Energie photovoltaïque. Filière Physique des Composants Nanostructurés. PHELMA Septembre 2010

Transcription

1 Energie photovoltaïque Filière Physique des Composants Nanostructurés PHELMA Septembre 2010 Anne Kaminski 1, Mathieu Monville 2 1 INP Grenoble - INSA Lyon 2 Solarforce 1

2 PLAN DU COURS 1- Panorama de l énergie mondiale, contribution et intérêt de l énergie photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire. 2- Conversion photon électron, convertisseur PV idéal. Physique des cellules PV, calcul de la réponse spectrale, du courant photogénéré, du rendement. Paramètres caractéristiques. Pertes. 3-Cellules de 1 ère génération * Elaboration et caractérisation du silicium * Aspects technologiques et physiques des cellules de première génération 4- Cellules de 2ème et 3 ème génération * Cellules en couches minces en silicium, matériaux II-VI et organiques * Nouveaux concepts pour augmenter l absorption du rayonnement solaire et atteindre des hauts rendements. 2

3 Idées fausses Idées vraies ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE? Industrie photovoltaïque Technologies et dispositifs photovoltaïques Soleil et lumière Performances et recherche 1 ère, 2 ème, 3 ème générations de cellules 3

4 Pertinence du Photovoltaïque Energie disponible, renouvelable Pas d émission (carburant) Technologie simple Facilement accessible dans site isolé Durée de vie garantie : ans Faible maintenance Source d énergie diffuse et intermittente Problème du stockage Fiabilité moindre des batteries Coût?

5 Idée fausse Idées fausses / idées vraies Le PV ne jouera jamais un rôle important dans la production d électricité car il faudrait recouvrir le pays de modules pour couvrir ses besoins en électricité Idée vraie Techniquement, en Europe, la surface de toitures exposée au sud, permettrait de couvrir la totalité de nos besoins en électricité. De plus, la génération de courant coïncide avec les pics de demande (journée)

6 (b) Surface nécessaire pour alimenter les USA en électricité photovoltaïque.

7 Idées fausses / idées vraies Les panneaux photovoltaïques sont laids!! Une question de goût Intégration architecturale

8 Intégration au bâtiment

9 Idées fausses / idées vraies Idée fausse Il faut plus d énergie pour produire les systèmes photovoltaïques qu ils n en redonneront au cours de leur existence Idée vraie En France, en 2-4 ans toute l énergie grise est compensée. Les systèmes sont garantis 25 ans et tiendront ans..., et on peut les recycler. Avec les nouvelles technologies : 1-2 ans et moins (potentiellement < 6 mois)

10 Notion de temps de retour énergétique ( Energy PayBack Time ) : Source : Kaminski & Fave, 2009

11 Disponibilité du soleil? Idée fausse: Cela ne marchera pas car il y a le jour et la nuit et on a besoin d électricité surtout en hiver Réponse plus correcte: Le PV sera une partie de la solution, mais pas «la» solution L approvisionnement en énergie du futur sera multi source: l éolien (plus puissant en hiver), la géothermie. L hydraulique et la biomasse permettent de réguler la demande inter saison et intrajour. Le réseau Européen est interconnecté: l Espagne et l Italie utilisent beaucoup de courant l été!

12 Données : France : entre 1,5 et 3,5 kwh/m²/jour Australie, Afrique : 4 à 7 kwh/m²/jour USA : 3 à 6 kwh/m²/jour Influence de l angle d incidence. Source : Commission Européenne, 2008

13 Le rendement et la puissance fournie dépendent fortement de l ensoleillement et de la température de la cellule. Ils sont donnés pour un éclairement de 1000W/m 2 et une température de 25 C Exemple : un panneau de 60Wc ne fournira plus que 12W avec une irradiation de 200W/m2 W c : «Watt crête»: puissance fournie par un module sous une intensité lumineuse de 1000W/m 2 et à 25 C, sous spectre solaire AM 1,5

14 Moyenne du rayonnement quotidien, par mois (en kwh/m² j) Ville: Lyon 7,00 6,00 5,00 en kwh/m² j 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 JAN FEV MAR AVR MAI JUIN JUIL AOU SEP OCT NOV DEC Exemple : un module de 80Wc fournira un peu moins (pertes dans les batteries et/ou onduleurs) de 80x1 Wh par jour en janvier. Cela suffit pour faire fonctionner une ampoule de 8W pendant 10 heures par jour. Source : Kaminski & Fave, 2009

15 Système raccordé au réseau (Grid-connected) : Production d une (petite) centrale photovoltaïque Une centrale de 1,1 kwc* produit environ 1200 kwh/an, soit 30 à 50% de la consommation électrique d une famille de 4 personnes (hors chauffage et production d ECS électriques). La puissance d une centrale est proportionnelle à sa surface : 1,1 kwc pour 10 m² de capteurs.

16 Éléments comparatifs sur la puissance un aérogénérateur de quelques kw jusqu'à 5 MW ; la plupart des grandes éoliennes installées aujourd'hui en France ont une puissance de 1 à 3 MW une centrale solaire photovoltaïque de quelques centaines de watts à 20 MW une centrale solaire thermodynamique de 2 à 350 MW une centrale hydro-électrique de quelques kw à MW (record : 32 turbines de 700 MW soit MW au Barrage des Trois-Gorges en Chine) un réacteur nucléaire de l'ordre de 900 à MW en général Toutefois la puissance est représentative du pic de production possible, pas de la production totale ; les systèmes solaires et éoliens sont dépendant des conditions climatiques et météorologiques, dont les systèmes à énergie fossile ou nucléaire sont totalement affranchis.

