'√©lectricit√© photovolta√Įque, est moindre que le nombre d'heures o√Ļ le soleil a brill√© (le nombre d'heures d'ensoleillement au sens de la m√©t√©orologie[3]) dans la journ√©e. La saison joue aussi, dans le m√™me sens. Par exemple, Rouen est situ√©e sur la ligne des 1750 heures d'ensoleillement par an, alors que le nombre d'heures d'√©quivalent plein soleil y est proche de 1100 heures.

Alors que cette question peut être étudiée plus en détail sur le site de l'Institut de l'énergie solaire (INES), il faut aussi tenir compte de l'albédo du sol, c'est-à-dire de son pouvoir de réflexion de la lumière. Lorsqu'une installation est dans un environnement très réfléchissant (un paysage de neige par exemple), sa production augmente parce qu'elle récupère une petite partie de la lumière réfléchie par la neige alentour. Mais cette variable n'est pas facile à quantifier et se trouve, de fait, incluse dans le nombre d'heures d'équivalent plein soleil.

Avant de s'√©quiper en panneaux photovolta√Įques, il est int√©ressant de savoir ce qu'on peut en tirer au lieu g√©ographique concern√©. L'information se trouve facilement sur internet, par exemple la Communaut√© Europ√©enne a mis en ligne un logiciel gratuit PV Estimation Utility. Selon cet outil, √† Li√®ge on peut obtenir 840 kWh/kWc/an, Hambourg 870, Colmar 940, Rouen 950, Munich 950, Arcachon 1100, Chamonix 1110, La Rochelle 1140, Agen 1150, Mont√©limar 1280, Perpignan 1290, H√©raklion 1310, Madrid 1400, Cannes 1465, S√©ville 1470, Malte 1480, Faro Portugal 1550.

√Čconomie

Après avoir été tirée par l’électrification des sites isolés et l'alimentation de matériel mobile, la demande est maintenant motivée par la perspective de manquer d'énergie ou le souci d'éviter l'émission de gaz à effet de serre, et concerne surtout les installations connectées au réseau.

Depuis plusieurs ann√©es, les installations de panneaux photovolta√Įques sont acc√©l√©r√©es par des programmes nationaux offrant des incitations financi√®res telles que des tarifs de rachats bonifi√©s de l'√©lectricit√© produite pour le r√©seau public, notamment en Allemagne, Japon, Espagne, √Č.-U., Australie, France et dans d'autres pays (mais souvent √† des conditions particuli√®res).

En 2006, les nouvelles installations solaires photovolta√Įques ont repr√©sent√©, dans le monde, une puissance de 1500 MW, portant la totalit√© des installations mondiales √† 6700 MW . Le Japon (1750 MW), l'Allemagne (3063 MW) et les √Čtats-Unis (610 MW) repr√©sentent ensemble 81 % du march√© mondial. Les installations connect√©es aux r√©seaux (sans stockage de l'√©lectricit√©) repr√©sentent la majorit√© des nouvelles installations.

Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovolta√Įques se partagent 60 % du march√© mondial. Il s'agit des soci√©t√©s japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises am√©ricaines BP Solar et Astropower, et de l'allemande RWE Schott Solar. Le Japon produit pr√®s de la moiti√© des cellules photovolta√Įques du monde, mais c'est en Chine que la grande majorit√© des panneaux sont assembl√©s.

Le Japon est lui-même un des plus grands consommateurs de panneaux solaires, mais largement dépassé par l'Allemagne [4].

Principales entreprises du secteur

- producteurs de silicium

  • REC[5], Norv√®ge. 1er mondial avec 6 500 T en 2006 et 13 000 T pr√©vus en 2007 [6]. Fabrique √©galement des cellules, des wafers et des panneaux. A d√©velopp√© une fili√®re de fabrication des wafers ultrafins [7]. Conf√©rence de presse du 26 octobre 2007. Recherche des m√©thodes de production de silicium alternatives.
  • Wacker, Allemagne. 2e producteur mondial avec 5 600 T en 2006 et 10 000 T pr√©vues en 2008.
  • Hemlock, √Čtats-Unis. 3e mondial avec 3.600 T en 2006 et 7.500 T pr√©vues en 2008.
  • mais aussi : Crystallox, Scanwafer, PV silicon, Hoku materials, Sichuan Xinguang, Luyang Zhonhui, Emei, Sharp, Technip, Orkla, Ferroatlantica, Metallurgija, Hycore, Le Silicium de Provence, [8], etc.

