Découvert en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule qui génère un courant électrique continu.
A la différence des autres énergies renouvelables, l'énergie solaire est disponible partout sur la terre. L'Europe reçoit en moyenne chaque jour 3kWh par mètre carré même si les déserts les plus ensoleillés recueillent 7kWh. Il n'y a donc pas de problème de gisement pour cette source. Les premières applications ont lieu dès les années 60 avec l'équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de 1970, les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés. La conversion photovoltaïque de l'énergie solaire est apte à répondre à une demande croissante d'énergie renouvelable. Elle est considérée comme devant prendre une part significative dans l'approvisionnement énergétique mondial. Celle ci sera d'autant plus grande et d'autant plus rapide que des méthodes permettant de produire de l'électricité solaire à moindre coût seront utilisées.
La puissance des installations est exprimée en Watt crête (Wc). Le Wc est la puissance fournie par un module photovoltaïque pour un ensoleillement normalisé de 1000W par m2, à une température de 25°C. Le rendement électrique est le rapport puissance lumineuse incidente sur puissance électrique fournie. Les modules existants permettent des rendements électriques compris entre 5 et 15% . Actuellement le matériau semi-conducteur le plus utilisé est le silicium, sous forme de plaquettes, offrant le meilleur rendement de conversion de l'énergie solaire en électricité. Cependant, sa purification et son traitement conduisent à des coûts très élevés qui constituent un frein important au développement du 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 en intégration de toiture, soit en surimposition. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimum pour la production d'électricité, mais comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense une production plus faible.
Avec le Photovoltaïque, on convertit l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Pour cela, on utilise des cellules dites solaires. En général, ces cellules solaires sont faites en Silicium, un semi-conducteur. Ce dernier est particulièrement adapté à la fabrication des cellules solaires, car il est largement disponible, ses coûts de matières premières sont faibles et il se travaille facilement. On appelle semi-conducteurs des matériaux qui deviennent conducteurs électriques lorsqu’ils sont soumis à la lumière ou à la chaleur. En principe, les cellules solaires sont constituées de deux couches, l’une chargée positivement, l’autre négativement. Dès que les rayons du soleil entrent en contact avec elles, une tension se crée entre ces deux couches. De cette manière, un courant continu est produit à l’intérieur de la cellule solaire. Pour le rendre utilisable, une installation Photovoltaïque dispose d’un Onduleur. L’onduleur convertit le courant continu généré en courant alternatif, et celui-ci peut finalement être utilisé à domicile ou pour alimenter le réseau public d’électricité.
simplifiée : Energie électrique fournie à partir du soleil. l'énergie solaire entre dans la création de la planète terre, et il n'aura pas de vie sur terre 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'accumulateurs pour disposer d'électricité au 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...) 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 (batteries), l'électricité est consommée à l'instant où elle est produite par les consommateurs les plus proches sur le réseau
Les différentes techniques de modules photovoltaïques Il existe plusieurs techniques 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 technique. ▪ 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 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 cellules1.
Même si la constante solaire est de 1,367 kW/m , les pertes de lumière lors de la traversée de l'atmosphère réduisent l'énergie reçue au sol à environ 1 kW/m² au vrai2 : 1 m² de panneaux exposés en plein soleil reçoivent 1 kW (1 000 watts). C'est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs, et en laboratoire 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 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 un bref passage au plein midi. Le « nombre d'heures d'équivalent plein soleil » (valeur qui concerne le producteur d'électricité photovoltaïque), est moindre que le d'heures où le soleil a brillé (le nombre d'heures d'ensoleillement au sens de la météorologie3) dans la journée. La saison joue aussi, dans le même sens. Par exemple, est située sur la ligne des 1 750 heures d'ensoleillement par an, alors que le nombre d'heures d'équivalent plein soleil y est proche de1 100 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 réflexion de la lumière. Lorsqu'une installation est dans un environnement très réfléchissant (un paysage de neige par exemple), sa production augmente 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 d'équivalent Avant de s'équiper en panneaux photovoltaïques, il est intéressant de savoir ce qu'on peut en tirer au lieu géographique concerné. Après avoir été tirée par lʼélectrification 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). La France a annoncé lundi 23 août une baisse de 12 % des tarifs d'achat de l'électricité photovoltaïque (ne concernant pas les particuliers), ainsi que de futures révision de ces tarifs, pour réorganiser la filière4. En 2006, les nouvelles installations solaires photovoltaïques ont représenté, dans le monde, une puissance de 1 500 MW, portant la totalité des installations mondiales à 6 700 MW. Le Japon (1 750 MW), l'Allemagne (3 063 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.
