Article sur l énergie solaire Photovoltaïque

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1 Article sur l énergie solaire Photovoltaïque Sommaire Partie I 1. Qu est ce que l énergie solaire? Définition générale de l énergie solaire 2. Comment utiliser l énergie solaire de manière naturelle et technique? 3. Photovoltaïque (PV) : Qu est ce que le PV? Définition, comment fonctionne le PV? (effet photoélectrique, cellule, module, champ) Classification des cellules solaires Rendement de conversion énergétique Comment utiliser le PV? Applications Prix de rachat, sources juridiques pour les SER Partie II 4. Energie solaire thermique : Qu est ce que le thermosolaire? Historique Capteurs thermosolaires et applications Types de capteurs solaires pour la production thermique Types de capteurs solaires pour la production d électricité Chauffage solaire de l eau Sources Partie III 5. Energie solaire concentrée (ESC) : Qu est ce que l ESC? Définition, comment cela fonctionne t il? Historique Répartition, quels sont les différents types d application? Solaire thermique concentré (STC) Photovoltaïque à concentration (PVC) Thermosolaire et photovoltaïque à concentration (TPC) Avantages et inconvénients des systèmes de concentration Avenir de l énergie solaire concentrée 1

2 1. Qu est ce que l énergie solaire? Définition générale de l énergie solaire L énergie solaire est l énergie électromagnétique transmise par le soleil et qui est générée par la fusion nucléaire. Elle est à l origine de toute forme de vie terrestre et représente environ 420 trillions de kilowatt heures (kwh). L énergie solaire est plusieurs milliers de fois plus importante que toutes les énergies cumulées utilisées par le monde entier. Le rayonnement lumineux et la chaleur du soleil sont utilisés par les humains depuis l Antiquité, ce qui a abouti à une série de technologies qui n ont cessé de se développer. Le rayonnement solaire, ainsi que les ressources à énergie solaire secondaires telles que l énergie éolienne et marémotrice, l énergie hydroélectrique et la biomasse, représentent la plupart de l énergie renouvelable disponible sur Terre. Seule une minuscule part de l énergie solaire disponible est utilisée. La production d électricité à énergie solaire repose sur des moteurs thermiques et sur l effet photovoltaïque. Les utilisations de l énergie solaire n ont de limites que celles du génie humain. Pour ne citer que quelques unes de ses applications : le chauffage et la climatisation de locaux à travers une architecture solaire, la création d eau potable via la distillation et la désinfection, la domestication de la lumière du jour, l eau chaude solaire, la cuisson solaire et la production de chaleur haute température à des fins industrielles. Pour collecter l énergie solaire, le moyen le plus courant est d utiliser des panneaux solaires. Les technologies solaires sont largement caractérisées comme étant soit solaires passives, soit solaires actives selon la façon dont elles capturent, transforment et distribuent l énergie solaire. Les techniques solaires actives incluent l utilisation de panneaux photovoltaïques et de capteurs solaires pour exploiter l énergie. Les techniques solaires passives incluent le fait d orienter un bâtiment vers le soleil, de choisir des matériaux présentant une masse thermique ou des propriétés de dispersion de la lumière favorables, et de concevoir des locaux qui laissent circuler l air naturellement. Source : L ensoleillement qui frappe les régions sous les points noirs pourrait alimenter en énergie le monde entier : si elles étaient installées dans les zones marquées par les six points sur la carte, des cellules solaires avec un rendement de conversion de seulement 8 % produiraient, en moyenne, 18 TW d énergie électrique. C est plus que l énergie totale actuellement disponible grâce à toutes nos sources d énergie principales, y compris le charbon, le pétrole, le gaz, le nucléaire et l hydraulique. Les couleurs indiquent le rayonnement solaire, en moyenne, sur trois ans, en tenant compte des nuits et de la couverture nuageuse. 2

