Quelle source d énergie pour les vingt prochaines années? Le solaire, une solution

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1 Quelle source d énergie pour les vingt prochaines années? Le solaire, une solution Travail de maturité Alexandra Catana, 3M7 Assistée par L. de Schoulepnikoff Gymnase Auguste Piccard Novembre

2 TABLE DES MATIERES 0. Introduction Les énergies renouvelables et les énergies non renouvelables L'énergie hydraulique L'énergie éolienne L'énergie solaire Les énergies solaires L'énergie solaire passive L'énergie solaire thermique L'énergie solaire photovoltaïque Différents types de cellules photovoltaïques Les cellules solaires en silicium monocristallin Les cellules solaires en silicium poly ou multicristallin Les cellules solaires en films minces Silicium amorphe Films minces n'utilisant pas le silicium Les cellules solaires à colorants (cellules Grätzel) Avantages et désavantages des cellules solaires photovoltaïques Rendement et géométrie solaire Etude de l'intégration de panneaux solaires photovoltaïques à l'aide du logiciel PVSYST Le logiciel PVSYST Etude de cas : bâtiment principal du Gymnase Auguste Piccard Description du bâtiment Résultats de simulation et discussion Etude de cas : bâtiment de la salle de gymnastique du Gymnase Auguste Piccard Description du bâtiment Résultats de simulation et discussion Intégration de panneaux photovoltaïques à l'epfl Conclusion Bibliographie

3 Résumé Parmi toutes les énergies vertes, l'énergie solaire est celle qui connaît actuellement le plus grand intérêt. Ce travail passe en revue les différents types d énergies vertes et se concentre sur l énergie solaire en mettant en évidence l énergie photovoltaïque et les différents types de cellules solaires utilisées pour la conversion d énergie. Ainsi, sont mis en évidence les avantages et désavantages des cellules en silicium monocristallin, polycristallin et amorphe mais aussi des cellules à base de films minces organiques et non organiques. Bien qu aujourd hui les panneaux solaires utilisent principalement le silicium polycristallin, il est bien probable qu à l avenir, pour réduire les coûts de production et installation, l industrie du potovoltaïque s orientera vers des cellules à films minces. La partie pratique de ce travail consiste en deux études de cas (bâtiment principal et bâtiment des sports du gymnase Auguste Piccard) qui sont utilisées pour étudier l intégration de panneaux photovoltaïques à base de silicium polycristallin et calculer la rentabilité. Les simulations sont faites à l aide du logiciel PVSYST développé par l Université de Genève. Les calculs montrent que la contribution de l énergie photovoltaïque aux besoins en énergie des ces bâtiments est relativement faible si on considère uniquement la pose de panneaux en toiture (environ 16% de l énergie électrique). Pour augmenter cet apport, il faut considérer également la mise de panneaux en façade ainsi que l utilisation de l énergie thermique. Sur la base des résultats obtenus à l aide de PVSYST, des calculs de rentabilité ont été faits. Ils montrent que le photovoltaïque n est pas rentable aujourd hui. Cela est dû principalement au coût élevé de l installation et de fabrication des cellules. Toutefois, d une part, la limite de rentabilité n est pas très éloignée et, d autre part, la situation pourrait bien changer dans un avenir pas si lointain si on tient compte d une augmentation du prix du KWh des énergies actuellement utilisées et de la diminution très probable du coût de la fabrication et de l installation des panneaux solaires. Cela est démontré par un calcul de rentabilité de l installation sur le bâtiment principal en tenant compte de variations du prix de l installation et du prix du kwh : ainsi, une diminution de 20% du coût de l installation et une augmentation de 20% du coût du KWh, hypothèse qui pourrait bien se vérifier d ici 20 ans, montrent que le photovoltaïque deviendra rentable. Par ailleurs, il ne faut pas oublier que ces calculs ne tiennent pas compte du facteur écologique qui sera de plus en plus important. Pour finir, les défis majeurs de l énergie photovoltaïque sont discutés à travers l interview d un des responsables d un projet concret d intégration photovoltaïque (EPFL-Energie Romande) ainsi que de manière plus générale. 3

4 0. Introduction Depuis passablement d années, de plus en plus de pays cherchent des solutions pour limiter leur dépendance par rapport aux énergies fossiles, lesquelles, selon leur utilisation très intensive actuelle, sont estimées ne durer plus qu'environ 100 ans. Ces réserves d énergies fossiles ne sont pas seulement épuisables rapidement mais elles sont aussi de plus en plus difficiles d accès et engendreront des coûts d exploitation de plus en plus élevés ; par conséquent, leur prix augmentera fortement ces prochaines années. Cette situation a incité au développement d autres sources d énergies, renouvelables, pour produire de l électricité ou pour chauffer de l eau. L énergie solaire occupe une place importante dans les efforts qui sont faits actuellement. Cela se comprend aisément surtout lorsqu on sait que moins de 3% de l énergie produite par le soleil en une journée pourrait couvrir les besoins annuels de l humanité! Mais, malgré ces efforts et le fait que, chaque jour, la terre reçoit une énergie de 1000 W/m 2 lorsque le soleil est au zénith, la conversion directe de l énergie solaire en électricité reste largement sous-exploitée. Elle ne représente que 0.01% de la production mondiale! Une des voies qui suscite un grand intérêt depuis quelques années est la conversion de l énergie solaire en énergie électrique par des cellules photovoltaïques. Après avoir passé en revue les énergies renouvelables, mon travail portera sur l étude des différents types de cellules photovoltaïques, de leurs avantages et de leurs inconvénients. Pour mettre en évidence l apport en énergie de telles cellules, j étudierai leur intégration dans un cas pratique, le gymnase Auguste Piccard, en utilisant le logiciel PVSYST développé par l Université de Genève. Pour cela, il aura été nécessaire de connaître des données propres au bâtiment (orientation, surface disponible en toiture, consommation énergétique, etc.) ainsi que certains paramètres comme l inclinaison optimale des panneaux solaires. Les résultats obtenus me permettront de faire des calculs de rentabilité pour le bâtiment principal et le bâtiment des sports du gymnase Auguste Piccard dans le but d étudier la pertinence de l utilisation du photovoltaïque pour remplacer ou compléter les sources d énergie actuellement utilisées. De plus, sur la base d hypothèses portant sur l évolution du prix du kwh et des installations photovoltaïques, des calculs de rentabilité montreront comment des variations de ces paramètres influencent la rentabilité. Je présenterai ensuite un cas récent portant sur l intégration de panneaux solaires sur les toits de l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), un projet d envergure entre l EPFL et Energie Romande qui montre l importance des efforts mis en place pour l utilisation de cette forme d énergie. Je finirai par quelques réflexions concernant l avenir des cellules solaires. 1. Les énergies renouvelables et les énergies non-renouvelables Les énergies renouvelables apparaissent aux cours de phénomènes naturels. De ce fait, elles peuvent se régénérer naturellement à l échelle d une vie humaine. Ces énergies ne peuvent être épuisées, car elles proviennent soit du soleil, soit du vent ou encore de l eau comme nous 4

