Le PV solaire est une source d’énergie qui produit de l’électricité à partir de sources renouvelables, l’une obtenue directement à partir du rayonnement solaire par un dispositif semi-conducteur appelé cellule photovoltaïque. Ce type d’énergie est principalement utilisé pour produire de l’électricité à grande échelle via des réseaux de distribution, mais permet également d’alimenter d’innombrables applications et appareils autonomes, ainsi que d’alimenter les abris de montagne ou les foyers isolés à partir du réseau électrique. En raison de la demande croissante en énergies renouvelables, la fabrication de cellules solaires et d’installations photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années. Ils ont commencé la production de masse à partir de 2000, lorsque les environnementalistes allemands et les organisations Eurosolar ont obtenu un financement pour la création de dix millions de toits solaires.

L’énergie photovoltaïque n’émet aucun type de pollution pendant son fonctionnement, contribuant à éviter l’émission de gaz à effet de serre. Son principal inconvénient est que sa production dépend du rayonnement solaire, donc si la cellule n’est pas alignée perpendiculairement au soleil, vous perdez entre 10 et 25% de l’énergie incidente. En conséquence, l’utilisation de suiveurs solaires a été popularisée dans les installations de connexion au réseau afin de maximiser la production d’énergie. La production est également affectée par les conditions météorologiques défavorables, telles que le manque de soleil, les nuages ​​ou la saleté déposés sur les panneaux. Cela implique que pour garantir l’approvisionnement en électricité, il est nécessaire de compléter cette énergie par d’autres sources d’énergie gérables, telles que des centrales utilisant la combustion de combustibles fossiles, l’énergie hydroélectrique ou l’énergie nucléaire.

Grâce aux progrès technologiques, à la sophistication et à l’économie d’échelle, le coût de l’énergie solaire photovoltaïque a été réduit de façon constante depuis la construction des premières cellules solaires commerciales, augmentant ainsi leur efficacité. nombre croissant de régions géographiques, atteignant la parité réseau. Actuellement, le coût de l’électricité produite dans les installations solaires se situe entre 0,05 et 0,10 dollar EU / kWh en Europe, en Chine, en Inde, en Afrique du Sud et aux États-Unis. En 2015, de nouveaux records ont été atteints dans des projets aux Émirats arabes unis (0,0584 $ / kWh), au Pérou (0,048 $ / kWh) et au Mexique (0,048 $ / kWh). En mai 2016, une enchère solaire à Dubaï a atteint un prix de 0,03 $ / kWh.

Applications de l’énergie solaire photovoltaïque

La production industrielle à grande échelle de panneaux photovoltaïques a pris son essor dans les années 1980 et parmi ses nombreuses utilisations, on peut souligner:

Télécommunications et signalisation
L’énergie solaire photovoltaïque est idéale pour les applications de télécommunications, notamment celles que l’on trouve par exemple dans les stations locales de téléphonie, les antennes de radio et de télévision, les stations de relais à micro-ondes et d’autres liaisons de communication électroniques. Cela est dû au fait que, dans la plupart des applications de télécommunications, des batteries de stockage sont utilisées et que l’installation électrique est normalement réalisée en courant continu. Sur les terrains accidentés et montagneux, les signaux de radio et de télévision peuvent être perturbés ou reflétés en raison du relief ondulé. Dans ces endroits, des émetteurs de faible puissance (LPT) sont installés pour recevoir et retransmettre le signal parmi la population locale.

Les cellules photovoltaïques sont également utilisées pour alimenter les systèmes de communication d’urgence, par exemple sur les postes SOS (téléphonie d’urgence), la signalisation ferroviaire, les balises de protection aéronautique, les stations météorologiques ou les systèmes de surveillance des données environnementales et qualitatives. eau.

Appareils isolés
La réduction de la consommation d’énergie des circuits intégrés a permis à la fin des années 1970 d’utiliser des cellules solaires comme source d’électricité dans les calculatrices telles que le Royal Solar, le Sharp EL-8026 ou le Teal Photon.

D’autres dispositifs fixes utilisant l’énergie photovoltaïque ont également vu leur utilisation augmenter au cours des dernières décennies, dans des endroits où le coût de la connexion au réseau électrique ou l’utilisation de piles jetables sont trop élevés. Ces applications comprennent par exemple les lampes solaires, les pompes à eau, les parcomètres, les téléphones d’urgence, les compacteurs de déchets, les stations de chargement de signaux temporaires ou permanents ou les systèmes de surveillance à distance.