- producteurs de cellules

  • Sharp, Japon. 2e producteur mondial avec 370 MW en 2007.
  • Q cells, Allemagne. 1er producteur mondial avec 389 MW en 2007.
  • mais aussi : Suntech Power, Schott, Isofoton, ErSol, DelSolar, Photowatt, Photovoltec, Sunways, Topray Solar, Nanjing PV-tech, REC, KIS Co, Solland, Solartec Sro, etc.

- producteurs d'équipement de fabrication de cellules

- producteurs de panneaux solaires photovolta√Įques

  • Sharp, Japon. 1er producteur mondial avec 710 MW en 2007 (produit le silicium, les cellules et les panneaux).
  • Suntech Power (Chine) : 2e mondial avec 330 MW en 2007. Fabrique aussi des cellules.
  • mais aussi : BP solar, Trina Solar, Yingli Solar, Sanyo, Deutshe solar, Kyocera, First Solar, Mitsubishi, Motech, SolarWorld, Shell Solar, Aleo Solar, Solarwatt, Centrosolar, Soleco, Scheuten Solar, Sunpower corp, Solar Fabrik, Tenesol, Evergreen Solar, Honda Soltec, Kaneka, Scancell, Shenzen Topray, Ningbo Solar, E-ton Dynamics, General Electric, Solterra, Shanghai Solar, Sunset, Solon, Solairedirect, etc.

Prix des équipements (hors taxes)

  • Modules polycristallins (fabrication): ~2.000 $ / kWc
  • Modules polycristallins (du grossiste au d√©taillant): de 3.490 $ √† 5.100 $ / kWc (8 m¬≤/kWc)
  • Installation: de 600 $ √† 2.000 $ / kWc (en autoconstruction de 100 $ √† 400 $/ kWc)
  • Onduleur pour injection r√©seau : ~400 $/kWc

La cible de 1 $ par Wc (au niveau des cellules) correspond √† un prix de 0,1 $ par kWh (Cf. infra), qu'il faut rapporter au prix actuel du kWh √† la consommation par les sources classiques (nucl√©aire, charbon, gaz...) : environ 0,10 ‚ā¨ TTC en France (un des moins chers du monde), 0,25 $ au Japon, etc.

Prix du kWh

Le prix du kWh produit par une installation solaire photovolta√Įque d√©pend des co√Ľts fixes li√©s √† l'investissement initial (achat du mat√©riel et travaux), de la quantit√© de l'√©nergie solaire re√ßue par l'installation, du rendement de l'installation et surtout de la dur√©e consid√©r√©e pour l'amortissement de l'investissemeent (dans les exemples ci-dessous : dix ans).

Par exemple,

  • pour une installation domestique de 3 kW produisant 3000 kWh/an[9], et ayant co√Ľt√© 6 ‚ā¨/W, le kWh co√Ľte 60 centimes ; le prix descend √† 40 centimes si on obtient 4500 kWh/an (zone bien ensoleill√©e, comme en Corse par exemple) et monte √† 72 centimes si la production n'est que 2500 kWh/an (zone moins ensoleill√©e : nord de la France, Belgique).
  • pour une centrale solaire telle que celle d'Amareleja (Portugal), ayant co√Ľt√© 261 millions d'euros[r√©f. n√©cessaire] et produisant 93 Gwh/an[r√©f. n√©cessaire], soit 2,8 ‚ā¨ par kWh et par an, le co√Ľt du kWh peut √™tre estim√© √† 28 centimes.
  • pour le projet (√† √©ch√©ance 2013) de centrale photovolta√Įque √† concentration de Mildura, en Australie, produisant 270 Gwh par an pour un investissement initial de 420 millions de dollars australiens, soit 230 M‚ā¨[r√©f. n√©cessaire], soit 0,85 ‚ā¨ par kWh/an, le prix du kWh descendrait √† moins de 9 centimes.

