Le photovoltaïque : les filières, les marchés, les perspectives

Patrick Jourde  CEA/GENEC  Bat.351 CEA Cadarache 13108 St Paul lez Durance

Tel : 04 42 25 21 52 fax : 04 42 25 73 73 Email : patrick.jourde@cea.fr

 

1 . Introduction : L’énergie solaire

 

L’énergie solaire est disponible partout sur terre. Notre planète reçoit 15000 fois l’énergie que l’humanité consomme. Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2 à 3 kWh par jour en Europe du Nord, 4 à 6 kWh par jour en région PACA ou entre les tropiques. Les variations saisonnières été/hiver sont de 20% entre les tropiques, mais sont d’un facteur 2,5 dans le nord de la France par exemple. L’exploitation de cette énergie peut se faire de trois manières :

 

La thermique,

L’énergie solaire est récupérable sous forme de chaleur par des capteurs plans à eau, ou parfois à air. On chauffe ainsi l’eau sanitaire, les maisons, les piscines, etc Les rendements sont de 30 à 60 % et les températures atteignent 60 à 80°C.

La thermodynamique,

Avec des capteurs plans perfectionnés, à absorbant sélectifs ou sous vide, des températures de 80 à 120°C permettent d’alimenter des machines à absorption pour la climatisation ou même pour alimenter des turbines à vapeur. Les rendements sont d’autant meilleurs que l’écart de température avec la source froide est élevé (loi de Carnot). Aussi, des miroirs cylindro-paraboliques concentrent 30 à 50 fois l’image du soleil pour obtenir des températures de 300 °C, et des miroirs paraboliques jusqu’à mille fois l’image du soleil pour atteindre 1000 °C.

 

Le photovoltaïque

Le module photovoltaïque, quant à lui, convertit sur place et très simplement entre 3% et 30% de cette énergie en courant électrique continu. La ressource est abondante (5% des déserts suffiraient pour alimenter la planète), mais la source (le soleil) n’est pas toujours disponible (nuit, nuages), ce qui implique un stockage, maillon faible du système.

C’est pourquoi une autre voie, sans stockage, est le toit photovoltaïque raccordé au réseau électrique. La maison est alimentée par le toit ou le réseau selon l’ensoleillement et vend son surplus d’énergie au réseau.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Fig1 : Carte d’ensoleillement journalier : déserts 7kWh, Europe : 3 kWh          Fig2 : Energie Annuelle disponible

 


2. Le principe et les filières du photovoltaïque

 

2.1 L’effet photovoltaïque

 

L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839, 57 ans avant que son petit-fils Henri ne découvre la radioactivité. L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau possédant au moins une transition possible entre deux niveaux d’énergie (semi-conducteur).

Pour pouvoir transférer un électron de la bande de valence à  la bande de conduction, en créant un trou dans la première, une énergie par exemple de 1,1 eV pour le silicium cristallin, ou 1,7eV pour le silicium amorphe est nécessaire. Les photons absorbés d’énergie supérieure à ce gap peuvent créer une paire d’électron trou, l’électron dans la bande de conduction et le  trou dans la bande de valence. Pour obtenir un courant, on sépare l’électron et le trou en créant un champ électrique dans un semi-conducteur, une diode p-n. La zone n comporte un excès d’électron, la zone p un excès de trou, donnant naissance à un champ électrique séparant les charges créées par l’effet photovoltaïque. Une différence de  potentiel s’établit aux bornes de la cellule photovoltaïque. Pour le silicium, on obtient une zone p en le dopant avec du bore et une zone n en le dopant avec du phosphore.

 

 


                                   Photons

      Si dopé n

     Jonction

     Si dopé p

 

2.2  Les filières

 

De nombreux semi-conducteurs peuvent être choisis. En pratique quatre types principaux de semi-conducteurs sont utilisés :

 

- silicium cristallin,

- silicium amorphe,

- couches minces type AsGa, CdTe, CIS,

- matériaux organiques.

