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Panneau solaire

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Ce qu’il faut savoir sur le photovoltaïque et les panneaux solaires

Le saviez-vous ?
En une heure, le soleil produit plus d’énergie que l’humanité n’en consomme en un an ! Soit plus de 10 000 fois plus...

L'énergie solaire est, à l'échelle humaine, inépuisable et disponible en très grandes quantités.

Une cellule photovoltaïque traditionnelle doit fonctionner un minimum de cinq ans pour compenser l'énergie utilisée pour la fabriquer, compte tenu de leur durée de vie actuelle (plus de 30 ans), elle produit donc 6 fois plus d'énergie que celle nécessaire à sa fabrication.

Définition et principe du photovoltaïque

Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (l'effet photovoltaïque découvert par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel en 1839) et la technique associée. L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par la transformation d'une partie du rayonnement solaire au moyen d’une cellule photovoltaïque. Schématiquement, un photon de lumière incidente permet sous certaines conditions de mettre en mouvement un électron, produisant ainsi un courant électrique.

Les cellules photovoltaïques sont fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs produits à partir d’une matière première très pure, comme le silicium. Ces matériaux émettent des électrons lorsqu’ils sont soumis à l'action de la lumière. Ceux-ci sont éjectés du matériau et ils circulent dans un circuit fermé, produisant ainsi de l’électricité.

Ce processus ne nécessite aucun cycle thermodynamique intermédiaire, c'est-à-dire que le rayonnement est directement converti en électricité sans utilisation intermédiaire de la chaleur.

Principe de création de l'électricité photovoltaïque

 

Production d'électricité photovoltaïque

Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques exploitent l'effet photoélectrique pour produire du courant continu par absorption du rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur transportant les charges électriques.

Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites dopées respectivement de type n et de type p. Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau. Un atome de silicium compte 4 électrons périphériques. L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes de phosphore qui, eux, comptent 5 électrons (soit 1 de plus que le silicium). On parle de dopage de type n comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore qui ont 3 électrons (1 de moins que le silicium). On parle de dopage de type p comme positif en raison du déficit d’électrons ainsi créé. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p(1).

Production d'électricité photovoltaïque

En traversant la cellule photovoltaïque, les photons arrachent des électrons aux atomes de silicium des deux couches n et p. Les électrons libérés se déplacent alors dans toutes les directions. Après avoir quitté la couche p, les électrons empruntent ensuite un circuit pour retourner à la couche n. Ce déplacement d’électrons n’est autre que de l’électricité.

Fonctionnement et installation du photovoltaïque

Le solaire photovoltaïque non concentré

Le silicium cristallin représente aujourd’hui environ 85 % du marché des matériaux utilisés dans la fabrication des panneaux photovoltaïques.

  • Les cellules monocristallines

C’est la filière historique du photovoltaïque . Les cellules monocristallines sont les photopiles de la première génération. Elles sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en une seule pièce. Elles ont un bon rendement mais la méthode de production est laborieuse et très coûteuse. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ».

  • Les cellules polycristallines

Les cellules polycristallines sont élaborées à partir d’un bloc de silicium composé de cristaux multiples. Elles ont un rendement plus faible que les cellules monocristallines mais leur coût de production est moindre. Des avancées technologiques récentes permettent de produire des cellules polycristallines à couche mince afin d’économiser le silicium. Ces cellules ont une épaisseur de l’ordre de quelques micromètres d’épaisseur. Le rendement expérimental maximal obtenu avec des cellules polycristallines est pour le moment de 12 à 20 % pour les applications commerciales, et de 24 % en laboratoire de recherche.

Technologies prometteuses : Le solaire photovoltaïque concentré

Les miroirs concentrent les rayons du soleil sur une petite cellule solaire photovoltaïque à haut rendement. Grâce à cette technologie de concentration, les matériaux semi-conducteurs peuvent être remplacés par des systèmes optiques moins coûteux. A puissance égale, ceci permet d'utiliser 1 000 fois moins de matériel photovoltaïque que dans les panneaux photovoltaïques à insolation directe.

Cette technologie devrait pénétrer le marché dans un avenir proche.

Le rendement théorique maximum de la conversion photon-electron est de l'ordre de 85 % (le rendement de Carnot est 95 %). Le rendement expérimental maximal obtenu avec cette technologie est pour le moment de 40,7 %.

