L'énergie photovoltaïque |
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Cette nouvelle technologie de production d'électricité non polluante fait l'objet d'études d'industrialisation afin de permettre la création de sociétés dégageant des résultats significatifs pour permettre aux actionnaires de percevoir régulièrement des dividendes conséquents.
Le photovoltaïque, qu'est ce que c'est ?
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TECHNOLOGIE |
L'effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839. Il est par le choc des photons produits par la lumière sur un matériau semi-conducteur qui transmet leur énergie aux électrons qui génèrent une tension électrique.
Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire, qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. De nombreuses calculatrices de poche utilisent l'énergie photovoltaïque.
Quand l'énergie nécessaire dépasse la quantité fournie par une seule cellule, les cellules sont regroupées pour former un module photovoltaïque, parfois désigné de manière ambigüe sous le terme de panneau solaire. De tels modules ont été dans un premier temps utilisés pour alimenter des satellites en orbite, puis des équipements électriques dans des sites isolés ou sur des bateaux ou véhicules. Une baisse des coûts de production a ensuite élargi le champ d'application de l'énergie photovoltaïque à la production d'électricité sur les réseaux électriques.
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LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE MODULES PHOTOVOLTAIQUES |
Il existe trois technologies différentes de fabrication des modules solaires photovoltaïques :
• Les modules solaires monocristallins: Ils possèdent un meilleur rendement au m2, et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût plus onéreux qu'une autre installation de même puissance, contrarie le développement de cette technologie.
• Les modules solaires poly cristallins: Actuellement c'est le meilleur rapport qualité/prix et les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans), et en plus ils peuvent être fabriqués à partir de déchets de l'électronique.
• Les modules solaires amorphes: Ces modules auront un bon avenir car ils peuvent être souples et ont une meilleure production par faible lumière, mais cette technologie est encore à l'état de recherche. Le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin, ce qui nécessite plus de surface pour la même puissance installée.
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INFLUENCE DE L'ENSOLEILLEMENT |
Sur terre, l'énergie solaire moyenne en pleine exposition reçue par m2 de panneaux exposés en plein soleil est de 1 kW, alors que dans l'espace la constante solaire est de 1,367 kW/m2. Malgré son nom la constante solaire n'est pas vraiment constante puisque l'activité solaire n'est pas elle-même constante.
Les pertes occasionnées lors de la traversée de l'atmosphère par la lumière est telle que l'énergie qui arrive au sol sur terre est plus faible et de l'ordre moyen de 1 kW/m2 au midi vrai. C'est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs. En laboratoire pour déterminer le rendement d'une cellule ou d'un panneau solaire, une source d'énergie solaire artificielle de 1 kW/m2 est également utilisée. Au final, l'énergie qui arrive au sol dépend de l'inclinaison du soleil donc de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser et de sa nébulosité.
Alors que cette question peut être étudiée plus en détail sur le site de l'Institut de l'énergie solaire (INES), le nombre d'heures d'équivalent plein soleil concerne plus particulièrement le producteur d'électricité photovoltaïque.
En effet, un panneau solaire n'est qu'exceptionnellement exactement face au soleil puisque la terre tourne sans arrêt et que l'inclinaison du soleil par rapport au panneau évolue en permanence. Au cours d'une journée sans nuage la production électrique du panneau varie également en permanence en fonction de la position du soleil et n'est jamais à son maximum sauf au bref passage du plein midi. La production en fin de journée est donc une somme de productions partielles.
Par temps couvert, donc en l'absence de soleil, la luminosité ambiante, alors que le soleil est caché, permet quand même une toute petite production électrique, et ces petites productions additionnées finissent par faire des kWh. En fin d'année à partir du total de la production électrique on obtient le nombre d'heures d'équivalent plein soleil de l'année qui n'a rien à voir avec le nombre d'heures d'ensoleillement au sens météo.
Le nombre d'heures d'ensoleillement vu par les services météo ou les climatologues n'est pas de la même nature. Soit il y a du soleil soit il n'y en a pas. On constate que Rouen est située sur la ligne des 1750 heures d'ensoleillement par an, alors que le nombre d'heures d'équivalent plein soleil y est proche de 1100 heures.