 


2.2.1 Le silicium cristallin 

Il domine le marché à plus de 80%. Les lingots de silicium, mono cristallin ou multicristallin, sont sciés en tranche de 2 à 300 microns, par des scies à fil coupant 2000 cellules à la fois en quelques heures. Les 396 MWc produits en 2001 représentent 200 à 300 millions de cellules traitées et assemblées par 36 puis connectées pour constituer des modules de 50 à 150 Watts crètes* sous 12 volts. Les nombreuses manipulations nécessaires de cellules ultra minces, les importantes quantités de silicium utilisées condamnent à terme ce mode de fabrication, pourtant fiable et performant, pour les très grosses unités de production futures. La taille des lingots et cellules augmentent : les 10x10cm initiaux passent à 15x15, et bientôt 20x20cm. Le silicium cristallin en lingot est annoncé depuis 20 ans comme condamné à court terme, mais se développe depuis bien plus vite que toute autre filière, et dominera encore pendant une à deux décennies.

 

Le silicium « solaire » : un frein à la baisse des prix.

Le silicium provient des chutes de l’industrie électronique, source qui devient depuis peu  insuffisante. En 2001, pour 4200 tonnes de silicium cristallin utilisées, seulement 2200 t provenaient des rebuts de l’industrie des semi-conducteurs. La crise de cette dernière en 2001 permettait de trouver du Si de qualité électronique à prix cassé (25 à 30 €/kg) Mais seul un fabricant investit dans la production de silicium solaire (Scan Wafer en Norvège). En effet, l’industrie du photovoltaïque annonce en même temps développer des techniques qui utiliseront à terme deux à cinquante fois moins de matière.

 

Les filières Si à faible épaisseur

Diverses solutions sont étudiées pour diminuer l’épaisseur des couches de silicium :

Le dépôt sur ruban est une solution testée de longue date et industrialisée par certains fabricants (RWE et Evergreen). La consommation de silicium est divisée par deux (8 g par Wc contre 16 g).

D’autres voies utilisent des techniques réduisant les épaisseurs ou facilitant la constitution de tranche. Le procédé « smart cut » de fragilisation de couche d’une vingtaine de microns puis transfert sur substrat bon marché existe en micro électronique et est en cours de mise au point au CEA pour les dimensions, beaucoup plus importantes, des cellules photovoltaïques.

 

2.2.2 Les couches minces 

Les filières couches minces principales sont le Silicium amorphe (Sia) utilisé depuis de longues années, dans les montres et calculatrices notamment, le CdTe (hétéro jonction cadmium telluride, sulfure de cadmium ), le CIS (hétéro jonction de  disélénure cuivre indium/ sulfure de cadmium). Elles ouvrent donc d’autres voies, sans que l’on sache laquelle dominera. La fabrication se réalisera en automatique, avec tunnels pour les dépôts divers de couches et connexions par laser. Elle est adaptée aux grosses productions.

Une tendance est aux couches tandem Si amorphe Si microcristallin et aux multicouches associant deux semi-conducteurs de sensibilité spectrale complémentaire pour augmenter les rendements.

L’Arséniure de Gallium, qui permet de très haut rendements (33 % en laboratoire), est réservé aux applications spatiales.

 

2.2.3 Cellules organiques et plastiques

Les cellules organiques, encore au stade du laboratoire comprennent la voie des cellules « humides » dites « Graetzel » ou la voie des polymères organiques dites aussi cellules plastiques. Les progrès sur ces dernières sont rapides. Leur avenir industriel n’est pas encore établi, mais ils ouvriraient la voie à des modules de très faible coût. Les rendements actuels sont de 3% au mieux, ce qui suffit à certains marchés. Mais la stabilité des performances n’est pas encore maîtrisée.

 

Cette nouveauté assez récente montre la diversité des filières, et l’ouverture du débat scientifique. Une grande force du photovoltaïque est de reposer sur des technologies microélectroniques et couches minces, objet d’importants efforts pour d’autres applications. On est proche des limites technologiques pour d’autres énergies renouvelables comme les aérogénérateurs. Ce n’est pas le cas du photovoltaïque.

