Énergie solaire photovoltaïque

L'énergie solaire photovoltaïque est une forme d'énergie renouvelable servant à produire de l'électricité par transformation d'une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque. Plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque.
Cette installation peut-être isolée et fonctionner «en ilot» en chargeant des batteries et répondant à des besoins locaux, ou alimenter un réseau de distribution électrique.

Le terme photovoltaïque sert à désigner indifféremment le phénomène physique - l'effet photovoltaïque - et/ou la technologie associée.

Technologie

Le principe de l'obtention du courant par les cellules photovoltaïques se nomme l'effet photovoltaïque. Ces cellules produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire, qui est parfois utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. De nombreuses calculatrices de poche utilisent l'énergie dite photovoltaïque.

Lorsque l'énergie indispensable dépasse la quantité apportée par une seule cellule, les cellules sont regroupées pour former un module photovoltaïque, quelquefois désigné de manière ambigüe sous le terme de panneau solaire. De tels modules ont été tout d'abord 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.

Les différentes technologies de modules photovoltaïques

Il existe trois technologies différentes de fabrication des modules solaires photovoltaïques :

• Les modules solaires monocristallins : Ils possèdent un meilleur rendement au m², et sont principalement utilisés quand les espaces sont restreints. Le coût plus onéreux qu'une autre installation de même puissance, contrarie le développement de cette technologie.

• Les modules solaires polycristallins : Aujourd'hui 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. Le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux comparé à celui du cristallin, ce qui nécessite plus de surface pour la même puissance installée. Cependant, le prix au m² installé est plus faible que pour des panneaux solaires composés de cellules. ^[1]

Influence de l'ensoleillement

Sur terre, l'énergie solaire moyenne en pleine exposition reçue par 1 m² de panneaux exposés en plein soleil est de 1 kW, tandis 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 couramment 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 aussi utilisée. Au final, l'énergie qui arrive au sol dépend de l'inclinaison du soleil par conséquent de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser et de sa nébulosité.

Tandis 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 surtout le producteur d'électricité photovoltaïque.

En effet, un panneau solaire n'est qu'exceptionnellement précisément face au soleil puisque la terre tourne sans arrêt et que l'inclinaison du soleil comparé au panneau évolue en permanence. Au cours d'une journée sans nuage la production électrique du panneau fluctue aussi en permanence selon 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 par conséquent une somme de productions partielles. Par temps couvert, par conséquent en l'absence de soleil, la luminosité ambiante, tandis que le soleil est caché, permet lorsque 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^[2]. On constate que Rouen est localisée sur la ligne des 1750 heures d'ensoleillement par an, tandis 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. Quand une installation est environnée de neige par exemple, par conséquent d'un environnement particulièrement 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 autorise 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^[3]. 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

Marché mondial

Depuis plusieurs années, les installations de panneaux photovoltaïques sont accélérées par des programmes nationaux offrant des incitations financières telles que des tarifs de rachats bonifiés de l'électricité produite pour le réseau public, surtout en Allemagne, Japon, Espagne, É. -U. , Australie, France et dans d'autres pays (mais fréquemment à des conditions spécifiques).

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 États-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 obligation 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 spécifique, 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 ^[4], le gaz, le charbon. 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 par conséquent de mettre en œuvre plusieurs politiques : économiser l'énergie, augmenter l'efficacité énergétique, promouvoir et développer rapidement des énergies de remplacement, couramment nommées 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 dispositifs de stockage d'électricité qui permettront de différer son utilisation au moment où 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 1^er mondial dans ces 2 filières. Tandis 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 % ^[5]. Pour ce pays le problème du stockage d'énergie électrique va bientôt devenir essentiel.

Économie

Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60 % du marché mondial. Il s'agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises américaines BP Solar et Astropower, et de l'allemande RWE Schott Solar. Le Japon produit près de la moitié des cellules photovoltaïques du monde, mais c'est en Chine que la grande majorité des panneaux sont assemblés.

Le Japon est lui-même un des plus grand consommateur de panneaux solaires, mais beaucoup dépassé par l'Allemagne ^[6].

