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Panneau solaire

Dispositif de collecte d'énergie solaire
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PrésentationModifier

TypesModifier

 
Miroirs linéaires

On distingue trois types de panneaux solaires :

  1. les panneaux solaires thermiques, appelés « capteurs solaires thermiques », « collecteurs solaires » ou improprement « capteurs solaires », qui piègent la chaleur du rayonnement solaire et la transfèrent à un fluide caloporteur. La version la plus puissante est dénommée centrale solaire thermodynamique.
  2. les panneaux solaires photovoltaïques, appelés « modules photovoltaïques », ou improprement « panneaux solaires », convertissent le rayonnement solaire en électricité. Le regroupement de nombreux panneaux solaires à un mème endroit est dénommée centrale solaire photovoltaïque.
  3. les panneaux photovoltaïques hybrides qui combinent les deux technologies précédentes et produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur tout en améliorant le rendement des panneaux solaires photovoltaïques en évitant la surchauffe des modules. Cette combinaison peut être considérée comme de la cogénération[1].

Dans les trois cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins 1 m2 pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des installations de captation d'énergie solaire.

Rentabilité et rendementModifier

La rentabilité des investissements dépend de plusieurs paramètres.

Les capteurs thermiques 
Ils sont rentables dans les régions très ensoleillées, même sous des latitudes élevées (nord de la France, Belgique, Canada, etc.)[réf. nécessaire].
Les panneaux solaires photovoltaïques 
Ils sont plus rentables dans les régions très ensoleillées, bien que la chaleur nuise au rendement des capteurs. Cela explique l'engouement des pays du sud de l’Europe (Italie, Portugal, etc.), à la fois grands consommateurs et grands producteurs potentiels, pour l'installation de grandes centrales. Le rendement des panneaux solaires photovoltaïques est défini comme la part du rayonnement solaire transformée en électricité. Il varie de 6 à 8 %[2] pour les panneaux en silicium amorphe à 46 % pour les cellules les plus performantes obtenues en laboratoire[3]. La moyenne se situe actuellement à 14,5 %[réf. nécessaire].

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Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il faut savoir que l'énergie émise par le soleil et reçue par la Terre en environ une heure permettrait, si elle était récupérée en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an. En théorie, un carré de panneaux solaires de 344 km de côté (120 000 km2) pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité, le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 et 17 % (en 2007 en Europe)[réf. nécessaire], soit 160 kWh/an/m2 (ou 160 GWh/an/km2[N 2]) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006 ; 16 000 TWh en 2004[4]). Dans le cas de l'Europe des Vingt-Sept (consommation annuelle de 3 000 TWh), une surface de 137 km de côté (soit 19 000 km2) suffirait, tandis que dans le cas de la France, (500 TWh), elle devrait atteindre 56 km de côté (3 100 km2).

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D'une manière générale, on considère que la totalité de la surface des toitures existantes, correctement exposées et couvertes de panneaux, pourrait suffire à satisfaire la totalité des besoins mondiaux en électricité[réf. nécessaire]. Par exemple, l'Île-de-France à elle seule a une superficie de 12 011 km2 dont 20 % d'espaces construits, soit 2 400 km2 ou 75 % de la surface nécessaire pour couvrir les besoins de la France.[réf. nécessaire]

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Les panneaux solaires peuvent être inclinés jusqu'à 60 degrés pour permettre à la neige de glisser. De plus, la surface chaude du capteur solaire suffit à faire fondre les amoncellements qui pourraient rester accrochés au panneau.

Angle d'incidence du soleilModifier

 
Calcul de l'angle d'incidence.
Article détaillé : Système de coordonnées célestes.

À partir de l'équation du temps, du jour de l'année et de la latitude de l'endroit où se trouve le capteur solaire, il est possible de calculer l'élévation et l'azimut du soleil, à l'aide de la trigonométrie sphérique. Une fois l'élévation et l'azimut connus, il est possible de calculer l'angle d'incidence du soleil sur le capteur plan.