 

* Le watt crète est l’unité normalisée donnant la puissance maximum d’un module, atteinte à la température de 25°c sous un éclairement de 1kW par m², correspondant à l’ensoleillement reçu à midi sur une surface perpendiculaire au soleil.

 

2.3 L’industrie

 


La production est dominée par le Japon, les USA et l’Europe. Les filiales de pétroliers ont un rôle important. Les investissements en cours triplent cette capacité de production (+100 MWc en Europe), en SiC d’abord mais aussi CIS et Sia. L’organique demeure absent. Fig 4 : 

 
Répartition des productions par type (fig du haut) et par société (PV news 1)

 


L’industrie du module photovoltaïque est en très rapide évolution.

- les électroniciens japonais : Sharp, Kyocera, Sanyo, Mitsubishi ont 43% du marché mondial et ont augmenté leur production de 46% en 2000 et 33% en 2001.

- la production américaine couvre 27% du marché et a augmenté de 29% en 2000 et 40 % en 2001. Elle est assurée par Astropower, Shell, (ex Siemens, ex Arco) et BP Solar (ex Solarex)

- la production européenne couvre 20 % du marché, et est menée par Isophoton (+89% en 2001), RWE (+ 64% en 2001), Photowatt (+0%) et BP Solar Espagne (+71%)

 

La production dans le reste du monde représente 8% du marché et est réalisée principalement par BP Solar en Indes et en Australie.

Les pétroliers BP et Shell dominent les marchés occidentaux. Ils ont racheté divers producteurs ces dernières années (Solarex pour BP Solar, Siemens  pour Shell. Total, qui a été un pionnier avec Solems dans les cellules (Sia) et  avec Total Energie, 2ème systémier au monde en 20001, démarre en Belgique une usine de production avec Electrabel.

 

Les verriers sont également actifs. Schott a racheté RWE en mars 2002, St.Gobain Solar Glass fabrique des modules intégrés au toit, etc..

 

Profitant du dynamisme du marché allemand, divers producteurs se lancent dans la fabrication de modules, parfois sur des filières type Sia (Kaneka), CdTe (Antec) ou assurent la simple encapsulation des cellules.

 

2.4  La baisse des prix des modules

 

La baisse des prix des modules est de l’ordre d’un facteur 2 tous les dix ans (voir la courbe d’apprentissage ci-dessous) :

Cette baisse dépend d’amélioration et d’automatisation des fabrications, et, pour les filières du futur, de sauts technologiques pouvant l’accélérer.

Cette capacité de diminution permanente des coûts est un avantage beaucoup plus marquée pour la filière photovoltaïque que pour toutes autres.

 

Pour le silicium cristallin, les voies permettant une baisse des coûts sont les suivantes :

 

¬ Amélioration du rendement de conversion : cette amélioration est lente mais permanente

¬ Baisse du coût des lingots de silicium,et augmentation de leur taille : les cellules passent progressivement de 10x10 cm à 15x15cm et bientôt 20x20cm.

¬ Réduction de l’épaisseur des plaques, présentée plus haut

 

Les moyens d’actions sont :

 

¬ Les lingots : modélisation des fours et creusets

¬ Les plaquettes : optimisation du sciage, des fils, abrasif, et du nettoyage

¬ Les cellules : amélioration de l’optique, de la passivation et de la sérigraphie

¬ Les modules : automatisation généralisée, encapsulation.

 

 


 

 


2.5  De la cellule au système : les composants et le dimensionnement

 

En assemblant des cellules (36 en général), un module est fabriqué, qui prend place dans un système composé typiquement :

- d’un ou d’une série de modules placés sur des supports orientés vers le sud  à une inclinaison correspondant à la latitude +10°

- en application autonome, d’un stockage dans des batteries au plomb permettant d’assurer une autonomie énergétique complète. Pour les installations importantes, un générateur diesel est parfois prévu pour réduire la taille du stockage (système dit hybride)

- d’un régulateur limitant les charges et décharges excessives des batteries et optimisant la gestion de l’énergie

- d’une application, qui correspond progressivement à tous les besoins, familiaux ou  professionnelles, de faible à moyenne puissance, rencontrés en utilisation autonome.