5 allons le voir par la suite. Ces trois éléments ne peuvent disparaître à moins d un cataclysme rendant la vie sur terre impossible. Par opposition aux énergies renouvelables, les énergies non-renouvelables sont des énergies épuisables à l échelle de l homme, c'est-à-dire qui ne se renouvellent pas assez rapidement voire pas du tout. Les sources d énergie non-renouvelables découlent principalement des hydrocarbures, c'est-àdire le gaz naturel, les huiles ou le pétrole. Les énergies non-renouvelables peuvent être classées en deux catégories : - d un côté, les énergies dites fossiles, qui proviennent principalement du charbon, du mazout, du gaz naturel et du pétrole. Ces énergies fossiles sont dites nonrenouvelables car elles ont une vitesse de régénération très lente. De plus, la consommation intensive actuelle de ces énergies pourrait en provoquer l épuisement définitif à moyen terme. - de l autre coté, les énergies nucléaires, qui sont non-renouvelables car la matière première en est l uranium. Or, les gisements de ce dernier sont limités. Pour pouvoir mieux comprendre les enjeux des énergies renouvelables, nous allons en distinguer les trois différentes sortes. 1.1 L énergie hydraulique L énergie hydraulique apparaît lorsqu il y a un déplacement de fluide, en particulier de l eau bien que l huile soit aussi utilisée pour produire de l énergie (14). Le déplacement des fluides crée un travail mécanique, donc par conséquent de l énergie; l eau d un courant fait tourner une turbine, puis ce mouvement peut être utilisé pour produire de l'électricité au moyen d'une dynamo (loi d'induction de Faraday). De plus, certaines centrales hydrauliques utilisent l'énergie des marées, l'énergie des vagues ou encore l'énergie des courants marins pour produire de l électricité. Il est à remarquer qu il y a une différence entre l énergie hydraulique dans le cas d un cours d eau et celui d une chute d eau. En effet, dans le premier cas, l énergie est cinétique, car l électricité est générée grâce au mouvement de l eau, alors que dans le cas de la chute d eau, l énergie est dite potentielle car il y a une différence de position entre le début et la fin de la chute par rapport au sol (bien que l'énergie potentielle soit transformée en énergie cinétique, et c'est cette dernière qui fait tourner la dynamo). Aujourd hui, de toutes les énergies renouvelables, c est l énergie hydraulique qui est le plus utilisée. 5

6 1.2 L énergie éolienne L énergie éolienne provient du vent grâce à une éolienne ou à un moulin à vent, c'est-à-dire par un procédé aérogénérateur. Les éoliennes utilisent la force motrice du vent de deux façons : - soit pour conserver l énergie mécanique, par exemple le vent est utilisé pour faire avancer un navire à voile - soit comme transformateur de vent en énergie électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif (loi d'induction de Faraday). Le problème majeur des éoliennes provient du fait qu elles doivent respecter la protection du paysage et de la faune, ce qui n est pas toujours le cas vu le placement de celles-ci (5). De plus, les éoliennes étant tributaires des conditions météorologiques, elles ne produisent pas de l énergie 24 heures sur 24 et ont de ce fait un faible rendement. Par contre elles requièrent peu de maintenance et leurs coûts d installation sont faibles par rapport aux coûts d installation relatifs aux autres énergies renouvelables (selon une étude réalisée par la Commission d Energie de l Etat de Californie, 2007, dont les résultats sont reportés dans Business Insights (24)). 1.3 L énergie solaire L énergie solaire est la plus abondante source d énergie renouvelable sur la Terre. C est l énergie créée par le rayonnement solaire. L énergie solaire est à l origine du vent, du cycle de l eau et aussi de la photosynthèse dont dépendent les règnes végétal et animal. Donc, nous pouvons dire que l énergie solaire est à la base de presque toutes les énergies sur Terre. Il n y a que le nucléaire, la géothermie et l énergie marémotrice qui ne sont pas dérivées du soleil. Des estimations montrent que l énergie solaire qui atteint la surface de la Terre chaque année est entre 700m TWh et 900 TWh. La consommation globale d énergie sur Terre est environ 50'000 TWh (dont un tiers correspond à l énergie électrique (24)). Par conséquent, la quantité totale d énergie solaire arrivant sur Terre est '000 fois plus importante que la consommation globale d énergie et '000 fois plus grande que la consommation d énergie électrique! L énergie solaire ne peut pas être utilisée directement. Elle doit être transformée en d autres formes d énergies, par exemple en énergie cinétique, thermique ou encore en électricité, ce qui, de nos jours, devient de plus en plus utile. 6

