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Sommaire

Le solaire

vendredi 27 avril 2012 par Jean-François

 

Résumé de l’article

Solaire thermique : technologie simple et peu coûteuse.
Bien adapté à la production d’ECS, voire de chauffage.
Potentiel de développement important

Photovoltaïque : production d’électricité relativement faible au regard de la surface nécessaire.
Bien adapté aux zones isolées
Problème d’intermittence et nécessité d’un réseau intelligent|
|Solaire thermique à concentration : adapté aux zones désertiques à fort ensoleillement
Investissements importants, réseaux de transport des pays du sud vers le nord (néo-colonialisme ?)

L’énergie transmise à la terre par le rayonnement solaire est considérable, environ 1500 Kwh par m² et par an. En théorie, il suffirait de capter 0,01% de l’énergie solaire pour remplacer l’ensemble des énergies fossiles et nucléaires au niveau mondial !

Le problème est que cette énergie est très diffuse et de plus rythmée par les alternances jour-nuit et été-hiver.

1. Solaire thermique

1.1 Description

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Panneau solaire thermique

Un panneau solaire thermique est constitué d’une plaque de couleur noire sur laquelle est fixé un serpentin de tuyaux dans lequel circule de l’eau (le plus souvent). Un vitre fermant le panneau permet d’améliorer le rendement par effet de serre.

Les panneaux sont généralement fixés sur le toit des habitations.
- Dans les installations les plus simples (très développées sur le pourtour méditerranéen) l’eau circule par convection jusqu’à un réservoir situé au sommet du toit.
- Dans les installations plus sophistiquées, une pompe électrique fait circuler l’eau jusqu’à un ballon d’eau chaude situé dans l’habitation.

Un panneau solaire produit environ 0,06 tep par m² et par an.

1.2 Avantages attendus

- C’est un système très frustre et facile à mettre en œuvre, particulièrement adapté aux pays du sud et pour l’habitat dispersé.
- Les impacts environnementaux sont négligeables et pratiquement limités aux matériaux de construction (donc le bilan carbone est très bon).
- Un panneau solaire thermique de 5m² répond pratiquement aux besoins d’eau chaude sanitaire (ECS) d’une famille (70% des besoins d’une famille de 4 personnes).
- L’investissement est rentable, y compris dans les pays du nord : en France, l’installation d’un panneau est rentabilisée en 20 ans (en 10 ans avec les subventions).

1.3 Inconvénients

- L’installation n’est pas très rémunératrice pour un artisan, ce qui ne facilite pas la promotion du système.
- L’utilisation de panneaux solaires thermiques est également envisageable pour le chauffage (15 m² de panneaux couvrent 50% des besoins d’un logement de 120 m²) mais la rentabilité n’est pas certaine (problème de déphasage entre les besoins de chauffage, surtout en hiver, et la production maximale, surtout en été).

1.4 Potentiel de développement

Il apparaît considérable, tant dans les pays en développement que dans les pays du nord (En Autriche, le solaire thermique correspond à 53% des installations d’ECS. En Allemagne le solaire thermique apporte 0,4% de la consommation d’énergie finale du pays).

La France dispose de 10 000 km² de toits, dont 5000 km² bien orientés. On peut estimer que la moitié de ce potentiel de surface soit utilisé pour le solaire thermique, et la moitié pour des panneaux photovoltaïques (voir ci-après).

0,06 tep par m² et par an sur 2500 km² permettrait de produire 150 Mtep par an.

La contrainte est plutôt d’ordre économique, du fait de l’investissement initial nécessaire.

- L’AIE estime qu’en 2050 30 à 40% des besoins de chaleur domestique pourraient être couverts par le solaire thermique. Soit 1200 Mtep
- Si en 2050 le monde faisait 10 fois mieux que l’Allemagne actuellement (0,4% de son énergie primaire), on obtiendrait 800 Mtep

Ordre de grandeur retenu pour le potentiel mondial en 2050 : 1000 Mtep

1.5 Coûts

Il s’agit essentiellement d’un coût d’investissement, l’utilisation étant ensuite pratiquement gratuite.
- L’installation de 5m² de panneaux et d’un ballon de 300 litres coûte actuellement 4500€. Il est peu probable que ce prix baisse, compte tenu de l’évolution du prix des matières premières et notamment du cuivre.
- L’installation de 15 m² de panneaux et d’un système mixte (ECS et chauffage) coûte environ 50% plus cher qu’un système de chauffage central classique.

2. Solaire photovoltaïque

2.1 Description

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Cellule photovoltaïque
Schéma de fonctionnement

L’énergie solaire peut aussi produire directement de l’électricité dite photovoltaïque. Un panneau photovoltaïque est composé de plaquettes de matériaux semi-conducteurs. Il s’agit le plus souvent de cellules de silicium très minces (0,2 à 3 microns) déposées sur un substrat.

Sous une latitude moyenne (France) 1 m² de panneau fournit une puissance de 100 w et produit en moyenne 100 à 130 kwh par an (avec un facteur de charge de 15%, pour tenir compte des alternances jour/nuit et des journées sans soleil).

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Panneaux ptpvoltaïques


- Les panneaux peuvent être installés au niveau d’un bâtiment (individuel ou collectif) pour répondre aux besoins d’électricité (hors chauffage et ECS).
- Soit en alimentant directement le bâtiment.
- Soit par raccordement au réseau de distribution (si possible « réseau intelligent », le bâtiment étant producteur ou consommateur d’électricité selon la période).

- Ils peuvent aussi être installés en parcs de panneaux photovoltaïques connectées au réseau de distribution.