La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine, l'Allemagne et les États Unis. Il s'agit majoritairement d'assemblage mise en place du cadre / boîtier de protection /...) car 80% de la production mondiale de cellules photovoltaïques vient de Chine. Aujourd'hui de grandes marques internationales font produire leurs modules en Asie et parfois réalisent une étape de transformation sur le produit. D'autres grandes entreprises sous-traitent simplement leur production.
Comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique Cette fabrication (plus transport, pose, etc.) nécessite en outre de l'énergie. Mesurée en nombre d'année de production par le panneau, en 2004, le département Américain de l'Energie estimait cette durée à 4 ans maximum7. Les fabricants cherchent à réduire au maximum 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. Du point de vue du bilan en dioxyde de carbone, sur un cycle de vie de 20 ans, l'émission de CO2 par kWh électrique produit par un panneau En 2007 les installations ont cru de 40 % par rapport à 2006 En France, le parc photovoltaïque s'est étoffé avec, au 31 décembre 2009, 269 MW raccordés au réseau électrique (200 en métropole et 69 en outremer et Corse), avec une forte progression (+ 54 %) de la fin septembre 2009 au 31 décembre 200916. 91 % des systèmes installés font moins de 3 kW, mais constituent 44 % de la puissance installée. En terme de sécurité électrique, 37 % des installations (864 en 2009) sont non-conformes, 72 % de ces dernières présentent un risque dʼélectrocution et les 28 % restant présentent un risque d'incendie16 (en 2008, c'étaient 45 % des installations contrôlées qui n'étaient pas aux normes). Pour encourager cette mise aux normes, le Ministère de l'Écologie, de l'Énergie, du Développement durable et de la Mer a annoncé une modification du décret du 14 décembre 1972 obligeant, dans le logement, l'attestation de conformité pour toute installation électrique neuve ; il sera explicitement étendu aux installations de production dont le photovoltaïque. Ce système c'est le photovoltaïque raccordé au réseau. Après avoir été transformée par un onduleur, de courant continu de tension variable fourni . Ce système c'est le photovoltaïque raccordé au réseau. Après avoir été transformée par un onduleur, de courant continu de tension variable fourni par les panneaux, en courant alternatif à fréquence, tension et synchronisme de phase, adaptés aux caractéristique du réseau, l'électricité produite par les panneaux solaires photovoltaïques est injectée sur le réseau de distribution électrique et peut ainsi être consommée immédiatement sans qu'il y ait besoin de dispositif de stockage (batteries). On se trouve alors en présence d'une centrale électrique dont la fonction est comparable à celle d'une centrale électrique industrielle. La production d'une centrale photovoltaïque est cyclique et varie en fonction de l'heure du jour et de la saison.