7 Nous pouvons utiliser cette énergie de plusieurs manières : - en bénéficiant directement du rayonnement solaire (énergie passive) - en utilisant la chaleur du rayonnement solaire (énergie thermique), - en transformant le rayonnement solaire en électricité grâce à des cellules photovoltaïques (énergie photovoltaïque). 2. Les énergies solaires 2.1 L énergie solaire passive L énergie solaire passive consiste à profiter au maximum de l apport direct du soleil c est la plus ancienne utilisation de l énergie solaire. C est dans la conception architecturale qu on prendra soin d y faire attention (par ex. orientation, surface vitrée, façades ). Le bâtiment doit être conçu d une façon appropriée pour pouvoir profiter de cet apport. La conception de bâtiments dans ce but est appelée bioclimatique. Cette approche permet d utiliser l énergie solaire passive pour chauffer soit tout un bâtiment, soit une partie de celui-ci, pour un coût très faible. Le problème majeur avec l énergie passive provient du fait que les bâtiments déjà construits n ont pas forcément tenu compte de la situation géographique pour profiter un maximum du rayonnement (pour optimiser l énergie passive, il faudrait placer les habitations en direction du sud). Si on voulait profiter au mieux de cette source d énergie, il faudrait détruire les habitations existantes pour les remplacer par des bâtiments bioclimatiques. Naturellement, cela n est pas envisageable. Par contre, après la construction, il est possible d améliorer l'isolation des façades pour diminuer la déperdition de chaleur. De nos jours, l Etat encourage ce type de mesures par des aides financières. 2.2 L énergie solaire thermique Le principe de l énergie thermique consiste à transformer le rayonnement solaire en énergie thermique grâce à un fluide qui circule dans des panneaux exposés au soleil. Cette forme de conversion d énergie peut être directe si on veut uniquement chauffer de l eau sanitaire. Par contre, si on veut générer de l électricité, il faudra utiliser des moteurs qui convertissent l énergie thermique générée en électricité (par exemple, moteurs à air chaud). Le principe de fonctionnement de l énergie solaire thermique est montré en Figure 1. Pour commencer, le rayon solaire traverse une plaque de verre transparente ; le rayon lumineux sera alors absorbé après avoir passé la plaque de verre, par une plaque de métal noir qui absorbera environ 80 à 90% des rayons solaires. Puis, la chaleur ainsi générée est transmise à un circuit d eau qui alimente un circuit secondaire qui, à son tour, alimente une habitation en eau sanitaire ou en chauffage. 7

8 Figure 1: Principe de fonctionnement de l'énergie solaire thermique La composition d un panneau solaire thermique est montrée dans la Figure 2 : un corps opaque qui absorbe le rayonnement solaire en s échauffant ; un système de refroidissement par le fluide caloporteur (transportant l énergie) ; un isolant thermique situé sur les faces non exposées au rayonnement et une couverture transparente sur la face exposée, destinée à assurer l effet de serre à l intérieur du capteur. Figure 2 : Composition d un panneau solaire thermique L énergie thermique utilise la chaleur du rayonnement solaire pour le chauffage de bâtiments ou de l eau sanitaire. Pour cette dernière il est intéressant de savoir que le chauffage d eau sanitaire représente environ 20% des dépenses énergétique d un foyer et que l énergie solaire thermique peut subvenir à environ 80% de cette dépense énergétique. 8

9 L énergie solaire thermique a un bon potentiel pour le chauffage d une maison. Son rendement peut atteindre 40%. Toutefois, l ensoleillement est au maximum en été, alors qu en été l utilité de l eau chaude est la plus faible. Cette énergie pose donc le problème du stockage. Elle ne pourra donc pas être utilisable en grande quantité. Pour ce qui est des centrales solaires thermiques à grande échelle, elles demandent de très grandes surfaces au sol et ne peuvent être installées que dans des régions géographiques o le rayonnement solaire est important. De plus, des moteurs et des lignes à haute tension sont nécessaires si on veut transformer cette énergie en électricité et l amener aux consommateurs. A titre de comparaison, le coût du kw installé est environ deux fois plus élevé que pour l énergie éolienne et deux fois moins élevé que le coût du kw photovoltaïque (24). 2.3 L énergie solaire photovoltaïque Au contraire de l énergie solaire thermique qui utilise le soleil comme source de chaleur, l énergie solaire photovoltaïque utilise le soleil comme source de lumière en transformant en électricité l énergie des photons arrivant à la surface de la Terre. Cette transformation (effet photovoltaïque) est sans action mécanique, sans bruit, sans pollution et sans combustible. L effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français A. Becquerel en Le mot «photovoltaïque» vient du mot «photo» (du grec «phos» qui signifie «lumière») et du mot «Volt» (patronyme du physicien Alessandro Volta qui a contribué de manière très importante à la recherche en électricité). L effet photovoltaïque est basé sur l absorption des photons par un matériau semi-conducteur; cette absorption génère des paires d électrons/trous, donc un courant électrique ; l énergie solaire est donc transformée directement en électricité. La cellule photovoltaïque la plus commune est constituée de l empilement de deux couches de silicium que l on a exposées au préalable à des faisceaux d ions, l une à des ions de phosphore(-), l autre à des ions de bore(+). Ce procédé est appelé le «dopage» et sert à créer un champ électrique entre la couche dopée + et la couche dopée - (voir Figure 3 ci-dessous). Lorsque l énergie solaire, c'est-à-dire les photons, arrivent à la surface de la cellule solaire, ceux-ci excitent les atomes de silicium et créent des charges positives et négatives. Ces charges sont mises en mouvement par le champ électrique créé par la jonction (entre la partie chargée négativement du semi-conducteur (phosphore) et la partie positive du semiconducteur, (bore)), ce qui produit un courant électrique. Ce courant est collecté par deux électrodes, une positive, l autre négative. L électrode supérieure, (électrode négative cf. Figure 3) est une grille car elle doit permettre le passage des rayons lumineux. Sur la surface inférieure de cette électrode est déposée une couche antireflets afin d accroître la quantité de lumière absorbée. Cet effet est appelé l effet photovoltaïque. 9