Électrification rurale
Dans les environnements isolés, où l’alimentation électrique est faible et l’accès au réseau difficile, les panneaux photovoltaïques sont utilisés comme une alternative économiquement viable depuis des décennies. Pour comprendre l’importance de cette possibilité, il convient de rappeler qu’environ un quart de la population mondiale n’a toujours pas accès à l’électricité.

Dans les pays en développement, de nombreux villages sont situés dans des zones reculées, à plusieurs kilomètres du réseau électrique le plus proche. En conséquence, l’énergie photovoltaïque est de plus en plus incorporée pour alimenter des foyers ou des installations médicales dans les zones rurales. Par exemple, dans les régions reculées de l’Inde, un programme d’éclairage rural a permis d’éclairer des lampes à LED alimentées par énergie solaire pour remplacer les lampes à pétrole. Le prix des lampes solaires était à peu près le même que celui de la fourniture de kérosène pendant quelques mois. Cuba et d’autres pays d’Amérique latine s’emploient à fournir de l’énergie photovoltaïque dans des zones éloignées de l’approvisionnement en électricité classique. Ce sont des domaines dans lesquels les avantages sociaux et économiques pour la population locale constituent une excellente raison d’installer des panneaux photovoltaïques, bien que ce type d’initiatives ait été relégué à des efforts humanitaires spécifiques.

Systèmes de pompage
Le PV est également utilisé pour alimenter des installations de pompage pour l’irrigation, l’eau potable dans les zones rurales et l’eau du bétail, ou le dessalement de l’eau par les systèmes.

Les systèmes de pompage photovoltaïques (comme ceux alimentés par l’énergie éolienne) sont très utiles lorsqu’il n’est pas possible d’accéder au réseau électrique général ou qu’il s’agit d’un prix prohibitif. Leur coût est généralement moins élevé en raison de leurs coûts d’exploitation et de maintenance plus faibles et leur impact sur l’environnement est inférieur à celui des systèmes de pompage alimentés par des moteurs à combustion interne, qui sont également moins fiables.

Les pompes utilisées peuvent être du courant alternatif (AC) ou du courant continu (DC). Normalement, les moteurs à courant continu sont utilisés pour les petites et moyennes applications jusqu’à 3 kW de puissance, tandis que pour les applications plus importantes, les moteurs à courant alternatif sont couplés à un onduleur qui transforme le courant continu des panneaux photovoltaïques pour son utilisation. Cela permet de dimensionner des systèmes de 0,15 kW à plus de 55 kW de puissance, qui peuvent être utilisés pour alimenter des systèmes d’irrigation complexes ou un stockage d’eau.

Systèmes hybrides solaire-diesel
En raison de la diminution des coûts de l’énergie solaire photovoltaïque, l’utilisation de systèmes hybrides solaire-diesel se développe également, combinant cette énergie avec des générateurs diesel pour produire de l’électricité de manière continue et stable. Ces types d’installations sont normalement équipés d’équipements auxiliaires, tels que des batteries et des systèmes de contrôle spéciaux pour assurer la stabilité de l’alimentation électrique du système à tout moment.

En raison de sa viabilité économique (le transport du diesel au point de consommation est généralement coûteux), les anciens générateurs sont souvent remplacés par du photovoltaïque, tandis que les nouvelles installations hybrides sont conçues de manière à pouvoir utiliser la ressource solaire chaque fois est disponible, minimisant l’utilisation de générateurs, réduisant ainsi l’impact environnemental de la production d’électricité dans les communautés et les installations éloignées qui ne sont pas connectées au réseau électrique. Les entreprises minières en sont un exemple. Celles-ci se trouvent généralement dans des champs ouverts, loin des grandes agglomérations. Dans ces cas, l’utilisation combinée de la technologie photovoltaïque permet de réduire considérablement la dépendance au carburant diesel, permettant ainsi d’économiser jusqu’à 70% du coût de l’énergie.

Ce type de systèmes peut également être utilisé en combinaison avec d’autres sources de production d’énergie renouvelable, telles que l’énergie éolienne.

