Photovoltaique pour la strategie d énergie Christoph Ellert Association de physicien du Valais 16. Nov. 2013

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1 Photovoltaique pour la strategie d énergie 2050 Christoph Ellert Association de physicien du Valais 16. Nov. 2013

2 Contenu 1. Vue d ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique 2. Energie Solaire: base 3. Energie Solaire: technique 4. Energie Solaire: couts 5. Energie Solaire: recherche & future & discussion Page 2

3 Contenu 1. Vue d ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique 2. Energie Solaire: base 3. Energie Solaire: technique 4. Energie Solaire: couts 5. Energie Solaire: recherche & future & discussion Page 3

4 Consommation OFEN Energiestatistik 2012 Environnement? TWh 1/3 Electricité ~ 1/4 1/3 Produits petroliers, Gaz ~ 2/3 1/3 Page 4 Beaucoup à faire

5 Flux d énergie 2012 Foyers 1/3 Industrie 1/3 1/3 Transport Page 5

6 Consommation électrique Suisse : 63 TWh 2. Saturation d augmentation? 3. Distribution 1:1:1 4. Production: 59% hydro 36% Nucleaire 6% thermique 1/3 1/3 40% 60% 1/3 Page 6 Ref.: BFE/OFEN Elektrizitätsstatistik 2012

7 Flux d énergie électrique 59% hydro & 41% Nucleair & thermique 7%!!! Distribution 1:1:1 Foyers 1/3 Page 7 Industrie 1/3 1/3 Transport & service Ref.: BFE/OFEN Elektrizitätsstatistik 2012

8 Comparaison : Suisse - Allemagne renouvelable Solaire CH 60% 0.6 D 15% 3.5 CH D Page 8 Ref.: BFE/OFEN Elektrizitätsstatistik 2012

9 Contenu 1. Vue d ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique 2. Energie Solaire: base 3. Energie Solaire: technique 4. Energie Solaire: couts 5. Energie Solaire: recherche & future & discussion Page 9

10 Source & potentiel d énergie solaire Intensité: I = Puissance / surface Extérieur atmosphère: I ext = 1400 W/m 2 Niveau de mer: I sol = 1000 W/m 2 Heures ensoleillés: t sol = 24h 365 = 8760 h/an saison & journalier, meteo 1/8 t eff = 1100 h/an Rayonnement CH: P tot = surface I sol t eff = km W/m h = TWh 200x consommation total 800x consommation électrique 8% Surface CH est construite 60x consommation électrique 160x nucléaire&therm production électrique η=15% 24x nucléaire&therm production électrique Page 10

11 Exploitation d énergie solaire rendement η = Energie utile E el / Energie rayonnement E sol Effet quantique Chauffement classique Conversion par: 1. Absorption classique chaleur solaire thermique 2. Effet photoélectrique (prix noble Einstein 1921) tension électrique photovoltaïque Page 11

12 Contenu 1. Vue d ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique 2. Energie Solaire: base 3. Energie Solaire: technique 4. Energie Solaire: couts 5. Energie Solaire: recherche & future & discussion Page 12

13 Solaire thermique Photovoltaïque Eau chaude par solaire thermique η= 30 70% PV: courant électrique par cellule solaire η=15 20% Page 13

14 Principe d une cellule solaire Matériel de base: semi-conducteur Essentiel: gap énergétique entre valence et conduction Ideal: Shockley & Queisser 1961 Photon création d un paire électron trou Physique de semi-conducteur: dopage «p» et «n» zone avec champ électrique séparation électron trou Tension au borne À éviter: recombinaison d électron trou perte de rendement qualité du matériel monocristalline > poly cristalline > couche mince Influence de la température augment les pertes Page 14

15 Technologies divers Silicium: monocristalline, polycristalline ~85% du marché Matériaux composite: couche mince CdTe toxique η ~ 17% CuISe / CuIS compliqué η ~ 17% Si amorphe et microcristalline bonne marché: rendement η ~ 12% GaAs/InGaAs niches Cellule avec concentration de la lumiere: triple junction η=44,4% (Sharp 2013) Cellule colorant type «Grätzel» η ~ 12% stabilité amélioré voir EPFL «Flexible» même type autre substrat Cellule imprimé même type autre production Autres types (Pyrite FeS 2, Perowskit CaTiO 3 ) R & D Page 15 NZZ 9.oct 2013

16 O 2 Energie solaire autres options Moteur Stirling transfert de chaleur (ici: solaire) en énergie mécanique / electrique Concentration par miroir sur récepteur central température au délà de 2000 C e - Bias Thermo catalyse des substances chimiques Energie chimique (ex. hydrogène) E/eV Conduction band Hematite water Pt H 2 E 0 (H 2/H + ) Thermolyse décomposition des toxiques B i a s 1.23eV hν E 0 (OH - /O 2) Valence band Page 16 n-type Photoanode 4OH - O 2 +2H 2 O+4e - Electrolyte Pt-Cathode 4 e H 2 O 2H 2 + 4OH -

17 Combinaison Solaire thermique avec PV? Bonne idée! Possible - techniquement Réalisé et sur le marché Température du PV ensoleillé ~ 40 C 70 C Mais: température idéale PV < 30 C température pour le thermique ~ C Soit: à la température ou le thermique fonctionne le PV ne a perdu Soit: la température ou l investissement du refroidissement est utile le thermique ne donne plus rien Page 17