Prix des équipements (hors taxes)

• Modules polycristallins (fabrication)  : ∼2.000 / kWc
• Modules polycristallins (du grossiste au détaillant)  : de 3.490 à 5.100 / kWc (8 m²/kWc)
• Installation : de 600 à 2.000 / kWc (en autoconstruction de 100 à 400 / kWc)
• Onduleur pour injection réseau : ∼400 /kWc

La cible de 1 par Wc (au niveau des cellules) correspond à un prix de 0, 1 par kWh (Cf. infra), qu'il faut rapporter au prix actuel du kWh à la consommation par les sources classiques (nucléaire, charbon, gaz, ... )  : à peu près 0, 1€ TTC en France (un des moins cher, ou alors le moins cher du monde), 0, 25 au Japon, etc. Le prix cible est par conséquent celui qui rend la solaire photovoltaïque compétitif et même susceptible de rendre inutile les sources fossiles et nucléaires, ou alors les réseaux de distribution classique, sous réserve de disposer des surfaces nécessaires pour le déployer.

Prix du kWh

Le prix du kWh produit par un équipement solaire dépend en particulier des frais d'investissement et de l'insolation ; pour une installation domestique telle que celle retenue dans les incitations fiscales française (3 kW, produisant 3000 kWh/an, et ayant coûté 6 €/W), le kWh coûte 60 centimes ; il descend à 40 centimes si on obtient 4500 kWh/an (zone bien ensoleillée, comme en Corse par exemple).

Comparaison du prix de l'électricité photovoltaïque avec le prix d'autres sources d'énergie

Calculer un prix nécessite de faire des hypothèses sur les taux d'intérêts, les futurs frais de maintenance (dont ceux de personnel, par conséquent des gains de pouvoir d'achat et de productivité), de combustible, les durées d'utilisation de l'équipement, etc.

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

La comparaison peut en outre tenir compte du fait que la production photovoltaïque peut se faire directement au niveau du consommateur, ce qui sert à s'affranchir des frais et pertes de distribution, commercialisation, etc. Ces frais sont importants, dans la mesure où ils expliquent la différence entre le prix du kWh à la production (3 à 4 centimes pour les moins chers : centrale nucléaire, turbine à gaz à cycle combiné, centrale à charbon à lit fluidisé^[7]) et les prix au niveau du consommateur (10 à 15 centimes, ou alors plus, selon le pays).

De l'ensemble des énergies renouvelables, le kWh photovoltaïque est de loin le plus cher (20 à 25 centimes pour une centrale et à peu près 40 centimes pour une bonne installation individuelle en France, contre 7 à 8 pour l'éolien par exemple) ^[8].

Si on cherche à se projeter dans l'avenir, on s'attend à une hausse du prix de l'électricité fossile et nucléaire (hausse du prix du combustible à cause du rapprochement du pic de production, taxe carbone, nouvelles exigences de sureté et retraitement nucléaire, ... ) et une baisse du prix de l'énergie photovoltaïque (progrès technologique, économies d'échelle suite à la hausse des volumes). Néanmoins, il faudrait une division du prix par 4 ou 5 pour rendre le photovoltaïque compétitif. Les autres énergies renouvelables et surtout le solaire thermodynamique (centrale solaire thermodynamique) restent aujourd'hui moins chères^[9]. L'unique énergie plus chère que celle du photovoltaïque est aujourd'hui celle des piles électriques, d'autant qu'il est particulièrement facile d'implanter un petit capteur photoélectrique sur les petits appareils qui utilisent cette source : c'est pourquoi les modules sont si répandus dans les calculettes, montres, gadgets, balances, télécommandes, etc...

Heureusement pour elle , la technologie photovoltaïque présente des possibilités de réduction de coûts bien plus grandes que l'ensemble des autres. Qui plus est , il faut tenir compte des économies si elle remplit une seconde fonction (toiture, brise soleil, ... ), et des économies sur le réseau électrique qui pourraient être permises par une installation décentralisée. Ces facteurs donnent une chance à cette technique, et expliquent qu'elle bénéficie d'incitations gouvernementales qui lui permettent de se développer en dépit de coûts plus importants que l'ensemble des autres.

Puissances installées photovoltaïque

Différentes puissances cumulées fin 2007 et installées en 2007 selon l'agence mondiale de l'énergie^[6] :

monde 9 400 MW Europe 4 900 MW Allemagne 3 862 MW, + 1 135 MW

Japon 1 919 MW, + 210 MW États-Unis 831 MW, + 207 MW Espagne 655 MW, + 512 MW France 75 MW, + 31 MW

En 2007 les installations ont cru de 40 % comparé à celle de 2006^[6]. La prévision mondiale pour 2008 est de 13 500 MW.