Transport et navigation maritime
Bien que le photovoltaïque ne soit pas encore largement utilisé pour assurer la traction dans les transports, il est de plus en plus utilisé pour fournir de l’énergie auxiliaire aux navires et aux voitures. Certains véhicules sont équipés de la climatisation alimentée par des panneaux photovoltaïques pour limiter la température intérieure lors des journées chaudes, tandis que d’autres prototypes hybrides les utilisent pour recharger leurs batteries sans avoir à se connecter au réseau électrique. La capacité pratique de concevoir et de fabriquer des véhicules, des bateaux et des avions à énergie solaire, considérée comme le transport routier le plus viable pour le photovoltaïque, a été largement démontrée.

Le Solar Impulse est un projet dédié au développement d’un avion propulsé uniquement par l’énergie solaire photovoltaïque. Le prototype peut voler pendant la journée propulsé par les cellules solaires qui couvrent ses ailes, tout en chargeant les batteries qui lui permettent de rester dans l’air pendant la nuit.

L’énergie solaire est également couramment utilisée dans les phares, les bouées et les balises de navigation maritime, les véhicules récréatifs, les systèmes de charge pour accumulateurs électriques de navires et les systèmes de protection cathodique. La recharge des véhicules électriques devient de plus en plus importante. 94

Photovoltaïque intégré dans les bâtiments
De nombreuses installations photovoltaïques sont souvent situées dans des bâtiments: elles sont généralement situées sur un toit existant ou intégrées dans des éléments de la structure du bâtiment, tels que des lucarnes, des puits de lumière ou des façades.

Alternativement, un système photovoltaïque peut également être physiquement séparé du bâtiment, mais connecté à son installation électrique pour fournir de l’énergie. En 2010, plus de 80% des 9 000 MW de photovoltaïque que l’Allemagne avait déjà exploités avaient été installés sur des toits.

Le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) est de plus en plus intégré en tant que source principale ou secondaire d’énergie électrique dans les nouveaux bâtiments domestiques et industriels, et même dans d’autres éléments architecturaux, tels que des exemples de ponts. Les tuiles avec cellules photovoltaïques intégrées sont également assez courantes dans ce type d’intégration.

Selon une étude publiée en 2011, l’utilisation de l’imagerie thermique a montré que les panneaux solaires, à condition qu’il y ait un espace libre dans lequel l’air peut circuler entre les panneaux et le toit, permettent de refroidir les bâtiments pendant la journée. garder la chaleur accumulée pendant la nuit.

Connexion photovoltaïque au réseau
L’une des principales applications de l’énergie solaire photovoltaïque plus développée ces dernières années consiste en des centrales électriques connectées au réseau, ainsi que des systèmes d’autoconsommation photovoltaïques, généralement de moindre puissance, mais également connectés au réseau électrique.

Systèmes photovoltaïques
Un système photovoltaïque, ou système solaire photovoltaïque, est un système d’énergie conçu pour fournir de l’énergie solaire utilisable au moyen de systèmes photovoltaïques. Il consiste en un agencement de plusieurs composants, dont des panneaux solaires pour absorber et convertir directement la lumière solaire en électricité, un onduleur solaire pour transformer le courant électrique en courant continu en courant alternatif, ainsi que des accessoires de montage, de câblage et autres accessoires électriques. Les systèmes photovoltaïques vont de petits systèmes montés sur le toit ou intégrés au bâtiment avec des capacités allant de quelques dizaines de kilowatts à de grandes centrales électriques de centaines de mégawatts. De nos jours, la plupart des systèmes photovoltaïques sont connectés au réseau, tandis que les systèmes autonomes ne représentent qu’une petite partie du marché.

Systèmes intégrés de toit et de construction
Les panneaux photovoltaïques sont souvent associés aux bâtiments: soit intégrés à ceux-ci, montés sur ceux-ci ou montés à proximité sur le sol. Les systèmes photovoltaïques installés sur les toits sont le plus souvent installés dans des bâtiments existants, généralement montés sur le toit existant ou sur les murs existants. Alternativement, une matrice peut être située séparément du bâtiment mais connectée par câble pour alimenter le bâtiment. Les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) sont de plus en plus intégrés au toit ou aux murs de nouveaux bâtiments domestiques et industriels en tant que source principale ou auxiliaire d’électricité. Des tuiles avec cellules photovoltaïques intégrées sont parfois également utilisées. À condition qu’il y ait un vide dans lequel l’air peut circuler, les panneaux solaires montés sur le toit peuvent fournir un effet de refroidissement passif sur les bâtiments pendant la journée et garder la chaleur accumulée la nuit. En règle générale, les systèmes de toit résidentiels ont une petite capacité d’environ 5 à 10 kW, alors que les systèmes de toit commerciaux s’élèvent souvent à plusieurs centaines de kilowatts. Bien que les systèmes de toit soient beaucoup plus petits que les centrales électriques installées au sol, ils représentent la majeure partie de la capacité mondiale installée.

