Photovoltaïque : les clés de la réussite des projets coopératifs agricoles

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1 Photovoltaïque : les clés de la réussite des projets coopératifs agricoles Edition septembre 2009 FNCUMA Tél. : Fax : fncuma@cuma.fr internet : 43 rue Sedaine CS PARIS CEDEX 11 COOP de FRANCE Tél : Fax : cdf@coopdefrance.coop internet :

2 Ce guide a été réalisé par Coop de France et la Fédération Nationale des Cuma en partenariat avec Coop de France Ouest, FRC2A Midi-Pyrénées, Coop de France Rhône Alpes Auvergne, Unicor, Vivadour, les Fédérations de Cuma de l Ouest, de Midi-Pyrénées et de Poitou-Charentes, les Fédérations Départementales de CUMA de la Nièvre, de l Aveyron et d Ile et Vilaine, la Fédération Nationale des Parcs Naturels régionaux, Rhône Alpes Energie Environnement, Trame. Avec l appui technique spécifique de Agriphoton, Crédit Coopératif, Hespul, Photeis et le concours financier de : Coût unitaire : 50 ISBN Conception et impression :

3 EDITOS Les politiques en faveur du développement des énergies renouvelables produisent leurs effets, les projets foisonnent et en particulier la production d énergie photovoltaïque offre aux agriculteurs et aux coopératives une bonne opportunité de valorisation et de diversification. Si les offres faites à la profession fleurissent, les projets «collectifs» accompagnés par les coopératives proposent un cadre d initiatives performant et sécurisant. Expertise, technicité, capacité de négociation sont autant de savoirs qui, mutualisés, permettent d investir dans un projet photovoltaïque à un meilleur coût. Les initiatives collectives doivent répondre à certaines règles et éviter les écueils techniques. C est l objet du présent guide, élaboré par Coop de France et la FNCUMA en partenariat avec l Ademe, le Crédit Coopératif, des experts du photovoltaïque et des juristes. Il a pour ambition d offrir aux porteurs de projet des références techniques, économiques et juridiques illustrées d expériences concrètes. Nous sommes persuadés que sa lecture donnera aux coopératives et Cuma qui s interrogent et souhaitent s y engager, les clés de la réussite de leur investissement photovoltaïque. A l instant de la finalisation de ce guide, les nouveaux tarifs modifiant l arrêté du 10 Juillet 2006 n ont pu être intégrés à l étude. Dès leurs connaissances, une fiche d actualisation sera disponible via les sites de Coop de France* et de la FNCUMA** et vous permettra de mettre à jour votre guide. Bonne lecture et bonne réussite! Jean-Pierre Carnet Président de la FNCUMA Philippe Mangin Président de Coop de France L investissement dans une centrale solaire photovoltaïque obéit à une logique de long terme, tant sur le plan économique qu écologique, et se trouve de ce fait particulièrement en phase avec le modèle coopératif, par nature au service de ses membres et des générations futures. En proposant à Coop de France et à la FNCUMA la réalisation d une étude sur l investissement photovoltaïque, le Crédit Coopératif a souhaité que les coopératives agricoles et CUMA disposent d un guide pour des projets collectifs. Ce guide méthodologique fournit une aide concrète pour la conduite de projet, décrit les montages juridiques les plus adaptés en fonction des objectifs poursuivis par le groupement, et propose un modèle de simulation économique très utile pour aborder les modalités de financement. Banque des coopératives et des entreprises qui se regroupent autour des mêmes valeurs, le Crédit Coopératif voit dans la conception même de ce guide, élaboré sur un mode partenarial, une belle illustration du «faire ensemble» nécessaire pour construire une économie durable. Hugues SIBILLE Directeur Général Délégué du Crédit Coopératif * : - Espace Adhérents ** : - Espace Adhérents Signature du partenariat - 28 Octobre 2008 De gauche à droite : Hugue Sibille, Jean-Claude Detilleux (Président du Crédit Coopératif), Philippe Mangin, Jean-Pierre Carnet 1

4 Comment lire et utiliser ce guide? Ce guide, qui se veut un document de référence pour les projets collectifs photovoltaïques, a été conçu comme un outil d aide à la décision. Vous pourrez retrouver les questions et étapes clés d un projet matérialisé sous forme d onglets. Au nombre de 8, ils vous permettront de naviguer au grès de vos besoins et suivant l évolution de votre questionnement. Nous avons voulu ce guide détaillé, et adapté à une recherche rapide de réponses clés. Vous pourrez entrer dans le guide par différentes voies : Comprendre les enjeux du photovoltaïque avant de se lancer : consulter l onglet «Enjeux» Répondre pas à pas à toutes les questions liées au montage d un projet : - Éléments techniques et étapes d un projet : consulter l onglet «Technique» - Étude économique et financière : consulter l onglet «Économique» - Aspects juridiques et fiscaux : consulter l onglet «Juridique» - Montage partenarial : méthode de construction : consulter l onglet «Partenariat» - Cahier des charges et sélection des fournisseurs : consulter l onglet cahier des charges «CDC» Aller à l essentiel avec les fiches repères qui synthétisent les éléments clés des thématiques transversales : consulter l onglet «FICHES» - Le tarif d achat photovoltaïque : principe et impact sur le développement de la filière - Coûts d investissements et ratios - Assurance : quelques repères - Les démarches administratives - L essentiel du juridique - Tableau comparatif des différentes formes juridiques - Le bail emphytéotique - Glossaire du guide Visualiser les réalisations possibles en étudiant des projets mis en œuvre sur le terrain qui illustrent la diversité des montages possibles, consulter les trois derniers onglets «Cas types» : - Exploitations en propre - Démarches collectives - Stratégies de conseil Bonne navigation! 2