Les constituants organiques (polymères)

L’utilisation de matériaux polymères vise à remplacer les matériaux minéraux par des semi-conducteurs organiques, autrement dit des plastiques, pour la fabrication de cellules photovoltaïques. Ceux-ci sont bon marché, ont des bonnes propriétés d’absorption et sont faciles à déposer. Leur coût de revient très faible se double de caractéristiques particulièrement attrayantes : plus légères et moins fragiles, leur nature flexible laisse même envisager des matériaux souples en polymères organiques ou en silicones, voire des fibres textiles et des encres photovoltaïque s. D’une durée de vie courte, elles n’offrent pour l’instant que des rendements de moins de 5 % en laboratoire et devront donc être améliorées avant de pouvoir servir de base au développement d’une filière industrielle.

Voir le site Connaissance des énergies : http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/solaire-photovoltaique

Cette technologie ne devrait entrer substantiellement sur le marché qu’à moyen terme, vers 2015.

Les cellules hybrides : thermique et photovoltaïque

Le rendement des cellules solaires photovoltaïques diminue lorsque les panneaux montent en température. Certains centres de recherche(6) ont eu l'idée de récupérer la chaleur captée et libérée par le photovoltaïque pour simultanément optimiser le rendement électrique et obtenir une source de chauffage. Ils développent ainsi des capteurs solaires hybrides mariant le photovoltaïque et le thermique. Les premières versions de cette technologie devraient arriver sur le marché sous peu.

Enjeux par rapport à l'énergie

Avantages

  • L’énergie solaire est, à l’échelle humaine, inépuisable et disponible gratuitement en très grandes quantités. De plus, lors de la phase d’exploitation, la production d’électricité au moyen de panneaux photovoltaïques n’est pas polluante.
  • Le silicium, matériau utilisé dans les panneaux solaires actuels les plus répandus, est très abondant et n’est pas toxique.
  • Les panneaux solaires ont une durée de vie de 30 ans et plus et sont presque intégralement recyclables.
  • La modularité des panneaux est très importante, c'est-à-dire qu’il est possible de concevoir des installations de tailles diverses dans des environnements très variés. Ceux-ci sont par conséquent adaptés à la production décentralisée d'électricité en site isolé.
  • Les panneaux photovoltaïques peuvent être utilisés à des fins domestiques de petite échelle (des toits solaires par exemple) ou à des fins de production énergétique industrielle à grande échelle (une ferme solaire par exemple).

Limites

  • La technologie photovoltaïque est encore trop coûteuse pour être compétitive face aux énergies fossiles, son coût au kilowatt heure est environ 4 fois supérieur.
  • Les panneaux photovoltaïques les plus répandus, faits de silicium cristallin, sont lourds, fragiles et difficiles à installer.
  • Une centrale requiert de vastes espaces. Un projet de 550 MW couvre par exemple une superficie de l’ordre de 25 km2.
  • L’impact environnemental et énergétique de la fabrication des panneaux de silicium est important. Une cellule photovoltaïque doit fonctionner un minimum de cinq ans pour compenser l'énergie utilisée pour la fabriquer.
  • L’énergie électrique n’est pas « directement » stockable, c'est-à-dire sous sa forme primaire. Il est en revanche possible de la stocker « indirectement » dans des batteries sous forme chimique ou dans des accumulateurs cinétiques sous forme mécanique. Les technologies existantes sont encore très coûteuses.

Acteurs majeurs

Depuis plusieurs années, les installations de panneaux photovoltaïques sont accélérées par des programmes nationaux d’incitations financières telles que des tarifs de rachats bonifiés de l'électricité produite pour le réseau public. Les Etats jouent donc un rôle clé dans le développement de la filière.

Le marché mondial de cellules et de panneaux photovoltaïques est dominé par une poignée de pays, notamment le Japon, la Chine, l'Allemagne et les États-Unis. A noter que la société chinoise Suntech Power est devenue en 2009 le premier producteur mondial de panneaux photovoltaïques. Sharp, First Solar, Abengoa Solar sont d’autres grands noms de ce secteur auquel il convient d'ajouter l'entreprise allemande Q-Cells, même si celle-ci a déposé le bilan en avril 2012.

Unités de mesure et chiffres clés : Watt crête (Wc)

La puissance-crête d’une installation photovoltaïque (exprimée en kWc) est la puissance maximale (capteurs bien orientés, bien inclinés, sans ombrage) qu’elle peut produire sous un ensoleillement donné.

Cette unité a trois utilisations principales :

  • La comparaison du rendement des matériaux photovoltaïques, dans les mêmes conditions ;
  • la qualification de la taille d'une installation, indépendamment de ses conditions d'ensoleillement
  • la comparaison des gisements solaires et de leur production électrique.