Soient :

  et   l'azimut du soleil et du capteur, et   et   l'élévation du soleil et du capteur.

Il vient :

 

  est l'angle d'incidence.

Les panneaux solaires thermiquesModifier

Il existe deux grands types de panneaux solaires thermiques : les « capteurs à eau » et les systèmes aérothermiques (« capteurs à air » et systèmes pariétodynamiques plus ou moins passifs).

Capteurs thermiques « à eau » 
L'eau, ou plus souvent un liquide caloporteur additivé[5], circule en circuit fermé dans des tubes. Une surface matte appelée absorbeur, parfois simplement peinte en noir, est chauffée par le rayonnement solaire et transmet la chaleur au liquide caloporteur. Pour obtenir un meilleur rendement, les tubes peuvent être sous vide, c'est-à-dire qu'ils comportent deux couches entre lesquelles est fait le vide, ce qui permet d'obtenir un effet de serre. Les panneaux solaires thermiques peuvent également se résumer à une simple surface vitrée sous laquelle circule le liquide caloporteur. Les capteurs solaires à eau sont typiquement utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus simple et la plus rentable pour l'utilisation de l'énergie solaire[réf. souhaitée].
Les systèmes solaires combinés (SSC) adjoignent le système précédent à une installation de chauffage de bâtiment ou alimentent directement un plancher chauffant[6]. Les systèmes de chauffage solaire commencent à se développer[Quand ?]. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs[7].
Capteurs thermiques « à air » 
Au lieu d'eau, de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs ou dans une zone d'effet de serre. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats, généralement pour le chauffage et parfois pour des usages industriels ou agricoles (séchage des produits).

En France le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) pour promouvoir les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, des régions, de certains départements et de certains regroupements communaux[8]. L’État a mis en place un crédit d’impôt développement durable qui concerne plusieurs systèmes. Ces taux sont réévalués tous les ans. Concernant les panneaux solaires thermiques, un chauffe-eau solaire bénéficie ainsi d’un taux de 15 % en 2014[9].

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Panneaux solaires photovoltaïquesModifier

 
Panneau solaire photovoltaïque, dans un jardin potager.
Article détaillé : Capteur solaire photovoltaïque.

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle.

Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers. Dans ce dernier cas, la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. En dehors de centrales solaires, les installations fixes se font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments, soit intégrées au toit, soit posées au-dessus. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble. Cette inclinaison n'est pas optimale pour la production d'électricité ; en France, la position fixe optimale est une inclinaison de 30° par rapport à l'horizontale, ou de 60° si l'objectif est de maximiser la production d'électricité en hiver[10]. Toutefois, comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense au moins partiellement une production plus faible.

Différentes technologies photovoltaïques existent[11] :

  • le silicium polycristallin (pc-Si) représentant environ 57,0 % du marché mondial ;
  • le silicium monocristallin (sc-Si) représentant environ 30,9 % du marché mondial ;
  • le tellurure de cadmium (CdTe) représentant environ 5,5 % du marché mondial ;
  • le silicium amorphe (a-Si) représentant environ 3,4 % du marché mondial ;
  • le CIS (cuivre, indium, sélénium), CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium), le CIGSS (cuivre, indium, gallium, disélénide, disulphide) et l'arséniure de gallium (Ga-As) représentant moins de 5 % du marché mondial.

Production mondialeModifier

La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine (république populaire de Chine et Taïwan), l'Allemagne, le Japon et les États-Unis. Il s'agit majoritairement d'assemblage (encapsulation, électronique de contrôle, mise en place du cadre, boîtier de protection...) car en 2010 environ 50 % de la production mondiale de cellules photovoltaïques vient de Chine et 80 % d'Asie[12]. Aujourd'hui[Quand ?], les grandes marques internationales font produire leurs modules en Asie et parfois réalisent une étape de transformation sur le produit, alors que d'autres grandes entreprises sous-traitent simplement leur production[réf. nécessaire].