Les installations photovoltaïques intégrées au bâti désignent des installations photovoltaïques se substituant aux éléments de construction traditionnels des maisons et immeubles. Un des avantages de lʼintégration au bâti est que, sur des constructions neuves, la rentabilité du projet est accrue car les modules viennent en substitution et on évite par conséquent le coût des matériaux traditionnels. De plus lʼintégration au bâti bénéficie de tarifs d'achat plus élevés que les installations classiques ce qui permet de compenser le surcoût voire un investissement plus rentable pour ce type dʼinstallation. Par contre, ce type d'installation souffre souvent de problèmes liés à la température extérieure, puisque l'efficience des panneaux photovoltaïques décroit avec l'augmentation de leur température. De plus, lors de l'installation sur des toitures existantes, l'intégration au bâti existant est souvent difficile et source de problèmes, contrairement aux installations sur rails, pour lesquelles l'intervention sur la toiture est limité. Ces avantages, et surtout le fait que ce type d'installation n'apparait que depuis peu dans les statistiques, font que lʼintégration du photovoltaïque au bâti est un des secteurs qui est en plus forte croissance dans lʼindustrie du photovoltaïque. Actuellement, une grande majorité des systèmes photovoltaïques installés en France chez les particuliers bénéficie de la prime dʼintégration au bâti. En Belgique, pays où les deux solutions sont également subventionnées, le photovoltaïque intégré au bâti ne recueille qu'une très faible part de marché (essentiellement les bâtiments classés). De nos jours, en vue du développement durable, il est très intéressant d'envisager une installation photovoltaïque sous les tropiques. Notamment pour les Antilles, la Réunion et toute autre région très dépendante du pétrole, ou d'autres formes d'énergies fossiles, pour son alimentation en électricité. De telles installations nécessitent un amortissement sur le long terme (au-delà de 15 ans), mais les aides mises en place par les États européens pour subventionner les installations et le tarif d'achat de l'électricité « verte » permettent à un système photovoltaïque raccordé au réseau d'être amorti en moins de 10 ans et permettront à la recherche et à l'industrie de développer des modules photovoltaïques moins chers et avec un meilleur rendement.
La multiplication des projets de fermes photovoltaïques dans les Côtes-d'Armor ne fait pas que des heureux. Illustration avec la Fédération départementale des syndicats d'exploitants agricoles (FDSEA) et les Jeunes agriculteurs (JA) qui se déclaraient hier, via un communiqué commun: «Particulièrement attentifs au développement de projets photovoltaïques au sol qui seraient de grands consommateurs de foncier agricole pour une faible productivité électrique. La FDSEA et les JA recensent d'ailleurs huit projets en Côtes-d'Armor pour une emprise cumulée de 100 hectares, soit l'équivalent de six éoliennes. Il s'agit de considérer comme une priorité les engagements du Grenelle de l'environnement et de la loi de modernisation de l'agriculture et de la pêche, en matière de consommation réduite du foncier agricole, et d'intégrer avant tout autre aspect la préservation de la vocation alimentaire des territoires». Et ces deux entités du monde agricole de continuer: «La profession est consciente et partage la problématique énergétique régionale. La réponse à cette question doit évaluer l'ensemble des contraintes, opportunités et complémentarités de production d'électricité s'agissant notamment de la méthanisation, de la cogénération ou du petit éolien. Le développement du photovoltaïque doit être exclusivement réservé aux toitures, aux friches industrielles ou aux anciennes carrières afin de préserver la vocation alimentaire des terres agricoles». Mannes financières La FDSEA et les JA disent s'interroger «sur la cohérence entre les grands discours politiques qui prônent la maîtrise de la consommation foncière et les actes concrets, sur le train de vie de certaines collectivités, pour lesquelles les mannes financières associées aux projets photovoltaïques sont le seul salut, sur l'aveuglement avec lequel les collectivités adhèrent à ces projets qui, parachutés par des investisseurs extérieurs, ne correspondent en rien à de véritables projets de territoire».
Champs de panneaux installés au sol, toitures solaires, utilisation en brise-soleil, dans des vérandas, sur des coursives... C'est aussi la grande souplesse d'utilisation du photovoltaïque qui en fait une voie d'avenir.
Pour en démontrer tout l'intérêt au public le plus large, Total a décidé, en 2008, d'équiper cinq de ses sites en solutions de ce type (Pau, Lacq, raffinerie de Provence, raffinerie de Martinique, et un site de la chimie), conformément aux engagements pris dans le cadre du Grenelle de l'Environnement en France. Ces projets, qui représentent un investissement de 15 M€ sur deux ans, sont gérés par Total Energie Solaire, une nouvelle entité créée à cette occasion. Ils ont d'abord une vocation pédagogique mais procurent au Groupe une expertise d'exploitant de sites solaires transposable à d'autres opérations futures.