Fin 2011, le parc mondial solaire photovoltaïque a une capacité de plus de 67 gigawatts (GW) installés, selon l’EPIA (European Photovoltaic Industry Association). Selon l’AIE, les filières photovoltaïque et thermodynamique auront des contributions équivalentes en 2050 en termes de production énergétique. Actuellement, environ 85 % de la production mondiale de modules photovoltaïques est à base de plaquettes de silicium cristallin. Le reste utilise des couches minces déposées sur une surface, solution plus économique en matière de coûts de fabrication mais avec des rendements beaucoup moins bons, entre 5 et 11 %.

Zone de présence ou d'application

Les pays disposant des entreprises les plus développées sont également les pays ayant installé le plus de capacités photovoltaïque s. Ceci s’explique par le fait que les compagnies locales remportent souvent des subventions ou des marchés nationaux qui leur permettent de se développer plus rapidement et d’expérimenter leurs technologies.

A noter que l’efficacité des panneaux diminue lorsque la température augmente. Il existe donc peu d’installations en milieu désertique. On leur préfère en général des installations solaires thermodynamiques dont le rendement croît lui avec la température.

Futur

L’industrie du photovoltaïque se tourne aujourd’hui vers le développement de techniques qui utiliseront à terme beaucoup moins de matière ou des matériaux moins onéreux. Le solaire à concentration, le dépôt sur ruban, les panneaux à couche fine et les matériaux organiques constituent aujourd’hui les principaux axes de recherche et d’innovation future.

Enfin, la recherche sur le stockage d’électricité sera également importante. Ce thème transversal de l’énergie concerne plus particulièrement le solaire photovoltaïque puisque le caractère compétitif de cette technologie dépendra beaucoup de sa capacité à répondre aux besoins ponctuels, notamment nocturnes ou sous un temps nuageux.

En Résumé

Le parc photovoltaïque français a été multiplié par 7 entre 2009 et 2011. Il représente environ 2,2 GW fin 2011. La production photovoltaïque atteint 1,8 TWh en métropole. Elle a triplé en un an.

Selon une étude menée par L’EPIA et Greenpeace intitulée « Global Photovoltaic Market Analysis and Forecasts to 2020 », la capacité mondiale de production d’électricité photovoltaïque est passée de 1,3 GW en 2001 à 15,2 GW en 2008. Les perspectives de développement mènent à un parc photovoltaïque mondial d’environ 300 GWc opérationnels à l'horizon 2020-2025. Le marché annuel devrait lui dépasser les 40 GWc installés par an à cet horizon.

Les tarifs de rachat de l'électricité photovoltaïque à ce jour

Dispositif mis en place à partir du 10 mars 2011:

Le nouveau dispositif de mars 2011 prévoit des tarifs d’achat, ajustés chaque trimestre, pour les installations photovoltaïque s de moins de 100 kWc.

A la fin de chaque trimestre, en fonction des nouvelles demandes reçues par les gestionnaires de réseaux, les ministres en charge de l’énergie et de l’économie arrêteront la valeur de l’ajustement trimestriel. Si le nombre de projets déposés est conforme à la trajectoire prévue de 100 MW/an pour le segment résidentiel et 100 MW/an pour le segment non résidentiel (inférieur à 100 kWc), cet ajustement consistera en une baisse du tarif d’achat de 2,6%. Si le flux de nouveaux projets est moins important, la baisse sera moins marquée voire nulle. Si le flux est plus important la baisse sera accentuée. Un tel ajustement permet ainsi de contrôler dans la durée le nombre de projets déposés.

Les tarifs de vente actuels de l'électricité photovoltaïque  du 1 juillet 2013 au 30 septembre 2013

  • Au 1er juillet 2013 le tarif pour les installations de moins de 9 kW en intégré bâti passe à 29,69 c€/kWh.
  • Jusqu'à 36 kW en intégré simplifié, il est actuellement de 15,21 c€/kWh
  • Entre 36 et 100 kW, il est actuellement à 14,45 c€/kWh.
  • Le tarif T5 est actuellement à 7,76 c€/kWh
  • Ces tarifs sont affichés ici sans la bonification (voir tableau ci-dessous), en effet ces tarifs de vente de l'électricité photovoltaïque peuvent être bien sûr bonifiés de + 5 % ou + 10% ( dans le cas où les installations sont réalisées avec des modules d'origine européenne).

