PRESENTATION TECHNIQUE DU PHOTOVOLTAIQUE

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1 PRESENTATION TECHNIQUE DU PHOTOVOLTAIQUE Les déclinaisons du kilowatt Le kilowatt (kw) : c est la puissance électrique d un système énergétique dans lequel est transférée uniformément une énergie de joules pendant 1 seconde (1 watt = 1 joule/sec) Le kilowattheure (kwh) : c est l énergie consommée par un appareil d une puissance de 1 kilowatt pendant 1 heure. Le kilowatt crête (kwc) : c est l'unité de mesure permettant d'exprimer la puissance d un système photovoltaïque dans des conditions standards, à savoir un ensoleillement de W/m² à une température des modules de 25 C. Les cellules solaires utilisent l effet photovoltaïque pour créer de l électricité L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement. Parmi les techniques existantes pour capter directement une partie de cette énergie, les panneaux solaires sont sans doute les plus utilisés. Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie des semiconducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer des électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule, qui génère un courant électrique continu. Les cellules solaires présentent la particularité d orienter la circulation des électrons pour transformer leur mouvement en électricité, elles sont composées de silicium (élément majeur qui constitue les sables) qui est dopé d un côté par du phosphore et de l autre par du bore. Ainsi les deux faces se comportent de manière opposées en présence de soleil. Dans ces conditions la première face à tendance à repousser les électrons et la seconde à les attirer, créant ainsi un champ électrique qui est capté par un fils conducteur relié à un onduleur.

2 La réalisation de cellules solaires fait appel à de la très haute technologie et est réservée à quelques entreprises japonaises (Sharp, Kyocera-Sanyo, Mitsubishi), allemandes (Q Cells, Schott Solar) chinoises (Suntech Power), espagnole (Isofoton) et française (PhotoWatt). Les panneaux photovoltaïques composés de cellules solaires produisent un courant continu qu il faut transformer en courant alternatif à l aide d onduleur avant de l injecter dans le réseau EDF ou de l autoconsommer. Les onduleurs Des cellules photovoltaïques plus ou moins performantes Plusieurs types de cellules photovoltaïques existent. Ils se distinguent par la nature de leurs composants et présentent des rendements variables - Cellule en silicium monocristallin Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d un bleu uniforme. Avantages - Très bon rendement (environ 150 Wc/m²) - Durée de vie importante (+/- 30 ans) - Rendement module commercial : 12 à 20% - Coût élevé Inconvénients - Rendement faible sous un faible éclairement - Cellule en silicium polycristallin Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Avantages - Bon rendement (environ 100 Wc/m²) - Durée de vie importante (+/- 30 ans) - Meilleur marché que le monocristallin - Rendement module commercial : 11 à 15% - Coût assez élevé Inconvénients - Rendement faible sous un faible éclairement

3 - Cellule sans silicium en couche mince CIS Les cellules CIS représentent la nouvelle génération de cellules solaires sous forme de films minces, de type cuivre-indium-sélénium (CIS). Les matières premières nécessaires à la fabrication des cellules CIS sont plus faciles à se procurer que le silicium utilisé dans les cellules photovoltaïques classiques. De plus, leur efficacité de conversion énergétique est la plus élevée à ce jour pour des cellules photovoltaïques en couche mince. Avantages Inconvénients - Permet d obtenir les meilleurs rendements par rapport aux autres cellules en couche mince - Permet de s affranchir du silicium - La cellule peut être construite sur un substrat flexible - Rendement module commercial : 9 à 11%. - Faible densité énergétique - Cellule silicium amorphe en couche mince Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé ou marron. C est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires". Avantages Inconvénients - Fonctionnent avec un éclairement faible - Bon marché par rapport aux autres types de cellules - Moins sensible aux températures élevées - Rendement module commercial : 5 à 9% - Rendement faible en plein soleil - Faible densité énergétique (environ 60 Wc/m²) - Durée de vie courte (+/- 10 ans), - Performances qui diminuent sensiblement avec le temps.