Dans les pays en développement et pour les communautés des zones rurales isolées qui en bénéficient, les panneaux photovoltaïques fournissent bien plus que de l'électricité. Éclairage, alimentation d'appareils, conservation du froid, télécoms, pompage, adduction et assainissement de l'eau : ce sont les conditions de vie dans leur ensemble qui s'en trouvent changées du tout au tout. Solidaire des communautés qui accueillent ses activités, Total promeut depuis plusieurs années ces solutions d'électrification rurale décentralisée (ERD) en s'efforçant de monter des projets pour, mais surtout avec, les populations concernées. D'autres projets de ce type sont aujourd'hui en cours de déploiement, comme au Venezuela, ou à l'étude, comme au Yémen et en Indonésie.
Refuge de la Cougourde Puissance : 1,5 kWc, Certains sites, habitations ou autres, ne sont pas ou ne peuvent pas être reliés au réseau public de distribution car il est techniquement trop complexe d’étendre le réseau jusqu’à eux (en zone montagneuse par exemple) ou parce que le coût d’une telle opération n’est pas justifié par rapport à d’autres solutions existantes. Ces sites sont appelés « sites isolés ». Pour autant, il est souvent indispensable d’avoir accès à l’électricité afin d’assurer quelques services de base tels que l’éclairage, la production de froid, ou encore l’alimentation d’un poste de radio. Ces sites peuvent alors êtres alimentés en électricité par l’énergie solaire photovoltaïque.
Les besoins en électricité durant l’hiver sont considérablement plus importants qu’en été. Or sur un site isolé, il n’y a pas d’apport d’électricité extérieur à l’installation photovoltaïque. Il est donc primordial de privilégier une meilleure moyenne de production d’électricité durant l’hiver que sur l’année, contrairement à un site raccordé au réseau. Comme le soleil est bas dans le ciel, une inclinaison des panneaux proche de 45° leur permettra de recevoir un maximum de rayonnement solaire en hiver, tout en gardant une production "correcte" durant le reste de l’année. Parce que les périodes de consommation ne correspondent pas toujours aux heures de production, un parc de batteries est installé pour stocker l’énergie produite. Les batteries sont chargées durant les périodes de jour afin de pouvoir alimenter le site la nuit ou les jours de très mauvais temps. Un régulateur électronique est alors indispensable de manière à ce que la quantité d’électricité, injectée ou soutirée, corresponde à la capacité des batteries installées. La plupart des appareils électriques de grande consommation fonctionnent en courant alternatif. Ces appareils nécessiteront un onduleur qui transformera le courant continu, produit par le système photovoltaïque, en courant alternatif. Il existe aussi des appareils spécifiques, pour la plupart peu consommateur d’électricité, qui fonctionnent en courant continu. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire d’introduire un onduleur.
Parc de batteries Sur un site isolé, l’utilisation de batteries représente l’élément le plus problématique : ▪ pour des raisons techniques elles demandent une surveillance continue et un entretien régulier (rehydratation) elles génèrent un risque d’explosion elles peuvent être encombrantes et doivent être contenues dans un local adapté • pour des raisons financières leur durée de vie est limitée : 7 à 10 ans leur coût est élevé • pour des raisons environnementales elles sont difficilement recyclables elles sont composées de polluants chimiques
Avant de vouloir électrifier un site isolé, il est indispensable de bien recenser les besoins du site de manière à adapter la production. Quels appareils électriques seront utilisés ? Combien de temps par jour ? Combien de jour par an ?… Cette étude permet d’une part de réguler le système, d’autre part de limiter les consommations au strict nécessaire afin que le dimensionnement du système photovoltaïque soit réalisé au plus juste. Le coût des modules et des batteries étant particulièrement élevé, l’investissement en sera ainsi minimisé. Il faut savoir que le coût d’un système photovoltaïque en site isolé est d’environ 12 €/Wc.
L’électrification d’une résidence principale, d’un bâtiment à usage professionnel ou à vocation touristique peut bénéficier d’aides financières de la part : • d’EDF (via le programme d’électrification national FACE ou non) • du dispositif national du crédit d’impôt pour la résidence principale des particuliers • éventuellement de l’ADEME, la commune, le conseil régional ou général. La mairie doit impérativement délivrer son autorisation pour l’électrification du site. C’est donc elle qui doit être contactée en premier. Par ailleurs, le coût d’une installation d’un système photovoltaïque doit être inférieur à celui d’un raccordement au réseau. Un devis de raccordement est donc à faire réaliser par EDF.
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