II Le Rendement énergétique
1. Les différents types de silicium
Le silicium cristallin est une technologie éprouvée et robuste,dont l’espérance de vie
est à peu près de trente ans, dont le rendement était de l'ordre de 13 % au début de la
création de cette source d’énergie. On obtient désormais des rendements atteignant plus de
20 % pour certaines technologies. Ces cellules sont adaptées à des puissances de quelques centaines
de watts à quelques dizaines de kilowatts. Elles représentaient près de 80 % de la production mondiale de
panneaux photovoltaïques en 2000. Le silicium cristallin se divise lui-même en trois catégories :
- Mono cristallin :
Tout d’abord, le silicium à l’état brut est fondu pour donner un barreau. Le refroidissement du silicium doit être lent et maîtrisé pour obtenir un mono cristal. Un wafer (tranche de silicium) est alors découpé dans le barreau de silicium. Après divers traitements (traitement de surface à l’acide, dopage et création de la jonction P-N que nous étudierons plus tard, dépôt de couche anti-reflet, pose des collecteurs), le wafer devient une cellule. Son procédé de fabrication est long, exigeant en énergie et onéreux. Il est cependant plus efficace que le silicium poly cristallin car son rendement est de 17.2%. - Poly cristallin :
Le wafer est scié dans un barreau de silicium dont le refroidissement forcé a créé une structure poly-cristalline. Grâce à leur potentiel de gain de productivité, ces cellules se sont aujourd'hui imposées : elles représentaient 49 % de l'ensemble de la production mondiale en 2000. L'avantage de ces cellules par rapport au silicium mono cristallin est qu'elles produisent peu de déchets de coupe et qu'elles nécessitent 2 à 3 fois moins d'énergie pour leur fabrication. Le rendement des panneaux poly cristallins est d'environ 13%. - Le silicium amorphe :
Celui-ci a des coûts de fabrication bien inférieurs à ceux du silicium cristallin. Les atomes ou molécules qui constituent un matériau amorphe sont disposés aléatoirement les uns par rapport aux autres. La position relative des molécules ou atomes voisins est imposée par la nature des liaisons assurant la cohésion du solide. Les cellules amorphes sont utilisées partout où une alternative économique est recherchée, ou, quand très peu d'électricité est nécessaire (alimentation des montres, calculatrices…). Elles sont également souvent utilisées là où un fort échauffement des modules est à prévoir. Cependant, le rendement est de plus de 2 fois inférieur à celui du silicium cristallin et nécessite donc plus de surface pour la même puissance installée. Les cellules en silicium amorphe sont actuellement de moins en moins utilisées : 9,5 % de la production mondiale en 2000, alors qu'elles représentaient 12 % en 1999.
2. Les Facteurs
Plusieurs facteurs peuvent affecter la production d’un site photovoltaïque :
A La localisation géographique
La production électrique d’un site photovoltaïque dépend notamment de l’ensoleillement du site. Ce dernier dépend lui-même de la localisation géographique. La carte ci-dessous indique, en France, le gisement solaire, c’est-à-dire l’énergie (kWh) par unité de surface (m²) et par unité de temps (année) délivrée par le Soleil. On voit donc sur la carte qu’un site dans le Nord de la France aura un gisement solaire bien plus faible que sur la Côte d’Azur. C’est donc l’un des facteurs à prendre en compte avant d’installer ses panneaux.
Carte du gisement solaire français
(Source : hespul.org)
B Les ombrages éventuels
Un ombrage sur les capteurs 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,
qui se traduit par une perte de production, est plus ou moins important,
c’est pourquoi il vaut mieux bien le déterminer avant d’investir.
Il faut observer comment évolue l’ombrage au long de la journée
et installer ses modules tels qu’ils soient le moins gênés par les obstacles infligés à la lumière solaire.
Ainsi, l’installation de panneaux photovoltaïques doit être réfléchie.
On peut pour cela avoir recours à des professionnels informés sur le sujet.
Parfois on peut même apprendre que l’installation, à cause de facteurs géographiques,
d’orientation ou d’ombrage trop mauvais, ne devient plus un choix intéressant.