4 Les modules photovoltaïques sensibles à l ombre Un ombrage sur les capteurs photovoltaïques peut avoir des origines diverses : arbre, bâtiment ou relief naturel installé plus au sud que le système photovoltaïque. Selon la taille de l obstacle et surtout sa hauteur, l impact de l ombrage -une perte de production- est plus ou moins important, c est pourquoi il vaut mieux le quantifier avant d investir. Les modules photovoltaïques sont très sensibles à l ombrage. Contrairement aux panneaux solaires thermiques qui peuvent tolérer un peu d ombrage, les modules photovoltaïques ne peuvent être occultés, principalement à cause des connections électriques (en série) entre les cellules et entre les modules. On distingue 2 types d ombrage : l ombrage total et l ombrage partiel. L ombrage complet empêche tout rayonnement (direct et indirect) d atteindre une partie de cellule photovoltaïque (par exemple, une déjection d oiseau, une branche d arbre sur le panneau, une couverture). L ombrage partiel empêche seulement le rayonnement direct d atteindre une partie de la cellule photovoltaïque (par exemple, une cheminée, un arbre, un nuage). Souvent, les cellules d un module photovoltaïque sont connectées en série. Ainsi, la cellule la plus faible va déterminer et limiter la puissance des autres cellules. L ombrage de la moitié d une cellule ou de la moitié d une rangée de cellule diminuera la puissance proportionnellement au pourcentage de la surface ombrée d une cellule, dans ce cas de 50%. L ombrage total d une rangée de cellules peut réduire à zéro la puissance du module. Le photovoltaïque à portée de toit? Ne devient pas photovoltaïculteur qui veut. En effet, tous les bâtiments ne se prêtent pas au photovoltaïque. La production d électricité d une installation photovoltaïque est dépendante de l'orientation des panneaux : - l'exposition Sud, sans ombre est idéale. - une inclinaison d'environ 30 (57%) est optimum. La combinaison d une exposition plein-sud à 30 d inclinaison maximise la production électrique. 4

5 La pente de toit des bâtiments agricoles est généralement de 17 à 22 %, soit 9,5 à 12, mais elle ne pénalise que faiblement le rendement des panneaux. Il faut aussi éviter d'être proche d'activités générant trop de poussières ; les poussières en se déposant sur les modules auraient un impact néfaste sur la production d'électricité. Du point de vue conception et réduction de coût, il est donc plus simple de mettre en place une activité de revente d'électricité sur des bâtiments à construire que sur des bâtiments existants. En général, le système photovoltaïque (panneaux + éléments de fixation) a un poids supérieur à celui du fibrociment (13-14 kg/m² pour le fibrociment), il convient de renforcer la toiture existante. Les fabricants annoncent une durée de vie des panneaux solaires de plus de 30 ans. Des champs magnétiques au niveau des onduleurs Contrairement aux idées reçues, il n existe pas de risque de création de champs électromagnétiques par les panneaux (courant continu et faible voltage). En revanche, les onduleurs qui transforment le courant continu en courant alternatif à 220 V ou 380 V, génèrent des champs électromagnétiques qui peuvent présenter un risque pour les animaux et les équipements électroniques. En conséquence, il convient d installer les onduleurs dans un local spécifique isolé à l extérieur du bâtiment, non contigu au logement des animaux dans le cas d une installation en élevage. Retour énergétique, GES et recyclage des panneaux, Suite aux travaux et recherches de l association Hespul, les procédés de fabrication des modules photovoltaïques au silicium cristallin induisent une consommation de silicium et d éléments traces (plomb, bore, phosphore). Ils occasionnent également divers rejets: composés chlorés, boues chargées en silicium, gaz et effluents provenant de l utilisation de produits chimiques. Par ailleurs, on sait que globalement ces processus de fabrication consomment environ kwh d énergie finale/kwc, soit un retour énergétique d environ 3 ans. L économie d émission de Gaz à Effet de Serre est d environ 70 g de CO 2 /kwh produit par les panneaux dans le système de production électrique français. Les premières grosses quantités de panneaux à recycler arriveront probablement d ici une bonne dizaine d années, la filière de recyclage se met peu à peu en place à l image de l association PV CYCLE créé en 2007, qui est constitué par les principaux fabricants et importateurs de panneaux photovoltaïques. Contrairement à beaucoup de nouvelles technologies qui arrivent sur le marché, les fabricants de panneaux photovoltaïques ont déjà envisagé le recyclage des matériels en fin de vie. 5

