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Utilisateur:PIC solaire2016/Brouillon

EVOLUTION DU PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE

Il existe trois types d’utilisation de l’énergie solaire :

  • L’énergie solaire thermique produit de la chaleur à partir du rayonnement solaire infrarouge afin de réchauffer de l’eau ou de l’air. On utilise dans ce cas des capteurs thermiques appelés couramment « chauffe-eau solaire » ou « capteurs à air chaud ».
  • Il existe également une autre technologie qui utilise la concentration des rayons solaires au moyen de grands miroirs placés sur une tour qui emmagasine les calories pour les restituer sous forme mécanique. Cette restitution peut se faire à l’aide de turbines à vapeur par exemple. On parle alors de centrale solaire thermodynamique.
Horodateur alimenté par un panneau solaire photovoltaïque.

Nous nous attarderons ici que sur la technologie photovoltaïque. Une étude menée par l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) montre qu’une surface de 145 000 km2, soit 4 % de la surface des déserts arides serait suffisante pour couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité[1]. Si nous revenons en France, en théorie cela représente une surface de 5 000 km2 équipée de cellules dont le rendement est de 10 %. 

Il existe deux grands types d’installations de panneaux photovoltaïques :

  • Installation photovoltaïque autonome

Elle produit de l’électricité pour un bâtiment ou pour un consommateur non relié au réseau. On peut citer par exemple les panneaux de signalisation ou les horodateurs qui sont souvent équipés d’un petit panneau solaire. Parmi les secteurs qui utilisent ce type d’installation on retrouve : le domaine spatial, professionnel, domestique, agricole ou électronique. L'image ci-contre est un exemple de petit système fonctionnant grâce aux panneaux solaires.

  • Installation photovoltaïque raccordée au réseau

Les cellules solaires produisent de l’électricité en courant continu. Pour pouvoir mettre cette énergie sur le réseau électrique, il faut faire une transformation en courant alternatif par le biais d’un onduleur spécifique adapté aux caractéristiques du réseau. En France, au niveau du secteur, la tension est alternative et a pour caractéristiques 230V et 50Hz. L’énergie produite est soit consommée par l’usager (et le surplus est injecté sur le réseau), soit réintroduite en totalité sur le réseau. Elle se décline en trois types d’installations : centrale photovoltaïque terrestre, installation sur bâtiment, installation intégrée au bâtiment[2].

Le contexte du photovoltaïque en France modifier

Contexte modifier

Pour atteindre en 2020 les objectifs dits des « 3 fois 20 » du paquet climat-énergie adoptés en fin 2008 par l’Union européenne:

La France étant signataire de cet accord, elle se devait de créer un cadre pour promouvoir l’émergence des énergies renouvelables.

Part du photovoltaïque en France modifier

 
Evolution de la production d'énergie photovoltaïque depuis 2009 en France[3].

En 2010, la production photovoltaïque en France était de 0,6 TWh soit 0,1 % de la production d’énergie en France. Ces chiffres sont en constante évolution et témoignent de la volonté des pouvoirs publics d'intégrer le photovoltaïque dans le mix énergétique. Par comparaison, la filière éolienne a produit 1,7 % de la consommation électrique et les bioénergies 0,9 % la même année[4].

Comme le montre ce graphique, la production annuelle entre 2011 et 2012 a explosé, presque 2 GW ont été produits en plus en 2012, soit le double de ce qui avait été produit en 2011. Cet emballement fait suite à une baisse très rapide des coûts des modules qui rendaient les tarifs d’achat particulièrement attractifs.

La Programmation Pluriannuelle des Investissements (PPI) prévoyait initialement pour l’horizon 2020 un objectif à 5 400 MW. Face à l’évolution du marché, elle a revu sa note et refixé un objectif à 8 000 MW pour 2020[5].  

Bilan des puissances et des prix en France modifier

Evolution des installations, des puissances raccordées et du parc solaire modifier

 
Ces courbes montrent comment évolue le parc solaire en France en fonction de trois paramètres, le nombre d'installation, la puissance raccordée au réseau 31/12 de l'année concernée et la puissance du parc solaire[6].

Fin 2014, en France, 346 000 installations photovoltaïques ont été installées pour une puissance de 5 631 MW, dont 5 291 MW en France métropolitaine. L’objectif initialement fixé par le législateur de 5 400 MW installés à horizon 2020 a donc été atteint 6 ans plus tôt que prévu. Les données du tableau ci-contre sont prises jusqu’au 30 Septembre 2016. L’année 2011 reste à ce jour la meilleure année du photovoltaïque en France en terme de puissance raccordée au réseau et ce malgré le moratoire[7] suspendant l'obligation d'achat de l'électricité produite par certaines installations utilisant l'énergie radiative du soleil. Dorénavant, les centrales au sol feront l’objet d’appels d’offres. À la suite de ce moratoire, les tarifs d’achat ont été revus à la baisse et ont favorisé les installations intégrées au bâti. 

Si on compare par rapport à l’année 2010, en 2011 on constate une augmentation de 240 % de puissance raccordée. En effet, on a raccordé 1 522 MW[8] au 31/12/11 contre 635 MW[9] au 31/12/10 et la puissance du parc solaire a quant à elle triplée passant de 873 MW[9] au 31/12/10 à 2 539 MW[8] 31/12/11.   

En 2015, 858 MW[10] de puissance solaire ont été raccordés en France métropolitaine et portent à près de 6 200 MW[10] le parc solaire installé au 31/12/15. Environ un tiers de cette augmentation vient de la mise en service sur le réseau de RTE (Réseau de Transport d’Électricité) en septembre 2015, du parc de Constantin à Cestas dans la Gironde qui a une capacité de 300 MW[11]. À ce jour, c’est le plus grand parc photovoltaïque d’Europe.

