Energie solaire photovoltaique

Atlas solaire mondial

Panneaux photovoltaïque du plus grand bateau solaire d'Europe en 2007 (180 places) (voir ci dessous)

Ce bateau solaire de 180 places a été affrété par l'ONG Natuur monumenten pour le centre d'interprétation de la nature de Dordrecht pour visiter les zones humides du Parc national de Biesbosch (9000 ha) aux Pays-Bas. Coût : 1 million d'euros (moteur diesel complémentaire 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'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire. L'énergie solaire étant une énergie renouvelable, l'énergie solaire photovoltaïque l'est aussi.

La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque, plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.

Le terme photovoltaïque désigne selon le contexte le phénomène physique - l'effet photovoltaïque - ou la technologie associée.

Technologie

Le principe de l'obtention du courant par les cellules photovoltaïques s'appelle l'effet photoélectrique. Ces cellules produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire. Ensuite l'utilisation de ce courant continu diffère d'une installation à l'autre, selon le but de celle-ci. On distingue principalement deux types d'utilisation, celui où l'installation photovoltaïque est connectée à un réseau de distribution d'électricité et celui où elle ne l'est pas.

Les installations non connectées peuvent directement consommer l'électricité produite. À petite échelle, c'est le cas des calculatrices solaires et autres gadgets, conçus pour fonctionner en présence de lumière naturelle ou artificielle (dans un logement ou un bureau). À plus grande échelle, des sites non raccordés au réseau électrique (en montagne, sur des îles ou des voiliers, un satellite...) sont alimentés de la sorte, avec des batteries d'accumulateur pour disposer d'électricité au cours de périodes sans lumière (la nuit notamment).

Des installations photovoltaïques sont aussi connectées à un réseau de distribution. Sur les grands réseaux de distribution (Amérique du Nord, Europe, Japon...) des installations photovoltaïques produisent de l'électricité et l'injectent dans le réseau. Pour ce faire, ces installations sont munies d'onduleurs qui transforment le courant continu en courant alternatif aux caractéristiques du réseau (e.g. fréquence de 50 Hz en Europe ou 60 Hz en Amérique du Nord par exemple). Elles n'ont pas besoin d'installation de stockage.

Les différentes technologies de modules photovoltaïques

Il existe plusieurs technologies de 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 élevé que celui d'une autre installation de même puissance, contrarie le développement de cette technologie.
• Les modules solaires polycristallins : 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. 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. Toutefois, le prix au m² installé est plus faible que pour des panneaux solaires composés de cellules. ^[1]
• Les modules solaires en couche mince à base d'absorbeur CdTE :
• Les modules solaires en couche mince a base d'absorbeur CIGS :

Influence de l'ensoleillement

Même si la constante solaire est de 1,367 kW/m²^[2], les pertes de lumière lors de la traversée de l'atmosphère réduisent l'énergie reçue au sol à environ 1 kW/m² au midi vrai : 1 m² de panneaux exposés en plein soleil reçoivent 1 kW (1000 watts). C'est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs, et en laboratoire pour déterminer le rendement d'une cellule ou d'un panneau solaire, c'est une source lumineuse artificielle de 1 kW/m² qui est utilisée. Au final, l'énergie qui arrive au sol dépend de la nébulosité, de l'inclinaison du soleil (et de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser) et donc de l'heure de la journée.

Au cours d'une journée, même sans nuage, la production électrique du panneau varie en permanence en fonction de la position du soleil et n'est à son maximum que pendant un bref passage au plein midi. Le nombre d'heures d'équivalent plein soleil, la valeur qui concerne le producteur d'électricité photovoltaïque, est moindre que le nombre d'heures où le soleil a brillé (le nombre d'heures d'ensoleillement au sens de la météorologie^[3]) dans la journée. La saison joue aussi, dans le même sens. Par exemple, 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.

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'équiper en panneaux photovoltaïques, il est intéressant de savoir ce qu'on peut en tirer au lieu géographique concerné. L'information se trouve facilement sur internet, par exemple la Communauté Européenne a mis en ligne un logiciel gratuit PV Estimation Utility. Selon cet outil, 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, Héraklion 1310, Madrid 1400, Cannes 1465, Séville 1470, Malte 1480, Faro Portugal 1550.

Économie

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 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, notamment en Allemagne, Japon, Espagne, É.-U., Australie, France et dans d'autres pays (mais souvent à des conditions particulières).

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.

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 grands consommateurs de panneaux solaires, mais largement dépassé par l'Allemagne ^[4].