5 Enjeux Enjeux énergétiques et photovoltaïques 1. Les enjeux énergétiques Une démarche globale Les énergies renouvelables Place actuelle des énergies renouvelables et perspectives de développement... 6 Des engagements forts sur les ENR et le photovoltaïque... 6 Les chiffres annoncés du photovoltaïque La production d électricité d origine photovoltaïque L effet photovoltaïque... 8 Principe d une cellule photovoltaïque Principe de fonctionnement d une installation photovoltaïque raccordée au réseau... 8 Tarif d achat d électricité photovoltaïque... 9 Intégration au bâti... 9 Parcs au sol Quelle quantité d électricité produit un système photovoltaïque? Impacts environnementaux des systèmes photovoltaïques Les avantages spécifiques au photovoltaïque Temps de retour énergétique Le recyclage Quel est l avenir du photovoltaïque? Le photovoltaïque et les agriculteurs... 14

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7 Enjeux 1. Les enjeux énergétiques 1.1. Une démarche globale L énergie la moins chère et la moins polluante est celle que l on ne consomme pas. En effet, avant de vouloir produire de l énergie, même à partir des énergies renouvelables, le premier réflexe à avoir est de diminuer au maximum sa consommation. C est en partant de ce constat que l association NégaWatt, composée d experts français du domaine de l énergie, a mis au point un scénario énergétique permettant de respecter les engagements de la France pour 2050 de diviser par 4 ses émissions de gaz à effet de serre par rapport au niveau de 1990 (Facteur 4). Ce scénario nous invite à poser un regard différent sur l énergie, en nous interrogeant d abord sur nos propres besoins, réels ou supposés, puis en cherchant à y répondre le plus efficacement possible et en faisant enfin appel aux sources d énergie les moins problématiques Les énergies renouvelables Les sources d énergie conventionnelles telles que le nucléaire ou les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont issues de stocks limités de matières extraites du sous-sol de la terre. Chacune d elle provoque des dégâts à long terme plus ou moins importants sur l environnement : pollution atmosphérique, changement climatique, contamination radioactive À l opposé, les sources d énergie renouvelables ont recours à des flux naturels qui traversent de façon plus ou moins permanente la Biosphère. Comme elles n utilisent qu une infime partie de ces flux, elles sont inoffensives pour l environnement naturel aussi bien localement que globalement, et de manière durable. Toutes les énergies renouvelables sont issues directement ou indirectement du soleil. Son rayonnement direct peut être utilisé de deux manières : Sa chaleur peut être concentrée pour chauffer de l eau sanitaire, des immeubles, des séchoirs, ou bien un liquide en circulation afin de produire de l électricité par l intermédiaire d un alternateur ou d une dynamo. C est le solaire thermique. Sa lumière peut être transformée directement en courant électrique grâce à l effet photovoltaïque (voir 2.1 L effet photovoltaïque). Le rayonnement solaire est également à l origine de phénomènes naturels qui offrent autant de Le scénario Négawatt La sobriété énergétique consiste à réduire les gaspillages par des comportements rationnels et par des choix individuels et sociétaux. Par exemple, profiter au maximum de la lumière naturelle pour s éclairer, bien régler la température de consigne du chauffage, privilégier les aliments de saison et produits localement, organiser intelligemment l espace. Cette sobriété est en quelque sorte l opposé de notre ébriété énergétique actuelle! L efficacité énergétique vise à réduire les pertes lors du fonctionnement et à l exploitation. Le potentiel d amélioration de nos bâtiments, de nos moyens de transport et des appareils que nous utilisons est considérable : il est possible de réduire d un facteur 2 à 5 nos consommations d énergie et de matières premières, à l aide de techniques déjà largement éprouvées, avec un «temps de retour» économique souvent très raisonnable. Les énergies renouvelables. C est seulement une fois que l on a fait des efforts substantiels de sobriété et d efficacité énergétique que l on peut, de façon complémentaire, produire l énergie restante à partir d énergies renouvelables. Figure 1 - Scénario Négawatt 5Enjeux énergétiques et photovoltaïques