Les effets du moratoire modifier

En 2010, alors que se déroulait la conférence de Cancun sur le climat COP 16, le gouvernement Fillon a gelé les projets photovoltaïques. Cette année-là, le parc photovoltaïque en France était de 875 MW et la France avait le 7e parc mondial selon le baromètre Price water house Coopers (PWC)[12]. Un rythme de croissance jugé trop rapide par le gouvernement en se référant aux objectifs de la Programmation Pluriannuelle des Investissements (PPI) qui prévoyaient 1 100 MW installés fin 2012 et 5 400 MW fin 2020.

Pour dégonfler cette bulle du solaire, des actions furent prises par le gouvernement. Comme la baisse du prix de rachat de l’électricité photovoltaïque par EDF. Il a chuté de 30% en Janvier 2010 puis 12% en Septembre 2010. Les particuliers dont les installations ne dépassaient pas 3 kW (environ 30 m² de panneaux), n’étaient pas concernés par ces changements et gardaient un prix de vente à 58 centimes d’euros le kW.

Devant les prix attractifs que proposait l’industrie chinoise du photovoltaïque, les investisseurs se sont empressés de commencer de nouveaux projets à cause des coûts d’infrastructures qui eux aussi étaient attractifs. Face à cet engouement pour les panneaux solaires chinois, la ministre de l’écologie de l’époque Nathalie Kosciusko-Morizet est montée au créneau en affirmant qu’un panneau photovoltaïque chinois produisait 1,8 fois plus de CO2 qu’un panneau photovoltaïque français. Cette problématique des panneaux photovoltaïques chinois créait un autre problème. En effet, économiquement les panneaux photovoltaïques chinois avaient créé un déficit commercial de 800 millions d’euros[13].

La mise en place de ce moratoire et les performances de l’année 2011 ont eu un impact sur la croissance du secteur. Les tarifs ont baissé en fonction du nombre de demandes de raccordement enregistrées sur le trimestre civil précédent[14], en moyenne 5% par trimestre. On constate donc un ralentissement significatif du nombre d’installations résidentielles au profit des grandes toitures en 2011 et des centrales au sol. 

Evolution des prix depuis 2009 modifier

Comment les prix sont calculés ? modifier

Le dispositif de soutien au photovoltaïque prévoit des tarifs d’achat qui sont ajustés chaque trimestre. Les tarifs applicables pour les installations de panneaux photovoltaïques sur toiture dépendent de la puissance crête et du degré d’intégration des installations au bâti.

Les tarifs d'achat de l'électricité d'origine photovoltaïque sont revus chaque trimestre par la Commission de Régulation de l’Énergie CRE qui transmet sa délibération au gouvernement. Les valeurs des coefficients Sn et Vn définies par un arrêté du 4 mars 2011[15] sont calculées à la suite de la réception du bilan des demandes de raccordements pour des installations solaires, transmises par les gestionnaires de réseaux publics d'électricité Enedis, EDF SEI[16]. 

 
Ce tableau donne l'évolution des prix du kWh de l'énergie photovoltaïque en France depuis 2009 pour 3 types d'installations. Ces données sont une moyenne des prix trimestriels du kWh[17].

Comment évoluent les prix ? modifier

Les données du tableau ci-contre sont une moyenne lissée sur une année complète. Les installations IAB (Intégration au Bâti) sont les plus touchées avec une baisse de 60 % du prix du kWh depuis 2009 comme le montre le tableau suivant. 

        L’arrêté du 7 janvier 2013 a modifié celui du 4 mars 2011 et a mis en œuvre les mesures d’urgence pour le photovoltaïque. Par exemple, la bonification de 5 % à 10 % des tarifs d’achat pour les installations photovoltaïques dont les composants ont été réalisés au sein de l’Espace Economique Européen[18]. 

Bilan de chaque tranche d'installation au 30/09/2016 en France et dans les DOM - TOM modifier

 
Répartition des installations solaires photovoltaïques en France par tranche de puissance au 30/09/2016[19].

Il existe 6 tranches de puissance exploitées pour les installations photovoltaïques. Le tableau suivant met en lumière la part de chaque tranche dans le parc solaire en France. Il donne également le pourcentage de chaque tranche dans la part du nombre d’installation.

Les installations ≤ 3 kW sont les plus répandues et représentent actuellement 74,84 % des installations en France mais ne pèse que 10,86 % du parc solaire en France. Contrairement aux installations > 250 kW qui représentent 50,72 % du parc photovoltaïque pour seulement 0,34 %  du nombre d’installation au jour du 30/09/16 en France.

Le photovoltaïque par région en France métropolitaine modifier

 
Comme le montre cet histogramme, la part belle revient aux régions du sud de la France. Les trois premières régions représentent à elles seules 70 % du parc photovoltaïque français[20].

La programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) prévoit un premier objectif de puissance installée pour fin 2018 à 10 200 MW, objectif atteint à 65 % au 30/09/2016 et deux options (haute à 20 200 MW et basse à 18 200 MW) pour fin 2023[21]. Le tableau suivant montre la répartition du parc photovoltaïque en France métropolitaine entre 2009 et le 30/09/16.

Les régions Nouvelle-Aquitaine, Occitanie, Provence-Alpes-Côte d’Azur et Auvergne-Rhône-Alpes représentent plus 70 % de la puissance totale installée en France. Avec 1 707 MW au 30 septembre 2016, la région Nouvelle-Aquitaine demeure la région française disposant du parc solaire photovoltaïque le plus important.

