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M3P Solar : Réalisation de Parc Solaire
Le photovoltaïque
1.
Généralité
a.
Le soleil : une énergie disponible
Le rayonnement solaire qui parvient sur la Terre en un an représente plus de 7 000 fois la consommation
mondiale d’énergie, toutes formes et usages confondus et notre étoile bienfaitrice a une durée de vie
prévisible de 5 milliards d’années.
Comme indiqué sur la carte présentée ci-dessous et pour fixer les ordres de grandeurs, l’énergie reçue
par la terre augmente de 100 à 150 W/m2 pour les zones tempérées, pour atteindre jusqu’à 250 à 300
W/m2 pour les parties désertiques les plus ensoleillées de la planète.
La répartition du rayonnement solaire sur la Terre est loin d’être uniforme dans l’espace et dans le
temps, mais la quantité d’énergie reçue annuellement par un endroit donné est en fait presque
constante, autrement dit un même lieu reçoit tous les ans à peu près la même quantité totale d’énergie.
Par ailleurs et via les outils dont disposent aujourd’hui les météorologistes, d’un jour sur l’autre, voire
d’une semaine sur l’autre, les conditions d’ensoleillement sont prévisibles.
L’irradiation solaire d’un site à un moment donné dépend de plusieurs facteurs tels que la situation
géographique (latitude, altitude, topographie), l’époque de l’année (saison) et bien sûr des conditions
climatiques (couverture nuageuse et éventuellement brouillard de pollution). Les déserts arides d’Afrique
du Nord (Sahara), du Moyen-Orient (péninsule arabique), de Chine (Désert de Gobi) et des États-Unis
(Désert des Mojaves) sont les zones les plus avantagées du point de vue de l’ensoleillement annuel.
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Il est important de noter que même si l’intérêt est variable selon les cas, chacune des parcelles des
terres émergées et même des océans peut être propice à l’utilisation de l’énergie solaire.
L’Allemagne en est la preuve : malgré une situation géographique désavantageuse, comme l’illustre la
carte ci dessus, c’est une forte volonté politique et le choix d’instruments efficaces de promotion et de
soutien qui lui a permis d’être aujourd’hui le pays du monde à la fois premier producteur d’électricité
photovoltaïque et premier fabricant et exportateur de technologie photovoltaïque : un exemple à
suivre lorsque l’on sait qu’aujourd’hui plus de 200 000 emplois y ont été crées dans la filière
photovoltaïque depuis 10 ans !
Le rayonnement solaire français place notre pays au 5ème rang européen autrement dit, et surtout pour
les projets de grandes dimensions ( > 1 MW ), une rentabilité des projets est acquise en France
quasiment sur tout le territoire : chaque mètre carré du pays reçoit du nord au sud de 1100 à 2000 kwh
d’énergie via la soleil en moyenne par année.
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b. Le solaire électrique : réalité ou fiction ?
Une question qui revient souvent : le soleil produit des rayonnements stables, prévisibles et en très large
excès par rapport à nos besoins, parfait, mais la production électrique envisageable est sans commune
mesure malgré tout avec nos besoins.
La réponse a été produite par l’institut Fraunhofer
suffirait aujourd’hui de 6 parcs solaire de 360 km2
( cf carte ci-dessous ) , pour assurer la production
( avec des cellules en silicium poly cristallin et 1600
réaliste )
lors de la conférence de Munich de Mars
de surface placés sur des régions choisies
des quelques 20 TW de la consommation
hrs/an d’ensoleillement, soit une moyenne
2009 : il
du globe
mondiale
mondiale
Il est à noter également que le puissance moyenne d’une très grosse tranche nucléaire, soit environ
1500 MW, peut être assurée moyennant l’installation de 10 km2 de panneaux photovoltaïques, ou un
carré au sol de seulement 3 km par 3 km.
c.
Vers une fin programmée des énergies traditionnelles :
Les gisements d’énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz) et fissiles (uranium), même extraits dans les
conditions les plus extrêmes, ne représentent que quelques dizaines d’années au rythme de leur
consommation actuelle, un peu plus d’un siècle pour le charbon, de l’ordre de quelques dizaines d’années
pour le gaz, le pétrole et l’uranium.