8 Enjeux énergétiques et photovoltaïques manières de capter une partie de cette énergie solaire indirecte : le vent (énergie éolienne), le cycle de l eau (énergie hydraulique), la croissance des végétaux par la photosynthèse (énergie de la biomasse, notamment bois et biogaz), auxquelles on peut ajouter les énergies de la mer (courants marins, houle et marées) issues des forces internes du système solaire et la géothermie. Les énergies renouvelables ont de nombreux autres avantages : Au niveau environnemental, elles sont très peu émettrices de gaz à effet de serre et génèrent peu de déchets contrairement aux énergies fossiles et fissiles. La production décentralisée que permettent ces énergies évite les gaspillages dus aux pertes en ligne qui caractérisent les énergies dites conventionnelles, fortement centralisées. Sur le plan social, c est une source d énergie exploitée localement qui favorise ainsi le développement local et la cohérence territoriale. De plus, les impacts d accidents graves sont très faibles (à l exception de la grande hydraulique) en comparaison de l industrie nucléaire et pétrolière. Au niveau économique, les énergies renouvelables sont créatrices de nombreux emplois locaux non délocalisables. Selon une étude du SER (Syndicat des Energies Renouvelables), les différentes filières du secteur des énergies renouvelables offriraient un réservoir de d emplois en Europe d ici Enfin, ces énergies ont un rôle de plus en plus important au niveau géopolitique puisqu elles permettent de garantir l indépendance énergétique d un pays, ce qui va devenir de plus en plus important avec la raréfaction des ressources fossiles Place actuelle des énergies renouvelables et perspectives de développement Aujourd hui les énergies renouvelables sont encore marginales dans le mix énergétique français puisqu elles ne représentent que 13,2 % de l énergie primaire en France en 2007 (voir figure ci-après). La prise de conscience des enjeux des changements climatiques, de la raréfaction des ressources et de l indépendance énergétique, pousse à la mise en place de mesures politiques de plus en plus ambitieuses pour la réalisation d économies d énergie et le développement des énergies renouvelables. Des engagements forts sur les ENR et le Photovoltaïque C est ainsi que l Union Européenne a pris l initiative dès le printemps 2007 à l occasion d un sommet des 27 chefs d État et de Gouvernement de se doter d objectifs à l horizon de 2020 connus sous le nom des «3 fois 20%» : réduction de 20% des émissions de gaz à effet de serre par rapport à 1990, réduction de 20% de la consommation d énergie par rapport au tendanciel à 2020, augmentation à hauteur de 20% de la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique. Production d énergies renouvelables (ENR) par filière en 2007 (Mtep) Figure 2 Part des énergies renouvelables (ENR) dans la consommation d énergie primaire en 2007 en France Métropolitaine Sources : Observatoire de l énergie, ADEME, CEREN, Observ ER 6

9 Enjeux Figure 3 - Scénario de développement des énergies renouvelables pour l électricité à l horizon 2020 (en Mtep). Source : Hespul d après le scénario élaboré par le comité opérationnel «énergies renouvelables» du Grenelle Environnement Ces objectifs sont des points de passage obligés pour atteindre la division par au moins 4 des émissions de gaz à effet de serre en 2050 inscrite en préambule de la Loi de Programmation et d Orientation de la Politique Énergétique (POPE) du 13 juillet 2005 et connue sous le nom de «Facteur 4». C est une condition sine qua non pour contenir le réchauffement climatique dans des proportions raisonnables ; les dernières études du GIEC (Groupe d experts Intergouvernemental sur l Evolution du Climat) montrent même que cet objectif ne sera probablement pas suffisant. En France c est dans le cadre du Grenelle de l environnement que sont retranscrits ces objectifs. L Assemblée Nationale a repris dans la loi «Grenelle 1» l objectif de 23% représentant la contribution demandée à la France qui correspond à un partage équitable de l objectif européen. Dans le cadre des négociations du Grenelle, le comité opérationnel «Énergies Renouvelables» (Comop10) a mis au point un scenario de pénétration des énergies renouvelables dans le mix énergétique français (voir figure ci-après). Ces objectifs sont repris dans la nouvelle Programmation Pluriannuelle des Investissements (PPI) pour la production d énergie, les moyens qui seront mis en œuvre pour les atteindre devraient être entérinés en grande partie dans la loi du Grenelle 2, probablement à l automne Les chiffres annoncés du photovoltaïque Selon ERDF, les puissances photovoltaïques raccordées au réseau fin Mars 2009 sont les suivantes (Source Hespul) : France Métropolitaine, 70MW répartis de la manière suivante : De 0 à 3 kw : installations De 3 à 10 kw : 1225 installations De 10 à 100 kw : 571 installations De 100 à 300 kw : 30 installations De 300 à 500 kw : 2 installations De 500 à 1000 kw : 2 installations De 1000 à 3000 kw : 2 installations De 3000 à 5000 kw : 2 installations Soit au total, installations. DOM et Corse, 23 MW soit installations. Et pour les demandes de raccordement : 767 MW pour la France métropolitaine et 828 MW pour les DOM et la Corse. Le grenelle de l environnement prévoit dans ses scénarios une puissance de MW en La CRE prévoit une puissance installée pour la fin 2009 d environ 240 MW, et estime la production à 6,6 GWh en 2009 contre seulement 464 MWh produit en Pour le photovoltaïque, l objectif de MW en 2012 et en 2020, proposé par le Comop10, figure actuellement dans la PPI. La situation à fin 2009 étant de 105 MW, le chemin à parcourir suppose une volonté forte de l ensemble des acteurs! 7Enjeux énergétiques et photovoltaïques

