Le solaire photovoltaïque

Cet article reprend les principaux points développés lors de la conférence de Centrale-Energies du 23 octobre 2008 sur l’énergie solaire photovoltaïque ainsi que lors de la conférence organisée par la SEE sur le même thème le 6 décembre 2007.

La Terre baigne dans l’énergie solaire, avec 1,56.1018 kWh/an, océans compris. L’énergie solaire incidente représente plus de 10 000 fois la consommation mondiale d’énergie (environ 1,1.1014 kWh). Il s’agit donc d’une énergie abondante, renouvelable, qui pourrait couvrir la totalité ou une grande part de nos besoins énergétiques futurs.
Dans le cas de la France, la quantité d’énergie reçue en moyenne varie entre 1,0 MWh/an/m2 et 1,5 MWh/an/m2. Elle atteint 2,7 MWh/m2/an dans le Sahara.
La puissance normalisée d’un module photovoltaïque exprimée en Wc (Watt crête) correspond à la puissance électrique qu’il délivre sous un éclairement solaire normalisé de 1 kW/m2, correspondant à l’énergie reçue en plein midi face au Soleil par temps clair sous la latitude de l’Espagne
En considérant des modules photovoltaïques de 10 % de rendement électrique, l’énergie produite sera en moyenne en France d’environ 120 kWh/an/m2. Pour atteindre la production électrique française d’environ 550 TWh/an, il faudrait donc couvrir environ 4600 km2 de surface. Or la surface bâtie en France représente plus de 10 000 km2 et les infrastructures routières plus de 16 000 km2, en équipant une fraction de ces surfaces on pourrait donc produire assez d’électricité pour couvrir les besoins de la France (à condition de pouvoir la stocker).
Ces analyses trouvent leur prolongement dans les programmes de « toits photovoltaïques » en Allemagne ou au Japon, développés depuis plusieurs années et maintenant en France.
Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain avec une majorité dans le visible autour d’un pic à 0,45 µm. La conversion photovoltaïque est la transformation de l’énergie du photon en énergie électrique grâce au processus d’absorption de la lumière par la matière.

Une cellule délivre seulement une puissance de quelques W sous une tension d’environ 0,6 V. Le courant obtenu est continu Pour obtenir un générateur plus puissant, on connecte les cellules en série et en parallèle. L’ensemble réalisé est appelé alors module photovoltaïque, dont les dimensions peuvent être de l’ordre du mètre carré et la puissance aller jusqu’à 200 Wc. Ces modules sont ensuite associés entre eux pour former un champ de modules, constituant une installation photovoltaïque. Le courant continu est transformé en courant alternatif par un onduleur. Le courant peut être utilisé soit directement, soit injecté sur le réseau. À côté des équipements des toitures, l’installation de centrales photovoltaïques ayant des puissances allant de la centaine de kWc à quelques MWc se développe rapidement.

Le coût élevé actuel de l’électricité photovoltaïque apparaît comme un frein à son développement. Cependant ce coût, aujourd’hui d’environ 2 à 3 € par Wc, baisse régulièrement et pourrait passer dans quelques années sous la barre symbolique de 1 € par Wc. Les effets d’échelle et l’amélioration des technologies sont à la base de ces progrès constants.

1980 à 2007 : 26 à 3 Euros /Wc - 0 à 2500 MWc/an

Dans ces conditions, la compétitivité de l’énergie photovoltaïque est un objectif réalisable dans les prochaines années. L’accélération de ce processus fait l’objet de politiques volontaristes de nombreux États, accordant à la production d’électricité photovoltaïque, fournie au réseau électrique, des coûts de rachat incitatifs. La France, avec son tarif de rachat de 0.55€/kWh pour des modules intégrés à l’architecture va essayer de rejoindre le peloton des pays qui avec l’Allemagne, le Japon et l’Espagne font la course en tête.
L’évolution de la production de modules photovoltaïques connaît une croissance exceptionnelle avec un taux de 30 à 40 % par an depuis plusieurs années, avec en 2005 une production d’environ 1 800 MWc. C’est donc un domaine industriel en plein développement. Cependant cette progression spectaculaire ne doit pas faire oublier que cette puissance, reste négligeable dans le paysage énergétique et par rapport aux besoins.

Une projection des évolutions comparées au niveau mondial de l’énergie consommée et de l’énergie photovoltaïque, montre que cette dernière pourrait atteindre 10 à 20 % en 2050 (auxquels il faut ajouter les autres énergies renouvelables).

Les différentes filières photovoltaïques exploitées aujourd’hui sont les cellules au silicium monocristallin et polycristallin, les cellules au silicium amorphe, les cellules au diséléniure de cuivre et d’indium (CIS), au tellurure de cadmium (CdTe) ; les cellules au silicium (Si) sont à la base de près de 98 % de la production photovoltaïque. D’autres filières sont également explorées telles les cellules du type GaAs et InP, qui appartiennent à la catégorie des cellules à multijonctions.

Le photovoltaïque est un domaine en pleine ébullition tant au niveau industriel qu’au niveau de la recherche, tout d’abord autour de la filière principale au silicium, mais aussi dans la filière des couches minces non silicium, puis dans de nouvelles filières exploitant des concepts ou matériaux nouveaux et enfin dans l’émergence d’une recherche sur les très hauts rendements.

De nouvelles filières, basées sur l’utilisation de colorants ou de matériaux organiques, n‘en sont qu’à leurs balbutiements.

1975 à 2005 : efficiency (1 à 36 %)

Bien que la majeure partie de la production de cellules soit faite sur des substrats de verre, une filière commence à se développer, utilisant des supports souples très minces, soit métalliques (quelques µm), soit plastiques. L’avantage de ces supports est leur poids, leur souplesse d’utilisation, de mise en œuvre et de transport. Des cellules Si et CIS utilisent déjà cette technologie. Cependant ces substrats entrainent des contraintes supplémentaires qui doivent être surmontées. Un avantage majeur réside également dans leur coût, potentiellement très faible, ce qui en fait des supports de choix pour le futur.

Les acteurs industriels du photovoltaïques sont d’abord Japonais (Sharp, Kyocera, Sanyo, Mitsubishi,…) et Allemands (Q-cells, Solar World, Schott, Shell Solar,…) en cohérence avec les choix stratégiques faits par ces pays mais également les Etats-Unis (First Solar, BP Solar, Shell Solar,…). Les Espagnols sont présents (Isofoton, BP Solar,…), et les Chinois (Suntech, Yingli, JA Solar,…) ont développé une industrie d’exportation très importante. Sur ces marchés d’exportation on trouve d’autres fabricants asiatiques (Motech à Taiwan, Sun Power aux Philippines, etc.).

La France est encore en retrait, mais la situation évolue notamment avec la création de l’Institut National de l’Energie Solaire (INES). Des projets importants (industrie & recherche) se développent dans ce domaine autour du CEA, du CNRS et d’industriels avec le soutien de l’ANR, de l’ADEME et des régions.

Malgré ses inconvénients (coût encore élevé, production intermittente, encore énergivore pour la production des modules), l’énergie photovoltaïque apparaît, comme une source d’énergie renouvelable incontournable et apte à couvrir dans l’avenir une proportion significative et croissante des besoins énergétiques, aux cotés d’autres sources d’énergie. Le stockage de l’électricité est une condition importante pour le développement du photovoltaïque comme pour les autres énergies renouvelables intermittentes.

Retrouver également cet article dans le Flash n° 9