3 2. Comment utiliser l énergie solaire? Moyen naturel La plus grande partie de l utilisation de l énergie solaire est consacrée au réchauffement de la Terre, ce qui rend possibles les formes connues d existence biologique à proximité de la surface, suivie par la photosynthèse des plantes. La plupart des organismes, y compris les humains, dépendent soit directement (en tant qu herbivores), soit indirectement (en tant que carnivores) de l énergie solaire. Le combustible et les matériaux de construction en découlent également. Par ailleurs, l énergie solaire est responsable des différences de pression d air dans l atmosphère, qui sont à l origine du vent. Enfin, le cycle hydrique de la Terre est entraîné par l énergie solaire. Outre ces «effets» naturels, il existe de plus en plus d applications techniques, en particulier dans le domaine de l approvisionnement énergétique. Applications techniques de l énergie solaire : En s appuyant sur la technologie solaire, l énergie solaire peut être profitable de plusieurs façons : Les cellules solaires produisent de l électricité à courant continu (photovoltaïque) Les panneaux solaires génèrent de la chaleur (thermosolaire) Les centrales héliothermiques génèrent de l électricité à partir de la chaleur et de la vapeur Les plantes et les déchets végétaux peuvent être traités pour produire des liquides exploitables (par ex., éthanol, huile de colza) ou des gaz (comme du biogaz) Les centrales éoliennes et hydroélectriques génèrent de l électricité (voir l article sur l énergie éolienne et l énergie hydraulique) Les cuisinières solaires ou les fours solaires permettent de réchauffer les aliments ou de stériliser les équipements médicaux 3. Photovoltaïque (PV) : Qu est ce que le PV? Définition, comment fonctionne le PV? Le phénomène photovoltaïque est la transformation directe de la lumière en électricité à l échelle atomique. Certains matériaux se caractérisent par une propriété connue sous le nom d effet photoélectrique qui leur fait absorber les photons de la lumière et libérer des électrons. Lorsque ces électrons libres sont capturés, il en résulte un courant électrique qui peut être utilisé comme de l électricité. L effet photoélectrique a d abord été observé par un physicien français, Edmond Bequerel, en 1839, qui a découvert que des matériaux spécifiques produisaient de petites quantités de courant électrique lorsqu ils étaient exposés à la lumière. En 1905, Albert Einstein a décrit la nature de la lumière et l effet photoélectrique sur lequel s appuie la technologie photovoltaïque, ce qui lui a valu plus tard de remporter un Prix Nobel de physique. Le tout premier module photovoltaïque a été fabriqué par les Laboratoires Bell en Il a été présenté comme une batterie solaire et était surtout une simple curiosité car il était trop cher pour que son utilisation se généralise. Dans les années 60, l industrie spatiale a commencé à faire la première utilisation sérieuse de la technologie pour fournir de l électricité à bord des engins spatiaux. Par le biais des programmes spatiaux, la technologie a évolué, sa fiabilité a été établie et son coût a commencé à baisser. Durant la crise énergétique des années 70, la technologie photovoltaïque s est imposée comme source d électricité pour des applications non spatiales. 3

4 Source : news/science at nasa/2002/solarcells/, Le schéma ci dessus illustre le fonctionnement d une cellule photovoltaïque de base, également appelée cellule solaire. Les cellules solaires sont fabriquées à partir des mêmes types de matériaux semi conducteurs, comme le silicium, que ceux utilisés dans le secteur de la microélectronique. Pour les cellules solaires, une fine plaquette semi conductrice est spécialement traitée pour former un champ électrique, positif sur une face et négatif sur l autre. Lorsqu une énergie lumineuse frappe la cellule solaire, les électrons se détachent des atomes du matériau semi conducteur. Si des conducteurs électriques sont fixés sur les faces positive et négative, pour former un circuit électrique, les électrons peuvent être capturés sous forme de courant électrique, c est à dire de l électricité. Cette électricité peut ensuite être utilisée pour alimenter une charge, telle qu une lampe ou un outil. Plusieurs cellules solaires reliées électriquement entre elles et montées sur une structure ou un cadre de support constituent ce que l on appelle un module photovoltaïque. Ces modules sont conçus pour fournir de l électricité à une certaine tension, telle qu un système 12 volts classique. Le courant produit dépend directement de la quantité de lumière qui frappe le module. Plusieurs modules peuvent être installés ensemble pour former un champ. En général, plus la surface d un module ou d un champ est grande, plus la production d électricité sera importante. Les modules et champs photovoltaïques produisent de l électricité en courant continu (cc). Ils peuvent être reliés aussi bien en série qu en parallèle de façon à produire toute combinaison de tension et de courant requise. Source : at nasa/2002/solarcells/,

