energie solaire le photovoltaïque -...

Energie solaireLe photovoltaïque

Diaporama réalisé à partir des publications du SER de juin 2011

Patrick MONASSIERUniversité Lyon 1Faculté des Sciences et TechnologiesMaster ERGE3

Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2

Développement dans le monde

Développement en France

Les technologies du photovoltaïque

Les applications de l’énergie photovoltaïque

Développement durable et mix d’énergie

Energie photovoltaïque et le monde du bâtiment

La recherche et les fabricants industriels français

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Le photovoltaïque

Sommaire


Une croissance exponentielle depuis quelques années

Dans le monde, le parc solaire photovoltaïque croît en moyenne de 35 % par an depuis 1998.

Fin 2010, la capacité totale installée était évaluée entre 36 000 et 39 000 MW,contre 1 500 MW en 2000. Le rythme d’installation de nouvelles capacités deproduction, en constante augmentation, a désormais dépassé les 12 000 MW paran. Les premières centrales solaires de grande capacité (plusieurs dizaines, voirecentaines de MW) ont vu le jour et leur nombre se multiplie.

En termes économiques, le marché mondial de l’industrie solaire photovoltaïque areprésenté environ 50 milliards de dollars en 2010.


14 % de la consommation mondiale d’électricité en 2030

EPIA , l’association européenne du photovoltaïque, prévoit que le parc installépourrait atteindre environ 1 800 000 MW en 2030, pour une productionreprésentant 14 % de la consommation mondiale d’électricité.

À cette échéance, le solaire photovoltaïque permettra de fournir de l'électricité àplus de 4,5 milliards d’individus, dont 3,2 milliards dans les pays endéveloppement où le photovoltaïque constitue un mode économique deproduction d’électricité dans les zones éloignées des réseaux.


ChineEtats-UnisReste du MondeJaponEurope

Développement de la capacité photovoltaïque mondiale (MW)Source : EPIA

2011


Capacité photovoltaïque globale cumulée à l’horizon 2030Source : EPIA

Hypothèse hauteHypothèse modérée


L’ Allemagne dispose du premier parc mondial

L’Allemagne a été le précurseur dans l’instauration d’un mécanisme de tarif d’achatpour soutenir la développement de la filière. Avec 17 485 MW de puissance cumuléeinstallée fin 2010, ce pays est le premier producteur mondial d’électricitéphotovoltaïque. Pour la seule année 2010, elle a installé environ 7 000 MW, soitenviron 60 % du marché mondial. Depuis janvier 2010, la croissance du photovoltaïqueen Allemagne est encadrée par un système de tarifs indexés sur les volumes de projetsréalisés, avec un objectif fixé par les pouvoirs publics à 51 000 MW à l’horizon 2020.

L’Italie : un marché en forte expansion

En Italie, le tarif d’achat est fonction de la taille de l’installation et du degréd’intégration des procédés photovoltaïques. Le marché italien a récemment franchi unseuil significatif, passant de 723 MW de capacités installées en 2009 à 2 500 MW en2010. Le parc cumulé est évalué à 3 679 MW, ce qui fait de l’Italie le troisième pays aumonde en termes de capacités totales installées.


Un gisement solaire particulièrement favorable

La France dispose du cinquième gisement solaire européen. En moyenne, en France,10 m² de panneaux photovoltaïques produisent chaque année 1 031 kWh, cetteproduction variant de 900 kWh en Alsace à 1 300 kWh dans la région Provence-Alpes-Côte d'Azur. Outre-mer, ces 10 m² produisent 1 450 kWh.

Les technologies actuelles permettraient de couvrir toute la consommationélectrique du pays à partir d'une surface de panneaux de 5 000 km², soit environ lasurface qu'occupe aujourd'hui la totalité des côtés sud des toits des bâtimentsfrançais.

Une maison individuelle en France métropolitaine disposant d'une installationphotovoltaïque de 3 kW sur son toit produira en moyenne 3 000 kWh par an, ce quireprésente à peu près la consommation d'électricité (hors chauffage et eau chaudesanitaire) d'une famille de 4 personnes.


« Théoriquement, il suffirait en France de réaliser le seul côté sud des toits en modules photovoltaïques pour produire toute l'énergie électrique nationale. » Patrick Jourde et Jean-Claude Muller, chercheurs au Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA ) et au CNRS .