Photovoltaïque à concentrateur
Le photovoltaïque à concentrateur (CPV) est une technologie photovoltaïque qui, contrairement aux systèmes PV conventionnels à plaques plates, utilise des lentilles et des miroirs incurvés pour concentrer la lumière solaire sur des cellules solaires à jonctions multiples (MJ) petites mais très efficaces. En outre, les systèmes CPV utilisent souvent des suiveurs solaires et parfois un système de refroidissement pour accroître leur efficacité. La recherche et le développement en cours améliorent rapidement leur compétitivité dans le segment des services publics et dans les zones à fort ensoleillement.

Capteur solaire photovoltaïque thermique hybride
Les capteurs solaires photovoltaïques hybrides (PVT) sont des systèmes qui convertissent le rayonnement solaire en énergie thermique et électrique. Ces systèmes associent une cellule photovoltaïque solaire, qui convertit la lumière solaire en électricité, avec un capteur solaire thermique, qui capture l’énergie restante et élimine la chaleur perdue du module PV. La capture à la fois de l’électricité et de la chaleur permet à ces appareils d’avoir une exergie plus élevée et donc d’être plus efficaces sur le plan énergétique que le solaire photovoltaïque ou le solaire thermique seul.

Centrales
De nombreuses fermes solaires à échelle industrielle ont été construites dans le monde entier. En 2015, la Solar Star de 579 mégawatts (MWAC) est la plus grande centrale photovoltaïque au monde, suivie par la ferme solaire Desert Sunlight et la ferme solaire Topaz, toutes deux d’une capacité de 550 MWAC, construites par la société américaine First Solar. en utilisant des modules CdTe, une technologie photovoltaïque à couche mince. Les trois centrales sont situées dans le désert californien. De nombreuses fermes solaires à travers le monde sont intégrées à l’agriculture et certaines utilisent des systèmes de suivi solaire innovants qui suivent la trajectoire quotidienne du soleil dans le ciel pour générer plus d’électricité que les systèmes fixes classiques. Il n’y a pas de coûts de carburant ou d’émissions pendant le fonctionnement des centrales.

Électrification rurale
Les pays en développement où de nombreux villages se trouvent souvent à plus de cinq kilomètres du réseau électrique utilisent de plus en plus le photovoltaïque. Dans les régions éloignées de l’Inde, un programme d’éclairage rural a fourni un éclairage LED à énergie solaire pour remplacer les lampes à pétrole. Les lampes à énergie solaire ont été vendues à peu près au prix de quelques mois d’approvisionnement en kérosène. Cuba s’emploie à fournir de l’énergie solaire aux zones hors réseau. Les applications plus complexes de l’utilisation de l’énergie solaire hors réseau incluent les imprimantes 3D. Les imprimantes 3D RepRap ont été alimentées à l’énergie solaire avec la technologie photovoltaïque, ce qui permet la fabrication distribuée pour un développement durable. Ce sont des domaines où les coûts et les avantages sociaux constituent un excellent exemple d’utilisation de l’énergie solaire, même si le manque de rentabilité a relégué ces efforts au service de l’aide humanitaire. Cependant, en 1995, les projets d’électrification rurale solaire se sont révélés difficiles à soutenir en raison de facteurs économiques défavorables, du manque de soutien technique et des séquelles de transfert de technologie nord-sud.

Systèmes autonomes
Jusqu’à il y a une dizaine d’années, le PV était fréquemment utilisé pour alimenter les calculatrices et les appareils de fantaisie. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et aux affichages à cristaux liquides à faible consommation permettent d’alimenter ces appareils pendant plusieurs années entre les changements de piles, ce qui rend l’utilisation du PV moins courante. En revanche, les dispositifs fixes distants alimentés par l’énergie solaire ont été de plus en plus utilisés récemment dans des endroits où des coûts de connexion importants rendent le réseau trop onéreux. Ces applications comprennent des lampes solaires, des pompes à eau, des parcomètres, des téléphones d’urgence, des compacteurs de déchets, des panneaux de signalisation temporaires, des bornes de recharge et des postes de garde et des signaux à distance.