6 Diverses pertes de rendements peuvent affecter toute installation photovoltaïque Les principales sources de pertes énergétiques sont : Pertes par ombrage : l environnement d un module photovoltaïque peut inclure des arbres, montagnes, murs, bâtiments, etc. Il peut provoquer des ombrages sur le module ce qui affecte directement l énergie collectée. Pertes par poussière ou saletés : leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque (3-6%). Pertes par dispersion de puissance nominale : les modules photovoltaïques issus du processus de fabrication industrielle ne sont pas tous identiques. Les fabricants garantissent des déviations inférieures de 3% à 10% autour de la puissance nominale. Pertes des connexions : la connexion entre modules de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à puissance légèrement réduite. Elles augmentent avec le nombre de modules en série et en parallèle (~3%). Pertes par température : en général, les modules perdent 0,4% par degré supérieur à sa température standard de 25ºC. D où la nécessité d avoir des panneaux bien ventilés par le dessous. Pertes par rendement de l onduleur lors de la transformation du courant continu en courant alternatif par l onduleur, il y a une perte de rendement. Pour comparer les investissements on parle d /kwc. En effet, le coût au m² est dépendant du type de panneaux utilisés et de sa puissance en Wc. Dans une même gamme de modules, les fabricants proposent plusieurs puissances pour une même surface de module. Les panneaux sont garantis en productions de 20 à 25 ans par le constructeur. On considère qu un onduleur sur trois devra être changé au bout d une dizaine d années. Le matériel est garanti de 5 à 20 ans selon les installateurs. Pour une installation de panneaux photovoltaïques dans la Marne, on peut compter entre 950 et kwh/kwc de production. 6

7 Les assurances Avant toute installation, un chargé de prévention peut venir sur le site d installation des panneaux photovoltaïques pour voir tous les aspects au niveau de l assurance. Plusieurs cas peuvent être la cause d incident sur les panneaux photovoltaïques : Risque foudre : - rattaché aux dommages électriques - dans certaines situations prévoir un para foudre et/ou un para surtension Risque incendie : Les panneaux n augmentent pas le risque d incendie mais augmentent la valeur du bâtiment. Pour cela, l assureur pourra émettre des recommandations suivant le niveau de risques (séparés les tracteurs et la paille ) Evénements naturels : Les risques restent assez limités. Les panneaux sont assez résistants aux intempéries. Vol : Certain assureur n assure pas les installations au sol. Pour toutes les installations, il existe un système d alarme. Perte d exploitation : La perte d exploitation n est assurée que si les autres risques sont déjà assurés. Une expertise est faite sur les dommages directs et suivant l assureur, un engagement de 24 mois maximum est fait pour remettre en état les bâtiments et les panneaux. Responsabilité civile : Une extension de la responsabilité civile agricole est suffisante. L assurance de l installation photovoltaïque est un point à ne peut négliger (l assureur peut préconiser quelques équipements pour sécuriser l'installation (para-surtenseur, parafoudre, ). Bien réfléchir son projet - 1 ère phase : Pré-étude Cette phase consiste à évaluer le site. L analyse des caractéristiques du site de l existant ou des bâtiments à construire permet un premier dimensionnement de l installation et met en évidence les aspects à étudier de près comme par exemple : l orientation de la toiture, le type de charpente, les zones d ombrage A la suite de cette pré-étude, la personne pourra dire exactement s il est possible de poser des panneaux sur la toiture. - 2 ème phase : Etude technique Cette phase est importante et à ne pas négliger pour un tel projet. Cette étude est menée par un bureau d étude. La problématique consiste à optimiser le rendement de l ensemble de l installation. Plusieurs points sont étudiés : - identification du potentiel énergétique - conception d une étude statique ou de sol - optimisation du choix du matériel - conception du circuit électrique et de la protection de foudre. 7

8 - 3 ème phase : Etude économique Cette étude permet de voir si le projet est réalisable ou pas d une part et surtout mesure son impact sur la vie de l entreprise agricole. Ce dernier point est d ailleurs fondamental car une mauvaise anticipation du projet pourrait avoir des conséquences importantes sur l exploitation. Pour rappel, le projet a une durée de vie de 20 ans, au minimum, or sur cette durée une exploitation agricole passera peut-être en société si ce n est déjà fait, connaîtra peut être un ou plusieurs nouveaux associés, Ainsi, tant d un point de vue fiscal que juridique, il est indispensable d ajuster un conseil efficace et optimum. De plus, cette étude économique ne pourra que conforter les financeurs des projets. - 4 ème phase : Raccordement électrique Plusieurs étapes sont à faire pour le raccordement électrique : - Attestation de conformité - Certification d obligation d achat : ce document précise notamment la puissance maximale installée de l installation de production et comporte une date de délivrance à partir de laquelle EDF a une obligation d achat. - Déclaration ou autorisation à exploiter - Etude et contrat de raccordement Les questions préalables lors d une rencontre avec un installateur PV - garantie des panneaux et onduleurs - qui pourra assurer l'entretien et le suivi de l'installation sur 20 ans - origine des panneaux - expériences (installations déjà réalisés) - quelle sera la puissance de l'installation? (ça donnera un avis sur les difficultés de raccordements avec EDF) Contact : David HERVE, Conseiller Energie Tél. : david.herve@marne.chambagri.fr Mise à jour le 9 avril