Quelles filières technologiques pour le succès du solaire en France?

Quelles filières technologiques pour le succès du solaire en France? Philippe Malbranche Responsable Programmes CEA-INES Tél : 33 4 79 44 45 46 Mél : philippe.malbranche @ cea.fr www.ines-solaire.com 1

L électricité solaire photovoltaïque 1. Etat des lieux et perspectives mondiales : les applications, les marchés, les technologies, les principaux acteurs 2. La situation française : Le marché, La R&D, INES 3. Les principaux axes de recherche pour la baisse des coûts et l augmentation des performances 2

En Allemagne, 6 MW 3

En Espagne, 11 MW 4

Aux USA, 14 MW, 2008 5

4,3 MW à Vinon sur Verdon, 2009 6

Des lotissements, au Japon, dès 2005 7

Des lotissements, en Allemagne 8

Mars 2010 Des Midis lotissements, Minatech, Grenoble aux USA, 2007 9

Les perspectives de progrès Lotissement Les Hauts de Feuilly, MCP Saint Priest, en cours de construction 10

Autres exemples en Rhône Alpes 11

Le contexte : un marché mondial en forte croissance Environ 6000 MW en 2009, pour un CA de près de 25 G La croissance s accélère : 15% par an autrefois 35% par an sur les 6 dernières années 50% par an sur les 2 dernières 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 15%/an >50%/an >35%/an 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 12

Les principaux marchés dans le monde, en MW 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 2006 2007 2008 2009 Tchéquie Chine USA Corée Japon Belgique Portugal France Italie Espagne Allemagne Données annuelles, source EPIA 13

Les technologies, en part relative, données 2008 Source: Photon International, March 2009; Graphics: EPIA 14

Les dix premiers producteurs mondiaux 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Q-CELLS FIRST SOLAR SUNTECH SHARP JA SOLAR KYOCERA YINGLI MOTECH SUNPOWER SANYO 15

Les prix actuels : - 5% par an en moyenne sur + de 20 ans Cellules : 1 à 1,5 /Wc Modules : 1,5 à 2,5 /Wc, Systèmes : 3 à 8 /Wc 20 /Wc 15 10 5 Système PV Module Objectifs EPIA et EUREC 0 1980 1990 2000 2010 2020 2030 16

Les prix de revient de l électricité : Variable selon l ensoleillement, de 0,25 à 0,65 /kwh Hypothèses d un petit système individuel : < 5 kwc Coût du système: 6 /Wc Durée d amortissement : 20 ans Taux d intérêt: 4% Inflation: 2% Coût annuel de maintenance = 1% de l investissement. Inclinaison optimisée Source: European Commission, DG Joint Research Centre 17

Une diffusion progressive, par niches successives Le photovoltaïque a d abord été compétitif dans les sites isolés Sur les réseaux, il vient d entrer dans la zone de compétitivité avec l électricité de pointe : Cas du Japon depuis 2005 : poursuite du marché malgré l arrêt de toutes les subventions Cas des îles et des pays à forte pointe diurne et estivale /kw h 1,0 0,8 0,6 900 h/a: 0,60 /kw h 1800 h/a: 0,30 /kw h 0,4 0,2 0,0 1990 2000 2010 2020 2030 2040 18

Les scénarios de croissance de l EPIA 3 scénarios pour 3 objectifs européens : 4%, 6% ou 12% en 2020 19

Sommaire 1. Etat des lieux et perspectives mondiales : les applications, les marchés, les technologies, les principaux acteurs 2. La situation française : Le marché, La R&D, INES 3. Les principaux axes de recherche pour la baisse des coûts et l augmentation des performances 20

La puissance raccordée au réseau : 300 MW Un contexte très difficile jusqu en 2006, Le décollage en 2008, 269 MW 69 MW 25 MW 200 MW installés en 2009 21

La répartition régionale 22

La répartition par tailles Beaucoup d installations < 3kW (crédit d impôts) Quelques grosses > 3MW 23

Les perspectives en France : 1. Après le décollage, déjà la surchauffe : 2500 MW en attente 2. La filière industrielle française n a pas eu le temps de monter en puissance 24

Le potentiel d intégration sur le réseau français 25

La multiplication des acteurs français de la filière (non exhaustif) 8500 emplois, 150 entreprises, 5000 installateurs : Silicium Lingots Plaquettes Cellules Modules Systèmes Installation Photowatt Ferropem Vesuvius ECM FEE Solems PV Alliance Apex BP Solar Cyberstar Adixen Emix Tenesol Solaire Direct Sillia Energie Soprema Sun Land 21 Clipsol Carbonne Lorraine Arkema Total GDF Suez Solarezo First Solar Urbasolar Sunnco Air Liquide EDF St Gobain Schneider 26

INES : Un écosystème d innovation sur le solaire Situé sur une technopole, à destination : Des chercheurs et enseignants Des start-up Des PME Des industriels Facilitant l innovation : En montant des projets collaboratifs En déposant des brevets En développant des prototypes, des procédés, des équipements à échelle industrielle, pour des transferts de technologies plus rapides 27

INES Phase 1, un ensemble de cinq bâtiments 9000 m² de laboratoires et plates-formes Matériau silicium Cellules silicium et organiques 170 chercheurs Solaire thermique Systèmes électriques Systèmes de stockage + plate-forme des bâtiments solaires expérimentaux 28