10 Enjeux énergétiques et photovoltaïques 2. La production d électricité d origine photovoltaïque 2.1. L effet photovoltaïque L «effet photovoltaïque» est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés «semiconducteurs» (le plus connu est le silicium utilisé pour les composants électroniques). Lorsque les «grains de lumière» (les photons) heurtent une surface mince de ces matériaux, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière. Ceux-ci se mettent alors en mouvement créant ainsi un courant électrique. Ce courant peut être ajouté à celui provenant d autres dispositifs semblables de façon à atteindre la puissance désirée pour un usage donné. Principe d une cellule photovoltaïque : position du matériau photovoltaïque et la technologie utilisée. Arrivent aujourd hui sur le marché des produits plus élaborés tels que des tuiles, des ardoises ou des éléments de façade qui rendent beaucoup plus facile l intégration du photovoltaïque dans la couverture extérieure des bâtiments Principe de fonctionnement d une installation photovoltaïque raccordée au réseau Afin de capter le maximum de lumière au cours d une année, les modules photovoltaïques doivent être placés dans des endroits ensoleillés, comme les toitures par exemple. Les conditions optimales pour le captage de l énergie solaire sont : - Une orientation plein sud - Une inclinaison de 30 par rapport au plan horizontal Figue 4 L effet photovoltaïque Source : Hespul Très fragile à l état brut, le matériau photovoltaïque doit être protégé des intempéries par un verre transparent et solide. Il peut être disposé soit en cellules minces et plates découpées dans un lingot de silicium obtenu par fusion et moulage, puis connectées les unes aux autres en série, soit en une mince couche uniforme obtenue par projection de matériau réduit en fine poudre sur le verre. Les utilisations de l effet photovoltaïque sont très variées puisque les applications vont des petites calculettes solaires aux grands systèmes de plusieurs MWc en passant par l électrification des zones isolées (dans les pays en voie de développement et pour les refuges en montagne), et par les installations des particuliers de quelques kwc. Les capteurs les plus courants sont des panneaux rectangulaires de quelques millimètres d épaisseur, d une surface comprise entre 0.5 et 3 m 2 et pesant quelques kilogrammes. Leurs performances sont variables selon la com- Cependant, pour des raisons d intégration architecturale, il est possible de s écarter de ces conditions optimales sans pour autant dégrader de façon significative la production annuelle du système. Les modules photovoltaïques sont ensuite raccordés à un ou plusieurs onduleurs dont la principale fonction est de convertir le courant continu issu des modules photovoltaïques en courant alternatif synchronisé sur la tension EDF. Par ailleurs, les onduleurs disposent d une protection de découplage intégrée qui permet d assurer la protection des biens et des personnes en cas de défaut de fonctionnement. L énergie produite est ainsi injectée sur le réseau de distribution public et vendue à un acheteur, en général EDF, à un tarif incitatif fixé par un arrêté ministériel. En France métropolitaine, ce tarif a été fixé en 2006 à : - 0,30 Euros/kWh en base - 0,55 Euros/kWh pour les systèmes intégrés au bâti 8

11 Enjeux Module Figure 5 : Eléments d une installation photovoltaïque Tarif d achat de l électricité photovoltaïque (cf. Fiche Tarif d achat). Pour soutenir le développement de la filière, un tarif d achat incitatif du kwh produit par une installation photovoltaïque est fixé par arrêté. Dans l arrêté tarifaire du 26 juillet 2006, le tarif d achat de l électricité photovoltaïque a été revu à la hausse. Cet arrêté a mis en place un tarif de base de 30 /kwh, auquel vient s ajouter une prime de 25c /kwh pour les systèmes réputés intégrés au bâti (cf. ci-après), soit un total de 55c / kwh. Pour la Corse et les DOM, ces tarifs sont respectivement de 40c /kwh pour le tarif de base et de 15c /kwh pour la prime d intégration, soit un total «intégré au bâti» équivalent à celui de la Métropole. Afin de prendre en compte l évolution des coûts des matières premières et de la main d œuvre ces tarifs sont indexés chaque année. Intégration au bâti Dans l état actuel de la réglementation, le système photovoltaïque est considéré comme intégré lorsqu il assure «une fonction technique ou architecturale essentielle à l acte de construction», c est-à-dire qu il remplit au moins une des fonctions suivantes : - la tenue mécanique ; - la protection ou la régulation thermique ; - la protection physique des biens ou des personnes ; - la recherche d un esthétisme architectural particulier. Les critères d intégration sont définis de manière plus précise dans un guide réalisé par la DIDEME ( Des exemples d intégrations sont détaillés dans la Partie Technique. Parcs au sol. Il est possible d installer des systèmes photovoltaïques à même le sol. Ces installations, appelées «systèmes au sol» ou «parcs photovoltaïques», sont généralement de grande taille. Elles ont de nombreux avantages en termes de coût (effet d échelle, pas de surcoûts liés à l intégration) et Onduleur Réseau de distribution public Des modifications importantes devraient toutefois intervenir à l automne 2009, avec la probable introduction d un «tarif intermédiaire» fixé entre 40 c /kwh et 45c /kwh devant s appliquer à des systèmes attachés au bâti sans être «intégrés» (intégration complète), et un resserrement des critères d éligibilité à la prime d intégration. En outre, une dégressivité annuelle des tarifs devrait être mise en place à partir de 2012 afin de refléter les rapides évolutions des prix à la baisse attendue dans les prochaines années, qui reste l objectif principal et même la raison d être des tarifs d achat. La Fiche Tarif d achat précise les principes du tarif d achat et fait l analyse des évolutions à attendre du marché photovoltaïque avec le nouveau tarif. Une mise à jour sera disponible sur les sites Extranets de Coop de France et de la FNCUMA à la sortie du nouveau tarif. Des informations régulièrement mises à jour sont également accessibles sur le site de performance (modules mieux orientés et bien ventilés). Néanmoins, il serait souhaitable de maîtriser leur développement en établissant des règles claires car elles peuvent avoir des impacts négatifs au niveau de l intégration paysagère, sur l environnement local ou sur l usage des sols, notamment avec l agriculture Quelle quantité d électricité produit un système photovoltaïque? La production annuelle d électricité d un système photovoltaïque peut être calculée avec une marge d erreur inférieure à 10 %. Elle dépend de 3 paramètres : de l ensoleillement annuel du site, qui peut être évalué assez précisément pour presque tous les sites en Europe et même dans le monde entier, d un facteur de correction calculé à partir de l écart d orientation par rapport au sud, de l inclinaison des panneaux par rapport à 9Enjeux énergétiques et photovoltaïques

