25 ans de recherche pv à l'université de genève

André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève

André Mermoud

Groupe Energie - ISE / Forel

20 septembre 2012

25 ans de recherche PV à l'Université de Genève

et… que peut-on attendre du PV ?


Sommaire Première partie:

Historique

• recherches en Energie Solaire à l'UniGE

• développement de PVsyst

Seconde partie:

Que peut-on attendre du PV pour notre avenir énergétique ?

• Evolution de l'industrie du PV

• Mise en œuvre à Genève, en Suisse, en Allemagne, …

• Instruments et limitations

• Une chance de développement pour les pays du Sud


Première partie

Débuts de l'énergie solaire à UniGE

Oct.1977 : Olivier Guisan crée le GAP (Groupe de Physique Appliquée)

pour amorcer la Recherche sur l'Energie Solaire à UniGE

petite équipe de 5 personnes

Axes de recherche:

Etude de la ressource solaire (rayonnement)

Etude des transformateurs (systèmes)


Ressource: étude du rayonnement

• 4 années de mesures d'ensoleillement à Genève (1978-1982)

Thèse de Pierre Ineichen

• Etude des modèles de rayonnement:

Modèle de ciel clair, de transposition, de diffus, etc.

• Collaborations internationales

Acteurs: Pierre Ineichen, Jean-Michel Gremaud, Anne-Marie Felkel …

(plus tard: Augustin Razafindraibe, Benoît Molineaux)


Transformateurs: capteurs solaires

Etude systèmes avec capteurs haute température (tubes sous vide) pour chaleur industrielle (1978-1988)

• Installations SOLARCAD - SOLARIN - SOLARIN II

• Collaboration internationale dans le cadre de l'AIE

• Mesures détaillées de systèmes

• caractérisation des capteurs et systèmes, modèle et programme G3

Acteurs: André Mermoud, Olivier Kaelin, Olivier Rudaz, Bernard Lachal


Systèmes Photovoltaïques

• 1989: premiers systèmes couplés au réseau à Genève: Sous-Moulin (3kWc),

SIG (7.5 kWc),

TPG (2.4 kWc) (couplé sur ligne 600V= des trams)

• Mesures détaillées Diplôme et thèse de Patrick Schaub (1993)

• Divers diplômes sur caractérisation / modélisation des modules PV

On a les éléments essentiels pour écrire un outil général de simulation:

Connaissance de l'irradiance

Modélisation de capteurs et systèmes


Développement PVsyst

1992: Analyse des programmes PV existants

1993: Version 1: Début du développement de PVsyst pour systèmes couplés au réseau (financement OFEN) Développement de l'outil 3D d'ombrages

1995: Version 2: Systèmes autonomes modèle de batteries, version anglaise

1997: Une étude anglaise (ETSU) reconnaît PVsyst comme un des meilleurs programmes du marché (avec PV*Sol)

1999: Version 3: En collaboration avec l'EPFL: réécriture sous DELPHI, renouvellement de l'interface-utilisateur


Evolution de PVsyst

2004: Nécessité de modéliser les capteurs en couches minces Projet de recherche (financement SIG-NER)

2006: Version 4 - Etude du pompage solaire Projet de recherche, modélisation des pompes (fin. REPIC)

2009: Version 5 - Multilangue, multi-champs, adaptation à la technologie des grandes centrales


Modélisation de Capteurs PV Principe du projet :

Mesure de courbes I/V au soleil (toutes les 10 min)

Etablissement du modèle (sur une seule courbe I/V)

Comparaison Modèle-Mesure pour chaque mesure

Etudes pour toutes les technologies

Pmax Model vs Pmax measured

0

5

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15

20

25

30

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40

45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Pmax measured [W]

Pm

ax

mo

de

l [W

]

0 < Tmod < 80°C Model Error on Pmax

-6% -4% -2% 0% 2% 4% 6%

Si-mono: Siemens M55, 1 year

Si-mono: Atlantis M55, 2.6 years

Si-poly: Kyocera, 5 years

CIS: Shell ST40, 6 years

CdTe: First Solar FS267, 1.5 year

Si-a:H single: Flexcell, 1 year

Si-a:H tandem: EPV-40, 2.5 years

a-Si:H tripple: Unisolar SHR17, 1 year

idem, 6 years

a-Si:H tripple: Unisolar US32, 2.3 years

Microcryst: Sharp NAF121-G5, 7 months

Shell ST40 - CIS Seasonal effect

-5.0%

-4.0%

-3.0%

-2.0%

-1.0%

0.0%

1.0%

2.0%

3.0%

4.0%

5.0%

sept

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4

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déc 0

9

mars

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juin

10

Pm

pp

(M

eas -

Mo

del)

err

or


Etude de systèmes de pompage

Etablir un modèle de pompe solaire (tous types de pompes, tous fabricants)