 

Le photovoltaïque raccordé au réseau débite en direct sur le réseau, à travers un onduleur transformant le courant continu en courant alternatif 220V. Il n’y a pas besoin de batterie et régulateur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Les données importantes à retenir sont les suivantes :

 

¬La cellule Sic fournit un courant continu (0,8V-1 à 3 Wc) proportionnel à l’éclairement reçu

¬Un assemblage « série / parallèle » donne les courants et tensions souhaités :

 typiquement 12V-50Wc pour un module de 1mx0,4m composés de 36 cellules

¬Un module photovoltaïque (0,4 m²) 12V 50 Wc délivre :

–environ 40 W en plein soleil (rendement 10%)

–entre 100 (autonome-sud) et 250 Wh (raccordé- nord) par jour

¬ Le temps équivalent de fonctionnement à puissance crête est de 2 à 5 h/jour

¬Un module coûte (prix usine par quantité ) : 1000F( 1 Watt crête coûte 20 F)

¬Un stockage batterie au plomb typiquement d’une semaine est associé, soit 80 Ah 12V par module 50Wc  

 

2.6 Le Stockage

 

Ce thème n’est pas l’objet central de ce chapitre, axé sur le  « photovoltaïque ».

 

Cependant le stockage en photovoltaïque apparaît actuellement comme le maillon faible et le plus coûteux sur le long terme d’un système photovoltaïque autonome. Le stockage en photovoltaïque présente des conditions d’utilisation spécifiques, qui conduisent au renouveau de la technologie des batteries au plomb, solution dominante pour ces stockages.

 

La batterie au plomb domine et dominera

Pourquoi la batterie au plomb est-elle choisie systématiquement ?

 

- Le prix du kWh stocké, le rendement, la facilité de gestion et de maintenance et la durée de vie sont les caractéristiques les plus importantes d’un stockage photovoltaïque.

 

- La capacité par kg de la batterie au plomb (30 à 40 Wh /kg) est plus faible que les autres techniques (CdNi : 50 à 70 Wh/kg, Lithium ion : 150 Wh/kg), mais ce n’est pas un inconvénient pour les applications stationnaires.

 

- En revanche le prix d’achat des batteries plomb est 2 à 4 fois moins cher par kWh stocké que le CdNi et 10 à 20 fois moins cher que le NiMh ou lithium.

 

Des conditions d’utilisation spécifiques

Les conditions typiques d’utilisation d’une batterie solaire sont très différentes de celles d’une batterie de démarrage de voiture ou d’une batterie pour énergie secourue (ordinateurs, etc…). Ces dernières travaillent constamment à pleine charge. L’usage en solaire est également différent des usages en transport pour les chariots élévateurs et véhicules électriques, caractérisés par des cycles de décharge puis recharge complets.

La batterie solaire oscille lentement entre des niveaux de pleine charge et de décharge où elle peut rester assez longtemps selon les saisons.

 

Les indicateurs de charge, et en particulier la tension, ne sont pas parfaitement représentatifs : Une journée ensoleillée fait ainsi passer la tension au seuil de coupure protégeant contre les surcharges, alors que la batterie n’est de fait pas encore pleinement chargée. Diverses astuces ont été développées pour réduire cet inconvénient, qui fait perdre typiquement plus de 20% de l ‘énergie produite par le générateur.

 

Une connaissance plus complète du mode d’utilisation et des phénomènes de vieillissement des batteries à usage solaire permet progressivement de développer des batteries de coût réduit et durée de vie beaucoup plus importantes.

 

La batterie tubulaire : une garantie pour le présent

Il existe en effet au départ deux types de technologie pour les batteries :

 

- les batteries à plaques planes, dont les durées de vie en usage solaire sont réduites (3 à 4 ans). Pour les batteries les plus diffusées, celles automobile dite de démarrage, et souvent utilisées notamment dans les pays en développement, ces durées peuvent se réduire à moins d’un an ; leur conception n’étant pas adaptée à  cet usage. Leur prix par kWh stocké varient de 50 € (démarrage) à 80 € (solaire).