Pour information, les tarifs sont révisés chaque trimestre en fonction du nombre de projets déposés le trimestre précédent. Cela nécessite donc un délai pour annoncer les nouveaux tarifs pour ce 3ème trimestre 2013 (du 1 juillet au 30 septembre 2013).. Cette révision s’effectue indépendamment pour les installations intégrées au bâti (IAB) et les installations intégrées simplifiée au bâti (ISB).

Retour sur investissement d'une installation photovoltaïque de 3 kWc

La revente de l'électricité produite par des panneaux solaires photovoltaïques vous garantit un revenu pendant 20 ans. L'investissement est important mais le prix à l'achat peut être réduit grâce à un crédit d'impôt pour les particuliers et à des aides fiscales pour les professionnels.

Quel investissement ?

L’investissement comprend la fourniture et la pose du système photovoltaïque et des coûts annexes.
Le coût d’une installation photovoltaïque au bâtiment qui sera choisi dépend de sa taille et du mode d’intégration :

  • pose au sol ou sur toiture
  • intégration toiture ou intégration simple
  • intégration verrière, tuiles, PVC, …

Il ne faut pas oublier de prendre en compte les travaux d’amélioration ou de réfection du bâtiment, indépendants du système photovoltaïque (exemple des travaux d’étanchéité ou de renforcement de la charpente).

Le raccordement

Les travaux de raccordement au réseau ERDF ne peuvent être effectués que par le gestionnaire de réseau (ERDF ou la régie). Ils sont facturés directement au maître d’ouvrage. En basse tension, les coûts de raccordement au réseau sont de l’ordre de 1 000 € TTC en moyenne, mais peuvent atteindre 1 800 € HT dans certaines configurations.

L’attestation de conformité

L'installation doit faire l’objet d’une attestation de conformité aux règles de sécurité en vigueur, visée par le CONSUEL. Son coût s’élève aux alentours de 150 € TTC.

L'avantage : revente de l’électricité à EDF à un tarif intéressant et un financement facilité

De nombreuses aides et crédits d’impôts permettent de réduire la facture initiale et ainsi diminuer fortement le montant à financer.

D’autre part, les engagements de l’état vis-à-vis de l’Europe ont poussé les organismes financiers à s’intéresser de plus près aux énergies renouvelables. Il existe aujourd’hui dans la plupart des banques des crédits « développement durable » ou crédits « verts », qui permettent de financer une installation photovoltaïque à taux préférentiels.

Un équipement amorti en quelques années

Votre installation peut donc être rapidement rentabilisée. Pour une estimation plus précise de votre situation, essayez notre simulateur photovoltaïque.

Investissement et entretien du photovoltaïque

Si vous êtes un particulier et que votre projet est installé par un professionnel qui fournit et pose le matériel, vous bénéficiez du dispositif national suivant :

  • taux de TVA réduit à 7 % si l’habitation a plus de 2 ans et uniquement (si l’installation est inférieure à 3 kWc),
  • crédit d’impôt de 11% des coûts du matériel TTC, sur votre résidence principale uniquement (hors main d’œuvre, 1 760 € de crédit d’impôt par couple + 44 € par enfant à charge sur le plafond légal).

Les avantages :

  • les recettes solaires sont non imposables (si installation < 3 kWc),
  • un revenu moyen sur 20 ans de 1 000 et 1 300 € par an, grâce à la revente de l’électricité à EDF, à tarif intéressant.

Exemple de rentabilité pour un investissement de 14 000 € environ, correspondant à 3 kWc installés.

Montant TTC de l'investissement

14 000 €

Montant droit à crédit d'impôts 11 %

1 210 €

Montant de l'investissement CI déduit

12 790 €

Orientation

SUD

Pente

30 °

Production annuelle théorique de l'installation

3 147 kWh

Revenu annuel théorique

1 100 €

Revenu théorique actualisé sur 20 ans

29 566 €

Retour sur investissement 29 566/12 790

2,31

Financement du photovoltaïque

Une installation photovoltaïque de moins de 3 kWc est éligible au crédit d'impôts

Pour l'installation d'un système photovoltaïque, jusqu'à 3 kWc, vous bénéficiez d'un crédit d'impôts développement durable de 11 % du montant du prix du matériel, dans une limite de 8 000 € pour une personne seule, 16 000 € pour un couple marié ou à imposition commune, +, 400 € par personne à charge.

Pour une étude personnalisée du financement qui vous convient : cliquez sur le lien ci-dessous :

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Les principaux fabricants du photovoltaïque

Les entreprises Expert Eco Energie préconisent les meilleurs matériels de photovoltaïque des principaux fabricants mondiaux :

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