Simulation du système complet (régulation, caract. hydrauliques, soleil, etc)

Current vs Voltage

0

2

4

6

8

0 10 20 30 40 50 60 70Pump Voltage

Cu

rren

t

Head 41 m

Head 32 m

Head 22 m

Head 12 m

Flowrate vs Power

0

10

20

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40

50

60

70

80

0 100 200 300 400 500 600Input power [W]

Flo

wra

te [

]l/m

in]

Head = 12 m

Head = 22 m

Head = 32 m

Reference points


Description du logiciel - Bases de données • Base de données climatiques (natif: Météonorm et NASA)

Importation de nombreuses bases de données publiques (et payantes)

• Base de données de composants PV

9'000 modules PV

2'400 onduleurs

Batteries, régulateurs, pompes, etc


Dimensionnement du système

Outil visuel donnant toutes les conditions de dimensionnement

• Selon puissance désirée ou pour surface disponible

• Nombre de modules en série, selon caractéristiques de l'onduleur

• Dimensionnement optimal de l'onduleur selon le système


Ombrages

Calcul détaillé des ombrages:

Ombrages lointains:

Ligne d'horizon, course du soleil

Ombrages proches:

Outil CAO de construction 3D


Résultats

Rapport complet comprenant:

Paramètres de la simulation (y.c. horizon et scènes d'ombrages 3D si définis)

Résultats principaux (productible, PR, tableau mensuel, pertes détaillées)

Evaluation économique


Rayonnement du logiciel

Utilisé par: bureaux d'ingénieurs, financeurs, nombreuses universités, …

Contact avec les utilisateurs: "hot line": nombreux échanges sur méthodes et modélisation,

Formations: permet d'identifier besoins et faiblesses du programme

Fabricants : modélisation des composants

Contacts avec organismes ou entreprises pour caractérisation PV Sandia National Laboratory

Entreprises de certification


2009: Boom du PV en France et en Espagne

2010: Montée en puissance USA et Italie

2011: diversification, l’Asie s’équipe en installations PV

Nouvelles licences PVsyst 2009 france

spain

USA

germany

italy

united kingdom

canada

switzerland

greece

india

taiwan

belgium

US islands

portugal

australia

korea


spain

USA

germany

italy

united kingdom

canada

switzerland

greece

india

taiwan

belgium

US islands

australia

israel

korea

thailand


spain

USA

germany

italy

united kingdom

canada

switzerland

greece

india

singapore

belgium

australia

china

israel

korea

malaysia

729 nouvelles entreprises, 1800 utilisateurs

1036 nouvelles entreprises 2850 utilisateurs

713 nouvelles entreprises 2300 utilisateurs

Distribution internationale


Continuation de PVsyst

2011: Création de la société PVsyst SA pour continuer le développement et la distribution

2012: Développement d'une nouvelle Version 6 pour cet automne

Organisation de formations (demandes internationales)


Autres études récentes sur le PV à UniGE

• Faisabilité d'un restaurant solaire autonome à Val Bedretto (TI)

• Potentiel PV des toitures de l'Etat de Genève (dispo 80 MW)

• Utilisation des GIS pour évaluation du potentiel PV en milieu urbain

• Potentiel sur la région Franco-Valdo-Genevoise (Thèse de Jérôme Faessler 2012)

• Plusieurs travaux de Master dans le cadre de l'ISE


2ème partie

Que peut-on attendre du Photovoltaïque pour notre avenir énergétique ?


Le PV: une industrie en expansion rapide Production mondiale de cellules PV [GWc]

0

5

10

15

20

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1993

1995

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2003

2005

2007

2009

2011

Pro

du

cti

on

[G

Wc

]

Depuis 2000: augmentation

moyenne de +56 %/an

+ 57 %

+124 %

+ 34%

Production 2011: 37.2 GWc

Production cumulée: 98 GWc

Installations dans le monde:

Connectés en 2011: 29 GWc (74% Europe)

Installés fin 2011: 69 GWc

Production par régions (2011)

51%

27%

11%

8% 3%

Chine +56%

Reste Asie +30%

Japon + 12%

Europe - 9.1%

USA + 3.1%

Evolution

2011/2010

2012: plus de 20 GW de modules sur le marché les prix ont chuté de 30 à 40%


Prix

Dumping des fabricants chinois:

Prix moyen des modules cristallins:

Jan 2011 1.44 €/Wc

Jan 2012 0.82 €/Wc (-43%)

=> Nombreux fabricants en difficultés en Europe

Prix de systèmes ( > 100 kWc)

Jan 2009 4.2 €/Wc

Jan 2011 2.7 €/Wc

Jan 2012 2.1 €/Wc (-23%)