10 Figure 3: Schéma de principe de l'effet photovoltaïque L énergie photovoltaïque consiste donc à transformer, à l aide d une cellule photovoltaïque, le rayonnement solaire en électricité. Ces cellules photovoltaïques sont regroupées pour former des panneaux solaires que nous trouvons de plus en plus sur les toits d une maison, d un parking, sur des marquises de gare, des luminaires de rue ou autre constructions. L électricité produite grâce aux cellules photovoltaïques peut être utilisée pour une consommation personnelle et/ou être injectée dans un réseau public. Par exemple, elle peut être utilisée comme source d appoint, par exemple pour chauffer un chalet. Dans d autre cas, l'utilisation du photovoltaïque sur de grandes surfaces peut générer une grande quantité d énergie, c est le cas pour des centrales d énergie photovoltaïque, de grands parcs qui regroupent plusieurs centaines de m 2 de panneaux. Dans certains cas, l énergie générée peut couvrir totalement les besoins d un bâtiment et même générer un surplus. Ce surplus est injecté alors dans un réseau de distribution public ou bien il est stocké. Les panneaux solaires sont installés en toiture ou en façade des bâtiments, de préférence lors de la construction du bâtiment, afin d abaisser les coûts et de permettre une meilleure intégration architecturale. En particulier, depuis quelques années, l intégration de panneaux solaires sur les surfaces vitrées est devenue réalisable grâce aux cellules à colorants, qui sont transparentes. L énergie solaire photovoltaïque a un grand potentiel de développement. Ses avantages sont les suivants : son carburant est gratuit, c'est-à-dire que la seule ressource dont a besoin un panneau solaire est le soleil, et de plus la majeure partie des cellules photovoltaïques sont conçues à base de silicium, qui est un matériau abondant et non-toxique ; le module photovoltaïque a une espérance de vie élevée (environ une trentaine d années) ; les matériaux utilisés pour leur fabrication (le silicium, le verre, l aluminium, etc.) peuvent être réutilisés ; les systèmes photovoltaïques demandent peu de maintenance et peuvent être installés par des non-spécialistes. 10

11 Les principaux défis de l énergie solaire photovoltaïque sont les suivants: 1) Réduction des coûts des installations. Le kw installé coûte environ CHF 10'000, ce qui est, sans tenir compte de la capacité des centrales correspondantes, 5 fois plus cher que l énergie éolienne ou le gaz et 3 fois plus cher que l énergie nucléaire (ces chiffres sont indicatifs et proviennent d une étude réalisée en Californie (25)). Ces coûts élevés proviennent en grande partie du fait que la production de cellules solaires photovoltaïques font appel à des technologies coûteuses, les mêmes qui sont utilisées dans l industrie de la microélectronique (fabrication de circuits intégrés). 2) Réduire les émanations de gaz à effet de serre lors de la transformation de la silice en silicium. 3) Réussir l intégration architecturale. Dans la majorité des cas les panneaux solaires sont posés sur la surface des toits mais ils peuvent également être posés sur les façades où ils offrent des solutions d intégration architecturale intéressantes comme surfaces vitrées ou miroirs de bâtiments modernes (Figure 4) ; ces solutions peuvent être utilisées d une part, dans des bâtiments existants (en remplacement de surfaces vitrées et façades miroir) mais, également, dans des constructions nouvelles. L intégration de tels panneaux en toiture et en façade est plus facile et moins coûteuse lorsqu elle est réalisée à la construction du bâtiment. En effet, il existe aujourd hui des éléments de façade multifonctionnels: par exemple des éléments constitués d un panneau photovoltaïque et d un panneau d isolation. Des éléments de toiture (tuiles) sont également disponibles. Figure 4 : Electrification photovoltaïque en façade Au contraire des nouvelles constructions et des grands bâtiments avec des dégagements autour d eux, installer du solaire dans des quartiers anciens peut s avérer un vrai casse-tête. Les maisons sont souvent collées les unes aux autres et les façades laissent peu d espace à la pose de panneaux. Le Laboratoire d Energie Solaire de l EPFL a récemment mené un projet visant à optimiser l utilisation de cette énergie dans le milieu urbain (20). 11

12 3. Différents types de cellules photovoltaïques Les cellules photovoltaïques se présentent actuellement principalement sous trois formes, qui sont exposées dans les paragraphes 3.1 à 3.3 ; (8), (9), (15), (16), (19) 3.1 Les cellules solaires en silicium monocristallin (rendement : 12%à 20%) Figure 5 : Panneau en Si monocristallin Ces cellules sont fabriquées à partir de silicium monocristallin pur. Le silicium a une structure cristalline simple avec quasiment aucun défaut ou impureté. Le principal avantage des cellules monocristallines est leur haute efficacité, avec un rendement de l ordre de 15% et une durée de vie allant de 30 à 40 ans. D un autre côté, le procédé de fabrication de ces cellules monocristallines est compliqué et donc, le coût est élevé comparé aux coûts de fabrication de cellules utilisant du silicium polycristallin ou amorphe. Mais il faut savoir que les cellules en silicium monocristallin sont plus efficaces que les autres et qu elles ont un meilleur rendement en pleine lumière. Par contre, leur rendement est beaucoup plus faible lorsque la luminosité est faible, ce qui n est pas le cas par exemple pour les modules utilisant le silicium amorphe (voir Figure 6). 12

13 Figure 6 : Graphique de l efficacité d une cellule en fonction de la température Différentes méthodes industrielles sont utilisées pour la fabrication des cellules monocristallines, mais elles se basent principalement sur la méthode de Czochralski pour les agrandir, ou pour en tirer un cristal parfait qui aurait une forme solide cylindrique. Une autre méthode est la EFG (Edge-defined Film-fed Growth) : cette méthode consiste à couper les cellules à partir d un octogone, de façon à pouvoir mettre une densité beaucoup plus grande dans les modules. 3.2 Les cellules solaires en silicium poly ou multicristallin (rendement : 11%-15%) Figure 7 : Panneau en Si polycristallin Le matériau à la base des cellules polycristallines est issu des sciures du silicium monocristallin. Le processus de fabrication consiste à faire fondre le silicium puis à le couler dans des lingots. Ces lingots ont une forme carrée ou rectangulaire. Ils sont ensuite coupés en 13