17 Éléments comparatifs sur la production Une tranche de 1 MW électrique nucléaire = production annuelle de 7000 MWh (facteur de charge de 80%). Pour l'éolien installé, MWh de production annuelle par MW de puissance installée (facteur de charge de 23%) Le solaire PV produit entre 1000 (11%) et MWh par MW de puissance installée en France (2 000 MWh par MW dans les meilleurs sites) compte tenu de leur production intermittente, ni l'éolien ni le PV ne peuvent assurer production de pointe. Il faut les compléter par soit un moyen de stockage d'énergie, soit une unité de production de type plus classique. *1an = 8760 heures Facteur de charge : durée de fonctionnement et de production de l'équipement dans une année.

18 Et le prix? L électricité solaire est beaucoup trop chère. Et le restera En Europe: cts/ kwh, selon l endroit Actuellement le prix baisse de ~ 5% par année Réponse correcte Il n y a pas de raisons techniques ou scientifiques pour que les prix ne continuent pas à baisser...d un facteur 5 voir 10 sur le long terme Mais il faut de l industrialisation et de la production, de la recherche, et des lois qui favorisent ce type d énergie renouvelable pour quelques temps encore

19 Notion de courbe d apprentissage «Photovoltaics Learning Curve» : A chaque doublement de la production correspond une baisse des coûts de l ordre de 20% 19

20 Coût actuel d un système photovoltaïque et projections : Source : EPIA,

21 Répartition des coûts (cas des cellules à base de silicium): Source : Sarasin,

22 Répartition des coûts (autre lecture) : Source : C.Belouet,

23 Coût actuel d un système photovoltaïque et projections : Source : EPIA,

24 Source : Commission Européenne,

25 Coût actuel du PV face au prix de l électricité : Coût de l électricité solaire (amorti sur 20 ans, intérêt 5%) Allemagne ~ 900 kwh/m2 irradiance ~ 0.9 kwh/wp 50 cts/kwh Sud de l Espagne ~1800 kwh/m2 ~1.8kWh/Wp 25 cts/kwh En renonçant aux intérêts,( 25 ans, 1% maintenance annuel) En 2010, un fabricant totalement intégré pourrait produire de l électricité PV à : 18 c$ en Allemagne du sud 13 c$ en Californie 12 c$ en Espagne Le coût de l électricité PV est déjà inférieur au prix payé par le client dans certains pays de l OCDE

26 Source : Malbranche, CEA,

27 Source : Monville, d après le modèle de Sabisky,

28 Coût du kwh PV vs prix local de l électricité (cas de l Europe, présent et projections) : 2010 (Rentabilité) Prix de l électricité PV comparée avec les prix attendus de l électricité payée par les consommateurs Source : EU PV Platform, 2008

29 Coût du kwh PV vs prix local de l électricité (Rentabilité) Prix de l électricité PV comparée avec les prix attendus de l électricité payée par les consommateurs Source : EU PV Platform, 2008

30 Coût du kwh PV vs prix local de l électricité (Rentabilité) Prix de l électricité PV comparée avec les prix attendus de l électricité payée par les consommateurs Source : EU PV Platform, 2008

31 Coût du kwh PV vs prix local de l électricité 2030 (Rentabilité) Prix de l électricité PV comparée avec les prix attendus de l électricité payée par les consommateurs Source : EU PV Platform, 2008

32 : Bilan intermédiaire : Avantages 1. Abondance & ubiquité : 6000 fois l énergie moyenne consommée annuellement, 2. Densité d énergie générée la plus élevée parmi les énergies renouvelables 170 W/m², 3. Absence de pollution en utilisation, 4. Déchets de production et de fin de vie gérables avec les moyens existants, 5. Coût opérationnel faible et maintenance réduite en fonctionnement, 6. Electricité PV déjà compétitive en site isolé et en heure de pointe. Inconvénients 1. Coût de l électricité PV encore trop élevé en général / réseau, 2. Disponible de jour seulement et sujette aux variations climatiques. Stockage (batterie) coûteux, 3. Densité de puissance faible : 3-7 kw h/jourj.m² aux US et moins en Europe, 4. Les cellules photovoltaïques débitent un courant DC basse tension. Conversion avec pertes de 4 à 12%, 32

33 Quels métiers? Recherche Production de wafers Production de cellules Production de panneaux Matières premières Design, architecture Bureau d études, dimensionnement Installation Monitoring électrique et gestion de parcs électriques Maintenance des installations Organismes publics 33

34 Et l emploi? 34

35 35

36 Quels acteurs? 36

37 Source : EurObserv ER, 2008

38 Exemple de LDK Solar (Chine) Source : LDK Solar,

39 Exemple de LDK Solar (Chine) chiffres de la production : Source : LDK Solar,

40 40

41 Energie photovoltaïque Filière Physique des Composants Nanostructurés PHELMA Septembre 2010 Anne Kaminski 1, Mathieu Monville 2 1 INP Grenoble - INSA Lyon 2 Solarforce 41