Aspects environnementauxModifier

Comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique[N 3].

La fabrication (plus l'assemblage, le transport et la pose) nécessitent en outre de l'énergie. En 2004, le Département américain de l'énergie estimait qu'un panneau mettait quatre ans à produire une quantité d'énergie équivalente[13]. Les fabricants cherchent à minimiser les coûts et les besoins en matériau (silicium notamment), ce qui a incidemment pour effet de réduire la consommation d'énergie sur le cycle de vie du panneau, réduisant la durée de remboursement de l'énergie investie. La fabrication des panneaux solaires peut ainsi recycler une part de silicium industriel[14],[15].

Une analyse du cycle de vie concernant le dioxyde de carbone montre que, sur une durée de vie de vingt ans, l'émission de CO2 par kWh électrique produit par un panneau photovoltaïque représente, selon le type considéré, de 7 à 37 % des émissions par kWh produites par une centrale thermique classique[16].

RecyclageModifier

La plupart des composants d'un module solaire (jusqu'à 95 % de certains matériaux semi-conducteurs), tout le verre et de grandes quantités de métaux ferreux et non ferreux peuvent être récupérés et recyclés[17]. Certaines entreprises privées[18].

Des organismes sans but lucratif, tels que PV CYCLE (es) dans l'Union européenne, mettent en place des systèmes de collecte et de recyclage pour les panneaux photovoltaïques en fin de vie. Depuis 2010, une conférence réunit chaque année des fabricants, des recycleurs et des chercheurs qui s'unissent pour examiner ensemble l'avenir du recyclage des panneaux photovoltaïques[19],[20].

En France, depuis la fin août 2014, dans le cadre de la responsabilité élargie du producteur, fabricants, importateurs et revendeurs sont tenus de reprendre, en plus des déchets électroménagers classiques (DEEE), les panneaux photovoltaïques usagés, gratuitement et sans obligation d'achat[21]. Ces entreprises ont obligation de financer et de collecter le traitement de ces nouveaux déchets, sans période de transition, ce qui se traduit par une éco-participation sur chaque nouveau capteur photovoltaïque vendu. En 2010-2014, plusieurs enquêtes et l'Union européenne ont cependant estimé que les deux tiers des déchets de cette nature n'arrivent jamais aux centres de retraitement agréés, mais finissent en décharge ou à l'étranger. Les nouveaux objectifs de taux de collecte sont, à partir de 2016, 45 % du poids de matériel vendu dans les trois ans précédents (ce taux sera porté à 65 % en 2019)[21]. Ce texte est aussi plus restrictif quant aux envois de DEEE vers l'étranger[21].

Deux des solutions de recyclage les plus courantes sont les suivantes :

Les modules à base de silicium 
Les châssis en aluminium et les boîtes de jonction sont démontés manuellement au début du processus. Le module est ensuite broyé ; les différentes fractions résultant de ce processus sont des métaux ferreux et non ferreux, du verre et du plastique avec un quota moyen de recyclage proche de 80 % (poids d'entrée). Par exemple, le verre provenant des panneaux photovoltaïques est mixé avec du verre standard pour être réintroduit dans le secteur de la fibre de verre ou de l'isolation. Ce processus peut être effectué par les recycleurs de verre plat, étant donné que la morphologie et la composition d'un module PV est semblable à celui du verre plat utilisé dans l'industrie du bâtiment et de l'automobile.
Les panneaux photovoltaïques sans silicium 
Des technologies propres au recyclage des panneaux photovoltaïques sans silicium existent ; certaines utilisent un bain chimique pour délaminer et séparer les différents composants des panneaux photovoltaïques. Pour les panneaux en tellurure de cadmium, le processus de recyclage commence par l’écrasement du panneau, aboutissant à une séparation ultérieure des différentes fractions. Ce processus de recyclage est destiné à récupérer jusqu'à 90 % du verre et 95 % des matériaux semi-conducteurs[22]. Dans les années 2010, plusieurs installations de recyclage ont été créées par des entreprises privées[réf. souhaitée].