Cas concret d'une installation domestique en France

Sans aides de l'Etat
  • Une installation de 3 kWc destin√©e √† une production de kWh vendus √† EDF coute de l'ordre de 20 000 ‚ā¨ (sans aides et avec TVA √† 19,6 %).
  • Cette m√™me installation produit environ 3 000 kWh/an donc rapporte de l'ordre de 300 ‚ā¨/an (on prend ici un prix moyen march√© du kWh √† 0,10 ‚ā¨, sans aides).
  • Le rapport annuel de l'investissement est de 300/20 000 = 1,5 %, √ßa ne couvre m√™me pas les int√©r√™ts d'un emprunt contract√© pour r√©aliser l'investissement.
Avec aides de l'Etat
  • Une TVA r√©duite de 19,6 % √† 5,5 % est appliqu√©e sur la part fournitures du projet et l'installation vous fait b√©n√©ficier d'un cr√©dit d'imp√īt de 8000 ‚ā¨, son co√Ľt est donc ramen√© √† 10 000 ‚ā¨.
  • Vous b√©n√©ficiez de l'obligation de rachat par EDF √† env. 0,60 ‚ā¨/kWh soit : 3 000 kWh/an.0,60 ‚ā¨/kWh = 1 800 ‚ā¨/an
  • Le rapport annuel devient : 1 800/10 000 = 18 % l'affaire devient rentable. L'amortissement intervient entre 5 et 7 ans selon emprunt ou non (et hors maintenance)

Comparaison du prix de l'√©lectricit√© photovolta√Įque avec le prix d'autres sources d'√©nergie

Pour une énergie donnée, calculer son prix nécessite de faire des hypothèses sur les taux d'intérêt, les futurs frais de maintenance (dont ceux de personnel, donc des gains de pouvoir d'achat et de productivité), de combustible (ce qui signifie par exemple qu'on fait une hypothèse sur son prix dans plusieurs années), les durées d'utilisation de l'équipement (amortissement), etc.

Chaque étude peut faire ses propres hypothèses et les résultats peuvent varier, néanmoins ces variations restent légères et quasiment sans impact sur le classement comparatif des énergies.

La comparaison peut en outre tenir compte du fait que la production photovolta√Įque peut se faire directement au niveau du consommateur, ce qui permet de s'affranchir des frais et pertes de distribution, commercialisation, etc. Ces frais sont importants, puisqu'ils expliquent la diff√©rence entre le prix du kWh √† la production (3 √† 4 centimes pour les moins chers : centrale nucl√©aire, turbine √† gaz √† cycle combin√©, centrale √† charbon √† lit fluidis√©[10]) et les prix au niveau du consommateur (10 √† 15 centimes, voire plus, selon le pays).

De toutes les √©nergies renouvelables, le kWh photovolta√Įque est actuellement de loin le plus cher (20 √† 25 centimes pour une centrale et environ 40 centimes pour une bonne installation individuelle en France, contre 7 √† 8 pour l'√©olien par exemple)[11].

Si on cherche √† se projeter dans l'avenir, on s'attend √† une hausse du prix de l'√©lectricit√© fossile et nucl√©aire (hausse du prix du combustible √† cause du rapprochement du pic de production, taxe carbone, nouvelles exigences de s√Ľret√© et retraitement nucl√©aire‚Ķ) et une baisse du prix de l'√©nergie photovolta√Įque (progr√®s technologique, √©conomies d'√©chelle suite √† la hausse des volumes). N√©anmoins, il faudrait une division du prix par 4 ou 5 pour rendre le photovolta√Įque comp√©titif. Les autres √©nergies renouvelables et notamment le solaire thermodynamique (centrale solaire thermodynamique) restent actuellement moins ch√®res[12]. La seule √©nergie plus ch√®re que celle du photovolta√Įque est actuellement celle des piles √©lectriques, d'autant qu'il est tr√®s facile d'implanter un petit capteur photo√©lectrique sur les petits appareils qui utilisent cette source : c'est la raison pour laquelle les modules sont si r√©pandus dans les calculettes, montres, gadgets, balances, t√©l√©commandes, etc.