12 Enjeux énergétiques et photovoltaïques l horizontale et le cas échéant, des ombrages relevés sur le site (cf. Partie Technique : 2.1. Orientation des bâtiments), des performances techniques des modules photovoltaïques et de l onduleur (rendement et disponibilité). La puissance-crête d un système photovoltaïque, donnée en Wc, mesure la puissance théorique maximale. C est une valeur de référence permettant de comparer les puissances des panneaux entre elles. La puissance crête est obtenue par des Logiciels gratuits en ligne Logiciels payants (destinés aux professionnels) PVGIS (site de la CEE) CALSOL (site de l INES) PVSYST, PVSOL ARCHELIOS tests effectués en laboratoire, sous une irradiation de 1 000w/m 2, une température de 25, la lumière ayant le spectre attendu pour une pression atmosphérique de 1,5 AM. Dans un marché qui en France est en phase initiale, il convient de prendre avec prudence les «engagements» de production annuelle proposés par certaines sociétés. L estimation réelle du productible d une installation peut être réalisée par des logiciels spécialisés, intégrant les différents paramètres ci-dessus. Servent à calculer un productible mais ne permettent pas d intégrer d éventuels ombrages et d obtenir un résultat plus proche de la réalité. Permettent d intégrer les ombrages La carte ci-après donne la production électrique moyenne attendue dans les conditions optimales d installation pour un toit solaire d une puissance de 1 kwc (environ 10 m²). Figure 6. Carte de France de l irradiation solaire et de la production par kwc installé à angle optimal Source : PVGIS 10

13 Enjeux Cette carte montre clairement qu une installation au sud de la France bénéficiera d un meilleur ensoleillement qu une installation située plus au nord. Cependant cela ne signifie pas que cette dernière ne soit pas rentable. Une installation à Paris qui serait parfaitement située (orientation et inclinaison optimales, pas de masque) pourra produire plus qu une installation en façade située à Marseille et qui aurait de nombreux masques défavorables, d où la nécessité d utilisation des logiciels comme évoqués précédemment. Quelques ordres de grandeur En première approximation on peut estimer qu une installation de 1kWc (environ 10 m²) orientée au sud et avec peu de masque produira 1000 kwh par an (à Lyon). Si l on ramène cette production à la consommation d une famille, un tel système photovoltaïque couvrira environ 25 à 40 % des besoins en électricité spécifique (hors chauffage et eau chaude sanitaire) d une famille. Une surface de modules de 20 à 30 m² permettra de couvrir la consommation totale d une famille «moyenne», soit à kwh par an Impacts environnementaux des systèmes photovoltaïques Le photovoltaïque est très certainement l une des énergies les plus «propres», mais comme tout produit industriel, il a un impact sur l environnement, aussi minime soit-il. La majeure partie de cet impact est due à la consommation d énergie et à l utilisation de produits chimiques toxiques durant la phase de fabrication des panneaux. En fonctionnement en revanche, le photovoltaïque n a strictement aucun impact sur l environnement. Une fois démontés en fin de vie, les matériaux de base (cadre d aluminium, verre, silicium, supports et composants électroniques) peuvent tous être réutilisés ou recyclés sans inconvénient. L industrie photovoltaïque a déjà commencé à mettre en place des filières de recyclage, bien qu il n y en ait pas un urgent besoin car le nombre de modules arrivant en fin de vie est actuellement très faible (voir 2.4. Le recyclage). Les avantages spécifiques au photovoltaïque En plus des avantages communs aux énergies renouvelables (peu d émission de gaz à effet de serre, ressources illimitées, etc.), le photovoltaïque offre de nombreux avantages : il est exploitable pratiquement partout, la lumière du soleil étant disponible dans le monde entier, avec un écart de 1 à 3 entre les meilleurs et les moins bons sites, l équipement de production peut presque toujours être installé à proximité du lieu de consommation, évitant ainsi les pertes en ligne (ces pertes peuvent atteindre jusqu à 15 % sur les grands réseaux électriques lorsque des centaines de kilomètres séparent les lieux de production et de consommation), il est totalement modulable et la taille des installations peut être facilement ajustée selon les besoins ou les moyens, aucun mouvement, pas de pollution directe ou indirecte (effluents atmosphériques ou liquides, produits de nettoyage, risque d accident physique,...) aucun déchet, aucune perturbation pour l environnement de proximité, la maintenance et les réparations sont réduites à presque rien pour la partie photovoltaïque et à peu de chose pour l électronique associée, l affichage en faveur du développement durable et des énergies renouvelables est beaucoup plus visible que sur d autres équipements. En conséquence, le photovoltaïque est particulièrement bien adapté à la plupart des bâtiments quel que soit leur usage (habitations, bureaux, entreprises, centres commerciaux, bâtiments agricoles...). Temps de retour énergétique Pour qu une énergie soit qualifiée de «renouvelable», elle doit produire beaucoup plus d énergie que celle dont elle a besoin au cours de son cycle de vie. Le «temps de retour énergétique» correspond au rapport entre l énergie totale consommée au cours de sa fabrication, de son transport, de son installation, de son recyclage et l énergie produite annuellement. Une étude récente réalisée dans le cadre du programme PVPS de l AIE (Agence Internationale de l Energie) 1 montre très clairement que le temps de retour énergétique des systèmes photovoltaïques est très bon, puisqu il varie entre 1,36 et 4,7 années selon le pays où est située l installation photovoltaïque et le type d intégration utilisé (en toiture terrasse ou en façade). 1 : Cette étude ainsi qu un résumé en Français sont téléchargeables sur le site ww.hespul.org sous le nom «Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities» Cette étude concerne uniquement les filières du silicium mono et polycristallin, car elles sont les plus «consommatrices d énergie». Leur production nécessite des températures très élevées, notamment pour la production de silicium et de wafers. Enjeux énergétiques et photovoltaïques 11