5 Classification des cellules solaires Les cellules solaires peuvent être classées selon différents critères, le plus courant étant l épaisseur du matériau. On distingue les cellules à couche épaisse des cellules à couche mince. Autre critère : le matériau. Comme matériaux semi conducteurs, on peut utiliser des composés de tellure de cadmium (CdTe), d arséniure de gallium (GaAs) ou de cuivre indiumsélénium, mais le plus courant à l échelle mondiale est le silicium. La structure du cristal, cristalline (mono /polycristalline) ou amorphe. Outre les matériaux semi conducteurs, il existe également de nouvelles approches du matériau, telles que les cellules solaires organiques et les cellules solaires à colorant. On distingue trois types de cellules selon le type de cristal : Pour produire une cellule en silicium monocristallin, il faut un matériau semi conducteur absolument pur. Les barreaux monocristallins sont extraits du silicium fondu, puis sciés en fines plaques. Ce processus de production garantit un niveau d efficacité relativement élevé. Cellule solaire fabriquée à partir d une plaquette de silicium monocristallin Source : La production de cellules polycrystallines est plus rentable. Au cours de ce processus, du silicium liquide est versé dans des blocs qui sont ensuite sciés en plaques. Durant la solidification du matériau, des structures en cristal de différentes tailles se forment, en bordure desquelles des défauts apparaissent. La cellule solaire est rendue moins efficace par ces défauts dans le cristal. Cellule solaire fabriquée à partir d une plaquette de silicium polycrystallin Source : Si une couche de silicium est déposée sur du verre ou un autre matériau de substrat, on obtient ce que l on appelle une cellule amorphe ou à couche mince. L épaisseur de la couche est inférieure à 1 µm (épaisseur d un cheveu humain : µm), donc les coûts de production sont moins élevés en raison du faible coût des matériaux. Toutefois, les cellules amorphes sont moins efficaces que les deux autres types de cellules. C est la raison pour laquelle elles ont principalement été utilisées dans les équipements de faible puissance (montres, calculatrices de poche) ou en éléments de façade. Mais, désormais, elles sont également utilisées dans les fermes solaires de classe mégawatt. Ferme solaire composée de modules à couche mince, Wörrstadt, Allemagne Source : juwi Holding AG, Allemagne 5

6 Cellules solaires organiques La cellule solaire organique est une autre alternative aux matériaux plus conventionnels utilisés pour fabriquer des panneaux photovoltaïques. Bien qu il s agisse d une technologie très nouvelle, elle s avère prometteuse du fait qu elle constitue une solution à très bas coût. Rendement de conversion énergétique Le rendement des modules classiques pour les cellules solaires multicristallines sérigraphiées disponibles dans le commerce est d environ 12 %. Le rendement de conversion énergétique, (ou simplement rendement), d un module solaire est le ratio de la puissance électrique de sortie maximale divisée par la puissance lumineuse entrante en conditions d essai «standard». Le rayonnement solaire «standard» (connu sous le nom de «masse d'air 1,5 spectre») a une densité de puissance de 1000 watts par mètre carré. Ainsi, un panneau solaire classique de 1 m² sous la lumière directe du soleil produira environ 120 watts de puissance de crête. Comment utiliser le PV? Source : Applications : sur les toits, PV intégré aux bâtiments (BIP), champs installés au sol Dans les bâtiments Les champs photovoltaïques sont souvent associés aux bâtiments : soit directement intégrés dedans, soit montés dessus ou encore montés au sol à proximité. Les champs sont le plus souvent installés dans des bâtiments existants, généralement montés sur une structure de toit existante ou sur les murs existants. Les champs peuvent également être situés à l écart du bâtiment, mais ils sont reliés par câble à son alimentation. En 2010, plus des quatre cinquièmes des 9000 MW de panneaux PV solaires exploités en Allemagne provenaient des toits. 6

