Energie renouvelable photovoltaïque

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1 Energie renouvelable photovoltaïque Classe : Lycée et BTS Discipline : Science et Technologie Durée : 6 heures Thème abordé : Production d énergie par panneaux photovoltaïques Ecobilan des panneaux photovolataïques Objectifs : - Connaître systèmes photovoltaïques connectés au réseau EDF - Connaître les différents ordres de grandeurs (quantité d énergie produite par rapport au lieu d implantation, rendement). - Connaître les notions d écobilan et d écoconception Prérequis : Formules de base d électricité. - Ecobilan - Rendement - Quantité d énergie produite Concepts à maîtriser en fin de séquence Sources : Séquence : GUIDE POUR LE PROFESSEUR Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p1/12

2 La séquence qui suit se divise en deux parties : - la première partie est une séance de travaux dirigés. Elle propose de quantifier l énergie produite par un kit solaire en fonction de son lieu d implantation. - la deuxième partie est une recherche à partir d un document de synthèse produit par l ADEME. Elle permet d aborder les notions d éco-bilan et d écoconstruction. Cette partie permet de répondre à la question : un panneaux photovoltaïque produit-il plus d énergie qu il n en faut pour le créer? Public : La séquence peut être scindée en deux : Première partie : Accessible à un public de classes scientifiques et technologiques (première, terminale, BTS). Deuxième partie : Orientation du contenu par rapport au programme d écoconception qui doit être abordé en BTS électrotechnique. Extrait du référentiel de BTS Electrotechnique : Extrait du programme relatif à l enseignement de génie électrique : Extrait du programme relatif à l enseignement de Science Appliquée : Estimation de l énergie photovoltaïque produite Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p2/12

3 I. Mise en situation Dans un but d économie d énergie, une production décentralisée d énergie électrique constituée de panneaux photovoltaïques est envisagée au lycée. II. Problématique Quelle est la quantité d énergie produite par un système photovoltaïque raccordé sur réseau selon l implantation géographique choisie? III. Travail demandé Constitution du système : Après avoir lu le dossier de présentation du kit electrasun, expliquez la fonction de ce système dans une installation électrique. Nous souhaitons installer un kit «Electrasun 1600 Photowatt»Donner le nombre de panneaux solaires utilisés ainsi que la surface totale en m² sachant qu un panneau à une surface de 1.2 m² : Système servant à produire de l énergie électrique à partir de l énergie solaire et la transmettre sur le réseau électrique. Le système est constitué de dix panneaux, soit une surface de 12 m². Compléter les blocs fonctionnels ci-dessous. Indiquer sur ce schéma fonctionnel la nature du courant et de la tension (Continu, Alternative, Amplitude, etc ) Panneaux photovolatïques U c Onduleur Energie solaire Réseau EDF Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p3/12 Ic Continu 340 V Ia Alternatif 230 V U a

4 Expliquez quel est le rôle de l onduleur dans l installation? L onduleur convertit les signaux tensions et courants continus fournis par les panneaux photovoltaïques en signaux alternatifs. Une mesure des caractéristiques électriques du système avec un ensoleillement de 530 W.(m²) - 1 à donné : Pour Uc, Ic, l oscillogramme ci dessous (entrée A pour Uc en lecture directe l entrée B ou Ic avec une sonde au 1/10 ème ) Pour Ua et Ia l oscillogramme ci dessous (entrée A pour Ua en lecture directe l entrée B ou Ic avec une sonde au 1/1 ème ) On considère que le courant et la tension sont en phase. Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p4/12

5 Calculez la puissance en entrée et en sortie de l onduleur. Déterminez le rendement de cet onduleur. Puissance entrée = 300 * 3 = 900 W Puissance sortie = 230 * 3.5 = 815 W Rendement = 815/900 = 90.3% Une autre mesure avec un ensoleillement de 130 W.(m²) -1 à donné une puissance en entrée de l onduleur de 304V x 0.7A soit 212W pour une puissance restituée sur le réseau de 183W. Calculez la puissance en W(m²) -1 reçu par la totalité des panneaux solaires et calculez leurs rendements dans les deux cas d ensoleillement. Pour un ensoleillement de 530 W.(m²) -1 : Puissance reçue = 900 / 12 = 75 W/m² Rendement = 75/530 = 14% Pour un ensoleillement de 130 W.(m²) -1 : Puissance reçue = 212 / 12 = 17.7 W/m² Rendement = 17.7/130 = 13.6% Calculez le rendement global du système (panneaux et onduleur). Rendement global = 13.6% * 90.3% = 12.3% Détermination de l énergie produite : Hors atmosphère la puissance max délivrée par le soleil est de 1350 W.(m²) -1 Au niveau du sol après que les rayons solaires aient traversé l atmosphère la puissance max n est plus que de 1000 W.(m²) -1 Dans ces conditions calculez la puissance max que peux fournir le kit electrasun. Puissance = 1000*12.3%*12 = 1474 W Calculez à l aide de la carte d ensoleillement de la France, fournie au début de l exercice (donnant le nombre de kwh/jour/m²), la quantité d énergie que peut produire le kit electrasun s il est installé à Lyon. Refaire ces calculs pour les villes de Toulon, de Calais et pour la région la plus ensoleillée d Australie. Pour Lyon : Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p5/12