L'évolution du parc français

Le marché du photovoltaïque connaît une croissance importante depuis 2004 avecl’instauration du crédit d’impôt, et surtout depuis 2006 avec la mise en place dutarif d’obligation d’achat.

Au 31 décembre 2010, les gestionnaires de réseaux évaluaient la puissance del’ensemble du parc photovoltaïque français raccordé au réseau à 973 MW, dont808 MW en métropole et 165 MW en outre-mer et Corse (contre respectivement,200 MW et 69 MW fin décembre 2009). La progression du parc en puissance surl’année 2010 a été de 262 %.

Sur une année, la production du parc photovoltaïque français représente environ1.000.000 MWh d’électricité. Cette production correspond à la consommationélectrique de 436 000 habitants, tous postes de consommation confondus, soitl’équivalent de la ville de Toulouse.


Les objectifs du Grenelle de l’Environnement pour 2020

Le Grenelle de l’environnement fixe l’objectif d’un parc photovoltaïque installéde 5 400 MW en 2020, capable d'alimenter 1 % de la consommation électriquenationale.

La loi de mise en œuvre du Grenelle prévoit de rendre obligatoires les labels BBC (Bâtiment à Basse Consommation, soit une consommation énergétique inférieure à 50 kWh par m² et par an) dès 2012 et BEPOS (Bâtiment à Energie Positive) dès 2020. L’énergie photovoltaïque sera déterminante pour l’octroi de ces labels.


La répartition géographique du photovoltaïque

Dans l’outre-merFin 2010, 17 % de la puissance raccordée au réseau étaient constitués d’installationssituées en outre-mer. Ces départements, très ensoleillés mais également très isolés,ont des coûts de production de l’électricité nettement plus élevés qu’en métropole.Le développement de production décentralisée photovoltaïque y présente donc unintérêt économique majeur.

En métropoleLes zones Ouest, Méditerranée, Rhône-Alpes et Sud-Ouest sont les leaders entermes d’installations raccordées au réseau. Fin 2010, elles totalisaient 75 % dunombre d’installations raccordées en métropole et 78 % de la puissance raccordée.

Fin 2010, le parc cumulé atteignait 993 MW : 20 MW en production dans les sitesisolés, 808 MW en métropole et 165 MW en outremer et Corse.


Une filière professionnelle qui s’organise

Depuis 2006, le nombre de sociétés travaillant à la production, la distribution oul’installation de systèmes photovoltaïques a fortement augmenté. Ainsi SER-SOLER ,le groupement français des professionnels du solaire photovoltaïque, qui comptaitfin 2006 environ 30 adhérents, regroupe aujourd’hui 270 membres.

QualiPV, l’appellation pour la qualité d’installation des systèmes solairesphotovoltaïques raccordés au réseau dans le secteur du résidentiel, a connu uneforte progression et enregistre plus de 6 000 sociétés d’installateurs.


Le parc français est composé essentiellement de systèmes photovoltaïques defaible puissance, intégrés en façade ou en toiture sur les habitationsdomestiques : en métropole, 91 % des installations ont une puissance inférieureou égale à 3 kW.


Définition et principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à lalumière, génère de l’électricité. Elle peut être utilisée seule (calculatrice, montre…)mais, la plupart du temps, les cellules sont regroupées dans des modules oupanneaux photovoltaïques. Il existe plusieurs familles de cellules photovoltaïques.Actuellement, les plus répandues sur le marché sont les cellules en siliciumcristallin et les cellules en couches minces. D’autres en sont au stade de laRecherche et Développement.

Le rendement est le rapport entre l'énergiesolaire captée et l'énergie électrique produite.


Les cellules en silicium cristallin

Ce type de cellule est constitué de fines plaques de silicium, un élément chimiquetrès abondant et qui s’extrait notamment du sable ou du quartz. Le silicium estobtenu à partir d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux : on parle alors de cellulesmonocristallines ou multicristallines. Les cellules en silicium cristallin sont d’un bonrendement (de 14 à 15 % pour le multicristallin et de près de 16 à 19 % pour lemonocristallin). Elles représentent un peu moins de 90 % du marché actuel.