14 Enjeux énergétiques et photovoltaïques MWh/kWc Figure 7. Production d énergie cumulée d un système PV à Lyon au cours de sa durée de vie De plus les panneaux photovoltaïques ont une durée de vie supérieure à 30 ans et la très grande majorité des fabricants garantissent une perte de rendement inférieure à 20% au bout de 20 ou 25 ans d exploitation. Sur toute la durée de sa vie (qui est bien plus longue que la durée du contrat d achat), le système photovoltaïque produira donc plusieurs fois l énergie nécessaire à sa fabrication (transport des composants et matières premières inclus). Le recyclage Toiture PV Façade PV Les modules photovoltaïques Le procédé de recyclage des modules à base de silicium cristallin (qui représentent 95 % du marché) consiste en un simple traitement thermique qui permet de séparer les cellules photovoltaïques du verre et de récupérer l aluminium, le métal, le cuivre et l argent qui représentent environ 85% du poids d un module. Seuls les composants en plastique comme le film en face arrière des modules, les joints, les gaines de câble ou la boite de connexion sont brûlés et donc non recyclés. Le silicium recyclé ainsi obtenu est ensuite intégré dans le process de fabrication des cellules et utilisé pour la fabrication de nouveaux modules. Concernant les couches minces, il s avère que les technologies utilisées sont très différentes (Silicium amorphe, Tellurure de Cadmium (CdTe), Cuivre Indium Galium Sélénium (CIGS), etc) et que certaines technologies utilisent des matériaux toxiques, an (Source : PVPS de l AIE) comme le Cadmium, qui doivent être traités avec une attention particulière. C est pour cela que chaque fabricant est en train de mettre en place des procédés de recyclage propres à leur technologie. Pour ces technologies, il est important de s assurer que le fournisseur garantisse la récupération et le recyclage des panneaux en fin de vie. Dans ces deux cas, le principal problème réside essentiellement dans la collecte des modules photovoltaïques en fin de vie. C est en partie pour résoudre ce problème qu est née l association PV- CYCLE ( dont l objectif est la structuration de la filière de recyclage des modules photovoltaïques et la mise en place de démarches volontaires de récupération des déchets photovoltaïques. L objectif de PV-CYCLE est de parvenir à un recyclage de 85% des modules photovoltaïques en fin de vie à l horizon Les onduleurs La nouvelle génération de ces appareils de haute technologie est très fiable. D après les fabricants, ils doivent tenir 10 ans en moyenne avant la première panne, ce qui est confirmé par le retour d expérience du marché allemand. Le prix de l onduleur représente en principe 10 à 15% de l investissement global. Son coût de remplacement en cas de panne après la période de garantie peut donc être pris en compte dans le calcul du retour sur investissement, sachant que les fabricants s orientent de plus en plus pour les gros systèmes vers la vente d un «service d ondulation» plutôt 12

15 Enjeux que d appareils, ce qui signifie qu ils garantissent par contrat la fiabilité du fonctionnement des onduleurs. Concernant leur recyclage, la directive européenne n 2002/96/CE (DEEE ou D3E) portant sur les déchets d équipements électriques et électroniques a été adoptée au sein de l union européenne en Elle oblige depuis 2005, les fabricants d appareils électroniques, et donc les fabricants d onduleurs pour systèmes photovoltaïques, à réaliser à leurs frais la collecte et le recyclage de leurs produits. 3. Quel est l avenir du photovoltaïque? Source d électricité 100% propre et fiable pour des usages très variés, le photovoltaïque figurera sans nul doute à l avenir parmi les principales sources mondiales. Son handicap majeur reste un coût encore élevé comparé aux sources conventionnelles et aux filières renouvelables plus mûres. Mais ce coût diminue entre 5 et 10% par an, ce qui devrait permettre, comme le montre le graphique ci-dessous, d être compétitif au coût du kwh photovoltaïque avec celui vendu au consommateur final par les fournisseurs : c est ce qu on appelle la «parité avec le réseau». Elle se produira d abord dans les zones ensoleillées (1 800 heures par an, au Sud de l Italie par exemple) puis progressivement partout en Europe et dans le monde (900 heures par an, au Nord de la France), en fonction du niveau d ensoleillement d une part, du prix de l électricité de détail d autre part. C est précisément pour accélérer cette baisse que les autorités nationales et internationales engagent des politiques de soutien de la filière photovoltaïque visant le long terme, comme les tarifs d achat. (cf. Fiche Tarif d achat) Ces efforts en faveur d une technologie particulière ont un coût pour la collectivité. Il est donc essentiel que la collectivité soit payée en retour, à la fois par la baisse régulière des coûts jusqu à atteindre la «parité avec le réseau», mais aussi par une baisse des prix qui reflète effectivement cette réalité, ce qui signifie que c est à chaque acteur de la filière de prendre sa part de l effort commun et ses responsabilités. En 2007, la puissance installée en France atteignait à peine 27 MWc, 105 MWc à fin 2008 dont 48 en métropole, ce qui est très peu, en comparaison des plus de MWc installés chez nos voisins allemands. Mais, l énergie photovoltaïque bénéficie d un taux de croissance exceptionnel depuis la mise en application des nouveaux tarifs d achat en 2006, avec une croissance de la puissance raccordée au réseau de 170% entre 2006 et Comme illustré dans la Fiche Tarif d achat, cette dynamique devrait se poursuivre grâce à une offre en photovoltaïque de plus en plus compétitive. Enjeux énergétiques et photovoltaïques Fourchettes de prix par kwh Réseau prix de gros Réseau prix de détail Photovoltaïque Le croisement des courbes vertes et rouges signifie qu il n y aura à ce moment là plus besoin de subventions ou d aides publiques quelconques pour qu investir dans un système photovoltaïque soit «rentable» : dès aujourd hui dans le sud de l Italie, en 2020 au plus tard au Nord de la France. Figure 8. Evolution prévisionnelle des prix de l électricité photovoltaïque Source : Wilfried Hoffmann EPIA 13