Les questions que l’on peut être amené à se poser est pourquoi une région comme la Corse occupe ce rang, ou encore pourquoi l'Île – de – France mieux située que les Hauts – de – France soit  dernier du classement. 

Deux pistes peuvent nous aider à trouver des réponses aux questionnements émis plus haut :

  • L’ensoleillement disparate d’une région à l’autre
  • La disponibilité des espaces

Les chiffres de la Corse s’expliquent par la demande dans cette région. En effet, la région Corse est la moins peuplée avec une estimation au 01/01/15 à 326 000 habitants[22]. C’est 20 fois moins que les trois régions de tête qui d’ailleurs ont presque le même niveau d’ensoleillement que la Corse.

Pour intégrer du photovoltaïque dans leurs logements, les particuliers peuvent avoir droit à plusieurs subventions des régions. Chaque région de France apporte sa contribution. Ces aides sont conditionnées à un devis préalable par un installateur agréé Qualisol ou QualiPV et le matériel doit être référencé « ô solaire »[23].

La disponibilité des terres et l'ensoleillement modifier

 
Carte de l'ensoleillement en France en 2012[24].

On estime qu’il faut environ 8 m2 de surface pour produire 1 kWc. Prenons l’exemple d’une famille avec deux enfants qui consomme 4 250 kWh sur l’année et qui vit dans le nord de la France. Le facteur de correction d’ensoleillement est de 0,85.

Pour produire 4250 kWh avec des panneaux solaires, il faudra à cette famille une puissance nominale de 4 250 / 0,85 = 5 kWc. Cela représentera une surface de panneaux d’environ 5 x 8 = 40 m2.

Prenons un autre exemple d’une famille en Provence qui consomme aussi 4250 kWh sur l’année. Le facteur d’ensoleillement en Provence est de 1,3. Pour produire 4250 kWh il faudra une puissance nominale de 4 250 / 1,3 = 3,3 kWc, soit 3,3 x 8 = 26 m2. 

On peut donc constater que la position géographique influe grandement sur la surface de panneaux solaires nécessaires pour des puissances similaires dans deux régions. On peut donc dire que les régions des Hauts – de – France et d'Île – de – France sont plus propices pour des installations inférieures à 3 kW car fortement industrialisées. D'une part, elles n’ont pas suffisamment d’espace pour installer des champs photovoltaïques, d'autre part le rendement de ces centrales ne seraient également pas au rendez-vous. Les installations entre 3 et 36 kW sont plus souvent intégrées au bâti.

Or comme le montre l'illustration [1], Plus de 95 % des installations ont une puissance inférieure à 36 kW mais ne pèse que 20 % du parc photovoltaïque en France.  

Recyclage des panneaux photovoltaïque: où en est-on en France? modifier

Contexte général modifier

Le marché du photovoltaïque est encore jeune en France mais il se développe rapidement. Au 30 Septembre 2016, la France comptait 372 361[19] contre seulement 43 700 en 2009. Entre 2009 et 2015, la part du photovoltaïque dans la production d’électricité en France est passée de 0,1 % à 1,4 % en 2015 comme le montre l'illustration [2].

Ceci montre bien une évolution du nombre d’installation. Sachant que la France est entrée dans le photovoltaïque dans les années 1990 et que la durée de vie d’une installation est de 20 à 30 ans, la question du recyclage des installations commence à se poser.

On est donc dans une phase où l’on anticipe toutes les procédures organisationnelles, et législatives, afin de gérer efficacement le recyclage des panneaux photovoltaïques en France.

Contexte réglementaire modifier

L’énergie photovoltaïque subit depuis quelques années des turbulences telles que la baisse des subventions, le moratoire ou encore la diminution des tarifs d’achat d’électricité par EDF. À ceci, s’ajoute la quantité de déchet du photovoltaïque qui lui ne cesse d’augmenter. Une étude allemande parue en 2007 montre que la quantité déchet de cette filière double chaque année, et pourrait d’ici 2020 atteindre 35 000 tonnes. Il est aujourd’hui primordial et nécessaire de gérer ces déchets[25].

L’Union Européenne a mis en place plusieurs directives afin de gérer efficacement les déchets et équipements électriques pour préserver l’environnement et la santé humaine :

  • La directive 2002/95/CE[26] : aussi appelée RoHS (Restriction of Hazardous Substances), qui a pour but de limiter l’utilisation de substances dangereuses telles que le plomb, le mercure et le cadmium pour la fabrication des produits liés à l’énergie.
  • La directive 2008/98/CE[28] : elle définit le processus de traitement des déchets. Elle met également l’accent sur la gestion des déchets, les techniques de valorisation et de recyclage des déchets.
  • La directive 2011/65/CE[29] : ce nouveau texte élargit la liste des équipements électriques et électroniques (EEE), encourage l’écoconception, le tri sélectif et le recyclage de composants EEE.

Les panneaux photovoltaïques recyclés : chiffre en constate croissance modifier

En France, les panneaux photovoltaïques ne sont pas encore arrivés en fin de vie, mais les entreprises du secteur commencent à préparer l’avenir.

PV CYCLE France est un éco-organisme à but non lucratif agréé par les pouvoirs publics pour organiser la collecte et le traitement des panneaux photovoltaïques arrivés en fin de vie utile. Fondé en 2014 par et pour la filière photovoltaïque, PV CYCLE France gère les aspects administratifs et opérationnels de la conformité DEEE pour les producteurs et distributeurs de panneaux photovoltaïques et représente la filière auprès des autorités. PV CYCLE France a recyclé 367 tonnes de panneaux photovoltaïques en 2015[30].