Prix moyen des modules PV

0

2

4

6

8

10

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76

19

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20

12

Pri

x m

oy

en

, C

urr

$ / W

p Prix moyen tous modules

Modules de puissance

marchés spot

Prix moyens

First Solar fin 2009 (CdTe) 0.98 $/Wp


L'apport du PV à Genève

Consommation électrique du canton: 3.000 GWh 750 W/hab dont usages domestiques: 31 % 232 W/hab

Production Photovoltaïque 2011: 8.6 GWh 2.2 W/hab Installations PV actuelles (2011) 11.4 MWc 25 Wc/hab 0.2 m²/hab

Si on veut passer à 20% de la consommation électrique globale:

Production Photovoltaïque : 600 GWh 150 W/hab il faut installer 620 MWc 1400 Wc/hab (5 Millions m² capteurs, 1.8% surface du canton) 11 m² /hab (Suisse: 52 m² de bâtiments/hab)

0.3 %


Progression du PV à Genève 1990: première centrale 3 kWc

2012: 21'500 kWc installés

représente une augmentation de 37 %/an

Politique volontariste : Subventions + Tarif de rachat (Bourse Solaire)

Si on continue à +30%/an:

620'000 kWc installés en 2027

Installations PV à Genève: cumul

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Pu

issan

ce i

nsta

llée [

MW

c]

1990 - 2012, Exp. +37%/an

2013 => … Exp. + 30%/an

Installations réelles

Objectifs => 2017

Objectif SIG:

48 GWc en 2017

Installations PV à Genève: augment. 25%/an

0

100

200

300

400

500

600

700

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Pu

iss

an

ce

in

sta

llé

e [

MW

c]

2026: 620 MWc - 20% de l'électricité

Si on tient l'exponentielle

à 25%/an,

ceci suppose qu'en 2026,

on construirait 180 MWc !

Install. PV à Genève: progression plus réaliste

0

100

200

300

400

500

600

700

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Pu

issan

ce in

sta

llée [

MW

c]

2044: 620 MWc - 20% de l'électricité actuelle

depuis 2012:

progression ralentie

de 10% /an

=> install. 40 MWc

par an en 2036


Instruments d'incitation

L'installation solaire est à fort contenu en capital:

on achète d'un coup 30 ans d'énergie !

Historiquement: Subventions à l'installation

Actuel: Tarifs de rachat (FIT) Nécessité d'une stabilité long terme contrats de 20 ans

Doit correspondre à un amortissement raisonnable révisions permanentes

Facilitation de prêts (les banques sont frileuses)

Qui paie ?

Autres: Certificats verts (Belgique) Tarif minimal garanti par l'état

A terme: Parité réseau (Net-metering) On ne paie pas l'électricité non consommée (=> prix de consommation garanti)

On est rétribué sur l'énergie en surplus au prix du réseau (ou moins?)


L'apport du PV en Suisse

Installés fin 2011: 211 MWc 28 Wc/hab

Production PV 186 GWh /consomm. élec. 0.3 %

Objectif 20% de la consommation: installation de 14'000 MWc (0.28% de la surface Suisse)

avec +30%/an: atteint en 2033 +20%/an: 2044 +10%/an: 2076

Suisse: total installé [MWp]

0

50

100

150

200

250

1992

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2002

2003

2004

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2006

2007

2008

2009

2010

2011

Grid connected

Off-grid

Suisse: Nouvelles installations [MWp]

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80

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20

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10

20

11

Début Tarif de rachat

fédéral (taxe CO2)


L'apport du PV en Allemagne

Installés fin 2011: 25 GWc 302 Wc/hab

Production PV 222 kWh/hab /consomm. élec. 4 %

Si l’Allemagne continue avec +30%/an :

Objectif 20% d’électricité PV

168 GW installés, atteint en 2018

Germany: Total installed [MWp]

0

5'000

10'000

15'000

20'000

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20

10

Grid connected

Off-grid domestic+43%

+ 74%

+65%

Germany: Annual new installations [MWp]

0

1000

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3000

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20

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20

10

+88%

+162%

Progression of

+51 %/year since 1990 !


Situation en Europe fin 2011 Puissance installlée (par habitant)

Wc/hab

Allemagne 304

Italie 210

Rép. tchèque 186

Belgique 165

Espagne 91

Slovaquie 90

Luxembourg 60

Grèce 56

Slovénie 44

France 44

Suisse 28

Malte 27

Autriche 21

Bulgarie 18

Angleterre 16

Portugal 14

Europe 102


Prod. et bilan 21 sept. 2005 [MW]

0

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4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Heure

Hydro, accumulation

Hydro, fil de l'eau

Nucléaire

Thermique

Consommation

Importation

Exportation

Réseau Suisse:

Profil de productions et consommations 2005

Limitations réseau: 20% de PV

Profil possible avec production PV pour un parc de 14 GWc et beau jour sur tout le pays: 4 GW de surproduction à stocker ou exporter (ou réguler) !