16 Enjeux énergétiques et photovoltaïques 4. Le photovoltaïque et les agriculteurs Le milieu agricole a une place importante à prendre dans le développement de ce marché et ceci pour diverses raisons. D une part, les agriculteurs et les coopératives disposent de grandes surfaces de toitures sur leurs hangars et bâtiments. Ces toitures bénéficient généralement de bonnes conditions d ensoleillement notamment grâce à l absence fréquente de masques. Ces toitures sont donc propices à l installation de systèmes photovoltaïques. D autre part, les responsables d exploitations agricoles ont l habitude de réaliser d importants investissements, seuls ou avec leurs outils collectifs, et sont plus susceptibles d investir dans ces solutions nouvelles que certaines autres catégories socioprofessionnelles. Le développement des systèmes photovoltaïques représente une bonne opportunité pour ce secteur, aussi bien du point de vue purement économique que pour la diversification des activités et la modernisation du milieu agricole. En effet avec le développement des énergies renouvelables (biomasse, biogaz, photovoltaïque et éolien), le secteur agricole devient un nouvel acteur incontournable pour la production d énergie «verte» et «locale». Cette fonction de producteur d énergie est importante à prendre en compte dans les schémas futurs de développement agricole compte-tenu que la consommation d énergie et la contribution de l agriculture à la production de gaz à effet de serre, y compris par les modes culturaux, ne sont pas négligeables. Par ailleurs, le développement de systèmes photovoltaïques de grande puissance et posés au sol, communément appelé «parcs au sol» ou «ferme photovoltaïque», concerne en premier lieu les agriculteurs puisque les terrains agricoles peuvent être convoités pour le développement de ce type d installations. Les agriculteurs et coopératives sont et vont être de plus en plus sollicités par les développeurs de parcs au sol et autres entreprises travaillant dans le photovoltaïque. Mais il faudra rester vigilant quant au développement de ces systèmes pour éviter des problèmes fonciers ou d éventuelles concurrences d utilisation des sols. (cf. Partie Technique, 7.6. centrales au sol). 14

17 Éléments techniques et étapes d un projet 1. Économiser l énergie avant tout Orientation des bâtiments, toiture et étanchéité Orientation des bâtiments Masques Qualité de charpente Pente de toiture Principales techniques d intégration en toiture Systèmes bénéficiant d une intégration complète Systèmes semi intégrés Étanchéité de ces systèmes Choix du système de pose et incidence sur le tarif d achat Surimposition en toiture Ventilation des modules photovoltaïque Technique 3. Choisir le matériel Les panneaux photovoltaïques Le silicium Les autres technologies Les éléments de connexion L onduleur Quelques principes de dimensionnement Le système centralisé ou modulaire Le dimensionnement de l onduleur La disposition des différents éléments Les normes en vigueur Raccordement de l installation La classification des branchements en fonction du niveau de puissance Les différentes configurations de raccordement au système Renforcement du réseau Démarches administratives Maintenance & Exploitation Maintenance et nettoyage des modules photovoltaïques Changement de l onduleur et des autres composants Suivi du système Facturation Charges d exploitation Assurances Tarif d utilisation du réseau (TURP) Contrat de maintenance Spécificités liées au monde agricole Les bâtiments d élevage Photovoltaïque et champs électromagnétiques Dépose des toitures en amiante Le cas des silos à grain Les utilisations hybrides (photovoltaïque / thermique) Les centrales au sol... 38