Comme notre consommation ne cesse d’augmenter avec notamment les besoins en rapide expansion
des « économies émergentes », les pays les plus peuplés de la planète (Chine, Inde, Brésil) dont les
populations tendent à imiter nos propres comportements énergivores occidentaux, … l’échéance de leur
épuisement ne cesse de se rapprocher et les prévisions les plus optimistes ne sont pas forcément les plus
sûres …
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Par ailleurs et sans compter sur l’épuisement des ressources, le changement climatique dont plus
personne n’ose contester l’évidence, oblige résolument l’humanité à rechercher des modes de production
dits renouvelables, seuls conditions d’un développement durable : parmi la palette des énergie à notre
disposition, le solaire apparait rapidement comme une ressource majeure.
Avec une différence de taille toutefois : grâces aux connaissances scientifiques accumulées et aux
innombrables technologies aujourd’hui disponibles même si elles n’en sont qu’aux prémisses de leur
développement, elles sont en mesure de répondre de manière efficace et « moderne » à tous nos
besoins.
2. Le photovoltaïque
a. Le photovoltaïque : historique de la technologie
La conversion de la lumière en électricité,
appelée effet photovoltaïque, a été
découverte par un français, Antoine
Becquerel en 1839, mais il faudra
attendre près d'un siècle pour que les
scientifiques approfondissent et exploitent
ce phénomène de la physique.
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L’énergie photovoltaïque s’est développée dans les années 50 pour l’équipement de vaisseaux spatiaux
et le premier a été lancé dans l’espace en 1958. C’était le seul procédé non-nucléaire d’alimentation des
satellites en énergie.
Il faut savoir par exemple que les images satellites reçues par notre téléviseur ne nous parviennent que
grâce à l’énergie photovoltaïque …
Pendant les années 70 et 80, des efforts ont été faits pour réduire les coûts de sorte que l’énergie
photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres.
La croissance de l’industrie photovoltaïque est depuis lors spectaculaire.
Quelques autres dates … :
1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque.
1875 : Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet
photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène reste
encore une découverte anecdotique.
1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule
photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des solutions
nouvelles pour alimenter ses satellites.
1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par
des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.
1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de
Delaware.
1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en
Australie.
1995 : Des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au Japon et en
Allemagne, et se généralisent depuis 2001
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b. Le photovoltaïque : principe de fonctionnement
La cellule photovoltaïque : l’effet photoélectrique ( selon université de Pau )
Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont
" bombardés " par les photons constituant la lumière.
Sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures les moins
sensibles à l’attraction de leur proton (appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être
" arrachés / décrochés " :
L’effet photovoltaïque constitue la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie
électrique. Le terme photovoltaïque vient du grec " phos, photos " qui désigne la lumière et de
" voltaïque ", mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA, connu pour ses travaux sur l’électricité.
Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Dès qu’elle est éclairée, une cellule photovoltaïque, appelée également photopile, génère un courant
électrique continu à ses bornes, sous une tension électrique.
Son principe de fonctionnement
(illustré ci-contre) est simple :
il consiste à convertir l'énergie
cinétique des photons (particules
de lumière par exemple
composant du rayonnement
solaire) en énergie électrique .
En première approximation, on peut considérer ce système comme un générateur de courant continu. Il
convient de noter que ce générateur ne possède aucune pièce mobile.
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Les cellules photovoltaïques (PV) sont réalisées à partir de matériaux semi-conducteurs, et en particulier
à partir du silicium, lequel la majorité des cellules PV sont fabriquées
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Schéma d’une celleule photovoltaïque en Silicium multicristallin
La cellule photovoltaïque est donc composée d'un
matériau semi-conducteur qui absorbe l'énergie
lumineuse et la transforme directement en courant
électrique. Le principe de fonctionnement de cette
cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et
à celles des semi-conducteurs.
Le semi-conducteur
Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport
aux métaux.
Pour qu'un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et
participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu'il puisse atteindre
les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction).
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C'est l'énergie du "band gap", Eg, en électron-volt (eV). Cette valeur seuil est propre à chaque matériau
semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV pour le
silicium cristallin (c-Si), et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si).
Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons - particules de lumière - en fonction de
leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d'onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule
solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste passera au travers de
l'épaisseur de la cellule.