À ce jour, il n’existe pas d’unité de traitement de panneaux photovoltaïques en France. Les panneaux collectés en France sont traités en Belgique ou en Allemagne selon la technologie utilisée[31].

Présent dans 20 pays de l'Union européenne, il propose de recycler les panneaux photovoltaïques. Lors de sa création en 2007, l'association européenne PV CYCLE avait recyclé 80 tonnes de panneaux photovoltaïques. En 2014, elle a recyclé 10 000 tonnes de panneaux solaires dont 80 % n’étaient pas en fin de vie, ils avaient un défaut de fabrication ou alors ont été endommagés lors du transport. À terme, PV CYCLE prévoit de recycler 135 000 tonnes d’ici 2030[32].

 
Composition d'un panneau en fonction de sa technologie[33].

Composition globale d’un panneau photovoltaïque modifier

Un panneau photovoltaïque est principalement composé des éléments suivants :

  • De verre
  • De plastique
  • De métaux : Aluminium et Argent
  • De cellules : constituées de semi-conducteur à base de silicium, de sulfure de cadmium et de tellure de cadmium.

Leurs pourcentages dépendent de la technologie utilisée. Les tableaux ci-contre donnent la composition des panneaux en C – Si et aux couches minces en fonctions des différents composants.

Seuls les wafers du Silicium sont traités dans le recyclage des panneaux, les autres éléments sont séparés et envoyés à des sous-traitants spécialisés dans ces matériaux.

Les objectifs du recyclage modifier

Le recyclage des déchets issus des panneaux photovoltaïques permet de récupérer des matières premières, en particulier les matériaux précieux comme l’aluminium et le silicium. En effet, ces matériaux se raréfieront avec le développement de la filière photovoltaïque. Il est donc primordial de réutiliser ces matériaux recyclés pour fabriquer de nouveaux panneaux photovoltaïques. 85 % du poids d’un panneau est recyclable et suivant la technologie du panneau, ce taux peut être meilleur :

  • Panneau silicium : avec un taux de recyclage de 80 % - 90 %
  • Panneau sans silicium : avec un taux de recyclage de 95 %

Le second enjeu du recyclage est environnemental. À travers cette démarche ce sont des éléments néfastes pour la nature qui seront recyclés comme le silicium, le bore, le plomb ou le tellure de cadmium. 

 
Ce synoptique décrit processus de recyclage d'un panneau photovoltaïque.

Technique de recyclage modifier

On distingue deux types de traitements pour séparer les différents éléments d’un module. Ces traitements sont les suivants :

  • Traitement chimique : consiste à extirper les contacts métalliques et la couche antireflet des cellules. Le but étant de récupérer le silicium pur.
  • Traitement thermique : permet d’éliminer le polymère encapsulant en le brûlant et de séparer les différents éléments du module. Le module est ainsi déposé dans un four qui chauffe entre 400 et 600°C[34].

Le tableau ci – contre montre les différentes étapes de recyclage d’un module photovoltaïque[33].

Organisme en charge du recyclage modifier

Afin d’anticiper la forte croissance des déchets, l’union européenne a créé en 2007 une structure qui centralise l’ensemble des déchets, il s’agit de PV CYCLE. Sa branche française regroupe une centaine d’entreprise de la filière photovoltaïque. Seule à proposer ce service, elle a pour objectif de développer la collecte et le recyclage des panneaux photovoltaïques en fin de vie mais également des panneaux photovoltaïques cassés durant leur transport.

En France, le réseau de collecte compte 118 points d’apport volontaire au 31/12/2015[30]. Cet organisme s’adresse à tout type d’utilisateur [35]:

  • Producteur
  • Grossistes
  • Particuliers
  • Détaillants
  • Entrepreneurs industriels
  • Utilisateurs industriels
  • Sociétés de démolition

Les technologies des modules photovoltaïques[36] modifier

Actuellement, il existe trois types de technologies photovoltaïques :

  • Les panneaux aux couches minces

Les panneaux en silicium  modifier

Ils représentent aujourd’hui 90 % du marché actuel. Ces panneaux reposent sur une ressource naturelle le #REDIRECTION silicium. Il a la particularité d’être inépuisable car représente environ 25,7 % de la masse de la croûte terrestre. Dans la filière Silicium, on distingue deux grandes familles : les monocristallins et les polycristallins.

Les monocristallins modifier

Avec un rendement avoisinant les 20 %, les monocristallins sont fabriqués à partir de bloc de silicium pur ayant une couleur uniforme. Ils sont aussi composés de cellules généralement arrondies presque carrées. À noter que le procédé industriel menant à l’obtention de ces panneaux est très coûteux, ce qui fait qu’à l’heure actuelle ce sont les plus onéreux du marché. À titre d’exemple, c’est avec ce type de panneaux que l’avion Solar Impulse a été conçu.

Les polycristallins modifier

Avec un rendement entre 11 % et 15 %, ils sont issus de la cristallisation d’un bloc de cristal à plusieurs couches. Ce type de cellule est généralement de forme rectangulaire. De plus, son faible coût a favorisé sa prolifération particulièrement pour les groupes chinois qui sont leaders sur le secteur.

Les panneaux aux couches minces modifier

Cette technologie vient palier la perte de bloc de silicium (environ 30 %) pendant la découpe des plaquettes destinées à la réalisation des panneaux. Ici, la création du panneau se fait en déposant une couche de revêtement sur un support en verre ou souple. Ils se distinguent aussi en deux familles.