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Champ de panneaux photovoltïques

2.2 Avantages attendus

- L’installation de panneaux photovoltaïques sur un toit d’immeuble ou de maison individuelle est très simple.
- La production d’électricité photovoltaïque répond bien aux besoins d’électricité en des lieux ne disposant pas d’un accès au réseau.

2.3 Problèmes ou risques

- 80% de la production de panneaux photovoltaïques est concentrée en Asie (Chine, Taiwan, …).
- La production de galettes de silicium nécessite une grande quantité d’énergie. Le bilan carbone de l’électricité photovoltaïque est le moins bon de toutes les énergies renouvelables.
- Le production d’électricité photovoltaïque est intermittente (jour/nuit, couverture nuageuse). Si la part du photovoltaïque n’est pas marginale, il faut nécessairement développer des systèmes de stockage (STEP, batteries, hydrogène).
- L’électricité produite au niveau individuel est insuffisante pour alimenter un chauffage électrique, ou même une installation d’ECS (eau chaude sanitaire).

2.4 Potentiel de développement

1 m² de panneau photovoltaïque produisant environ 130 Kwh, la surface totale des toits suffirait pour répondre à la totalité des besoins actuels d’électricité. Cette situation se vérifie aux niveaux de la France, de l’Europe et du monde.

Exemple pour la France :

- Surface totale de toits : environ 10 000 km², dont approximativement 5 000 km² utilisables (en excluant les toits mal orientés ou à l’ombre) et à partager avec le solaire thermique individuel.
- Potentiel de production de cette surface supposée couverte de panneaux : 650 Twh (avec un facteur de charge de 15%). Rappelons que la production actuelle d’énergie électrique est de 550 Twh par an.

Le potentiel physique est donc considérable, il est toutefois fortement limité par des considérations économiques.

Le coût d’installation de 5 000 km² de panneaux serait de 450 milliards d’€ (soit le coût de 100 EPR, ou encore la totalité des investissements d’EdF d’ici 2050).

Supposons qu’EdF consacre la quart des sa capacité d’investissement au photovoltaïque (soit 2 milliards d’€ par an), cela permettrait d’équiper 22 km² de panneaux par an. En 2050 on disposerait d’une capacité totale de 115 Twh, soit 20% de la production actuelle.

Les mêmes proportions appliquées au niveau mondial conduiraient à une capacité de 4 000 Twh, soit 350 Mtep.

2.5 Coûts

Investissement actuel pour installer 20m² de panneaux photovoltaïques : 9000 € HT (soit 420 € par m²) plus le coût du crédit.

Avec l’effet de série et les progrès technologiques, supposons que ce coût soit divisé par 5 (en moyenne sur 40 ans) soit 90 € par m².

Fonctionnement : 20 à 30 cts d’€ HT le Kwh, soit deux à trois fois plus cher que les prix actuels du marché.

3. Solaire thermique à concentration

3.1 Description

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Centrale thermique solaire

Un parc de panneaux miroirs (cylindriques ou paraboliques) concentre les rayons solaires sur une chaudière généralement placée en haut d’une tour. Cette chaudière produit de la vapeur sous pression qui entraîne une turbine et un alternateur, lequel produit de l’électricité.

Une centrale à concentration ayant une puissance de 20 Mw occupe environ 180 hectares de terrain. C’est donc un mode de production d’énergie adapté aux pays du sud disposant de grandes surfaces inoccupées (zones désertiques).

On considère que 1 Mw de puissance installée produit 3 Gwh par an, avec un facteur de charge de 35%.
On peut améliorer ce facteur de charge en stockant de chaleur sous forme de sels fondus. Ceci permet ainsi de produire de l’électricité plusieurs heures après le coucher du soleil.
Le facteur de charge atteint alors 50%, 1 Mw installé produisant 4,5 Gwh.

A noter que plusieurs technologies co-existent :
- Concentration des rayons solaires par miroirs paraboliques
- Utilisation de lentilles de Fresnel
- Miroirs asservis au mouvement du soleil.

3.2 Avantages attendus

- Les rendements en zones désertiques sont élevés.
- L’impact sur l’environnement est faible.
- L’implantation des centrales en zones désertiques répond assez bien aux besoins de production d’eau douce, par dessanilisation de l’eau de mer.

3.3 Inconvénients ou risques

- L’installation en zones désertiques impose le plus souvent d’installer des réseaux de transport (perte de rendement : 7%) pour amener l’électricité dans les zones habitées.

- Des projets prévoient d’installer des centrales dans les pays du sud (Magrheb, …) pour répondre aux besoins en Europe. Cette organisation présenterait deux risques :
- un « néo-colonialisme », déjà constaté pour l’extraction de pétrole dans certains pays d’Afrique
- une dépendance énergétique des pays européens.

- Le coût d’investissement est important, la technologie n’est donc pas directement appropriable par les pays en développement.

- La multiplicité des technologies encore en présence montre que le système n’est pas stabilisé, ce qui n’est pas de nature à attirer les investisseurs.

3.4 Potentiel de développement

L’Agence Internationale de l’Energie (AIE estime qu’en 2050 11% de la production mondiale d’électricité pourra provenir du solaire thermique centralisé, soit environ 400 Mtep.

3.5 Coûts

La centrale d’Andalucia (près de Seville) a nécessité un investissement de 171 millions d’€ pour une puissance installée de 20 Mw et production annuelle de 110 Gwh par an (soit 1500 € par Mwh).

La montée en charge et la maturité technologique devraient permettre de comprimer ces coûts et de descendre en dessous de 100 € d’investissement par Mwh annuel.

Le recul est encore insuffisant pour bien connaître le prix du Kwh fourni. Si l’on se réfère au prix de rachat en Espagne (qui correspond sensiblement au coût réel avec un retour sur investissement permettant d’attirer un investisseur), le prix serait d’environ 27 cts d’€ par Kwh.


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