INES : planning général 09/2005 12/2006 12/2009 12/2013 PHASE 1 «INES» PHASE 2 «INES 1» PHASE 3 «INES 2» INES à 80 personnes INES à 150 personnes INES à 500 personnes 5000 m² 10000 m² Phase 1 25 M Phase 2 50 M Phase 3 > 100 M 29

4 M 3300 m² 10 M 2200 m² 20 M 7500 m² 30

Les plates-formes technologiques de l INES 4,6 4,6 M M 2005/2007 2005/2007 1,2 1,2 M M 2007 2007 2,8 2,8 M M 2,4 2,4 M M 1,9 1,9 M M 1,1 1,1 M M 2007 2007 Mars 2010 Midis Minatech, Grenoble 2006 2006 2006 2006 2005 2005 55 M M 2009 2009 1M 1M 2006 2006 31

Plate-forme «MEGASOL» 150 hectares pour réaliser des projets de centrales au sol innovantes Centrale Thermodynamique Basse température Centrale Photovoltaïque à châssis fixes Centrale Thermodynamique Haute température Centrale Photovoltaïque suiveuse de soleil Centrale Photovoltaïque à concentration 32

Evolution des ressources de l INES des sources de financements INES (apports financiers cumulés) Évolution de l effectif INES INES - 1 INES - 2 INES 1 INES 2 33

Vers un «Solar Innovation Campus» > 100 M 34

Vers un «Solar Innovation Campus» 35

Sommaire 1. Etat des lieux et perspectives mondiales : les applications, les marchés, les technologies, les principaux acteurs 2. La situation française : Le marché, La R&D, INES 3. Les principaux axes de recherche pour la baisse des coûts et l augmentation des performances 36

Baisse des coûts et facteur d expérience expérience & effets d échelle innovation R&D 1. La baisse des quantités de matériaux utilisés, et de leur prix 2. L augmentation des performances 3. Des procédés et des équipements plus productifs 37

1. La baisse des quantités de matériaux nécessaires Filière silicium 20 tonnes de silicium par MW en 1990 10 tonnes de silicium par MW en 2006 7-8 tonnes de silicium par MW en 2009 Vers les 3 à 5 tonnes de silicium par MW : Des cellules toujours plus fines Des plaquettes obtenues sans sciage : Ruban Moulage direct Filière couches minces 100kg à 1 tonne de matériau photovoltaïque par MW 38

Evolution de l épaisseur des plaquettes Source: EPIA, Solar Generation V, 2008 39

2. L augmentation des performances : le passé Rendements : + 4% tous les dix ans Concentration Silicium Couches minces Organique Le silicium apporte aujourd hui le meilleur coût de revient en /W 40

2. L augmentation des performances : le futur Une meilleure absorption de la lumière Oxyde Transparent Conducteur (TCO) Si amorphe a-si:h (p) ou (i/p) Une meilleure utilisation du spectre solaire : Hétérojonctions Multijonctions Des nouveaux concepts via les nanotechnologies Leistungsdichte [W/m 2 µm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 2500 Wellenlänge [nm] Si cristallin c-si (n) Si amorphe a-si:h (n) ou (i/n) Oxyde Transparent Conducteur (TCO) AM15 GaInP GaInAs Ge 41

Exemple de développement de la filière Si hétérojonction sur INES Rendement max (%) 22 Evolution du rendement sur cellules PV Hétérojonctions en 2009 20 18 Target may ==> 18% atteint! 17 18 Objectif à fin 2009 ==> 20 % 19.5 18.8 19 18.3 18.5 18.5 16 15.7 14.3 14 12 11.3 10 Janvier février mars avril mai juin juillet aout septembre octobre novembre décembre 42

PV de 3ème génération : nanotechnologies Intégration de nanofils de silicium dans une cellule photovoltaïque ( =0.1% démontré dans Th. Stelzner et al., Nanotechnology 2008, 19, 295203) (0,15% pour GENERAL ELECTRIC) Collecteurs électriques Nanofils Exploitation de la totalité du spectre solaire Tranches de silicium 43

PV de 3ème génération : filière organique Banc d évaporation 44

3. Vers des procédés et équipements plus productifs Des vitesses de dépôts plus rapide sans dégrader les performances du matériau Dépôt industriel en 5 minutes rendement de 3-5 % Reproduction des conditions Industrielles, en 5 min 5% Dépôts en Labo Procédé modifié 3 phases en 5 minutes 15% Procédé 3 phases En 30 minutes >19% 45

3. Vers des procédés et équipements plus productifs Des procédés continus, avec des temps de cycle courts : ex : 2,5 heures du verre au module chez First Solar Vers des usines avec des capacités de l ordre du GW 46

Autres évolutions technologiques, sur les produits l apparition de produits innovants, «multifonctionnels» : Colorisation, Transparence variable Fenêtre «permanente», à LED Des produits préfabriqués pour installation facilitée 47

Autres évolutions technologiques, sur les produits l apparition de produits flexibles 48

Les systèmes et paysages du futur Un recours accru au solaire impose une optimisation énergétique globale : Bâtiments Transports Réseaux électriques 49

Conclusions : Evolutions du marché et des technologies 14000 12000 10000 Toutes les filières vont continuer à croître en volume : La part relative du Silicium cristallin massif va se réduire La part relative des couches minces et des nouveaux concepts va augmenter 8000 6000 4000 2000 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 2010 2015 2020 2025 2030 Thin Films C Si 2007 2008 2009 2010 2011 2012 New concepts Thin Films C Si Tout ceci n est qu un début : Le marché mondial décollera vraiment à partir de 2020 350 300 250 200 150 100 50 0 2010 2015 2020 2025 2030 50