Heureusement pour elle, la technologie photovolta√Įque pr√©sente des possibilit√©s de r√©duction de co√Ľts beaucoup plus grandes que toutes les autres. De plus, il faut tenir compte des √©conomies si elle remplit une seconde fonction (toiture, brise soleil‚Ķ), et des √©conomies sur le r√©seau √©lectrique qui pourraient √™tre permises par une installation d√©centralis√©e. Ces facteurs donnent une chance √† cette technique et expliquent qu'elle b√©n√©ficie d'incitations gouvernementales qui lui permettent de se d√©velopper en d√©pit de co√Ľts plus importants que toutes les autres, d√©veloppement qui est d'ailleurs une des conditions √† la baisse des co√Ľts.

Puissances install√©es photovolta√Įque

Diff√©rentes puissances cumul√©es fin 2007 et install√©es en 2007 selon l'agence internationale de l'√©nergie[4] :

  • monde 9 400 MW [r√©f. n√©cessaire]
  • Europe 4 900 MW
  • Allemagne 3 862 MW, + 1 135 MW
  • Japon 1 919 MW, + 210 MW
  • √Čtats-Unis 831 MW, + 207 MW
  • Espagne 655 MW, + 512 MW
  • France 75 MW, + 31 MW

En 2007 les installations ont cru de 40 % par rapport √† celle de 2006[4]. La pr√©vision mondiale pour 2008 est de 13 500 MW[r√©f. n√©cessaire].

Recherche et développement

La recherche est tr√®s active dans le domaine du solaire photovolta√Įque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent. L'essentiel des progr√®s se fait au niveau des cellules.

Cependant, il existe aussi des innovations au niveau d'autres √©l√©ments qui peuvent r√©duire le co√Ľt global ou am√©liorer les fonctionnalit√©s : am√©lioration des onduleurs, des h√©liostats, int√©gration dans des √©l√©ments standards de toitures (sous forme de tuiles par exemple), de vitrage ou de fa√ßade...

Annexes

Notes et références

  1. ‚ÜĎ Comparatif des diff√©rentes technologies
  2. ‚ÜĎ nota : malgr√© son nom la constante solaire n'est pas vraiment constante puisque l'activit√© solaire n'est pas elle-m√™me constante
  3. ‚ÜĎ Carte d'ensoleillement de la France
  4. ‚ÜĎ a‚ÄČ, b‚ÄČ et c‚ÄČ le rapport "TRENDS IN PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS" d'ao√Ľt 2008[pdf] et une pr√©sentation (r√©sum√©) de ce rapport[pdf]
  5. ‚ÜĎ [1] REC Group
  6. ‚ÜĎ Gregoire's CleanTech Blog: REC Doubling Silicon Capaciy
  7. ‚ÜĎ Microsoft PowerPoint - Singapore press conference_26 Nov07_FINAL
  8. ‚ÜĎ [2] Silpro
  9. ‚ÜĎ c'est la taille maximum retenue pour une installation domestique dans les incitations fiscales fran√ßaise de 2009 ; cela correspond √† environ 20 m¬≤ de toiture.
  10. ‚ÜĎ www.industrie.gouv.fr
  11. ‚ÜĎ Synth√®se publique de l‚Äô√©tude des co√Ľts de r√©f√©rence de la production √©lectrique (minist√®re charg√© de l'√©nergie)
  12. ‚ÜĎ PDF de www.labothap.ulg.ac.be citant Strategy for the Market Development of Concentrating Solar Thermal Power, PDF, banque mondiale, 2006

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