18 Energie solaire au cours du temps Non fiable? Bachelor HEI Sion, A. Perruchoud 2013 Injection au réseau publique Plus fréquents aujourd hui Exige investissements au réseau publique Consommation propre actuellement en vogue en Allemagne à cause du prix kwh élevé Stockage nécessaire partir de 10% énergie totale (Suisse: 0.6% actuellement!) En barrage, possible entre saison; exemple: Nant de Drance 2018 ~1 GW Local en batterie: techniquement réalisé, chère, stockage journalier Autres options? Chimique: prototype 6MW en Allemagne, sujet très en vogue Page 18

19 Contenu 1. Vue d ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique 2. Energie Solaire: base 3. Energie Solaire: technique 4. Energie Solaire: couts 5. Energie Solaire: recherche & future & discussion Page 19

20 Couts I pour l investisseur privé ou «grand» petit, privé grand, industriel puissance Investissement couts specifique CHF/Wp absolut CHF couts specifique CHF/Wp absolut CHF Panneaux PV Onduleur protection, cable Mecanique Installation Planning Total investissement initial frais credit %/an frais maintenance & reparation %/an Retour sur l'investissement Energie gagné specifique kwh/kwp*an Energie gagné absolut kwh Prix electricité sans subvention CHF/kWh subvention CHF/kWh prix total du vent / an CHF/kWh gagné chaque annee CHF apres annee #annee amortie apres annee #annee Page 20 calcul

21 Couts II: Combien ca coute pour le publique Suisse? Consommation électrique Suisse par an: industrie, transport & foyers 63 TWh = 63000GWh = MWh = kwh Potentiel de l énergie solaire Modules PV 12m 2 par habitant 1.8 kw p 2000 kwh/an 8 Mio habitants kwh = MWh 25% consommation Suisse Couts kwh subventionné avec 0.1 CHF/kWh 1.6 Mrd CHF/an rétribués sur 63 TWh prix d électricité +2.5 Rp/kWh Pour le privé: 1000 kwh/habitant an +2 CHF/mois Page 21

22 Comparaison de rendement Solarthermique vs Photovoltaique vs classical thermal power plant Solarthermie 50% mais: pas utile toute l année moyenner 20%??? PV % Centrale nucleaire ~ 33% (Carnot: eta ~ Delta T / T = 200 K / 600 K Central à Gaz/Vapeur ~ 50 60% Centrale thermique à charbon ~ 25 50% (avec couplage chaleur force 70 90%) Page 22

23 Contenu 1. Vue d ensemble Energie Suisse: production, consommation, totale& électrique 2. Energie Solaire: base 3. Energie Solaire: technique 4. Energie Solaire: couts 5. Energie Solaire: recherche & future & discussion Page 23

24 R & D aujourd hui... Nouveau matériaux ( physique, recherche fondamental) Optimisation des matériaux actuel HIT ~ 22% Réduction des couts sur chaque élément Bloomberg 2013 Page 24 ISE 2012 Freiburg

25 Arguments contre le PV Sunnegga, Zermatt Central PV rumeur: «courts durée de vie» Strom [ma] Ost, oben Ost, oben Ost, Mitte Ost, Mitte Ost, unten Ost, unten Leistung DC [Watt] Sion, Vissigen, Central PV Spannung [Volt] Page 25 Photowatt Module de1980

26 Arguments contre le PV «Photovoltaïque pollue l environnement aussi» Swissolar & energieschweiz, Merkblatt Photovoltaik Nr.11, 08/2013 Page 26

27 Arguments contre le PV «Retour d énergie plus petit qu ils ont consommé pour leurs production» ans Page 27 N. Jungbluth et al., Life-cycle Inventories of PV, ESU-Services, 2012 (im Auftrag des BFE)

28 Arguments contre le PV: Rumeur «pas possible en haute montagne» Hotel Weisshorn, 2300m Sunnegga, Zermatt, 2300m «Trop chère» (voir en haut) «Pas assez de surface» (voir en haut) «Toxique» une seule technologie (voir en haut) «Ca sert a rien en Europe car l Afrique & Asie ne font rien» Chine est plus active que l Europe Afrique: à nous d aider Page 28

29 «Attendre que rendement augment fortement»??? Ou est - on? η ~ 15 20% aujourd hui On compare avec quoi? 100%?? ou avec Centrale thermique & nucleaire, qui produise du dechet (CO2 ou autre), mais donne pas 100% non plus? Quoi est techniquement possible? 44% techniquement achevé, mais limites physique relative au couts Comparaison avec la nature: photosynthese ~ 1% 35% - selon étendu chimique/énergétique Page 29

30 PV an der HEI Sion Bachelor SI: A. Perruchoud 2013: «PV en haute montagne» Hotel Weisshorn à 2300m Centrale de test sur Batiment B en construction Système solaire avec stockage 2012/2013, en demenagement Supervision des centrale anciens: de 1993 (à Zermatt, Sion) Développement du système «DC-save» - Projet en cours Photovoltaïque für Togo 10kW p actuellement 100 kw p dans l avenir Page 30

31 Exemples PV Jolie à voire Raisonnable En petit En gros Aarau, 880m 2, 130 kw p Page 31

32 Merci pour votre attention!! Page 32 17/11/2013 Centrale PV Test 32