En pratique, la puissance d’un capteur installé sur un site varie
en fonction de l’ensoleillement reçu par le capteur - qui dépend lui-même du jour, de l’heure,
de la météo, de l’orientation du système, de sa température, etc. - si bien que la puissance crête n’est jamais atteinte par le capteur.
C L’implantation du système
L'implantation consiste à régler l'orientation et l'inclinaison du système photovoltaïque.
(Source : hespul.org)
Facteur de correction à appliquer à la production attendue du système en fonction de son orientation et de son inclinaison
L'orientation est un facteur déterminant pour une installation de panneaux photovoltaïques.
En effet comme on peut le voir sur le tableau ci-dessus, dans l'hémisphère Nord,
plus le panneau est orienté vers le Sud, plus il y aura d'énergie produite.
Exposer un panneau vers le Nord est aberrant car le rendement sera beaucoup plus faible que si le panneau était orienté vers le Sud.
Une orientation vers l'Est ou l'Ouest, peut être acceptable si elle est imposée,
par exemple par l'architecture du bâtiment.
Nous traiterons plus en détail le facteur fondamental qu'est l'inclinaison dans la prochaine partie, avec l'éxpérience.
3. Le bilan énergétique
A L’énergie grise
L’énergie grise est l’énergie nécessaire pour permettre la consommation de l’énergie utile.
L’énergie grise est l’énergie nécessaire pour permettre la consommation de l’énergie utile.
Il s’agit en fait de l’énergie utilisée dans la création de cellules photovoltaïque.
L’énergie utile est celle dont dispose le consommateur final après la dernière conversion
par ses propres appareils. Par exemple: la chaleur, l'énergie mécanique, la lumière…
Les panneaux photovoltaïques possédant des cellules poly et mono cristallines proviennent de
tranches de silicium cristallisé. Les procédés de la fabrication qui demandent la plus grande
énergie sont la purification et la cristallisation du silicium. Même si ensuite il faut encore
découper le cristal en fines tranches et les assembler dans les modules. On estime à 600kWh/m²
l’énergie nécessaire pour la fabrication et l’installation d’un système photovoltaïque.
En ce qui concerne les panneaux utilisant des cellules amorphes, le stade de fabrication
le plus demandeur en énergie est la fabrication du support de la couche mince. Dans ces panneaux
peu de semi-conducteur est utilisé. Pour ce système on estime donc la demande en énergie proche de 420 kWh/m².
Recyclage des panneaux photovoltaïques
L’énergie grise pourrait être compensée par le recyclage des cellules photovoltaïques
ainsi cette énergie deviendrait nettement inférieure à celle qui est demandée
pour la création des panneaux avec des composants neufs.
Le recyclage est basé selon deux étapes :
- tout d’abord les panneaux sont fondus afin de séparer ses différents composants,
- puis pour réutiliser les cellules de silicium dans des nouveaux modules photovoltaïques, c elles-ci sont soumises à un procédé de purification.
Par exemple une ancienne centrale allemande en mer du Nord a dépassé sa durée de vie initialement prévue de 20 ans, c’est pourquoi l’entreprise Solar World AG se propose pour recycler les cellules photovoltaïques créées par AEG-Telefunken en 1983, par ce procédé.
B Rentabilité
Le bilan énergétique est la durée pendant laquelle les panneaux photovoltaïques doivent fonctionner
afin de compenser l’énergie utilisée pour leur fabrication.
Beaucoup d’organisme se sont penchées sur la question,
comme l'Agence International de L’Energie qui a publié en avril 2006 une étude en coopération
avec la Fédération de l’Industrie Photovoltaïque qui nous informe que :
- Il faut de 2 à 4 ans pour rentabiliser un système photovoltaïque composé de cellules poly cristallines. Les variations importantes sont du aux facteurs exposés précédemment, on constate donc l’importance de l’inclinaison (toiture ou façade) ou encore localisation.
- On estime un laps de temps équivalent pour la rentabilité d’un système photovoltaïque mono cristallin. En effet même si les données ne sont pas précises le rendement de ces panneaux et supérieur tout comme son prix.
- Pour les panneaux photovoltaïques amorphes il faut environ trois ans pour recréer l’énergie utilisée à la fabrication.
Bilan énergétique traduit selon les années de fonctionnement d’un système photovoltaïque
(Source : outilssolaires.com)