 

- les batteries stationnaires à plaques tubulaires, dont les durées de vie en usage solaire sont de 8 à 12 ans. Leur prix par kWh stocké est de 150 €. Elles sont systématiquement utilisées pour les grosses installations solaires.

 

Les travaux sur les batteries visent à obtenir les performances des batteries tubulaires au prix des batteries à plaques planes

 

Les autres voies

Des études sont également réalisées sur d’autres formes de stockage :

 

- super-capacités et les volants d’inertie ( usage  en appoint ponctuel)

- couple  zinc-air ( performant, mais non ou difficilement réversible)

- Redox (long terme)

- pile à combustible

- air comprimé

- Lithium (petits stockages, applications portables)

 

Un secteur oublié de la recherche et l’industrie européenne

Il est peu probable toutefois que l’une de ces voies remplace la batterie au plomb, sinon pour quelques applications spécifiques.

Cette dernière représente donc un enjeu industriel  aussi important que le module. Pour autant, l’industrie française et européenne a été rachetée progressivement par le groupe US Exide. Ce dernier rapatrie également peu à peu la recherche, bien conscient que la batterie au plomb est au cœur de deux gigantesques marchés futurs : le photovoltaïque, mais aussi la voiture hybride à faible autonomie électrique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  Les applications, les marchés

 

3.1 L’historique

 

- A partir de 1960, les premiers générateurs photovoltaïques furent implantés dans les satellites, qui depuis utilisent quasiment exclusivement cette énergie. Les modules  spatiaux sont légers, à très haut rendement (AsGa, SiC) et doivent résister aux rayonnements spatiaux.

 

- A partir de 1970, les premières applications terrestres alimentaient des électroniques et émetteurs isolés. Cette application s’est progressivement généralisée depuis. Près de 200 000 bouées, phares ou balises maritimes sont ainsi alimentés, sans alimentation de secours, comme toutes les autres solutions le nécessitent. Le photovoltaïque dans un matériel de qualité professionnelle est extrêmement fiable.

 

- A partir de 1975, les pompages solaires se sont développés, en particulier pour le Sahel.

 

- A partir de 1980, des maisons photovoltaïques et des électrifications rurales ont été faites, en Polynésie d’abord, puis au Kenya, en Indes, en république Dominicaine, etc.. Ces électrifications ont pris de l’ampleur depuis 1990, et touchent en 2002 plus d’un million de maisons.

 

- A partir de 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001. 

 

3.2 Deux marchés principaux pour des applications très variées

 

La diversité des applications présentées en 3.1 est garante de l’avenir du développement du photovoltaïque, qui peu à peu envahit le paysage quotidien de nombreux pays, et bientôt de la France..

Actuellement, deux applications dominent à égalité le marché:

- les électrifications autonomes (professionnelles, habitat isolé, électrification des pays en développement)

- les maisons raccordées au réseau (en toit, façade,…)

Pourtant à 10 F par kWh, le photovoltaïque autonome est compétitif (voir 3.3), voir sans concurrence, même si le plus grand marché potentiel, le tiers-monde, est difficilement solvable.

Le raccordé au réseau, à 2 F, n’est pas compétitif, à court terme au moins. Mais il bénéficie de grands programmes nationaux (DE, JP, SP,..) subventionnés, et il le deviendra à moyen terme.


 

 

3.3 Le marché des pays en développement

 

3.3.1 Une solution dès aujourd’hui compétitive

L’énergie photovoltaïque alimente dans chaque maison en autonome l’éclairage, une petite TV, la radiocassette. Il est dès maintenant sans concurrence là où le réseau n’existe pas actuellement, soit pour 2,5 milliards d’habitants. Trois raisons justifient cet avantage sur les autres solutions :

 

A- L’économie d’un réseau, en fait très coûteux (20 à 30 000 €/km) : le photovoltaïque révolutionne la distribution de l’électricité en permettant de rendre autonome des maisons, des villages, des équipements techniques.

 

B- Le remplacement de solutions archaïques et polluantes


Dans les zones non électrifiées du tiers-monde, le photovoltaïque se substitue au kérosène des lampes et aux piles chimiques des radios ou batteries des petites TV N&B.