14 gaufrettes fines (0.2 mm d épaisseur) dont la largeur et la longueur sont de l ordre de 101,5 X 101,5 mm ou 120 X 120 mm, puis rassemblés et encapsulés dans une cellule complète. Figure 8 : Fabrication d un module photovoltaïque Dans le but de réduire les coûts de fabrication, d autres méthodes sont explorées, notamment le dépôt de films de silicium polycristallin sur des substrats comme le quartz par des procédés chimiques. Les cellules polycristallines sont meilleur marché à produire que les cellules monocristallines, car bien que leur processus de fabrication est le même, les cellules polycristallines utilisent un autre procédé d obtention du silicium. Le silicium polycristallin est obtenu par la refonte du silicium monocristallin après le procédé d équarrissage lors de la fabrication des cellules monocristallines. Les chutes obtenues sont placées dans un creuset porté à C. Après la phase de fusion, le fond du creuset est refroidi. On oriente de bas en haut la solidification, pour lui donner une structure colonnaire multicristalline. Le lingot obtenu est ensuite découpé. Les cellules polycristallines sont légèrement moins efficaces que les cellules monocristallines (environ 12%), mais elles ont la même durée de vie, c'est-à-dire de 30 à 40 ans. Leur rendement, tout comme celui des modules monocristallins, diminue lorsque le rayonnement solaire est faible. Une autre approche consiste à déposer des films de silicium polycristallin par évaporation sur un substrat. Le coût du sciage du lingot de silicium est économisé et la quantité de silicium par module solaire peut être réduite significativement. Il est à relever que parmi les autres types de cellules, ce sont les cellules polycristallines qui ont le meilleur rapport qualité prix. 14

15 3.3 Les cellules solaires en films minces Silicium amorphe (rendement : 5%-9%) Figure 9 : Panneau en Si amorphe Le silicium amorphe (c.à.d, un ensemble d atomes désordonnés) est produit par la déposition de silicium sur un substrat. Le substrat peut être rigide ou flexible ce qui rend possible la réalisation de cellules sur des surfaces courbes et des modules «pliables». Les cellules en silicium amorphe peuvent aussi être plus fines car une épaisseur de couche de l ordre de quelques micromètres est suffisante. C est pour cette raison que le silicium amorphe est aussi connu sous le nom de «film mince». Le rendement des cellules amorphes est plus faible que celui des cellules cristallines, mais ces cellules demandent bien moins de silicium et sont meilleur marché à produire. Leur prix les rend très attractives pour beaucoup d applications ou une haute efficacité n est pas requise. L inconvénient est que ces modules produisent deux fois moins d électricité, et de ce fait, pour obtenir une production identique, il faut une plus grande surface. Pour l instant, ces modules sont utilisés, par exemple, sur des calculettes ou sur des montres Films minces n utilisant pas le silicium (rendement :10%-20%) Le faible rendement des cellules à base de silicium amorphe ont motivé les scientifiques à chercher des alternatives. Le matériau le plus prometteur est le tellure de cadmium (CdTe) qui offre la possibilité de produire des modules à des coûts plus faibles avec un rendement de 10%. Un autre matériau qui fait l objet de beaucoup d intérêt de la part des scientifiques est le cuivre-indium-gallium-diselenide. Récemment, des rendements de 20% ont été obtenus avec ce matériau selon une publication du National Renewable Energy Laboratory aux Etats-Unis (23). L attrait pour ce type de matériaux n est pas seulement dû à leur rendement, mais aussi au fait que les procédés de fabrication sont bien moins coûteux que ceux des cellules à base de silicium polycristallin ou monocristallin. Un autre avantage économique est le suivant : le temps nécessaire à une installation basée sur des films minces sans silicium pour produire plus d énergie que celle qui a été nécessaire à sa réalisation est de trois ans et on prévoit que 15

16 ce temps pourrait être réduit à un an, ce qui est bien plus court que les quatre années nécessaires pour les installations actuelles à base de silicium polycristallin (24) Les cellules solaires à colorants (cellules Grätzel)(rendement :10%) D autres matériaux plus complexes font l objet de recherches à l EPFL depuis le début des années 90: les films semi-conducteurs nanocristallins à colorant. Le fonctionnement de ce type de cellules est inspiré de la photosynthèse. En effet, des électrons sont produits dans une couche de matériau semi-conducteur transparent (TiO 2 ) sous l effet de l excitation par rayonnement solaire de pigments qui ont été incorporés sous la forme de monocouches en surface du TiO 2 (par exemple des Pérylènes et Phtalocyanines comme montrés dans la Figure 10). Ces monocouches sont également transparentes. Les électrons ainsi produits sont récoltés à la contre-électrode et créent ainsi un courant électrique. Figure 10 : Principe de fonctionnement de la cellule de type "Grätzel" Les avantages de ces cellules sont les suivants : - elles ne sont pas à base de silicium, ce qui réduit le prix de fabrication (13) - le rendement et proche de 10% en plein soleil et, en lumière diffuse, il augmente à 15% - l efficacité des cellules à colorant est indépendante de la température, contrairement aux autres cellules à base de silicium dont l efficacité diminue lorsque la température augmente - utilisation bifaciale : possibilité de capter l énergie solaire des deux côtés ce qui est un avantage, en particulier en lumière diffuse, ou dans des conditions de faible luminosité 16

17 - possibilité d intégration sur des surfaces vitrées, y compris des surfaces courbes, comme par exemple les vitres d une voiture, grâce à leur transparence - possibilité d intégration sur des éléments flexibles - possibilité de les empiler en multicouches ce qui augmenterait de l efficacité de 30% Par contre, il y a certains inconvénients : - leur rendement est plus faible que les cellules à base de silicium polycristallin - la durée de vie est restreinte (<20 ans) - l'électrolyte utilisé dans ces cellules est instable, donc le composant est volatil ; il y a donc des risques d explosion ou d évaporation ; de plus le sel d'iodure utilisé apporte un risque de corrosion de la cellule pouvant entrainer des fuites de produits dangereux. 3.4 Avantages et désavantages des cellules solaires photovoltaïques Avantages Désavantages Si monocristallin Rendement élevé Coût très élevé Baisse de rendement en faible luminosité Si polycristallin Rendement élevé Meilleur rapport rendement/prix Bonne durabilité Coût élevé Baisse de rendement en faible luminosité Si amorphe Coût faible Rendement stable en faible luminosité Rendement faible Film mince (non-si) Coût faible Rendement potentiel élevé Production peu gourmande en énergie Encore en phase de développement Cellules Grätzel Transparence Recyclage car matières organiques Production peu gourmande en énergie Rendement faible Durabilité faible 17