Il faudrait aussi tenir compte de l'albédo du sol, c'est-à-dire de son pouvoir de réflexion de la lumière. Lorsqu'une installation est environnée de neige par exemple, donc d'un environnement très réflexif, la production d'une installation 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'équiper en panneaux photovoltaïques, il est intéressant de savoir ce qu'on peut en tirer au lieu géographique concerné. Pour cela, la Communauté Européenne a mis en ligne un logiciel gratuit qui permet à tout citoyen de l'Union où qu'il se trouve dans la Communauté de connaître la production d'électricité annuelle en kWh dont il bénéficiera. Après quelques essais pour se familiariser avec ce logiciel, on découvre qu'à Liège on peut obtenir 840 kWh/kWc/an, Hambourg 870, Colmar 940, Rouen 950, Munich 950, Arcachon 1100, Chamonix 1110, La Rochelle 1140, Agen 1150, Montélimar 1280, Perpignan 1290, Eraklion Crête 1310, Madrid 1400, Cannes 1465, Séville 1470, Malte 1480, Faro Portugal 1550.
Pour un calcul plus précis des rendements on se reportera à la page rendement photovoltaïque
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MARCHE MONDIAL |
En 2006, les nouvelles installations solaires photovoltaïques ont représenté, dans le monde, une puissance de 1500 MW , portant la totalité des installations mondiales à 6700 MW . Le Japon (1750 MW) , l'Allemagne (3063 MW) et les Etats-Unis (610 MW) représentent ensemble 81 % du marché mondial. Les installations connectées aux réseaux (sans stockage de l'électricité) représentent la majorité des nouvelles installations.
L'obstacle au développement : le stockage de l'énergie
Le développement du solaire photovoltaïque a eu pour origine l'électrification des sites isolés et non raccordés au réseau, mais également l'alimentation de matériel mobile. Cette nécessité a permis à la filière naissante de faire année après année des progrès en termes de prix de revient du kWh produit et de rendement des panneaux.
La production d'électricité solaire est sujette aux aléas de l'ensoleillement et n'est pas régulière. Les périodes de production ne coïncident pas avec les périodes de consommation et la nuit, la production est nulle mais pas les besoins. Dans les sites isolés et non connectés au réseau, on stocke l'énergie dans des batteries pour pallier cet inconvénient. Mais c'est un investissement supplémentaire et non négligeable en termes de coût et d'entretien. Dans ce cas particulier, le surcoût est acceptable en comparaison du prix qu'il aurait fallu mettre dans l'installation d'une nouvelle ligne électrique.
Le développement actuel du solaire photovoltaïque, n'est plus motivé par les besoins des sites isolés sauf dans quelques pays comme l'Inde. La motivation actuelle est due à l'épuisement prévisible des énergies non renouvelables comme le pétrole, le gaz, le charbon, ou l'énergie nucléaire à base d'uranium[ou de thorium. Depuis peu, médiatisation aidant, une prise de conscience est en cours et le photovoltaïque raccordé au réseau apparait comme l'une des solutions.
Pour faire face aux problèmes énergétiques et écologiques à venir, il convient donc de mettre en œuvre plusieurs politiques : économiser l'énergie, augmenter l'efficacité énergétique, promouvoir et développer rapidement des énergies de remplacement, communément appelées les nouvelles énergies renouvelables (donc hors l'hydroélectricité et hors bois), dont le solaire photovoltaïque fait partie.
Cependant la multiplication de centrales photovoltaïques peut poser des problèmes de gestion du réseau. Pour cela, les systèmes de stockage d'électricité qui permettront de différer son utilisation au moment où l'on en a besoin restent à inventer. En effet, les batteries existantes ne sont pas adaptées (trop chères, trop polluantes, trop courte durée de vie).
L'Allemagne a un programme de développement actif de l'éolien et du solaire photovoltaïque. Ce pays est devenu le 1er mondial dans ces 2 filières. Alors que la production d'électricité renouvelable était de 8,5 % de sa production électrique en 2003 et de 14% en 2007, la prévision pour 2008 est de 15,5 %. Pour ce pays le problème du stockage de l'énergie électrique va bientôt devenir crucial.
Les pistes évoquées en Allemagne pour stocker l'énergie électrique sont les suivantes :
• La technique du pompage qui consiste à pomper de l'eau d'une retenue aval et la refouler dans une retenue amont, donc à remonter l'eau d'une retenue dans l'autre, par des pompes, pour que celle ci passe ultérieurement dans les turbines en redescendant dans la retenue aval. Le va et vient de l'eau pouvant être répété sans limite. Les Allemands développent cette technique avec des éoliennes alors qu'en France elle se pratique avec les centrales nucléaires de nuit lors des baisses de consommation. Cette technique déjà utilisée avec l'électricité nucléaire à cause du manque de concordance entre la rigidité de la production nucléaire et la variabilité de la consommation, peut également être utilisée avec l'électricité éolienne ou solaire pour la même raison : manque de concordance entre la variabilité de la production et la variabilité de la consommation.