  • La première famille utilise pour sa couche de revêtement le tellure de cadmium à la fois moins cher et moins toxique que le silicium mais moins abondant.
  • La deuxième famille opte pour l’utilisation d’un alliage de cuivre, indium et sélénium (CIS) avec parfois du gallium (CIGS). En utilisant cette méthode, on obtient une très bonne absorption de la lumière. Le seul bémol c’est que d’un, les réserves d’indium sont limitées et de deux, l’indium est une ressource déjà très utilisée dans la fabrication des écrans plats. Actuellement, des recherches sont menées pour développer des polymères organiques (tissus, algues ou animaux) permettant de rallonger le rendement et la durée de vie des panneaux (environ 1000h).

Les panneaux à concentration modifier

Cette technologie a aussi été développée pour augmenter la puissance et le rendement des panneaux. Elle utilise un miroir parabolique ou une lentille de Fresnel pour concentrer une très grande quantité d’énergie du soleil jusqu’à 1024 fois. Actuellement, seuls les grands parcs solaires l’utilisent au vu de la complexité qu’elle requiert. En effet, en plus d’évacuer la chaleur due aux fortes températures, pour ne pas abîmer les cellules photovoltaïques, il faut placer les panneaux sur un support mobile pour être constamment en face du soleil.

Rendement des différentes technologies modifier

Le tableau ci-dessous présente les différents rendements des 3 générations de cellules photovoltaïques. On peut constater l’importante différence entre le rendement en laboratoire et le rendement commercial. Malgré son très bon rendement, les cellules multi – jonctions ne sont pas produites pour les particuliers car trop onéreux.

 
Récapitulatif des rendements des différentes technologies photovoltaïques[37].

Les perspectives du photovoltaïque modifier

La filière photovoltaïque connaît d’importants progrès depuis plusieurs années, que ce soit d'un point de vue technologique ou économique. Les années à venir seront décisives pour la filière.

En effet, des améliorations sont attendues pour accroître le rendement des cellules d’une part mais également pour booster la filière en incitant des particuliers et des entreprises à investir dans une installation photovoltaïque. Un meilleur rendement c’est synonyme d’un retour sur investissement plus rapide et la multiplication des installations entraînera la baisse des coûts d’installation.

Les perspectives technologiques modifier

 
Évolution des rendements depuis 1970 des différentes technologies photovoltaïques.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque par Henri Becquerel, jusqu’au développement du premier panneau photovoltaïque, cette technologie n’a cessé d’évoluer en proposant de nombreuses techniques pour capter l’énergie solaire.

Les technologies en silicium ou encore en couches minces sont les évolutions phares de cette technologie. Les avancées technologiques futures visent à améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques. Le graphe ci-contre résume les résultats d’une étude menée par le NREL (National Renewable Energy Laboratory). Il nous indique que le rendement des cellules, depuis les années 70 n’a fait que progresser. Cette tendance est visible dans les différents types de familles de cellules avec un pic de 44% atteint par les cellules multi-jonctions.

Néanmoins il faut replacer ces chiffres dans leurs contextes, car ces résultats ont été obtenus en laboratoire où les conditions d’application et d’utilisation sont meilleures. Mais ces résultats témoignent des efforts de la R&D afin de rendre cette technologie plus compétitive face aux autres filières de production d'énergie.

Malgré la variété de cellules photovoltaïques, deux d’entre elles dominent le marché :

  • Cellules silicium
  • Cellules couches minces

Cellules en silicium modifier

 
Evolution du prix du kilogramme de silicium et de la production de silicium[38].

Elles représentent plus de 80% du marché. Ceci s’explique par la baisse des coûts dans l’industrie du silicium mais également le lent développement des autres technologies.

Le graphe ci-contre montre l’évolution du prix du kilogramme de silicium. La surproduction de cellules solaires a entraîné la chute des prix du silicium. Dans sa chute, le prix du silicium a impacté le coût à la revente d’un module photovoltaïque. Une fois la baisse des coûts constatée, la demande en silicium s’est envolée.

Mais cette domination du silicium devrait s’atténuer dans les années à venir avec le développement des autres technologies aux meilleurs rendements. En effet, le rendement limite établit par Shockley – Queisser pour une cellule solaire à jonction p-n simple sous une illumination de 1 kW/m2 à 25°C pour un Air Mass 1,5 (AM1,5) est d’environ 31 %. Cette limite sera atteinte vers 2025 grâce aux améliorations apportées aux cellules en silicium.

 
Schéma d’une cellule en silicium de type PERC[39].

Au-delà de 2025, avec la limite de rendement atteinte, cette filière devra trouver d’autres solutions pour accroître ses performances en termes de conversion d’énergie.

Des systèmes hybrides apparaissent aujourd’hui comme étant une solution viable pour résoudre le problème de rendement de cette technologie. L’ajout de couches minces type CIGS ou III-V sont des solutions envisagées. Elles permettront à cette technologie d'avoir encore quelques belles années devant elle.

D’autres techniques ont été développées, on citera par exemple la cellule PERC (Passivated Emitter Rear Contact) développée par l'entreprise allemande Centrotherm. Elle se distingue des autres cellules par l’ajout d’une couche de passivation à l’arrière de la cellule, cette couche empêche les électrons de se reconstituer et participe à l’amélioration du rendement[40]. L’illustration ci-contre est une cellule en silicium de type PERC avec les différents éléments qui la constitue.

Cellules aux couches minces modifier

Concernant les couches minces, leur rendement devrait aussi évoluer. Il passera de 14 % aujourd’hui à 25 % d’ici 2025. C’est au niveau de la conception et de la fabrication que ces cellules connaîtront des améliorations. La meilleure passivation des couches de l’alliage Cuivre Gallium et d’Indium (CIGS) est une de ces solutions, elle diminuera la recombinaison des électrons. Cette amélioration a été apportée par l'entreprise japonaise Solar Frontier[40].