Principales entreprises du secteur

- producteurs de silicium

• REC^[10], Norvège. 1^er mondial avec 6 500 T en 2006 et 13 000 T prévus en 2007 ^[11]. Produit aussi des cellules, des wafers et des panneaux. A développé une filière de fabrication des wafers ultrafins ^[12]. Conférence de presse du 26 octobre 2007. Recherche des méthodes de production de silicium alternatives.
• Wacker, Allemagne. 2^e producteur mondial avec 5 600 T en 2006 et 10 000 T prévues en 2008.
• Hemlock, États-Unis. 3^e mondial avec 3.600 T en 2006 et 7.500 T prévues en 2008.
• mais également : Crystallox, Scanwafer, PV silicon, Hoku materials, Sichuan Xinguang, Luyang Zhonhui, Emei, Sharp, Technip, Orkla, Ferroatlantica, Metallurgija, Hycore, Le Silicium de Provence, ^[13], etc.

- producteurs de cellules

• Sharp, Japon. 2^e producteur mondial avec 370 MW en 2007.
• Q cells, Allemagne. 1^er producteur mondial avec 389 MW en 2007.
• mais également : 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, Œrlikon, Pfeiffer Vakuum,

- producteurs de panneaux solaires photovoltaïques

• Sharp, Japon. 1^er producteur mondial avec 710 MW en 2007 (produit le silicium, les cellules et les panneaux).
• Suntech Power (Chine)  : 2^e mondial avec 330 MW en 2007. Produit aussi des cellules.
• mais également : 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.

Recherche

La recherche est particulièrement active dans le domaine du solaire photovoltaïque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent.

En 20 ans, les rendements sont passés de 15 % à 42, 8 % (septembre 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 dispositifs 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 semiconducteurs. 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 le perfectionnement constante des produits à base de silicium, on peut citer plusieurs technologies innovantes qu'on espère promises à un bel avenir :

• les cellules polymères photovoltaïques et , d'une façon plus générale, les cellules photovoltaïques organiques
• les cellules Grätzel
• 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 aujourdh'ui mal exploitées (système Cyrium élaboré au Canada), ils pourraient doper la production d'électricité en augmentant l'efficacité des dispositifs à concentrateur d'environ 44 % selon ses concepteurs^[14].
• les couches minces métalliques déposées sur de nouveaux types de substats (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).

Il y a peu de temps, 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 système appelé 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 par conséquent 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 perfectionne l'architecture du bâtiment.

Notes et références

1. ↑ Comparatif des différentes technologies
2. ↑ Carte d'ensoleillement de la France
3. ↑ PV Estimation Utility
4. ↑ La fin progressive du pétrole
5. ↑ Les énergies renouvelables progressent en Allemagne
6. ↑ ^{a  b  c}  le rapport "TRENDS IN PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS" d'août 2008[pdf] et une présentation (résumé) de ce rapport[pdf]
7. ↑ [1]
8. ↑ [http ://www. industrie. gouv. fr/energie/electric/cout-ref-synthese2008. pdf Synthèse publique de l'étude des coûts de référence de la production électrique (ministère chargé de l'énergie)
9. ↑ [2] citant [www. trec-uk. org. uk/reports/world_bank_csp_2006. pdf Strategy for the Market Development of Concentrating Solar Thermal Power, banque mondiale, 2006]
10. ↑ [3] REC Group
11. ↑ Gregoire's CleanTech Blog : REC Doubling Silicon Capaciy
12. ↑ Microsoft PowerPoint - Singapore press conference_26 Nov07_FINAL
13. ↑ [4] Silpro
14. ↑ page du Conseil National de recherche Canada (mise en ligne : 2008-04-04)

Liens externes

• (en) site du groupe de travail photovoltaïque de l'agence mondiale de l'énergie ;
  • (en) [pdf] son rapport IEA PVPS T1-17 :2008 sur les réalisations et les tendances en la matière, et un résumé
• Site officiel de l'institut national de l'énergie solaire - site institutionnel pour la France

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