• La production d'air comprimé par des éoliennes au lieu de produire de l'électricité. Dans la nacelle de l'éolienne au lieu d'installer un générateur électrique, l'installation d'un compresseur d'air permet de produire puis de stocker de l'air comprimé que l'on peut utiliser ultérieurement pour entraîner un générateur électrique. Un projet est en cours de réalisation dans la mer du Nord.
• La production d'hydrogène avec l'électricité permettrait de stocker l'énergie sous forme d'hydrogène pour une utilisation en fonction des besoins.
• Le stockage de l'énergie électrique dans des batteries qui suivent par ailleurs une évolution technologique continue.
Alors que les batteries au plomb classique (mise au point en 1859) ont une capacité de 30 Wh/kg, d'autres types se sont développés :
• nickel - cadmium (Ni - Cd) 50 Wh/kg
• 1re filière lithium (Ni - MH) 75 Wh/kg
• plomb 2e génération (2006) 75 Wh/kg
• système zébra : sodium - chlorure de nickel 85 Wh/kg
• 1re filière lithium - ion de 1992 (Li - Ion) 90 Wh/kg
• sodium - soufre (Na S) 107 Wh/kg
• Lithium Métal Polymère de 2004 (LMP) 110 Wh/kg
• lithium polymère (Li - Po) 120 Wh/kg
• lithium - ion 2e génération (2000) 150 Wh/kg
• zinc - argent (2007) 200 Wh/kg
• manganèse - lithium - ion ; également dénommées lithium - manganèse (2007) 300 Wh/kg
• lithium - soufre de 2007 (Li - S) 300 Wh/kg
• lithium - vanadium + de 300 Wh/kg (mais combien exactement ?) présentée par Subaru en 2007
• nano poudres hydrogénées (2008) 500 à 600 Wh/kg (expérimental pour l'instant) .
• vanadium redox ou VRB (1998) : pas de limite théorique de la capacité de stockage, mais avec une limite technique dans la situation actuelle de 100 MWh qui commence à être employé aux Etats-Unis, au Japon et en Australie. Cette technique canadienne permet de stocker de grandes quantités d'énergie électrique, mais ne répond pas encore au critère de bas prix de revient. Elle est en étude pour être utilisée dans des installations solaire photovoltaïque pour les rendre autonomes .
• poudre de céramique - aluminium - barium - titanate (EEstor aux Etats Unis) 300 Wh/kg : Elles devraient être utilisées dans un premier temps pour les voitures électriques, puis plus tard pour le stockage d'énergie appliqué à l'éolien et au solaire. Si tout va bien elles seront commercialisées fin 2008.
• condensateurs - lithium - ion (FHI) : en essai au Japon.
L'entreprise Sharp pense mettre en service en 2010 une usine qui produira des batteries lithium - ion destinées aux logements individuels disposant de panneaux solaires. Ce projet est prévu permettre l'autonomie électrique des dits logements. Reste à connaître le prix de commercialisation de ces batteries pour savoir si cette solution est économiquement viable. Aucune de ces solutions évoquées ici n'est pour l'instant vraiment satisfaisante en termes de coût et de prix de revient final du kWh.
En France, il n'y a pas ces problèmes ni ces questions, la production d'électricité photovoltaïque en site isolé vient tout juste, en 2007, de passer sous la production des installations en injection directe sur le réseau.
Puissances installées photovoltaïque
• monde 9 400 MW
• Europe 4 690 MW
• Allemagne 3 850 MW
• Japon 2 150 MW
• Etats-Unis 840 MW
• Espagne 516 MW
• France 60 MW (à confirmer)
La prévision mondiale pour 2008 est de 13.500 MW
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PRINCIPALES ENTREPRISES DU SECTEUR |
• REC, Norvège. 1er mondial avec 6 500 T en 2006 et 13 000 T prévus en 2007 . Fabrique également des cellules, des wafers et des panneaux. A développé une filière de fabrication des wafers ultrafins . Conférence de presse du 26 octobre 2007. Recherche des méthodes de production de silicium alternatives.