Système flottant
En mai 2008, le Far Niente Winery d’Oakville, en Californie, a lancé le premier système «flottant» au monde en installant 994 panneaux solaires photovoltaïques sur 130 pontons et en les faisant flotter sur le bassin d’irrigation de la cave. Le système flottant génère environ 477 kW de puissance de pointe et, lorsqu’il est combiné à un ensemble de cellules adjacentes à l’étang, il peut compenser entièrement la consommation d’électricité de la cave. Le principal avantage d’un système photovoltaïque réside dans le fait qu’il évite de devoir sacrifier une superficie de terrain pouvant être utilisée à d’autres fins. Dans le cas de la vinerie Far Niente, le système flottant a permis d’économiser trois quarts d’acre, ce qui aurait été nécessaire pour un système terrestre. Cette superficie peut être utilisée pour l’agriculture. Un autre avantage d’un système photovoltaïque est que les panneaux sont maintenus à une température inférieure à ce qu’ils seraient sur terre, ce qui se traduit par une plus grande efficacité de la conversion de l’énergie solaire. Les panneaux flottants réduisent également la quantité d’eau perdue par évaporation et inhibent la croissance des algues.

En transport
Le PV a traditionnellement été utilisé pour l’énergie électrique dans l’espace. Le PV est rarement utilisé pour fournir de l’énergie motrice dans les applications de transport, mais il est de plus en plus utilisé pour fournir de l’énergie auxiliaire dans les bateaux et les voitures. Certaines automobiles sont équipées de la climatisation à énergie solaire pour limiter les températures intérieures lors des journées chaudes. Un véhicule solaire autonome aurait une puissance et une utilité limitées, mais un véhicule électrique à charge solaire permet d’utiliser l’énergie solaire pour le transport. Des voitures, des bateaux et des avions à énergie solaire ont été démontrés, les plus pratiques et les plus probables étant les voitures solaires. L’avion solaire suisse Solar Impulse 2 a réalisé le plus long vol solo sans escale de l’histoire et prévoit d’effectuer la première circumnavigation aérienne solaire du globe en 2015.

Télécommunication et signalisation
L’énergie solaire photovoltaïque est idéale pour les applications de télécommunication telles que le central téléphonique local, la radiodiffusion et la télévision, les micro-ondes et d’autres formes de liaisons de communication électroniques. En effet, dans la plupart des applications de télécommunication, les batteries de stockage sont déjà utilisées et le système électrique est essentiellement DC. Sur les terrains accidentés et montagneux, les signaux radio et TV ne peuvent pas atteindre car ils sont bloqués ou réfléchis à cause du terrain vallonné. À ces endroits, des émetteurs de faible puissance (LPT) sont installés pour recevoir et retransmettre le signal pour la population locale.

Applications de l’engin spatial
Les panneaux solaires sur les engins spatiaux sont généralement la seule source d’énergie pour faire fonctionner les capteurs, le chauffage et le refroidissement actifs et les communications. Une batterie stocke cette énergie pour l’utiliser lorsque les panneaux solaires sont dans l’ombre. Dans certains cas, l’électricité est également utilisée pour la propulsion d’engins spatiaux – la propulsion électrique. Les engins spatiaux ont été l’une des premières applications du photovoltaïque, à commencer par les cellules solaires au silicium utilisées sur le satellite Vanguard 1 lancé par les États-Unis en 1958. Depuis, l’énergie solaire a été utilisée dans des missions allant de MESSENGER à Mercury. loin dans le système solaire comme la sonde Juno à Jupiter. Le plus grand système d’énergie solaire utilisé dans l’espace est le système électrique de la station spatiale internationale. Pour augmenter la puissance générée par kilogramme, les panneaux solaires types des engins spatiaux utilisent des cellules solaires multi-jonctions rectangulaires à haute efficacité, à coût élevé et à faible encombrement, constituées d’arséniure de gallium (GaAs) et d’autres matériaux semi-conducteurs.

Systèmes d’alimentation spécialisés
Le photovoltaïque peut également être incorporé en tant que dispositif de conversion d’énergie pour des objets à des températures élevées et avec des émissivités radiatives préférables telles que des chambres de combustion hétérogènes.

Avantages
Les 122 PW de la lumière solaire atteignant la surface de la Terre sont nombreux – presque 10 000 fois plus que les 13 TW équivalant à la puissance moyenne consommée en 2005 par les humains. Cette abondance donne à penser que l’énergie solaire deviendra rapidement la principale source d’énergie mondiale. En outre, la production d’électricité solaire présente la plus forte densité de puissance (moyenne mondiale de 170 W / m2) parmi les énergies renouvelables.