18 Le type de cellule qui a le meilleur rapport rendement/prix aujourd hui est la cellule en silicium polycristallin. Par contre, si on devait considérer uniquement le critère du prix, ce type de cellules est bien moins avantageux que les cellules à base de films minces. Lorsqu on sait que le principal obstacle à l utilisation du photovoltaïque est son rapport coût/rendement élevé, il est très probable que son développement dépendra fortement du développement de ces technologies à base de films minces. D autres voies sont également explorées aujourd hui pour améliorer le rapport rendement/coût, par exemple, des techniques de concentration du rayonnement solaire permettant de réduire les surfaces de panneaux à installer et contribuant à réduire les coûts. Ces techniques de concentration pourraient également permettre d utiliser des cellules photovoltaïques avec des multicouches de matériaux qui permettent des rendements plus élevés dû à leur possibilité de convertir une plus grande partie de l énergie solaire, par exemple des arséniures et phosphures de gallium et d indium. Des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory des Etats-Unis ont réussi à obtenir en laboratoire un rendement de 40,8 % (29). La fabrication de ces multicouches est très coûteuse mais si la taille de la cellules est plus petite et si elle permet un bien meilleur rendement, cela permet d optimiser le rapport coût/rendement et donc devenir une alternative intéressante pour des centrales photovoltaïques. 4. Rendement et géométrie solaire Le soleil est situé à quelques 150 millions de km de la terre. Au niveau de la Terre, comme la distance Terre-Soleil est beaucoup plus grande que le diamètre de la Terre, on peut considérer que les rayons du soleil arrivent parallèlement sur Terre. Le soleil ne peut pas éclairer l entier de la terre au même moment, car la terre est une sphère donc lorsque les rayons arrivent d un côté de la terre, l autre côté étant dans l ombre. Lorsque le rayon solaire traverse l atmosphère il subit des pertes. En effet, la constante solaire, c'est-à-dire la quantité d'énergie solaire que recevrait une surface de 1m² située à une distance de 1 unité astronomique (distance moyenne terre-soleil) exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil si l'atmosphère terrestre n'existait pas (21) est de 1,367 kw/m 2. Cette énergie est composée d environ 46% d irradiation infrarouge, 47% d irradiation dans le visible et 7% d irradiation dans l ultraviolet. La rotation et la courbure de la Terre, ses trajectoires autour du soleil ainsi que l absorption de l énergie par l atmosphère et la réflexion par les nuages et certaines surfaces de la terre (en particulier, celles couvertes de neige et de glace) sont les facteurs qui réduisent fortement la quantité d énergie arrivant sur Terre. En effet, la quantité moyenne d énergie arrivant à la surface de la Terre est d environ 170 W/m 2. Naturellement, cette quantité varie géographiquement. Par exemple, la quantité la plus élevée est d environ 300 W/m 2 dans la région de la Mer Rouge (24). 18

19 Le rendement d'une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport qu il y a entre l énergie lumineuse qui est captée à la surface de la cellule et l énergie électrique qui va être produite par la même cellule. En dehors du rendement propre de chaque type de cellule (dépendant des propriétés du matériau utilisé), le rendement final dépend de l énergie captée à la surface de la cellule. Celle-ci dépend de l irradiation solaire arrivant sur la surface de la cellule qui, en plus des facteurs mentionnés plus haut, dépend de l angle d incidence. Sur un même site, l irradiation maximale et donc, le rendement maximal, sont obtenus lorsque l angle d incidence du rayonnement solaire est de 90. Cela s explique par l équation suivante : avec R le rendement en % et ß l'angle d'incidence en On remarque que, si l angle est perpendiculaire (ß = 90 ) R = sin ß 100 R = sin R = 100 % Le graphique de la Figure 10 montre le rendement en fonction de l angle d incidence. C est une fonction sinusoïdale. Figure 11: Rendement de la cellule solaire selon l'angle d'incidence du rayonnement 19

20 Mais cela n est pas aussi simple car la terre tourne et son axe de rotation n est pas perpendiculaire au plan de l écliptique (le plan de la trajectoire de la terre autour du soleil) (Figures 12). Figure 12 : Rotation de la terre Au cours d une journée, le soleil va d est en ouest en montant et en descendant dans le ciel et, au cours de l année, ces trajectoires varient beaucoup (d environ 45 ) (Figure 13). Au printemps et en automne, le soleil se lève et se couche très proche du pôle est, respectivement ouest. Par contre, si on se rapproche du 22 juin (solstice d été), le soleil se lève de plus en plus au nord-est se couche au nord-ouest (Figure 13). Figure 13 : Course apparente du soleil Le calcul de l inclinaison optimale basé sur la position du soleil dans le ciel est donc plus complexe et dépend de la latitude du site. 20