7 Panneaux solaires photovoltaïques sur le toit d une maison. Source : Photovoltaïque intégré aux bâtiments (PVIB) Les panneaux photovoltaïques intégrés aux bâtiments (PVIB) sont de plus en plus introduits dans de nouveaux bâtiments à usage domestique et industriel comme source principale ou auxiliaire d alimentation électrique. En général, les champs sont intégrés dans les toits ou les murs des bâtiments. Les tuiles à cellules PV intégrées sont également courantes. La tour CIS à Manchester, en Angleterre, a été recouverte de panneaux PV pour un coût de 5,5 millions de livres sterling. Elle a commencé à alimenter la National Grid en électricité en novembre La puissance de sortie des systèmes photovoltaïques prévus pour être installés dans les bâtiments est généralement décrite en unités kilowatt crête (kwp). Source : integrated photovoltaics, Centrales électriques Depuis octobre 2010, les plus grandes centrales électriques photovoltaïques (PV) au monde sont la centrale électrique photovoltaïque de Sarnia (Canada, 80 MW), le parc photovoltaïque d Olmedilla (Espagne, 60 MW), la ferme solaire de Strasskirchen (Allemagne, 54 MW), le parc photovoltaïque de Lieberose (Allemagne, 53 MW), le parc photovoltaïque de Puertollano (Espagne, 50 MW), la centrale électrique photovoltaïque de Moura (Portugal, 46 MW) et la ferme solaire de Waldpolenz (Allemagne, 40 MW). Source :

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9 Dans les transports Le PV est traditionnellement utilisé pour l alimentation électrique dans l espace. Il est rarement exploité pour fournir de l énergie motrice dans les transports, mais est de plus en plus utilisé pour fournir une puissance auxiliaire aux bateaux et voitures. Un véhicule solaire autonome aurait une puissance limitée et une faible utilité, mais un véhicule chargé à l énergie solaire permettrait d utiliser l énergie solaire pour le transport. Les voitures à énergie solaire ont fait leurs preuves. Source : Dispositifs autonomes Jusqu à il y a dix ans, le PV était fréquemment utilisé pour alimenter les calculatrices et les nouveaux appareils. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et les écrans LCD basse consommation permettent d alimenter ces appareils pendant plusieurs années entre les changements de batteries, ce qui a rendu le recours au PV moins courant. Par contre, les dispositifs fixes à distance fonctionnant à l énergie solaire sont, depuis peu, de plus en plus utilisés dans les lieux où les coûts de raccordement élevés rendent l électricité du réseau excessivement chère. De telles applications incluent les pompes à eau, les parcmètres, les téléphones de secours, les compacteurs de déchets, la signalisation routière temporaire, et les bornes et la signalisation à distance. Parcmètre solaire Source : Electrification rurale Les pays en voie de développement où de nombreux villages se trouvent bien souvent à plus de cinq kilomètres du réseau électrique ont commencé à utiliser le photovoltaïque. Dans des endroits reculés d Inde, un programme d éclairage rural a permis de fournir des éclairages à LED à énergie solaire pour remplacer les lampes au kérosène. Les lampes à énergie solaire étaient vendues à peu près au prix de quelques mois d approvisionnement en kérosène. Cuba s efforce de fournir de l énergie solaire dans les zones qui ne sont pas reliées au réseau électrique. Il s agit de zones où les coûts et avantages sociaux offrent une excellente raison de passer à l énergie solaire, même si le manque de rentabilité pourrait reléguer de tels efforts au rang d objectif humanitaire. 9