Les photons absorbés dont l'énergie est supérieure à l'énergie du band gap vont libérer un électron
négatif, laissant un "trou" positif derrière lui. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes
opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique,
de part et d'autre de la cellule.
La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du "dopage" par des impuretés.
Deux types de dopage sont possibles :
Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des
atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre
de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de
type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.
Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l'insertion dans le réseau cristallin donnera un
trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium.
Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d'autre de la cellule, il en
résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé
par la présence d'ions fixes positifs et négatifs.
Les charges électriques générées par l'absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la
cellule photovoltaïque. Lorsque l'énergie du band gap augmente, le courant diminue mais la tension est
plus élevée.
Schéma résumant l’influence des dopages à l’état de trace
en Bore et Phosphore sur du silicium
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c.
Le photovoltaïque : avantage et inconvénients
Avantages
La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages.
•
une haute fiabilité - elle ne comporte pas de pièces mobiles - cela la rend par exemple
particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison notamment de son utilisation
sur les engins spatiaux.
•
une souplesse d’utilisation : le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un
montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être
dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliWatt au MégaWatt.
•
des coûts de fonctionnement très faibles : vu les entretiens réduits, les modules
photovoltaïques ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.
•
une énergie respectueuse du milieu naturel : la technologie photovoltaïque présente des
qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant, sans odeur ni mouvement,
silencieux, il n'entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n'est par l'occupation de l'espace
pour les installations de grandes dimensions.
•
La hauteur des panneaux est variable, elle va d’un peu plus d’un mètre à quelques mètres.
En règle générale pour M3P Solar, les panneaux n’excèdent par 2,5 m et sont surrélevés du
sol de 0,8 m minimum : cela autorise l’élevage bovin, la jachère apicole, l’apiculture ou la
jachère tout court.
• Le temps de retour énergétique : il est une notion ui permet d’aprocher l’intérêt écologique des
panneaux le temps de retour énergétique ( ou Energy Pay Back Time ), qui mesure la durée
d’utilisation nécessaire après installation pour « rembourser » l’énergie qui a été nécessaire à
la fabrication du panneau.
Réponse : selon l’emplacement d’installation des panneaux solaires dont dépend bien
évidemment l’intensité du rayonnement solaire, ainsi que la nature des cellules utilisées (
couche mince au tellurure de Cadmium, Silicium cristallin… ) , on peut considérer que le TRE,
est de 2 ans dans le cas de modules en silicium cristallin installés à Lyon .
•
Longévité : il n’y a pas d’usure en fonctionnement, et les panneaux sont désormais garantie
25 ans par les meilleurs fournisseurs, dont M3P Solar.
la durée de vie des modules est de plusieurs dizaine d’années.
Inconvénients
La technologie photovoltaïque présente quelques inconvénients.
• Un produit « high tech » : La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute
technologique et requiert des investissements d'un coût élevé, ce qui limite ses possibilités
rapides de développement, même si le nombre d’acteurs toujours plus nombreux permet de
compenser partiellement.
• Le rendement réel de conversion d'un module est faible : la limite théorique pour une cellule
au silicium cristallin est de 28%, les cellules dites en couche mince plafonnent à 11 % voire
moins.
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• Le coût encore trop élevé : malgré des progrès notables depuis 25 ans ( 100 €/Wc en 1974,
2 €/Wc en 2009 ! ) , l’ensemble de la chaîne de production doit encore améliorer ses coûts
pour permettre un coût équivalent à celui du mix énergétique actuel français .
• Le problème du stockage de l'énergie électrique : les solutions imaginées aujourd’hui pour
stocker l’énergie électrique sont multiples mais encore insuffisantes. Cela va du stockage en
cavité souterraine de gaz comprimés pendant la journée, gaz qui sont ensuite « turbinés »
pendant les phases de non rayonnement, aux couplages avec des piles à combustibles
(électrolyse de l’eau / combustion de l’hydrogène produit) ou sous forme chimique (batterie).
Le coût du générateur photovoltaïque est dans ce cas accru. La fiabilité et les performances du
système restent cependant équivalentes pour autant que la batterie et les composants de
régulations associés soient judicieusement choisis.