Les cellules en couches minces

Les cellules en couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs couchessemi-conductrices et photosensibles sur un support de verre, de plastique, d’acier…Cette technologie permet de diminuer le coût de fabrication, mais son rendement estinférieur à celui des cellules en silicium cristallin (il est de l’ordre de 5 à 13 %). Lescellules en couches minces les plus répandues sont en silicium amorphe, composéesde silicium projeté sur un matériel souple. La technologie des cellules en couchesminces connaît actuellement un fort développement, sa part de marché étant passéede 2 %, il y a quelques années, à plus de 10 % aujourd'hui.


Les autres types de cellules

Les cellules à concentration : elles sont placées au sein d’un foyer optique qui concentre la lumière. Leur rendement est élevé, de l’ordre de 20 à 30 %, mais ellesdoivent absolument être placées sur un support mobile afin d’être constamment positionnées face au soleil.

Les cellules organiques : composées de semi-conducteurs organiques déposés sur un substrat de plastique ou de verre, ces cellules, encore au stade expérimental, offrent un rendement moyennement élevé (de l’ordre de 5 à 10 %) mais présentent des perspectives intéressantes de réduction de coûts.


La recherche en France et dans le monde

En France, le budget national de R & D a augmenté sensiblement depuis 2003. Cebudget représente près de la moitié du budget de recherche sur les énergiesrenouvelables. Les principaux acteurs de la recherche en France sont les grandsétablissements de recherche publique : CNRS et universités. Porté par les équipesdu CEA , du CNRS et du CST B, l’INES (Institut National de l’Energie Solaire) est lepremier centre français et l’un des premiers européens dédié à la recherche sur lephotovoltaïque. L’IRDEP (Institut de Recherche et de Développement sur l’EnergiePhotovoltaïque), créé par ED F, le CNRS et l’ENS CP, est, quant à lui, centré enparticulier sur la filière innovante des couches minces.

Enfin, de nombreux industriels – Photowatt, Emix, Apollon Solar, SolarForce,Invensil, BP Solar, Tenesol…– poursuivent une activité de recherche dans le cadre deprogrammes de l’Agence Nationale de la Recherche / ADE ME. Le projet Solar NanoCrystal, regroupant l’essentiel des industriels français du silicium est né dans lecadre des programmes mobilisateurs de l’Agence de l’Innovation Industrielle.

Au total dans le monde, près de 500 millions de dollars étaient consacrés à larecherche publique pour la filière photovoltaïque.


Le photovoltaïque raccordé au réseau

Jusqu’à présent, la plupart des installations raccordées au réseau étaientinstallées sur des bâtiments. Depuis quelques années, des centralesphotovoltaïques, représentant plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines deMW, se développent dans différents pays.

Le photovoltaïque non raccordé au réseau électrique

L’électricité photovoltaïque ne nécessite pas de réseau électrique. C’est pourquoielle constitue une énergie précieuse pour les pays en développement, qui nedisposent pas de réseau électrique, et pour les sites isolés.



Le photovoltaïque et le bâtiment

Sur le bâti, il existe un potentiel très important de surfaces pouvant accueillirl’énergie photovoltaïque et, dans la plupart des pays, les panneauxphotovoltaïques sont installés en toiture. Au 31 décembre 2010, lesgestionnaires de réseau évaluaient la puissance de l’ensemble du parcphotovoltaïque français raccordé à 973 MW.

La répartition du parc en puissance est lasuivante : 42 % des installations y sontfaites sur le toit des logements individuels,48 % sur de larges toitures comme cellesdes logements collectifs, des usines, desbâtiments commerciaux, des hangarsagricoles, ou des bâtiments publics. Les 10% restants sont des centrales au sol. Lessystèmes peuvent être de toute taille : de 1kW à plusieurs MW.



Les centrales au sol

Les constructions de centrales photovoltaïques, dont la puissance estgénéralement supérieure à 1 MW, se sont multipliées ces dernières années, enEspagne, au Portugal et aux Etats-Unis. En France, les premiers projets ont vu lejour en 2008, essentiellement dans le sud de la France.

Dans une centrale au sol, les modulesphotovoltaïques peuvent être fixés sur unangle d’exposition optimal au soleil, oumontés sur un ou deux axes motoriséspermettant aux capteurs de suivre latrajectoire du soleil. Ce système de«tracker» permet d’augmenter lerendement solaire de près de 30 %, maisles coûts d'investissement et demaintenance sont plus élevés.