10 Satellites à énergie solaire Source : Des études de conception de satellites de collecte de grande taille à énergie solaire ont été menées pendant des décennies. L idée a tout d abord été suggérée par Peter Glaser, puis par Arthur D. Little Inc ; la NASA a réalisé une longue série d études de faisabilité techniques et économiques dans les années 70, et l idée a suscité un regain d intérêt au cours des premières années du 21ème siècle. D un point de vue économique et pratique, le problème majeur pour ces satellites semble être le coût de lancement. Les autres considérations incluent le développement de techniques de montage dans l espace, mais elles semblent être un obstacle moins important que le coût substantiel. Ce dernier se trouvera diminué par le moindre coût des cellules photovoltaïques ou par leur meilleur rendement. Prix de rachat Un prix de rachat (FiT, loi sur l approvisionnement en électricité, système évolué de tarification des énergies renouvelables ou rémunération de l énergie renouvelable) est un mécanisme de politique conçu pour encourager l adoption des sources d énergie renouvelable et pour accélérer l adoption de la parité réseau. Il est généralement assorti de trois grands avantages : Un accès au réseau garanti Des contrats à long terme pour l énergie produite Des prix d achat qui sont méthodologiquement basés sur le coût de la production d énergie renouvelable, et qui tendent vers la parité réseau. Dans le cadre du prix de rachat, les services publics d électricité régionaux ou nationaux sont soumis à une obligation d acheter de l électricité renouvelable (électricité générée à partir de sources renouvelables, telles que l énergie solaire, l énergie éolienne, l énergie des vagues et des marées, la biomasse, l énergie hydraulique et l énergie géothermique) auprès de tous les participants éligibles. Les prix établis en fonction des coûts permettent ainsi de développer de nombreux projets (éoliens, solaires, etc.) et, pour les investisseurs, d obtenir un retour raisonnable sur leurs investissements en énergie renouvelable. Ce principe a d abord été expliqué dans la Loi allemande de l an 2000 relative aux SER «RES Act 2000» : «Les taux de rémunération ont été déterminés à partir d études scientifiques, sous réserve que les taux identifiés rendent possible l exploitation rentable d une installation gérée de manière efficace, sur la base de l utilisation d une technologie de pointe et en fonction des sources d énergie renouvelable naturellement disponibles dans un environnement géographique donné.» (RES Act 2000, mémoire descriptif A) De ce fait, le taux peut différer entre les différentes sources de production d électricité, les sites d installation (par ex., sur un toit ou monté au sol), les projets de différentes tailles et, parfois, selon 10

11 la technologie employée (solaire, éolienne, géothermique, etc.). Les taux sont généralement prévus pour diminuer progressivement dans le temps au rythme des évolutions technologiques et des réductions de coûts globales. Cela va dans le même sens que le fait de maintenir les niveaux de rémunération en accord avec les coûts de production réels dans le temps. En outre, ce système de tarification offre généralement une garantie d achat de l électricité produite à partir des sources d énergie renouvelable dans le cadre des contrats à long terme (15 à 25 ans). Ces contrats sont habituellement proposés de manière non discriminatoire à tous les producteurs d électricité renouvelable intéressés. Depuis 2009, des politiques de prix de rachat ont été promulguées dans 63 juridictions du monde entier, y compris en Australie, Autriche, Belgique, Brésil, Canada, Chine, Chypre, République tchèque, Danemark, Estonie, France, Allemagne, Grèce, Hongrie, Iran, République d Irlande, Israël, Italie, République de Corée, Lituanie, Luxembourg, Pays Bas, Portugal, Afrique du Sud, Espagne, Suède, Suisse, Turquie et dans certains (une douzaine, à l heure actuelle) états des Etats Unis, et gagnent du terrain dans d autres pays comme la Chine, l Inde et la Mongolie. En 2008, une analyse approfondie réalisée par la Commission européenne a conclu que «les régimes tarifaires de rachat bien adaptés constituent généralement les plans de soutien les plus rentables et les plus efficaces pour promouvoir l électricité renouvelable», ce qui tend vers la parité réseau. Cette conclusion est étayée par un certain nombre d analyses récentes, y compris par l Agence internationale de l énergie, la Fédération européenne pour l énergie renouvelable, ainsi que par la Deutsche Bank. Vous trouverez ici des informations complémentaires sur les plans de soutien aux sources renouvelables. legal.eu/ 11

12 Sources news/science at nasa/2002/solarcells/ integrated_photovoltaics, knowledge/photovoltaics.html, in_tariff, legal.eu/,