Les batteries doivent aussi être recyclées : si beaucoup d'installations photovoltaïques sont connectées au réseau électrique, certaines fonctionnent en autonomie. L'énergie produite le jour est stockée dans des batteries spéciales (qui se déchargent plus progressivement et supportent mieux les décharges fréquentes peu profondes, avec un régulateur installé entre la batterie et le module) et parfois dans des batteries proches de celle des voitures. Une batterie a une durée de vie de quatre à cinw ans[23], (sept à quinze ans pour certains modèles récents[Lesquels ?][réf. nécessaire]) et contient des métaux et produits précieux et/ou toxiques (plomb et acide communément). Pour un panneau photovoltaïque pouvant durer 25 ans, il faudra recycler deux à six fois[réf. nécessaire] les batteries (avec les technologies actuelles[Quand ?]).

Enjeux géopolitiquesModifier

De 2012 à 2018 la Chine s'est imposée comme leader mondial. En 2018, 70 % des modules photovoltaïques sont produits en Chine, parfois jusqu'à 25 % moins cher qu'en France selon Enerplan (représentant les entreprises françaises du solaire)[24]. Elle est aussi, depuis 2012, le premier investisseur mondial dans les énergies renouvelables, mais manque encore d'infrastructures adaptées au raccordement de tous les parcs solaires prévus, ce qui a poussé les fabricant chinois à écouler plus de panneaux à l'étranger. En réaction, début 2018, les États-Unis ont introduit une hausse des droits de douanes sur les panneaux chinois[24].

Dans l'Union européenne, en 2017, le solaire a atteint 3 % de la consommation électrique totale[24] mais, face à la concurrence chinoise, l'Europe risquait de perdre quelque 30 000 emplois, ce qui l'a poussée à appliquer un droit anti-dumping de 11,8 % au mois de , puis de 47,6 % deux mois plus tard, sur les panneaux importés de Chine[25]. L'Europe accuse notamment la Chine de trop subventionner les entreprises produisant des panneaux solaires, ce qui lui permet de vendre en Europe des panneaux solaires à un prix inférieur à leur coût de production[26] et a prolongé ces mesures jusqu'en aout 2018 pour protéger son industrie solaire[24]. En 2017, la Commission européenne a initié une réduction progressive de ces mesures sur dix-huit mois, malgré les protestations de la fédération de producteurs « EU Prosun » selon laquelle une centaine de producteurs ont fait faillite face à la concurrence chinoise, qui en outre s'est adaptée en construisant des usines en Turquie ou en Tchéquie et en rachetant des entreprises européennes avec, par exemple, l'achat en 2016 du Néerlandais Solland Power par le Chinois Trina Solar (leader mondial)[24]. Selon la fédération SolarPower Europe, représentant les parcs photovoltaïques, ces parcs vont néanmoins continuer à se développer en Europe[24].

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. Pour les applications thermiques, le terme officiel agréé est « capteur solaire » et l'usage du terme « panneau solaire » est déconseillé. Cette recommandation par la norme ISO 9488 Énergie solaire - Vocabulaire, qui a été reprise par le Comité européen de normalisation sous la désignation EN ISO 9488, vise à éviter toute confusion avec les applications photovoltaïques. La locution « capteur solaire thermique » relève donc du pléonasme. La locution « collecteur solaire », quant à elle, est un anglicisme ou un germanisme qui entretient la confusion avec le collecteur, tube qui, dans de nombreux capteurs solaires, collecte le fluide chauffé à la sortie des ailettes de l'absorbeur montées hydrauliquement en parallèle.
  2. Soit une moyenne de 18 MW[Quoi ?], à comparer à une centrale nucléaire typique qui fournit en permanence 1 000 MW et dont l'équivalent demanderait 55 km2 ; un parc équivalent à 50 centrales demanderait 2 750 km2.
  3. Certains s'inquiètent notamment de l'usage de NF3, en soulignant son effet de serre beaucoup plus élevé que celui du CO2 (17 000 fois plus fort), dont la présence[Quoi ?] augmente de 11 % par an, selon un article du Monde du 23 décembre 2008 ; néanmoins, ce gaz contribue de façon négligeable au récauffement climatique[réf. nécessaire] et n'est pas réglementé par le protocole de Kyoto.