21 Il est donné par la formule suivante (30) : où N est le nombre de jours entre l équinoxe de printemps (21 mars) et le jour considéré, de signe positif vers la saison chaude, de signe négatif vers la saison froide. Cette formule donne l inclinaison optimale pour le rayonnement direct pour chaque jour de l année. C est une fonction sinosoïdale (Figure 14). Figure 14 : inclinaison optimale (rayonnement direct) : N=0 => équinoxe printemps ; N=183 => équinoxe d automne Elle montre bien qu en été l inclinaison optimale des panneaux diminue car la trajectoire du soleil est plus haute dans le ciel. Elle atteint le minimum au solstice d été (N=90) lorsque la position du soleil est la plus haute. Par contre, en hiver, cette inclinaison doit augmenter car la trajectoire du soleil est basse. Dans un cas idéal, on devrait donc changer d orientation chaque jour. Il existe des systèmes de panneaux qui s orientent automatiquement à l aide de moteurs, mais, ce sont des systèmes très coûteux. Pour calculer l inclinaison optimale pour un site donné le calcul qui tient compte de la position du soleil (Eq. 2) n est pas suffisant. Il faut également tenir compte de la lumière diffuse tout au long de la journée et des conditions météorologiques caractéristiques du site. Pour la lumière diffuse, l orientation optimale du panneau solaire sera de 0 car c est dans cette situation qu il est orienté vers la voûte céleste dans son entier. Le rayonnement diffus sera plus affecté par l inclinaison des panneaux en été car c est en été que les trajectoires du soleil raccourcissent le plus le temps de l ensoleillement des panneaux. Par exemple, des 21

22 calculs ont montré que pour le site de Montréal (Canada), le 22 juin, la différence du temps d ensoleillement d un panneau posé à 22 (inclinaison optimale basée sur la position du soleil dans le ciel) et un panneau posé à 2 (inclinaison proposée par un programme tenant compte également du rayonnement diffus) est de 45% (31). En conclusion, pour un site donné, le calcul de l inclinaison optimale doit tenir compte du rayonnement direct et du rayonnement diffus sur l année. Les caractéristiques météorologiques du site sont également à considérer. Le calcul donne pour la latitude de Lausanne, un angle d inclinaison optimale de Etude de l intégration de panneaux solaires photovoltaïques à l aide du logiciel PVSYST 5.1 Le logiciel PVSYST Le logiciel PVSYST est un logiciel développé par l université de Genève en Il calcule, entre autres, l énergie électrique générée par des panneaux solaires. En utilisant des algorithmes basés sur la géométrie solaire (dont les éléments principaux sont décrits au chapitre 4) et le rendement propre des différents matériaux décrits plus haut (chapitre 3), le logiciel permet d obtenir le nombre de kwh/m 2 produits par jour, la capacité de l installation et le rendement global de différents types et configurations de panneaux solaires, en fonction de paramètres comme la surface et l inclinaison des panneaux par rapport au soleil. Le logiciel permet également de faire des calculs économiques, par exemple de déterminer le coût du module et le prix du kwh. Les paramètres principaux du programme : - la latitude du lieu - la météo du lieu (moyenne annuelle) ; qui est prise en compte dès que le lieu est indiqué dans le programme. - azimut : l angle sur un plan horizontal entre un objet (ici une localité) et un point de référence qui est le sud géographique (Figure 15). Figure 15 : Représentation de l azimut 22

23 - l angle d inclinaison des panneaux (en toiture, en façade ou indépendants) - types de cellules : cellules polycristallines, monocristallines et amorphes. Figure 16: Paramètres d entrée du logiciel PVSYST - la surface disponible : c est un paramètre important compte tenu du fait que certaines surfaces du toit ne sont pas utilisables comme support pour les modules et que certains éléments de construction dépassent la surface du toit et créent des zones ombragées qu il faut éviter si on veut optimiser l installation - le rendement propre au type de cellule 5.2 Etude de cas : bâtiment principal du Gymnase Auguste Piccard Description du bâtiment Figure 17 : Bâtiment principal du gymnase Auguste Piccard 23

24 Ce bâtiment a une orientation sud-est avec une azimut de 45 Sud. La surface disponible sur le toit n est pas la surface au sol car sur le toit, se trouvent la sortie des ascenseurs, la cage d escalier et la ventilation (voir photos en annexe). Compte tenu de ceci, j ai estimé la surface disponible à environ 40% de la surface au sol. Ce pourcentage correspond à la surface au sol disponible sur le toit, et au-dessus de la sortie de l ascenseur et de la ventilation, car il est envisageable de mettre des panneaux solaires sur ces surfaces, le problème étant toutefois de savoir si ces structures sont capables de supporter le poids de la structure photovoltaïque. Comme on peut le voir sur les plans (voir l'annexe: photo de la sortie de l'ascenseur) une des deux grandes structures sur le toit mesure environ 5m de hauteur, ce qui projette une ombre conséquente. Pour optimiser la surface disponible, il faudrait donc couvrir également ces structures. Mes calculs : Surface au sol : 64m 31m =1'984m 2 Surface disponible (40% de la surface au sol) : 1'984m = 793,6m 2 Cette surface doit encore être divisée par un facteur 2, car l espace disponible ne peut être couvert qu à environ 50% (selon discussion avec M. Christian Roecker, adjoint scientifique au LESO-EPFL). En effet, il faut tenir compte de l espace libre entre les panneaux pour éviter l ombre due aux panneaux et de leur distance par rapport à la surface du toit pour éviter que la neige ne puisse les recouvrir. Ils sont très rarement installés à plat sur le toit, mais le plus souvent sur des supports que l on peut incliner pour pouvoir bénéficier au maximum de l apport du rayonnement solaire. Il faut également laisser libres des passages pour permettre l accès aux panneaux pour l entretien. Donc : Surface disponible pour la pose : 793,6 / 2 = 396,8m Résultats de simulation et discussion Pour ce qui est du type de panneaux solaires, mon choix s est porté sur des panneaux solaires photovoltaïques en silicium poly-cristallin car bien qu'ils aient un rendement légèrement inférieur par rapport aux cellules monocristallines, leur coût de fabrication est moindre et ils ont le meilleur rapport rendement/prix. C est d ailleurs ce type de panneaux qui est le plus répandu actuellement. Pour les calculs, j ai choisi deux variantes. Dans la première, les panneaux sont posés à un angle de 5 degrés (le minimum, car si on les posait à plat, le problème serait que des feuilles peuvent rester au dessus et que la neige peut les recouvrir ce qui diminuerait la capacité du panneau) sur la surface disponible du toit et, dans la deuxième variante, les panneaux sont posés à un angle de 35 degrés, ce qui correspond à l angle optimum pour notre latitude. Ils sont posés selon l axe du bâtiment, orientés donc sud-est. Les autres données à introduire pour le calcul sont la latitude du lieu (Lausanne : 46 ) et l orientation du bâtiment par rapport au sud (azimut 45 ). 24