6 3.9*365*12 = kwh Pour Calais : 3.2*365*12 = kwh Pour Toulon : 5.2*365*12 = kwh Donnez en % quelle est la quantité d énergie électrique produite par le kit solaire electrasun de 12 m² par rapport à 17000kWh qui correspondent à la consommation totale en énergie électrique d une maison de 100 m² habitée par quatre personnes. Le chauffage et l eau chaude étant produits par chauffage électrique : Pour Lyon : / = 100% Pour Calais : / = 78% Pour Toulon : / = 134 % Analyse du cycle de vie des systèmes photovoltaïques Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p6/12

7 Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p7/12

8 Mise en situation Toute personne disposant d un habitat résidentiel, d un bâtiment communal ou d un autre lieu d implantation susceptible de recevoir un champ de modules photovoltaïques, peut devenir un producteur d énergie renouvelable en injectant toute ou partie de l électricité localement produite dans le réseau de distribution public. EDF achète systématiquement l énergie ainsi produite à des tarifs préférentiels, définis dans le cadre réglementaire fixé par les pouvoirs publics. Idée générale : Réaliser une production décentralisée d énergie afin de satisfaire à des enjeux économiques (réduction de sa facture d énergie électrique) et à des critères environnementaux tels que la réduction des émissions de CO² et celle de déchets radioactifs,... Introduction Dans les années 1970, la réaction aux premiers grands accidents de pollution a essentiellement été la recherche de procédés curatifs visant à traiter les pollutions en aval des processus de production. Dans les années 1980, certains industriels sont passés du curatif au préventif (technologies "sobres et propres"), passant ainsi d une attitude réactive à une attitude "proactive", mais toujours centrée sur la phase de fabrication. Dans les années 1990, s est généralisée la prise en compte, dès la conception, des impacts sur l environnement de l ensemble du cycle de vie du produit. Cette démarche a été baptisée "éco-conception". Aujourd hui, cette prise en compte est largement imposée par des obligations réglementaires, en application notamment du principe "pollueur-payeur" puis plus récemment, du principe de précaution et du respect des engagements nationaux tels que le protocole de Montréal (non emploi des CFC et autres gaz destructeurs de la couche d ozone) et du protocole de Kyoto (limitation des émissions de gaz à effet de serre). Problématique : En réponse aux obligations environnementales, une Production décentralisée d Énergie (P.d.E) à base de panneaux photovoltaïques est envisagée sur le Lycée La question de l efficacité énergétique d un tel système est alors posée sous deux aspects : - Les systèmes photovoltaïques produisent-ils une quantité d'électricité plus élevée durant leur durée de vie que celle consommée durant leur fabrication? - Quel est le bilan environnemental d'une P.d.E photovoltaïque raccordé sur réseau au bout de son cycle de vie? Objectif - Caractériser le besoin et le service rendu par l application. - Définir la notion d analyse de cycle de vie d un produit. - Analyser une étude faisant la synthèse d écobilans. - Évaluer les effets produits sur l environnement. - Décrire et classer les éléments physiques constitutifs du système en fin de vie. Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p8/12