• Wacker, Allemagne. 2e producteur mondial avec 5 600 T en 2006 et 10 000 T prévues en 2008.
• Hemlock, Etats-Unis. 3e mondial avec 3.600 T en 2006 et 7.500 T prévues 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, etc.
producteurs de cellules
• Sharp, Japon. 1er producteur mondial avec 710 MW en 2007.
• Q cells, Allemagne. 2e producteur mondial avec 540 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
• Applied Materials, Centrotherm, Roth and Rau, OTB, Alcatel Vacuum Technology, Oerlikon, Pfeiffer Vakuum,
- producteurs de panneaux solaires photovoltaïques
• 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, 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, etc.
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RECHERCHE |
En 20 ans, les rendements sont passés de 15 % à 42,8 % (sept. 2007) dans les laboratoires. Ce dernier chiffre est obtenu par un consortium (associant, entre autres, des chercheurs de l'Université du Delaware, de l'institut technologique de Géorgie, de l'Université de Rochester et du MIT). Les rendements des systèmes disponibles commercialement sont quant à eux passés de 5 % à 22 %.
La technologie basée sur le silicium a un développement comparable à celui de l'industrie des semi-conducteurs. Quelques sociétés actives dans ce domaine, comme Sharp, sont aussi actives dans le photovoltaïque, mais de plus en plus de nouveaux entrants affichent leurs ambitions dans ce secteur de croissance.
Outre l'amélioration constante des produits à base de silicium, on peut citer plusieurs technologies innovantes qu'on espère promises à un bel avenir :
• les cellules photovoltaïques en plastique
• les cellules de Graetzel
• les concentrateurs photovoltaïques (aussi dits CPV)
• dopage par adjonction au matériaux du capteur de points quantiques jouant le rôle de semi-conducteurs artificiels. Ces derniers étant conçus pour capter des longueurs d'onde spécifiques aujourd'hui mal exploitées (dispositif Cyrium élaboré au Canada). Ils pourrait doper la production d'électricité en augmentant l'efficacité des systèmes à concentrateur d'environ 44 % selon ses concepteurs.
• les couches minces métalliques déposées sur de nouveaux types de substrats (verre, feuillard métallique, plastique....)
à base de silicium avec des "consommations" plus faibles de matières premières
sans silicium
CIS
Cellule CIGS (Cuivre, Indium, Gallium et Sélénium).
Récemment, deux chercheurs japonais de l'université Toin de Yokohama - Tsutomu Miyasaka et Takurou Murakami - ont conçu un capteur révolutionnaire capable de stocker l'énergie solaire sans batterie. Ce dispositif nommé photo-condensateur promet une nette simplification des installations photovoltaïques. Selon ses concepteurs, ce capteur serait deux fois plus performant que les capteurs classiques à base de silicium et pourrait donc fonctionner avec une lumière de faible intensité, comme à l'intérieur d'un bâtiment ou par temps voilé.
Un autre domaine de recherche est celui de l'intégration des composants photovoltaïques dans les éléments de construction, ce qui diminue fortement le coût global (tuiles, panneaux de toiture, vitrages, façades, etc.) et améliore l'architecture du bâtiment.
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UN NOUVEL ARRETE DYNAMISE LA FILIERE EN FRANCE |
Un arrêté paru le 10 juillet 2006 dynamise la filière en France en instaurant 3 tarifs de rachat de l'électricité solaire photovoltaïque produite. Cette obligation de rachat est basée sur des contrats à 20 ans et fixe les tarifs suivants :
• 30 centimes d'euros par KWh pour tarif standard (Tarif France métropolitaine);
• 41 centimes d'euros par KWh si les installations sont dans les DOM et en Corse (entreprise Soleco);
• 57 centimes d'euros par KWh si les installations sont intégrées au bâtiment (en Corse notamment).
Les tarifs de rachat suivent une évolution constante (indice coût de l'énergie)
Ces tarifs sont indexés sur 2 coefficients et vont permettre de monter des projets photovoltaïques qui seront rentables, dans un contexte de baisse des prix des modules.
Cet arrêté va permettre d'inciter les propriétaires de toitures à remplacer les tuiles traditionnelles par des modules photovoltaïques qui permettront de produire de l'électricité et vendre cette électricité sur le réseau. Le photovoltaïque raccordé au réseau peut donc prendre une part importante de la production d'électricité en France, avec une énergie propre, décentralisée, et gratuite une fois l'installation réalisée.
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