Principales entreprises du secteur

- producteurs de silicium

• REC^[5], Norvège. 1^er mondial avec 6 500 T en 2006 et 13 000 T prévus en 2007 ^[6]. Fabrique également des cellules, des wafers et des panneaux. A développé une filière de fabrication des wafers ultrafins ^[7]. 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 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. 2^e producteur mondial avec 370 MW en 2007.
• Q cells, Allemagne. 1^er 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

• Applied Materials, Centrotherm, Roth and Rau, OTB, Alcatel Vacuum Technology, Oerlikon, 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. 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 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...) : environ 0,10 € 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 photovoltaïque dépend des coûts fixes liés à l'investissement initial (achat du matériel et travaux), de la quantité de l'énergie solaire reçue par l'installation, du rendement de l'installation et surtout de la durée considérée 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 coûté 6 €/W, le kWh coûte 60 centimes ; le prix descend à 40 centimes si on obtient 4500 kWh/an (zone bien ensoleillée, comme en Corse par exemple) et monte à 72 centimes si la production n'est que 2500 kWh/an (zone moins ensoleillée : nord de la France, Belgique).
• pour une centrale solaire telle que celle d'Amareleja (Portugal), ayant coûté 261 millions d'euros^{[réf. nécessaire]} et produisant 93 Gwh/an^{[réf. nécessaire]}, soit 2,8 € par kWh et par an, le coût du kWh peut être estimé à 28 centimes.
• pour le projet (à échéance 2013) de centrale photovoltaïque à concentration de Mildura, en Australie, produisant 270 Gwh par an pour un investissement initial de 420 millions de dollars australiens, soit 230 M€^{[réf. nécessaire]}, soit 0,85 € par kWh/an, le prix du kWh descendrait à moins de 9 centimes.

Cas concret d'une installation domestique en France

Sans aides de l'Etat

• Une installation de 3 kWc destinée à une production de kWh vendus à EDF coute de l'ordre de 20 000 € (sans aides et avec TVA à 19,6 %).
• Cette même installation produit environ 3 000 kWh/an donc rapporte de l'ordre de 300 €/an (on prend ici un prix moyen marché du kWh à 0,10 €, sans aides).
• Le rapport annuel de l'investissement est de 300/20 000 = 1,5 %, ça ne couvre même pas les intérêts d'un emprunt contracté pour réaliser l'investissement.

Avec aides de l'Etat

• Une TVA réduite de 19,6 % à 5,5 % est appliquée sur la part fournitures du projet et l'installation vous fait bénéficier d'un crédit d'impôt de 8000 €, son coût est donc ramené à 10 000 €.
• Vous bénéficiez de l'obligation de rachat par EDF à env. 0,60 €/kWh soit : 3 000 kWh/an.0,60 €/kWh = 1 800 €/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'électricité photovoltaïque avec le prix d'autres sources d'énergie

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 photovoltaïque 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 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^[10]) et les prix au niveau du consommateur (10 à 15 centimes, voire plus, selon le pays).

De toutes les énergies renouvelables, le kWh photovoltaïque est actuellement de loin le plus cher (20 à 25 centimes pour une centrale et environ 40 centimes pour une bonne installation individuelle en France, contre 7 à 8 pour l'éolien par exemple)^[11].

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 sûreté 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 notamment le solaire thermodynamique (centrale solaire thermodynamique) restent actuellement moins chères^[12]. La seule énergie plus chère que celle du photovoltaïque est actuellement celle des piles électriques, d'autant qu'il est très facile d'implanter un petit capteur photoélectrique sur les petits appareils qui utilisent cette source : c'est la raison pour laquelle 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 beaucoup plus grandes que toutes les autres. De plus, 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 toutes les autres, développement qui est d'ailleurs une des conditions à la baisse des coûts.

Puissances installées photovoltaïque

Différentes puissances cumulées fin 2007 et installées en 2007 selon l'agence internationale de l'énergie^[4] :

• monde 9 400 MW ^{[réf. nécessaire]}
• 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 % par rapport à celle de 2006^[4]. La prévision mondiale pour 2008 est de 13 500 MW^{[réf. nécessaire]}.

Recherche et développement

La recherche est très active dans le domaine du solaire photovoltaïque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent. L'essentiel des progrès se fait au niveau des cellules.

Cependant, il existe aussi des innovations au niveau d'autres éléments qui peuvent réduire le coût global ou améliorer les fonctionnalités : amélioration des onduleurs, des héliostats, intégration dans des éléments standards de toitures (sous forme de tuiles par exemple), de vitrage ou de façade...

Annexes

Notes et références

Articles connexes

• Cellule photovoltaïque
• Panneau solaire
• Photovoltaïque raccordé au réseau
• Centrale solaire photovoltaïque
• Haute qualité environnementale
• Tenerrdis
• certificat vert

Liens externes

• Site officiel de l'institut national de l'énergie solaire - site institutionnel pour la France
• (en) Association Européenne de l'Industrie du Photovoltaïque
• (en) site du groupe de travail photovoltaïque de l'agence internationale de l'énergie ;
  • (en) [pdf] son rapport IEA PVPS T1-17:2008 sur les réalisations et les tendances en la matière, et un résumé
• www.photovoltaique.info Centre de ressources documentaires français sur le photovoltaïque raccordé au réseau
• [pdf] Guide des producteurs d'électricité d'origine photovoltaïque
• [pdf] Spécifications techniques relatives à la protection des personnes et des biens dans les installations photovoltaïques raccordées au réseau

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