L’énergie solaire est exempte de pollution pendant son utilisation, ce qui lui permet de réduire la pollution lorsqu’elle se substitue à d’autres sources d’énergie. Par exemple, le MIT a estimé que 52 000 personnes meurent prématurément aux États-Unis à cause de la pollution des centrales électriques au charbon et que tous les décès sauf un pourraient être évités si le PV était remplacé par du charbon. Les déchets de production et les émissions sont gérables en utilisant les contrôles de pollution existants. Les technologies de recyclage en fin de vie sont en cours d’élaboration et des politiques sont en cours pour encourager le recyclage auprès des producteurs.

Les installations photovoltaïques peuvent fonctionner pendant 100 ans, voire plus, après peu de maintenance ou d’intervention après leur installation initiale. Ainsi, après le coût initial de la construction d’une centrale solaire, les coûts d’exploitation sont extrêmement faibles par rapport aux technologies existantes.

L’électricité solaire connectée au réseau peut être utilisée localement, réduisant ainsi les pertes de transmission / distribution (les pertes de transmission aux États-Unis étaient d’environ 7,2% en 1995).

Comparativement aux sources d’énergie fossiles et nucléaires, très peu de fonds de recherche ont été investis dans la mise au point de cellules solaires. Il y a donc de nombreuses possibilités d’amélioration. Néanmoins, les cellules solaires à haut rendement expérimentales ont déjà des rendements supérieurs à 40% en cas de concentration de cellules photovoltaïques et les rendements augmentent rapidement tandis que les coûts de production de masse diminuent rapidement.

Dans certains États des États-Unis, une grande partie de l’investissement dans un système monté à domicile peut être perdue si le propriétaire déménage et que l’acheteur accorde moins de valeur au système que le vendeur. La ville de Berkeley a mis au point une méthode de financement innovante pour supprimer cette limitation, en ajoutant une évaluation fiscale transférée à la maison pour payer les panneaux solaires. Désormais appelée PACE, Property Assessed Clean Energy, 30 États américains ont dupliqué cette solution.

Il existe des preuves, du moins en Californie, que la présence d’un système solaire monté à domicile peut réellement augmenter la valeur d’une maison. Selon un article publié en avril 2011 par le laboratoire national Ernest Orlando Lawrence Berkeley intitulé Une analyse des effets des systèmes d’énergie photovoltaïques résidentiels sur les prix de vente des maisons en Californie:

La recherche montre des preuves solides que les maisons équipées de systèmes photovoltaïques en Californie se sont vendues à un prix plus élevé que les maisons comparables sans systèmes PV. Plus précisément, les estimations des primes PV moyennes vont d’environ 3,9 à 6,4 dollars par watt installé (DC) parmi un grand nombre de spécifications de modèles différents, la plupart des modèles coalisant près de 5,5 dollars / watt. Cette valeur correspond à une prime d’environ 17 000 dollars pour un système PV de 3 100 watts relativement nouveau (la taille moyenne des systèmes PV dans l’étude).
Limites

Impact sur le réseau électrique
Avec les niveaux croissants de systèmes photovoltaïques sur toit, le flux d’énergie devient bidirectionnel. Lorsqu’il y a plus de production locale que de consommation, l’électricité est exportée vers le réseau. Cependant, le réseau électrique n’est traditionnellement pas conçu pour gérer le transfert d’énergie bidirectionnel. Par conséquent, certains problèmes techniques peuvent survenir. Par exemple, dans le Queensland, en Australie, à la fin de 2017, plus de 30% des ménages possédaient un système photovoltaïque sur le toit. La célèbre courbe californienne du canard 2020 apparaît très souvent pour de nombreuses communautés à partir de 2015. Un problème de surtension peut survenir à mesure que l’électricité circule de ces ménages photovoltaïques vers le réseau. Il existe des solutions pour gérer le problème de surtension, comme la régulation du facteur de puissance des onduleurs PV, de nouveaux équipements de contrôle de la tension et de l’énergie au niveau du distributeur électrique, les conducteurs électriques, la gestion de la demande, etc. ces solutions.