Les installations modifier

Les installations de panneaux photovoltaïques connaissent un très fort développement mais elles sont soumises  à des réglementations telles que la RT 2012 et la RT 2015 qui conditionnement leur intégration dans le bâtiment.

En plus des panneaux photovoltaïques standards intégrés aux bâtiments pour produire de l’électricité, il existe aussi des panneaux hybrides composés d'un capteur solaire thermique (chauffe-eau solaire) à haut rendement sur lequel sont disposées des cellules solaires photovoltaïques.

Nous avons aussi des matériaux photovoltaïques dédiés aux bâtiments qui sont des associations de matériaux de construction et de cellules photovoltaïques. Ces produits se distinguent des autres par leurs coûts de fabrication élevés.

Néanmoins, ce sont les panneaux hybrides qui constituent la principale innovation dans le bâtiment. Plusieurs modèles existent sur le marché. L’air ou l’eau peuvent faire office de fluide caloporteur, et auront pour objectif de chauffer une habitation, ou auront un usage sanitaire (Eau Chaude Sanitaire).

Les smart grids modifier

Définition modifier

Encore appelés réseaux électriques intelligents, ce sont des réseaux qui, grâce à la combinaison des nouvelles technologies de l’information et de la communication, favorisent la circulation d’information bidirectionnelle entre les fournisseurs et les consommateurs afin d’ajuster le flux d’électricité en temps réel pour permettre une gestion plus efficace du réseau électrique.

À chaque bout du réseau, on associe un système de communication particulier (satellite, smart meter (compteur communicant), courants porteurs en ligne (CPL), Wifi longue portée (fibre optique), radio fréquence…), qui permet un échange d’information. Ces informations permettront une adéquation entre la production, la distribution et la consommation[41].

Les différences en les réseaux électriques actuels et les réseaux intelligents modifier

Les différences entre les réseaux électriques actuels et les réseaux électriques intelligents se résument dans le tableau ci-dessous [42]:

Caractéristiques Caractéristiques des réseaux électriques actuels Caractéristiques des réseaux électriques intelligents
Signal Analogique Numérique
Sens Unidirectionnel Bidirectionnel
Système Production centralisée Production décentralisée
Réseau de distribution Achemineur Collecteur
Gestion du réseau Gestion de l’équilibre du système électrique par l’offre (production) Gestion de l’équilibre du système électrique par la demande (consommation)
Acteurs Consommateurs Producteurs, transporteurs, distributeurs, consommateurs
Pic de consommation Ilotage Effacement diffus

Fonctionnement modifier

Toutes les infrastructures des smart grids doivent contribuer à la pérennité du réseau à toutes les échelles : producteurs, transporteurs, distributeurs, consommateurs.

  • Flexibilité : grâce à des capteurs installés sur le réseau, on a une indication en temps réel du flux électrique et de la demande. Les opérateurs du réseau peuvent ainsi adapter en permanence le flux énergétique en fonction de la demande des consommateurs[43].
  • L’interopérabilité des réseaux : grâce aux échanges instantanés de l’information, les smart grids favoriseront l’interopérabilité entre le gestionnaire du réseau de transport (RTE) et celui du réseau de distribution (Enedis).
  • Accessibilité : ils favorisent l’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique. Sachant que les réseaux intelligents permettent de prévoir les besoins énergétiques, les énergies renouvelables qui fonctionnent par intermittence seront alors mieux utilisées.
  • La gestion plus responsable de la consommation individuelle : les compteurs communicants Linky installés chez les consommateurs sont une première étape des smart grids. Ils permettent aux fournisseurs d’électricité de proposer de nouvelles offres tarifaires pour inciter les clients à ne pas consommer en période de pointe, procédant ainsi à des effacements diffus. Ils donnent également des informations sur la qualité et le niveau de consommation d’électricité du foyer ainsi le client peut lui-même réguler sa consommation au cours de la journée. Du côté des opérateurs réseau, ils peuvent détecter plus rapidement les pannes et réagir en conséquence.

Les avantages modifier

L’apparition de nouveaux usages de consommation, telle que la voiture électrique, la climatisation, les appareils électroniques ou de chauffages amplifient la hausse de la consommation d’énergie. Les réseaux électriques actuels ne sont plus suffisamment adaptés à ces nouveaux besoins. Les smart grids sont une solution à ces contraintes.

Les smart grids améliorent la sécurité du réseau puisqu’en équilibrant en temps réel l’offre et la demande, on évite la surcharge du réseau. On a également vu qu’ils permettaient un effacement diffus en cas de pic de consommation cela évite une panne généralisée du réseau. Ils permettent en outre l’intégration massive des énergies renouvelables et réduisent l’impact environnemental de la production d’électricité en réduisant les pertes. Le réseau smart grid favorise la production décentralisée c’est-à-dire la multiplication de sites de production. De ce fait le réseau sera plus maillé et donc plus robuste[43].

Limites de la mise en œuvre  modifier

Économiquement, rendre un réseau électrique déjà existant smart grid n’est pas viable mais reste tout de même nécessaire. Il faudra 15 milliards d’euros d’investissements smart grids d’ici à 2030 sur l’ensemble du réseau électrique français selon une évaluation de la Commission de Régulation de l’Énergie (CRE)[44].

Le second obstacle est le traitement et le stockage des données collectées. Ces données sont complexes à gérer et leurs volumes sont très importants. Enfin, les informations sur les horaires ou les activités des consommateurs et des producteurs sont confidentielles. Des normes sur la protection des données doivent être appliquées.