Le photovoltaïque non raccordé au réseau

L’électrification rurale dans les pays en développement

Deux millions de personnes n’ont pas accès à l’électricité dans le monde et 80 % d’entre elles vivent en milieu rural où la faible densité de population rend prohibitifle coût du raccordement au réseau électrique public. Le photovoltaïque permet de couvrir à moindre coût la plupart des besoins de la population. Les applications domestiques fournissent l’électricité nécessaire à l’éclairage et au fonctionnement des équipements de communication.

Le photovoltaïque est également utilisé poursatisfaire d’autres besoins fondamentaux : l’accèsà l’eau potable assuré par des panneauxphotovoltaïques utilisés pour le pompage et lapurification de l’eau.

Il existe également des systèmes photovoltaïquesautonomes de plus forte puissance quialimentent en électricité des écoles et deshôpitaux. En moyenne, une surface de 10 m² depanneaux photovoltaïques suffit pour alimenterun petit centre médical en Afrique.


Le photovoltaïque non raccordé au réseau

Les sites isolés en France

Certains sites isolés, bergeries, gîtes, refuges ne peuvent pas être alimentés enélectricité par les réseaux publics. L’énergie photovoltaïque est alors utiliséepour produire de manière autonome de l’électricité.

Un fonds de soutien, le FACE(Fonds d’Amortissement desCharges d’Electrification), dont lagestion est assurée conjointementpar l’Etat, les collectivités localeset les distributeurs d’électricité,apporte une aide financière auxprojets d’électrification de cessites. De nombreuses réalisationsont déjà bénéficié de ce fonds.


Les systèmes hybrides

Les applications hybrides permettent d’utiliser différentes sourcesrenouvelables (photovoltaïque, éolien, petite hydraulique, biomasse…) afin demieux garantir la qualité de l’approvisionnement en électricité. Dans tous lescas, ces systèmes hybrides sont couplés avec des batteries.

D’une manière générale, les énergies éolienne et photovoltaïque constituentdeux solutions complémentaires permettant d’électrifier, efficacement et àmoindre coût, les sites isolés.


Le potentiel de l’énergie solaire est immense. L’Agence Internationale de l’Énergie(AIE ) a calculé qu’une surface de 145 000 km² (soit 4 % de la surface des désertsles plus arides) serait suffisante pour couvrir la totalité des besoins en électricitéde la planète.


Un élément capital pour atteindre le « Facteur 4 »

En 2003, la France a pris l’engagement de diviser par 4 ses émissions de gaz à effetde serre d’ici 2050. Cet objectif traduit l’effort que les pays industrialisés doiventaccomplir ensemble pour que les émissions actuelles soient divisées par 2 au niveauplanétaire. Dans notre pays, le secteur du bâtiment est, avec les transports, celuiqui émet le plus de gaz à effet de serre.

Le potentiel de réduction de gaz à effet deserre de ce secteur est très important : avecdes capteurs solaires thermiques etphotovoltaïques intégrés en façade et entoiture, il est possible de transformer lesbâtiments pour les rendre producteurs netsd’énergie renouvelable. Le bâtiment peutproduire, grâce à l’énergie solaire, plusd’énergie qu’il n’en consomme.


La production d’électricité photovoltaïque est maximale autour de midi en été. C’està ce moment que la courbe de charge horaire estivale marque elle aussi une pointe,en raison des nombreux appareils et systèmes de climatisation mis en marche. Cettedemande ponctuelle se traduit par un pic de consommation qui nécessite souvent ledémarrage de centrales thermiques. Le parc photovoltaïque, qui atteint saproductivité maximale durant ces périodes, permet de réduire l’appel aux énergiesfossiles. À ce niveau modeste, le solaire photovoltaïque contribue utilement au mixénergétique.


En France, depuis plusieurs années, le monde du bâtiment et les professionnels duphotovoltaïque travaillent ensemble pour développer le bâtiment à énergie positive.