RéférencesModifier

  1. Panneau solaire hybride : le mixte photovoltaïque / thermique, sur ecosources.info, consulté le 9 septembre 2016.
  2. « Quel est le rendement des panneaux photovoltaïques ? », sur evasol.fr (consulté le 23 janvier 2018).
  3. « 46 % de la lumière convertie en électricité, record mondial pour une cellule solaire » [archive du ], (consulté le 4 juin 2015).
  4. Key World Energy Statistics, International Energy Agency (consulté le 30 juin 2019).
  5. « Les fluides caloporteurs », sur lepanneausolaire.net (consulté le 14 septembre 2019).
  6. Futura, « Qu'est-ce que le système solaire combiné ? », sur Futura (consulté le 14 septembre 2019).
  7. Étude qualitative et quantitative du fonctionnement de Systèmes solaires combinés en usage réel : Synthèse du programme de suivi sur sites, ADEME, , 15 p. (présentation en ligne, lire en ligne).
  8. « Avantages », sur sodeeravantages.blogspot.com
  9. Crédit d’impôt 2014 (Chiffres officiels), sur guide-economie-energie.fr
  10. « Principes de base pour l’orientation de panneaux photovoltaïques », sur LePanneauSolaire.net (consulté le 7 janvier 2018).
  11. « Les types de modules », sur photovoltaique.info (consulté le 30 octobre 2014).
  12. (fr+en) Répartition géographique de la production de cellules solaires, Le journal du photovoltaïque, no 5, EurObserv'ER, avril 2011 [PDF] p. 17.
  13. (en) What is the energy payback for PV?, NREL.gov [PDF].
  14. (en) IBM Pioneers Process to Turn Waste into Solar Energy, IBM news, octobre 2007
  15. IBM recycle ses processeurs défectueux en capteurs solaires, sur techno-science.net
  16. La filière solaire photovoltaïque : potentiel de réduction des émissions de CO2 en Belgique, sur cat.inist.fr
  17. (en) Lisa Krueger, « Overview of First Solar's Module Collection and Recycling Program » [PDF], Laboratoire national de Brookhaven, (consulté en août 2012), p. 23.
  18. . (en) Karsten Wambach, « A Voluntary Take Back Scheme and Industrial Recycling of Photovoltaic Modules » [PDF], Laboratoire national de Brookhaven, (consulté en août 2012), p. 37.
  19. (en) « First Breakthrough In Solar Photovoltaic Module Recycling, Experts Say », sur solarserver.com, 2011 (consulté le 26 avril 2013).
  20. (en) « 3rd International Conference on PV Module Recycling »(ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?) [PDF], sur pvcycle.org, PV Cycle (consulté le 4 juin 2015).
  21. a b et c « La collecte des panneaux photovoltaïques usagés, une étape désormais obligatoire », BatiActu, 22 août 2014.
  22. Krueger, 1999, p. 23
  23. Quelle est la durée de vie d’une batterie de voiture ?, vivacar.fr, 2 novembre 2016 (consulté le 19 juin 2019).
  24. a b c d e et f « L'Europe rouvre grand ses portes aux panneaux solaires chinois », Connaissance des énergies et AFP, .
  25. Les panneaux solaires chinois taxés par Bruxelles, France 24, .
  26. Stéphane Gaultier, Panneaux solaires chinois : l’Union européenne doit-elle vraiment contre-attaquer ?, Le Blog Finance, 9 juillet 2013.

AnnexesModifier

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Articles connexesModifier