La crainte que suscite le compteur Linky est fort évocateur des difficultés que rencontrent les gestionnaires du réseau pour rendre ce dernier smart grid. Certaines communes ont refusés qu’ils soient installés. Sa technologie intrusive et sa plus ou moins dangerosité en sont les causes de ce refus. En effet, ce compteur émet en permanence une radiofréquence qui pour des personnes électro sensibles pourrait provoquer des crises intenses.

Pour aller plus loin:

Le stockage de l’énergie photovoltaïque modifier

Le problème des panneaux solaires est qu’ils produisent de l’énergie quand les parents sont au bureau et les enfants à l’école. Quand la famille se retrouve au foyer, le soleil est déjà couché et les cellules photovoltaïques ne produisent presque plus rien.

La question du stockage des énergies renouvelables est l’argument brandit à chaque fois par les défenseurs de la filière nucléaire ou des filières fossiles. Mais des entreprises tentent d’apporter des solutions à ce problème longtemps insoluble. Il existe plusieurs modes de stockage de l’énergie photovoltaïque :

  • Le stockage inertiel : le principe de volant d’inertie permet de stocker temporairement de l’énergie sous forme cinétique. Un volant d’inertie constitué d’une masse (anneau ou tube) entraînée par un moteur électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (entre 8000 et 16000 tour/min). Une fois lancée, la masse continue de tourner même si plus aucun courant ne l’alimente. L’électricité stockée dans le volant sera restituée en utilisant le moteur comme génératrice électrique. Ce soutirage d’électricité entraînera la baisse progressive de la vitesse de rotation du volant d’inertie. Ce système a une très bonne réactivité et une grande longévité. Par contre, les pertes de charges sont importantes dues à l’échauffement mécanique et au glissement. Ces systèmes sont efficaces pour faire face à des coupures brèves ou pour l’autorégulation d’une application[45].
  • Le stockage d’énergie grâce à l’hydrogène : un électrolyseur intermittent pendant les périodes de faible consommation d’électricité utilise ce dernier à bas coût pour décomposer l’eau en dioxygène et en dihydrogène selon cette équation 2 H2O = 2H2 + O2 (1) ; c’est l’électrolyse de l’eau. Ce dihydrogène peut être stocké sous forme liquéfiée ou d’hydrure métallique. Les produits de la réaction (1) serviront de combustibles pour la pile combustible à hydrogène. Le principe de fonctionnement de ce dernier est d’utiliser ces combustibles pour redonner simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité ; c’est l’inverse de l’électrolyse. La valorisation de la chaleur produite par l’électrolyseur et la pile combustible améliore la rentabilité du système. L’avantage de ce système est que l’hydrogène est facilement stockable et déplaçable que ce soit sous forme liquide ou gazeuse[46].
Pb Ni-Cd Ni-Mh Ni-Zn LMP Li-ion Li-Po LiFePo4 Li-air
Densité énergétique (Wh/kg) 40 60 90 80 110 150 190 110 1000
Durée de vie (cycles) 500 1 000 1 500 nc 1 800 1 000 2 000 2 000 nc

La capacité de stockage varie en fonction de la technologie. L’avantage de cette technologie est la flexibilité de dimensionnement et leur réactivité. Il peut être utile pour la stabilisation du réseau ou d’alimentation de secours. 

D’ailleurs, une batterie de 5 MW a été raccordée au réseau électrique allemand le 16 septembre 2014. De la taille d’un gymnase, c’est la plus grande batterie de stockage d’Europe. Elle permet de stocker ou de distribuer de l’énergie en un millième de seconde. 80 % de l’énergie qui transite sur cette unité est d’origine renouvelable. Ce système permet de mieux intégrer les énergies renouvelables sur le réseau électrique allemand. Seul inconvénient, son coût : 6 millions d’euros[48].

Le système Voss modifier

 
Vue éclatée du volant d'inertie en béton Voss[49].

L’entreprise ENERGIESTRO a développé un système pour stocker l’énergie solaire produite en journée pour qu’elle soit disponible une fois la nuit tombée. Ce système s’appelle Voss pour Volant de Stockage Solaire. 

Le jour, une partie de l’électricité produite entraîne un moteur qui met une masse en rotation. La nuit, cette masse tournante entraîne un alternateur qui produit de l’électricité. L’entreprise affirme qu’entre 80 et 90% de l’énergie initiale est restituée. La figure ci-dessous est un schéma du Voss.

Le cylindre de béton (1) est porté par un palier magnétique et tourne dans une enceinte sous vide (6) pour supprimer les frottements de l’air. Le palier est composé en partie inférieure d’un roulement à billes (3) et d’une butée magnétique passive (5) qui supporte le poids du volant. En partie supérieure, on retrouve uniquement le roulement à billes (4). Un moteur-alternateur (2) permet de transférer de l’énergie électrique au volant (accélération) puis de la récupérer (freinage). Un convertisseur électronique non représenté transforme la tension continue aux bornes du volant en une tension alternative haute fréquence pour le moteur-alternateur[49].

Le plus petit modèle a un diamètre de 80 cm et d’une masse de 1,7 tonne et stocke 5 kWh. Le plus gros (1,60 m, 16,6 tonnes) a une capacité de 50 kWh[50].

Batterie Lithium – ion modifier

C’est la technologie la plus utilisée pour stocker l’énergie solaire et également la plus onéreuse. Parmi les différents systèmes, nous pouvons citer le conteneur 20 pieds Intensium Max 20 Saft qui est une méga batterie Lithium – ion pouvant stocker jusqu’à 1 MW. Elle a été conçue par l’entreprise française Saft et est destinée aux industriels du secteur. Ce système de stockage d'énergie permettra de lisser la production sur la journée et d’optimiser les performances de la centrale photovoltaïque. Il pourra répondre aux demandes de charge et décharge en temps réel de l'opérateur réseau. La durée de vie du système est estimée à 15 ans et plus[51].