(extraits du "Guide des Energies Renouvelables" (MRW))
3. La vente d’électricité
Le but de l’installation des panneaux photovoltaïques est de produire de l’électricité.
Cette électricité produite sera alors vendue après contractualisation à un distributeur reconnu.
Un des points faibles est encore le coût élevé de fabrication, bien qu’en baisse régulière.
Depuis quelques années, le photovoltaïque raccordé au réseau a pris beaucoup d’ampleur du fait des
tarifs avantageux de rachat de l’énergie électrique.
Le principe est simple : les cellules solaires transforment directement la lumière en courant continu sous
plusieurs centaines de volts. Celui-ci est aussitôt converti en courant alternatif via un onduleur pour être
injecté « au fil du soleil » sur le réseau électrique de distribution.
Cette solution permet de s’affranchir d’un stockage local et coûteux puisque le réseau électrique est à
même de réaliser cette fonction pour ce niveau de puissance.
En France, 8 m² de silicium cristallin (1 kWc) fournissent en sortie d’onduleur une énergie électrique de
l’ordre de 800 à 1 350 kWh/m²/an selon la région d’implantation. Cette énergie fournie est loin d’être
négligeable : il suffirait d’une centrale photovoltaïque d’une surface égale à 0,7 % de la surface de la
France pour couvrir les besoins annuels en électricité du pays ( une surface de 60 km de côté ).
Le tarif d’achat est défini comme suit par l’arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d’achat de
l’électricité :
Prix de vente 2009 : 32,82 c€/kWh
Supplément en intégration toiture 2009 : 27,35 c€/kWh
Étant donné le prix global d’achat attractif en intégré (60,2 c€/kWh), l’autoconsommation de la totalité
ou d’une partie de l’électricité produite ne serait pas judicieux du point de vu économique. L’électricité
est en effet vendu environ 8-10c€/kWh pour les particuliers.
Le but est donc de vendre la totalité de son électricité produite, la part d’électricité
renouvelable sera alors augmentée dans le réseau.
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Des règles de mise en œuvre adaptées aux spécificités du photovoltaïque
Au niveau électrique, le photovoltaïque présente certaines spécificités :
• La tension en sortie des panneaux solaires en amont de l’onduleur peut atteindre plusieurs centaines
de volts (qu’on ne peut interrompre en journée) ;
pour les intervenants ;
• Les générateurs se comportent comme une source de courant, si bien qu’en cas de court-circuit, les
protections conventionnelles (fusibles, disjoncteurs) ne sont pas opérationnelles ;
• De mauvaises connexions au niveau du champ photovoltaïque risquent d’entraîner des arcs électriques.
Ces différentes particularités imposent l’utilisation de composants spécifiques pour ce type d’application :
• Matériel courant continu de classe II ;
• Câbles courant continu unipolaires double isolation ;
• Dispositifs de protection appropriés : interrupteur/sectionneur, parafoudre…
Pour assurer une bonne conception et mise en œuvre des générateurs photovoltaïques raccordés au
réseau, le SER (Syndicat des énergies renouvelables), avec l’aide de l’Ademe, a réalisé en 2006 un guide
relatif à la protection des personnes et des biens. Depuis, l’Union Technique de l’Electricité a publié en
février 2008 en application de la norme NF C 15-100, le guide UTE C 15-712 relatif aux installations
photovoltaïques.
La nécessaire double compétence des installateurs
La mise en œuvre d’un générateur photovoltaïque sur un bâtiment nécessite une double compétence :
celle de couvreur pour la pose des panneaux et celle d’électricien pour le câblage électrique et le
raccordement de l’onduleur au réseau.
L’association Qualit’EnR a lancé, fin 2007, l’appellation QualiPV destinée aux installateurs soucieux de
réaliser des installations de qualité et répondant aux critères de sécurité.
De son côté, Qualifelec vient de créer la nouvelle mention SPV « solaire photovoltaïque » associée à la
qualification électrotechnique.
Indissociable de la maîtrise de l’énergie, l’énergie photovoltaïque est promise à un bel avenir pour
trouver sa place dans le mix énergétique français, sous réserve que les installations soient conçues et
mises en œuvre par des professionnels formés aux spécificités de cette nouvelle technologie.