9 Travail demandé A l aide de l encyclopédie libre de droit Wikipédia ( faites une recherche pour définir le terme «A.C.V : Analyse du Cycle de Vie». L'analyse du cycle de vie (aussi appelée «écobilan») se base sur le concept de développement durable en fournissant un moyen efficace et systématique pour évaluer l'impact sur l'environnement d'un produit, d'un service ou d'un procédé. Le but fondamental est de réduire la pression d'un produit sur les ressources et l'environnement tout au long de son cycle de vie, de l'extraction des matières premières jusqu'à la mise au rebus en fin de vie. A quelle norme internationale se réfère-t-elle? La série de norme ISO Donnez les relations (aspect méthodologique) entre les différentes étapes du processus d analyse du cycle de vie selon cette norme (et la série qui en découle).. Analyse de l étude du «centre d énergétique» (voir dossier ressource) : En reprenant la méthodologie sur la définition des objectifs et des champs d études décrite sur Wikipédia, on se propose de décrypter l A.C.V présentée dans le dossier ressource. Il s'agit de comptabiliser les substances puisées et émises dans l'environnement sur le "cycle de vie" d'un produit. Ce bilan comprend les phases de fabrication, de transport, de mise en oeuvre, d'entretien et de traitement après usage. Ceci pour répondre aux questions suivantes : Les photopiles produisent-elles plus d'énergie que n'en nécessite leur fabrication? Leur production n'induit-elle pas l'émission de substances dangereuses pour l environnement Sur quel type d installation solaire cette étude porte-elle (fonction)? Précisez la puissance des installations considérées. La présente étude ne concerne que les systèmes 3 kwc intégrés aux bâtiments et reliés au réseau (source : base de données Oekoinventare 1995 et 1996). Quels sont les paramètres clés pris en compte pour l étude? La production électrique considérée pour un système de 3 kwc est de 2583 kwh/an (861 kwh/an pour 1 kwc). Les données existent pour des modules en silicium mono- ou poly-cristallin. Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p9/12

10 Le mix de production européen de 1994 (48% de centrales thermiques, 37% de nucléaire et 15% d'hydroélectricité) a été considéré pour l'électricité utilisée dans la production des modules. Lors de l analyse du cycle de vie de la production des modules solaires, quelles sont les 9 étapes de fabrication prises en compte? - la réduction du quartz et la préparation de silicium de qualité métallurgique (pureté de 98%), - la fabrication de silicium de qualité électronique (pureté de 99,99999%), - le moulage des lingots et le sciage des plaquettes, - la fabrication des cellules, - la fabrication des modules, - le montage et l'intégration au bâtiment, - la fabrication de l'onduleur et de l'installation électrique, Indiquer pour les trois processus de fabrication de silicium existants, les quantités d énergie primaire dépensées. Pour la fabrication d'une tonne de silicium QM l énergie primaire totale consommée est de kwh. Pour la fabrication d'une tonne de silicium QE l énergie primaire totale consommée est de kwh (250.7 kwh/kg Si QE). Pour la fabrication d'une tonne de silicium QS l énergie primaire totale consommée est de kwh (énergie primaire totale par kg kwh). Pourquoi la qualité Qs est intéressante? Et quel est son processus de fabrication? Sa pureté permet d'obtenir des rendements de cellules équivalents à ceux obtenus avec du silicium QE à moindre coût et avec moins d énergie primaire consommée. D autant plus que le degré de pureté obtenu pour la qualité "électronique" (QE ) n'est pas nécessaire. Le sable (de qualité correspondante à celle du sable utilisé dans l'industrie verrière) est fondu et traité à l'acide chlorhydrique pour obtenir une pureté de 99.9%. Ce silicium est fondu avec du carbonate de sodium, puis précipité et nettoyé à l'acide et à l'eau, ce qui conduit à une pureté supérieure à %. Pour la fabrication des plaquettes, comparez l énergie primaire nécessaire à celles au silicium monocristallin avec celles au silicium polycristallin. Pourquoi ces dernières consomment elles plus de silicium de qualité QE? L'énergie primaire nécessaire est de 1.3 kwh électrique par plaquette de 7 g au silicium monocristallin. L'énergie primaire consommée est de 3.6 kwh par plaquette de 7 g au silicium polycristallin. Contrairement au cas du silicium monocristallin, les sciures et rebuts de sciage (bord des lingots) ne peuvent pas être recyclés en totalité car leur taux d'impureté est trop élevé. Le process de fabrication du silicium polycristallin est donc plus consommateur de silicium de qualité électronique. Quel pourcentage dans le bilan énergétique complet de la fabrication des panneaux photovoltaïques, l étape de fabrication des cellules représente-elle? Et pour quelle consommation électrique totale (cellule + process)? L'étape de fabrication des cellules entre pour 15% dans le bilan énergétique complet de la fabrication des panneaux photovoltaïques, avec une consommation électrique de 0.9 kwh par cellule pour le process et 0.6 kwh pour les auxiliaires. Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p10/12