La technologie lithium – ion est la plus utilisée pour stocker de l’énergie parce qu’elle a une bonne densité énergétique et un poids réduit. Son taux auto-décharge n’est que de 10 % par an et n’a pas d’effet mémoire. La batterie lithium-ion est également la technologie la plus utilisée aujourd'hui sur le marché de l'électronique portable(téléphone, appareil photo, tablette). 

Création d’emploi modifier

Les perspectives en termes d’emploi de la filière photovoltaïque sont plutôt encourageantes. Les prévisions du Syndicat des Énergies Renouvelables (SER) prévoient 60 000 emplois crées dans la filière photovoltaïque.

En comparaison à la filière éolienne, les objectifs sont les mêmes. Le tableau ci-dessous dresse le bilan des prévisions du Syndicat des Énergies Renouvelables (SER) pour 2020 pour les différentes branches de l’énergie renouvelable[52].

Énergies Situation nombre d'emplois en 2006 Objectif pour 2020 du nombre d'emplois selon le SER
Bois-énergie 60 000 100 000
Solaire thermique et PAC 2 800 35 000
Hydraulique 2 500 3 000
Éolien 5 000 60 000
Photovoltaïque raccordé au réseau 1 800 60 000
Biocarburant 3 200 45 000

Les données ci-dessus nous montrent que dans les années à venir le secteur des énergies renouvelables sera certainement à la recherche de main d’œuvre qualifiée. En particulier pour le secteur photovoltaïque qui pourrait générer jusqu'à 60 000 emplois.

L'implication des collectivités locales est importante car elles favorisent l’installation de panneaux photovoltaïques dans les régions à travers des aides et subventions. Ceci crée une dynamique positive et des retombées économiques. On trouve donc un bénéfice économique, social et environnemental en encourageant le développement de cette filière. En outre, cela améliore le mix énergétique et répond aux objectifs environnementaux que le gouvernement s’est fixé. C’est avec un objectif de 20 GW pour 2020 que le gouvernement compte créer plus de 60 000 emplois en France.

 

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Références modifier

  1. ↑ Clarence SEMASSOU, Thèse de Doctorat : Aide à la décision pour le choix de sites et systèmes énergétiques adaptés aux besoins du Bénin, Bordeaux, Ecole Doctorale de l’Université Bordeaux, , 224 p. (lire en ligne [PDF]), P. 1
  2. ↑ Association HESPUL, « Photovoltaïque.info | Centre de ressources sur les panneaux solaires et la production d’électricité | Système photovoltaique lié au bâti et raccordé au réseau électrique », sur www.photovoltaique.info (consulté le )
  3. ↑ « Bilans électriques nationaux », RTE France,‎ (lire en ligne, consulté le )
  4. ↑ « Énergie électrique en France en 2010 » [PDF], sur http://www.rte-france.com/fr/article/bilans-electriques-nationaux (consulté le )
  5. ↑ Arrêté du 28 août 2015 modifiant l'arrêté du 15 décembre 2009 relatif à la programmation pluriannuelle des investissements de production d'électricité (lire en ligne)
  6. ↑ « Le tableau de bord éolien-photovoltaïque - Ministère de l'Environnement, de l'Energie et de la Mer », sur www.developpement-durable.gouv.fr (consulté le )
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  9. ↑ a et b Hélène THIÉNARD, « Tableau de bord éolien-photovoltaïque Quatrième trimestre 2010 », Commissariat général au développement durable - Service de l’observation et des statistiques,‎ , p. 2, article no 196 (ISSN 2102-6378, lire en ligne [PDF])
  10. ↑ a et b Didier REYNAUD, « Tableau de bord : solaire photovoltaïque Quatrième trimestre 2015 », Commissariat général au développement durable – Service de l’observation et des statistiques,‎ , p. 4, article no 732 (ISSN 2102-6378, lire en ligne [PDF])
  11. ↑ PASCAL RABILLER, « Cestas : un géant photovoltaïque qui change tout ? », journal économique et financier, La Tribune Bordeaux,‎ (lire en ligne)
  12. ↑ ANA LUTZKY, « Photovoltaïque : la France passe de la 12e à la 7e position mondiale », magazine hebdomadaire, L'Usine Nouvelle,‎ (lire en ligne)
  13. ↑ Gilles Bridier, « La France refroidit les ardeurs du photovoltaïque », magazine, Slate,‎ (lire en ligne)
  14. ↑ Commission de Régulation de l'Énergie (CRE), « Obligations d'achat », sur www.cre.fr (consulté le )
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  17. ↑ « Quels sont les tarifs d’achats applicables ? - Ministère de l'Environnement, de l'Energie et de la Mer », sur www.developpement-durable.gouv.fr (consulté le )
  18. ↑ Arrêté du 7 janvier 2013 portant majoration des tarifs de l'électricité produite par certaines installations utilisant l'énergie radiative du soleil telles que visées au 3° de l'article 2 du décret n° 2000-1196 du 6 décembre 2000 (lire en ligne)
  19. ↑ a et b YVES COLTIER, « Tableau de bord : solaire photovoltaïque Troisième trimestre 2016 », Commissariat général au développement durable – Service de l’observation et des statistiques,‎ , p. 3 (ISSN 2102-6378, lire en ligne [PDF])
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  22. ↑ « Population par région et département - Structure de la population - France - Les chiffres - Ined - Institut national d’études démographiques » [xlsx], sur www.ined.fr (consulté le )
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Annexes modifier

Articles connexes modifier


Bibliographie modifier

Liens externes modifier

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