Le photovoltaïque joue un rôle important pour améliorer les performancesénergétiques du bâti, tout en en constituant un des éléments constructifs : tuiles,panneaux de toiture, vitrages, façades, garde-corps de fenêtre, balcon ou terrasse,brise-soleil …

Le développement de ces systèmes permettra :

• de proposer à l’industrie du bâtiment un large éventail de solutionsmultifonctionnelles (couverture, étanchéité, protection solaire, gestion des apportslumineux, fonction antibruit, etc.) qui diminuera d’autant le montant réel del’investissement• de favoriser la pénétration du photovoltaïque dans l'architecture française grâce àun meilleur design des systèmes• de positionner les industriels et artisans du photovoltaïque sur un secteurinnovant et à forte valeur ajoutée• de développer en France un savoir-faire et une expérience unique en matièred’intégration au bâti, que les mécanismes tarifaires de nos voisins européens n’ontpas favorisé.


En France, le secteur du bâtiment représente une consommation énergétique de 70millions de tonnes équivalent pétrole, soit 42 % de la consommation finale et prèsde 25 % des émissions de CO₂. La consommation moyenne annuelle d’énergieprimaire du secteur du bâtiment est proche de 400 kWh par m² et par an.

Pour répondre à ses engagements « Facteur 4 » et dans le cadre du Grenelle del’Environnement, le Parlement a fixé deux objectifs à ce secteur :

• dès 2012, les constructions neuves répondront aux normes Effinergie basseconsommation, c’est-à-dire qu’ils ne devront pas consommer plus de 50 kWhd’énergie primaire par m² et par an.

• dès 2020, les nouveaux bâtiments, dits BEPOS , devront être « à énergie positive», c’est-à-dire qu’ils produiront plus d’énergie qu’ils n’en consommeront.

Ces deux objectifs ne pourront être atteints sans substituer les énergiesrenouvelables aux énergies fossiles, en particulier l’énergie solaire intégrée aubâtiment qui jouera un rôle majeur.


La recherche photovoltaïque française

La recherche française, majoritairement représentée par le CEA , le CNRS ainsi que lesUniversités et les Écoles d’Ingénieurs, avec deux instituts spécialisés (INES – InstitutNational de l’Energie Solaire, et IRDEP – Institut de recherche et développement surl’énergie photovoltaïque), couvre un large spectre d’études dans le domaine duphotovoltaïque. Ces activités vont de la recherche fondamentale très en amont de lachaîne de valeur, à des projets finalisés et des prototypes industriels.

Les acteurs industriels de la filière photovoltaïque

Fin 2010, la France comptait 15 fabricants de modules et/ou de cellules dont l’unité de fabrication est implantée sur le territoire. La capacité française de production 2010s’établissait à 423 MW, pour une capacité prévisionnelle 2011-2012 de 1020 MW.


Les autres acteurs industriels de la filière photovoltaïque

Les autres acteurs se répartissent dans les domaines d’activités suivants :équipementiers, fabricants de matériaux solaires, fabricants de structures support,fabricants de matériel électrique et/ou d’onduleurs, fabricants de solutions destockage et fabricants de solutions de recyclage. Ainsi, de la chimie en amont àl’électronique et la mécanique en aval, SER -SOLER a recensé, au travers d’unannuaire dédié, près de 200 industriels actifs sur l’ensemble du territoire. Lenombre d’emplois dans l’industrie est passé de 3 200 équivalents temps plein fin2009 à 7 700 fin 2010. Au total, fin 2010, la filière photovoltaïque représentaitenviron 24 300 emplois directs, toutes activités confondues, contre 8 500 fin 2009.


La baisse des coûts des technologies photovoltaïques

Depuis 1980, le développement considérable de la filière, notamment enAllemagne et au Japon, a permis une diminution de coûts importante. Enmoyenne, sur cette période, le prix des systèmes photovoltaïques a baissé de 7 %par an.

Cette diminution s’explique par les avancées technologiques réalisées chaqueannée sur le rendement des panneaux et sur l’industrialisation des procédés defabrication, mais aussi par les gains d’échelles que réalisent les industriels grâce àla montée en puissance des marchés mondiaux. Depuis 1976, on observe que lesprix baissent de 20 % chaque fois que la production cumulée double.

Le développement de l’énergie photovoltaïque dans notre pays et l’actionvolontariste des industriels français va encore accélérer cette diminution des coûtsde fabrication.


L’extrapolation de ces courbes conduit à 1 $/W pour une production cumulée de 75 000 MW.

Le doublement de l’activité dans le domaine photovoltaïque permet de réduire les coûts de 20 %.

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