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19 1. Économiser l énergie avant tout 2.1. Orientation des bâtiments Des aspects généraux aux centrales photovoltaïques doivent être pris en compte pour raisonner l investissement en milieu agricole. Le premier de ces éléments concerne l orientation du bâtiment et de ses toitures : la productivité d une centrale sera optimum sous nos latitudes pour une toiture exposée plein sud, avec une pente de 30. Pour autant, une orientation différente de cet optimum n interdit pas la pose d une centrale photovoltaïque, elle limite la capacité de production de celle-ci. Le tableau ci-dessous présente l incidence de productivité d une centrale dans différents cas de pente et d orientation de la toiture par rapport à l optimum. Dans la pratique, on retiendra qu un projet, pour conserver un potentiel de rendement satisfaisant, doit respecter une orientation sud +/- 30, et une pente de toiture supérieure à 10. Au-delà de ces contraintes, un calcul précis devra être effectué par l installateur ou un bureau d étude compétent. Par exemple, une implantation en Pour obtenir la meilleure satisfaction d un système solaire photovoltaïque, il ne faut pas le considérer comme un simple équipement posé n importe où, mais comme la pièce maîtresse d une approche globale visant à diminuer la pression sur l environnement de la consommation et donc de la production d électricité. Il doit aussi être harmonieusement intégré dans un contexte social, financier et culturel. La démarche pas à pas décrite ci-après a pour vocation d aider le monteur de projet à atteindre ces objectifs. En plus des points classiques à tout système photovoltaïque, elle traite des spécificités des systèmes sur bâti à vocation agricole. L électricité est considérée comme la forme la plus noble de l énergie, parce qu on peut l utiliser de multiples manières mais aussi car elle est la plus difficile et la plus chère à produire économiquement et énergétiquement. Elle se transporte très rapidement à la vitesse de km par seconde mais on ne sait que très mal la stocker 1. C est pourquoi elle doit être réservée aux applications pour lesquelles il n y a pas d autre solution comme l éclairage, les appareils électroniques ou les moteurs. En revanche, pour le chauffage de l eau, de l espace ou de la nourriture, il est recommandé d utiliser une énergie plus brute, chaque transformation de l énergie entraînant des pertes. Plus généralement, les économies d électricité doivent toujours être l objectif premier notamment lorsque l on projette l installation d un toit photovoltaïque dont les coûts sont élevés. D ailleurs de nombreuses régions vont dans ce sens puisqu elles conditionnent l attribution de leurs aides à la réalisation d économie d énergie. 1. Les batteries, seule technologie aujourd hui disponible, ont une très mauvaise efficacité et peuvent provoquer des dommages graves à l environnement et à la santé à cause des métaux lourds employés (plomb, cadmium ). 2. Orientation des bâtiments, toiture et étanchéité région sud de la France, avec un potentiel d ensoleillement élevé, permet de s écarter un peu plus des conditions optimales tout en conservant un niveau de production et une rentabilité suffisante. Cas des projets neufs : lorsque le projet de centrale photovoltaïque est associé à un projet de bâtiment neuf, il faut prévoir dès le dépôt du permis de construire une orientation qui se rapproche le plus du plein sud et une pente de toiture au moins égale à 20 (voir ci-après). Figure 1. Facteurs de correction en fonction de l orientation et de l inclinaison Source : Hespul Éléments techniques et étapes d un projet Technique 17

20 À noter! Il ne faut pas oublier que l usage premier est agricole et que selon le type d activité il peut y avoir des besoins particuliers de ventilation ou d éclairage pour les bêtes, de hauteur pour le stockage. Il ne faut pas que l optimisation du photovoltaïque passe outre ces besoins. Éléments techniques et étapes d un projet 2.2. Masques Il faut éviter tout ombrage des panneaux pendant la période d ensoleillement à tout moment de la journée et aux différentes saisons. Attention! Si un seul panneau dans une série est ombragé, même partiellement, c est la production de la série toute entière qui peut être diminuée. Il faut donc apporter un soin particulier À noter! 2.3. Qualité de la charpente à cette question. Il est parfois impossible d éviter totalement les masques. Montagnes, arbres, cheminée, poteau électrique peuvent constituer autant d obstacles qui vont provoquer des pertes plus ou moins importantes. Les cheminées et les antennes satellites peuvent avoir un impact non négligeable sur la production annuelle s ils sont trop proches des modules. Il est nécessaire de vérifier que ces éléments ne porteront aucun ombrage au système. Il est indispensable de mesurer ces pertes dues aux masques à l aide d un «relevé de masques», ce qui permettra de faire une estimation du potentiel solaire de la toiture et donc de la production pouvant être attendue (en kwh/an par KWc installé). Une méthode simplifiée est disponible sur le site internet de l association Hespul ( Avant d envisager la pose d une centrale photovoltaïque, il convient d intégrer le fait que le bâtiment qui va la supporter devra avoir une longévité équivalente à celle du contrat de livraison d électricité (20 ans), mais également à la durée de vie des panneaux si l exploitant décide de continuer à exploiter sa centrale à la fin du contrat de vente. Il convient donc d examiner avec attention la qualité globale du bâtiment et plus particulièrement de sa charpente, qui doit pouvoir répondre à cette contrainte de longévité. À la différence des habitations, les structures des bâtiments agricoles sont en général calculées avec peu de marges de sécurité compte tenu des contraintes de prix. En cas de bâtiment neuf, le cahier des charges proposé au constructeur devra intégrer les contraintes de la centrale photovoltaïque. Cette question de la capacité de la charpente à supporter la charge est par contre primordiale en cas de réhabilitation de bâtiments anciens. À noter! La qualité de la charpente doit s apprécier par sa capacité à recevoir une charge pondérale suffisante : les panneaux pèsent en général 12 à 14 kg par m². Si l on ajoute au poids des panneaux celui apporté par le système de pose et d intégration (chevrons supplémentaires, écran sous-toiture souple ou rigide, etc.), on peut atteindre jusqu à 20 ou 25 kg au m² dans le pire des cas. Cette charge viendra en substitution de la toiture antérieure si la centrale est intégrée au bâti. En cas de pose des panneaux en superposition, il faut se souvenir que l on rajoute une charge de 12 à 14 kg au m² par rapport à la toiture existante. Attention, dans tous les cas de figures, on crée une différence de charge entre le versant sud photovoltaïque de la toiture, et le versant nord qui reste dans sa configuration antérieure. A titre d exemple : Charpente métallique avec couverture en bac acier simple ou tôles : demander impérativement les calculs de structure au fournisseur ou faire réaliser une étude par un bureau d étude de charpente. Charpente métallique ou bois en bon état général, avec couverture en plaques de fibrociment (amiantée ou non) : pas de problème particulier, la pose d une centrale photovoltaïque peut s envisager sans contraintes, sous la réserve de ne pas dépasser le poids initial des plaques de 18