11 Donnez le processus de fabrication d un module au silicium monocristallin. Quelle est la puissance nécessaire consommée pour cette fabrication? Les cellules sont disposées sur une trame avec des liaisons conductrices puis soudées. Cette matrice de cellules est placée entre deux feuilles d'éthyl-acétate de vynile (EAV). La face arrière est protégée par une feuille constituée par trois couches. Le sandwich constitué par ces différents éléments est envoyé dans un four de laminage pour être relié thermiquement sous pression, puis dans un deuxième four pour terminer le traitement thermique. Un cadre est construit en profilés d'aluminium. Un profilé de caoutchouc ou d'élastomère (polysulfide) est collé dans le profilé d'aluminium. Les parties du cadre sont disposées autour du sandwich. Une boite de liaison permettant la connexion électrique du module est vissée au cadre. Ils sont enfin emballés avec 80 g de polystyrène et 100 g de carton. La consommation d'énergie à cette étape est relativement faible : 10 kwh électriques par module. Pour un montage des panneaux solaires sur un toit terrasse, quels sont les paramètres qui ont étés pris en compte dans l étude? Paramètres: - socles en béton ; - support en aluminium ; - composants de fixation et un tapis de protection ; - l énergie pour le montage ; - le transport de matériaux et le transport chantier. Pour la fabrication de l onduleur, quelle quantité d énergie à été consommée? Dans quelle filière les déchets d après vie de l onduleur seront traités principalement? Une énergie de process de 22.9 kwh est considérée. Les déchets sont essentiellement traités par la filière électronique. Dans la phase d utilisation, il est nécessaire de procéder à un lavage annuel des panneaux. Quelle quantité d eau à été estimée par module et par an pour cet entretien? Une fine couche de poussière ne réduit pas sensiblement le rendement des modules. Cette poussière peut aussi être nettoyée par la pluie. Un nettoyage annuel a cependant été considéré, avec une utilisation de 20 litres d'eau par m2 de module. Quelles sont les possibilités de recyclage des modules en fin de vie? Etant donnée la très grande qualité de silicium employé dans les modules, un recyclage semblerait justifié. Une séparation mécanique, chimique ou thermique est nécessaire mais semble difficile, sauf pour la vitre avant et la plaque arrière. Les feuilles d'aev ne sont pas recyclables mais une valorisation énergétique est possible. La production de modules réparables constitue une autre piste. L'incinération serait défavorable du point de vue des émissions Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p11/12

12 Les cadres en aluminium sont par contre facilement recyclables. Les systèmes photovoltaïques produisent-ils une quantité d'électricité plus élevée que celle consommée durant leur fabrication? Selon les données de l étude, un système photovoltaïque produit entre 4 et 7 fois plus d'énergie primaire que la quantité consommée sur le cycle de vie. En conclusion les différents auteurs s'accordent pour dire que l'énergie produite par les systèmes photovoltaïques est bien supérieure à l'énergie nécessaire à leur fabrication, le temps de retour énergétique se situant entre 2 et 4 ans pour les procédés actuels, 6 à 7 ans dans le cas où une batterie est incluse et moins d'un an avec des procédés de fabrication optimisés pour une production en grande série. Quel est le bilan sur le cycle de vie d'un système sans batteries sur 30 ans, en équivalents habitants? Un système de 3 kwc sans batterie sur une période de 30 ans n'a quasiment que des effets bénéfiques : il évite le rejet de gaz à effet de serre correspondant à 386 habitants-année, il évite la consommation d'énergie primaire de 9 habitants-année et la production de déchets radioactifs de 10 habitants sur une année. Par contre : Il augmente la production de déchets solides d'une quantité correspondant à 0.8 habitant-année, Il produit des émissions de gaz contribuant au smog d'été (moins de 0.1 habitant-année). Comparez le kwh photovoltaïque avec le kwh moyen produit en France du point de vue des impacts environnementaux. Le photovoltaïque est il une solution alternative viable de ce point de vue? Sur l'ensemble des thèmes environnementaux et en considérant la base de l étude Oekoinventare, le kwh photovoltaïque induit à peu près les mêmes impacts que le kwh moyen français. Avec les écarts suivants : trois fois plus de contribution au smog d'été (génération d'ozonetroposphérique) ; six fois plus de déchets non radioactifs ; mais 6000 fois moins de déchets radioactifs et 4.5 fois moins d'énergie primaire consommée. Les systèmes photovoltaïques permettent donc globalement une réduction des impacts environnementaux et est donc une solution viable de ce point de vue. Dossier énergie photovoltaïque Dossier prof p12/12