2040: Bilan avec 14 GWc de PV [MW]

0

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14000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Heure

Production Solaire PV

Hydro, accumulation

Hydro, fil de l'eau

Consommation 2005

Importation ou

déstockage

Exportation

ou stockage:

4 GW


Adaptation Production – Consomm. des ENR Instruments possibles:

Transport: Grande pénétration du réseau grandes distances

Ex. actuel: Echanges d'énergie éolienne nord de l'Europe énergie PV au sud Futur: Réseau Desertec entre l'Europe et l'Afrique, lignes THT 1 MV continu

Stockage: Pompage/turbinage: h 80% En Suisse, 3 projets: Hongrin 250 MW, Emosson 900MW et Linthal 1 GW (2017)

Chimique: Batteries, Ex: Pb-acide: stockage 1 MWh 35 tonnes !

Chimique distribué: Voitures électriques

Air comprimé Mines de sel

Volants d'inertie

Gestion de la demande: Smart grid, recherches très actives


A la fin de l'été, les bassins d'accumulation sont pleins ...

Stockage saisonnier

gesamte_erzeugung_verbrauch_06.pdf


Distribution annuelle

Ensoleillement à Genève: Energie 1250 kWh/an (1400 W/m² plan 30°S) Dynamique été:hiver 4:1 (sur plan incliné)

Ensoleillement à Dakar: Energie 2200 kWh/an

Très constant au cours de l'année

favorable aux utilisations isolées


PV dans les PVD: un service Plus de 2 milliards d'hommes et de femmes vivent sans électricité

Services qui peuvent être couverts par la "petite" électricité:

Niveau familial

SHS (Solar Home System), Typ. 50Wc + batterie 100Ah

Eclairage, information (radio / téléphone / télévision /ordinateurs)

Réfrigération: frigo (plus cher, au moins 200 Wc)

Collectivités locales (écoles, dispensaires, administrations, culte) Eclairage, réfrigération (médicaments), sonorisation, Informatique, éclairage public, Centre de recharge de batteries

Collectifs de production agricole:

Pompage de l'eau, Moulins à grains, réfrigération (lait), petite mécanique, etc.

Installations en général organisées autour d'un parc de batteries au plomb . très gros problèmes de pollution (recyclage)


Qualité et efficacité

L'éclairage PV efficient est compétitif avec les autres modes d'éclairages

Usage Puissance Durée Coût Coût de

lumineuse d'éclairage horaire l'énergie

lumen heures CHF/heure CHF/kWh

Batterie 75Ah + lampe fluo 400 112 h/recharge 0.050 6.3

Lampe BUTAGAZ 300 42 h/bouteille 0.065 11

Lampe à pétrole 45 33 h/litre 0.027 30

Lampe torche (2*R20) 7 18 h/ 2 piles 0.053 375

Grande bougie 1 8 h 0.017 825

Petite bougie 1 2.7 h 0.017 825

L'énergie PV décentralisée est chère utiliser des équipements extrêmement performants Le surcoût de la qualité est rapidement rentabilisé (lampes fluo, réfrigérateurs super-isolés : 0.3 kWh/jour contre 1.2 )

PV +


Conditions de succès d'une projet PV rural

Installation PV intensive en capital (à l'opposé du mode de vie rural)

nécessité de financements extérieurs, surtout initial

Gouvernements, Collectivités, ONG, banque mondiale, …

Entreprises d'électricité peuvent être propriétaires et assurer l'entretien

Cadre juridique capable d'assurer la pérennité des institutions

Les populations doivent être impliquées dans le projet

Motivation par participation financière (même modeste)

Information des usagers

Participation à la gestion du projet (commune)

Systèmes commerciaux et/ou administratifs efficients

Formation, et suivi d'un service technique sur le terrain

Fabrication /réparation indigène de composants (lampes, batteries)

Environnement (recyclage notamment des batteries)


Du bon usage du PV …

Batterie hors d'usage après 1-2 ans sans suivi technique ou financier...


Conclusions

• Le PV peut contribuer pour 20% à notre mix électrique (plus pour les pays du sud – synchronisation avec climatisation)

• Le développement de l'industrie du PV est actuellement instable, mais inéluctable

• La production photovoltaïque est sur le point de devenir compétitive avec les autres énergies

• Elle nécessite une transformation profonde de nos réseaux et de notre manière de consommer

• Le PV rural est un formidable enjeu pour le développement

25 ans de recherche pv à l'université de genève

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