25 Avec ces données, le logiciel calcule, pour les deux configurations décrites ci-dessus (panneaux inclinés a 5 et panneaux inclinés à 35 ) les éléments suivants : l énergie qui peut être fournie pour une année, la capacité et le prix de l installation, la quantité d irradiation dans le plan du panneau et celle dans le plan horizontal (angle d inclinaison des panneaux égal à 0 ) comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessous. Figure 18 : Graphique de l irradiation (panneaux en toiture) en fonction du mois de l année bâtiment principal Ce graphique montre la quantité d irradiation sur le plan horizontal (en rouge) et la quantité d irradiation sur le panneau solaire (en vert). On peut voir que le seul moment où le soleil a une plus grande puissance d irradiation sur le plan horizontal est la période de mai, juin et juillet. Cela se comprend bien, car c est la période où le soleil est le plus haut dans le ciel, donc l angle d incidence du rayon est plus perpendiculaire sur le plan horizontal que sur le plan du panneau. L énergie fournie par année et l investissement requis sont montrés dans les tableaux cidessous pour une inclinaison de 5 et 35 degrés. A titre comparatif, des résultats obtenus avec les autres types de cellules (silicium amorphe, polycristallin) sont également montrés. Inclinaison 5, toiture Si monocristallin Si polycristallin Si amorphe Investissement-CHF Production annuellekwh

26 Inclinaison 35, toiture Si monocristallin Si polycristallin Si amorphe Investissement-CHF Production annuellekwh Les résultats montrent que l énergie annuelle générée est de 41'500 kwh avec une inclinaison de 35 et de 40'400 avec une inclinaison de 5, l influence de l orientation des panneaux est faible (env. 2.5%). D ailleurs, cette variation est bien plus faible que celle qui dépend des variations météorologiques. Selon M. Chriatian Roecker du LESO-EPFL, les observations montrent que les variations de production d énergie photovoltaïque dues aux conditions météorologiques sont de l ordre de 10%. Si l'on tient compte de la consommation totale en énergie de ce bâtiment, 250'000 kwh (28,27) la production d énergie annuelle des panneaux correspond à 16,6% dans le cas de panneaux posés à une inclinaison de 35 et à 16,16% dans le cas de panneaux posés à 5. Pour connaître le nombre de m 2 qu il faudrait pour couvrir en totalité les besoins en électricité du bâtiment principal, j ai entré le nombre de kwh que le bâtiment principal utilisait en une année, donc 250'000 kwh et le calcul PVSYST indique qu il faudrait une surface 2'390 m 2 et faire un investissement de CHF 2'094'545 en utilisant des panneaux avec des cellules en silicium polycristallin (inclinaison 35 ). Une telle surface n est pas disponible, elle est même plus grande que la surface au sol du bâtiment. La surface disponible aurait pu être plus grande si l utilisation du photovoltaïque avait été choisie avant la construction du bâtiment, car dans ce cas, le toit aurait pu être conçu de manière à offrir plus de surface pour la pose. Il va de soi que le rajout de panneaux en façade du bâtiment augmenterait également la surface de production d énergie. Pour savoir si l investissement (CHF ) est rentable, un calcul économique est nécessaire. On peut considérer que le prix du kwh facturé par les services industriels est de 30 centimes 250'000 kwh représentent une dépense annuelle de 75'000 CHF. On multiplie ce montant par les 16.16% que produiraient les panneaux solaires (pour un angle de 5 ) => 75'000 x 16.16% = 12'120 CHF. Les panneaux solaires sont donc remboursés en 391'638/12'120 = 32 années. La durée de remboursement est ainsi de l'ordre de grandeur de la durée de vie des panneaux (environ 30 ans). Ce calcul économique pur montre donc que l investissement est très proche de la limite de rentabilité, et cela sans tenir compte du facteur écologique. 26

27 Par conséquent, si on tient compte de ce facteur (le principe "sauvons la planète") cet investissement se justifierait. Remarque: ce calcul ainsi que les autres calculs de rentabilité de ce travail ne prennent pas en considération les frais de maintenance des panneaux (faibles), ni les frais financiers liés à l investissement (taux d intérêt d un prêt bancaire ou rendement financier). La formule générale pour ce calcul est donc donnée par : où : T = temps nécessaire pour le remboursement de l installation des panneaux solaires P i = prix de l installation photovoltaïque P kwh = prix du kwh E ph = production d énergie de l installation photovoltaïque Ce calcul économique constitue une base intéressante pour discuter du potentiel du photovoltaïque. En effet, plusieurs paramètres vont avoir une influence importante pour le développement futur de cette énergie. Dans les vingt prochaines années, le prix du KWh d énergie fossile va certainement augmenter car les ressources vont diminuer. D autre part, les développements technologiques vont très probablement permettre une diminution importante des coûts de fabrication du photovoltaïque grâce aux développements attendus des technologies basées sur des films minces, surtout si le rendement de ces films est amélioré. Dans le cas de centrales photovoltaïques à grande échelle, l utilisation de la concentration du rayonnement en combinaison avec des cellules à très haut rendement pourrait également réduire le rapport coût/rendement (chapitre 3.5). Pour tenir compte des variations mentionnées ci-dessus, nous pouvons écrire : où ΔP i et ΔP kwh sont les variations du prix (en %) de l installation, respectivement du kwh. Par exemple, pour une augmentation de 20% de P kwh et une diminution de 20% de P i, ce qui est une évolution bien probable dans les vingt prochaines années, T f = 21 ans (cela se base sur l hypothèse que le rendement des cellules est le même que celui des cellules polycristallines). Ces résultats montrent qu avec l augmentation prévisible du prix du kwh des énergies fossiles (vraisemblablement > 20%), l énergie photovoltaïque sera rentable. Cela devrait enlever le dernier obstacle à son utilisation à grande échelle. 27

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