Implication dans la gestion de la facture d’électricité et l’investissement énergétique
Il n’y a pas de solution miracle dans la gestion de la demande en électricité ou en énergie, car les clients (sites) ont des situations spécifiques différentes, par exemple différents besoins de confort / commodité, différents tarifs d’électricité ou différents modes d’utilisation. Le tarif de l’électricité peut comporter quelques éléments, tels que l’accès journalier et les frais de comptage, la charge énergétique (en kWh, MWh) ou la demande de pointe (par exemple, la consommation d’énergie la plus élevée sur un mois). La PV est une option prometteuse pour réduire la charge énergétique lorsque le prix de l’électricité est raisonnablement élevé et en augmentation constante, comme en Australie et en Allemagne. Toutefois, pour les sites où la demande de pointe est en vigueur, le PV peut être moins attrayant si la demande de pointe survient surtout en fin d’après-midi ou en début de soirée, par exemple dans les communautés résidentielles. Globalement, l’investissement énergétique est en grande partie une décision économique et il est préférable de prendre des décisions d’investissement en procédant à une évaluation systématique des options en matière d’amélioration opérationnelle, d’efficacité énergétique, de production sur site et de stockage d’énergie.

Impacts environnementaux

Production
L’impact environnemental de la technologie du silicium et de la technologie des couches minces est typique de la fabrication des semi-conducteurs, avec les étapes à forte intensité chimique et énergétique associées. La production de silicium de haute pureté dans la technologie du silicium est décisive en raison de la consommation d’énergie élevée et de la quantité de substances secondaires. Pour 1 kg de silicium ultra-pur, jusqu’à 19 kg de substances secondaires sont produites. Comme le silicium ultra-pur est principalement produit par des sous-traitants, le choix des fournisseurs en termes d’environnement est crucial pour la performance environnementale d’un module.

Dans la technologie des couches minces, le nettoyage des chambres de traitement est une question délicate. Voici en partie les substances nocives utilisées pour le trifluorure d’azote et l’hexafluorure de soufre. Dans l’utilisation de métaux lourds tels que le CdTe, la technologie est discutée avec un temps de retour sur investissement court sur le cycle de vie.

Opération
En 2011, l’Office d’État bavarois pour l’environnement a confirmé que les modules solaires CdTe ne présentaient aucun danger pour l’homme et l’environnement en cas d’incendie.

En raison de l’absence totale d’émissions en fonctionnement, le photovoltaïque a des coûts externes très faibles. Si ceux-ci sont de l’ordre de 6 à 8 ct / kWh pour la production d’électricité à partir du charbon et du lignite, ils ne sont que d’environ 1 ct / kWh pour les systèmes photovoltaïques (année 2000). Telle est la conclusion d’une opinion d’expert du Centre aérospatial allemand et de l’Institut Fraunhofer pour la recherche sur les systèmes et l’innovation. À titre de comparaison, il convient de mentionner la valeur de 0,18 ct / kWh de coûts externes pour les centrales thermiques solaires, également mentionnée.

Bilan des gaz à effet de serre
Même s’il n’y a pas d’opération même dans les émissions de CO 2e, les systèmes photovoltaïques ne peuvent pas encore être présents. CO 2e produit, transporté et assemblé sans système. En fonction de la technologie et de l’emplacement, les émissions de CO 2e des systèmes photovoltaïques calculées en 2013 se situent entre 10,5 et 50 g CO 2e / kWh, avec des moyennes comprises entre 35 et 45 g CO 2e / kWh. Une étude récente de 2015 a trouvé des valeurs moyennes de 29,2 g / kWh. Ces émissions sont causées par la combustion de combustibles fossiles, en particulier lors de la production de centrales solaires. Avec la poursuite de l’expansion des énergies renouvelables dans le cadre de la transformation mondiale des sources d’énergie durables, l’équilibre des gaz à effet de serre s’améliorera automatiquement. La courbe d’apprentissage technologique entraîne également une diminution des émissions. Historiquement, les émissions ont diminué de 14% par doublement de la capacité installée (en 2015).

Après une comparaison exhaustive de l’Université de la Ruhr à l’Université de Bochum à partir de 2007, le CO était toujours à 50-100 g / kWh d’émissions photovoltaïques, et les modules utilisés et l’emplacement étaient particulièrement importants. À titre de comparaison, il était de 750-1200 g / kWh pour les centrales électriques au charbon, de 400-550 g / kWh pour les centrales à gaz de TGCC, de 10 à 40 g / kWh pour l’énergie éolienne et hydroélectrique et de 10 à 30 g / kWh pour l’énergie nucléaire (sans stockage définitif) et l’énergie thermique solaire en Afrique à 10-14 g / kWh.

Amortissement énergétique
La période de récupération de l’énergie photovoltaïque est la période pendant laquelle le système photovoltaïque a fourni la même quantité d’énergie nécessaire tout au long de son cycle de vie; pour la fabrication, le transport, la construction, l’exploitation et le démantèlement ou le recyclage.

Il est actuellement (en 2013) entre 0,75 et 3,5 ans, en fonction de l’emplacement et de la technologie photovoltaïque utilisée. Les modules CdTe ont obtenu les meilleurs résultats à 0,75-2,1 ans, tandis que les modules au silicium amorphe étaient de 1,8 à 3,5 ans au-dessus de la moyenne. Les systèmes mono- et multicristallins ainsi que les installations basées sur le CIS avaient environ 1,5 à 2,7 ans. La durée de vie de l’étude était supposée être de 30 ans pour les modules basés sur des cellules en silicium cristallin et de 20 à 25 ans pour les modules en couches minces, alors que la durée de vie des onduleurs était estimée à 15 ans. D’ici 2020, une période de récupération d’énergie de 0,5 an ou moins pour les usines de silicium cristallin d’Europe du Sud est considérée comme réalisable.

En Allemagne, l’énergie nécessaire à la production d’un système photovoltaïque est récupérée dans les cellules solaires en deux ans environ. Le facteur de récolte est d’au moins 10 dans des conditions d’irradiation typiques de l’Allemagne. Une autre amélioration est probable. La durée de vie est estimée à 20 à 30 ans. Pour les constructeurs, les modules sont généralement garantis pendant 25 ans. La partie énergivore des cellules solaires peut être réutilisée 4 à 5 fois.

Consommation de terre
Les systèmes photovoltaïques sont principalement construits sur les toits et les zones de circulation existants, ce qui ne conduit pas à des exigences d’espace supplémentaires. Les installations extérieures sous la forme de parcs solaires prennent en revanche un espace supplémentaire à utiliser, souvent des zones déjà pré-contaminées. B. Zones de reconversion (à usage militaire, économique, routier ou résidentiel), zones situées le long des autoroutes et des lignes de chemin de fer (bande de 110 m), zones désignées comme zone commerciale ou industrielle ou zones scellées (anciennes décharges, parcs de stationnement, etc. .) sont utilisés. Si des systèmes photovoltaïques sont installés sur des terres agricoles, ce qui n’est actuellement pas pris en charge en Allemagne, la concurrence pour l’utilisation pourrait avoir lieu. Cependant, il faut tenir compte du fait que les parcs solaires ont un rendement énergétique bien supérieur à celui de la production de bioénergie dans la même zone. Les parcs solaires fournissent environ 25 à 65 fois plus d’électricité par unité de surface que les cultures énergétiques.

Recyclage des modules PV
Jusqu’à présent, la seule usine de recyclage (usine pilote spécialisée) pour les modules photovoltaïques cristallins en Europe se trouve à Freiberg, en Saxe. La société Sunicon GmbH (anciennement Solar Material), une filiale de SolarWorld, a atteint un taux de recyclage en masse pour les modules de 75% en moyenne en 2008, avec une capacité d’env. 1200 tonnes par an. La quantité de déchets de modules PV dans l’UE en 2008 était de 3 500 tonnes / an. Grâce à une automatisation poussée, une capacité d’env. 20 000 tonnes par an sont prévues.

Pour créer un système national volontaire de recyclage à l’échelle de l’UE, l’industrie solaire a lancé en 2007 une initiative commune, l’Association PV CYCLE. On estime que 130 000 tonnes de modules obsolètes sont attendus dans l’UE d’ici 2030. En réaction au développement globalement insatisfaisant, depuis le 24 janvier 2012, les modules solaires ont également fait l’objet d’une modification de la directive sur les déchets électroniques. Pour l’industrie photovoltaïque, l’amendement stipule que 85% des modules solaires vendus doivent être collectés et 80% recyclés. D’ici 2014, tous les États membres de l’UE-27 devraient transposer le règlement dans leur législation nationale. L’objectif est de rendre les producteurs responsables de la fourniture de structures de recyclage. La séparation des modules des autres appareils électriques est préférée. Les structures de collecte et de recyclage existantes seront également élargies.