 


Tab.6 : Répartition des Marchés                         Fig.7 : Consommation annuelle - répartition

 

Ces solutions sont archaïques, coûteuses et polluantes. Le kWh d’une pile chimique est par exemple à 500 €.

Les dépenses en kérosène, piles, bougies,.. sont typiquement de 10€ par mois pour chaque famille.

Ceci rembourserait en 30 mois l’achat d’un petit générateur photovoltaïque délivrant un service 10 à 50 fois meilleur en terme de quantité d’énergie et de confort.

Le photovoltaïque revient, en coût moyen sur la durée de vie, 2,5€ par mois. Chaque famille économiserait 7,5€ par mois. Ces sommes amélioreraient sensiblement les conditions de vie de ces personnes, parmi les plus déshéritées de la planète.

 

C- L’extension d’un réseau n’est pas une solution compétitive lorsque la consommation annuelle est inférieure à 500 kWh par an ce qui est le cas de 42% de la population mondiale (voir Fig 7) ; Les frais d’entretien des lignes et prélèvement de factures variables, donc demandant des relevés de compteurs, ne sont pas amortissables.

 

3.3.2 Electrifier la planète : Un faible budget comparé aux énormes retombées

 

Electrifier les pays en développement apparaît de plus en plus comme une priorité peu coûteuse à l’échelle mondiale si l’on utilise les générateurs photovoltaïques (

 

Chaque maison rembourse en 5 ans le prêt pour le générateur ( coût 300 € en 2002- 100€ en 2020) Le programme coûte 5 G€ par an sur 30 ans, soit 150 G€. Il ferait économiser 7,5 € par famille et par mois à ces familles, soit 450 G€ au total. Le processus en outre s’auto-alimente (revolving process). Il faut financer les 5 premières années. Les remboursements financent la suite.

 

Changer la vie de 2,5 milliards d’habitants demande un prêt remboursable de 5 G€ par an pendant 5 ans, soit l’équivalent d’un prêt pour 30 000 appartements à Paris !!

C’est en théorie plus qu’attrayant. Mais plein d’obstacles pour être mis en œuvre.

 

Les conséquences du processus  d’électrification étendu à 500 millions de maisons sont énormes. L’électrification des écoles, infirmeries, pompages, en plus des maisons, garantit les conditions minima de confort, éducation, santé, et favorise un développement économique local en alimentant les activités villageoises. Elle diminue l’écart Nord/Sud et stabilise les populations.

 

3.3.3  Les programmes actuels et futurs dans les pays en développement

 

La France a été la pionnière en lançant dés 1978 dans le Pacifique le premier programme d’électrification, puis en développant des programmes dans les DOM, soutenus par les lois Pons puis Paul.

 

Un million de maisons sont actuellement électrifiées, en Inde, Philippines, Indonésie, Mexique, Kenya, Maroc, Bolivie, Chine, …Les programmes se développent sous des formes très variées, dont les principales sont :

- programme nationaux, : Indes, Chine

- sociétés de service : EDF en Argentine, à Madagascar, Afrique du Sud,..

- la collaboration bilatérale : France + Indonésie ou Maroc, USA + Brésil,  Philippines + Australie….

- les organismes de développement : Banque Mondiale, Europ Aid, en Inde, Chine, Maroc, Zimbabwe,…

- les privés : Kenya, Maroc,…

 

3.4 Les toits photovoltaïques

 

Si les programmes destinés à l’électrification d’un tiers de la planète demeurent lents à se mettre en place, des aides considérables sont progressivement mises en place pour favoriser la diffusion de toits photovoltaïques.

 

3.4.1  Principe

Un générateur PV de 1 à 5 kWc est installé sur le toit photovoltaïque et est raccordé au réseau électrique. La maison est alimentée par le toit ou le réseau selon l’ensoleillement et vend son surplus d’énergie au réseau. Le photovoltaïque est moins adapté aux situations préexistantes, comme celles des grands réseaux de distribution de nos pays. Dans un site raccordé au réseau, le kWh photovoltaïque à 0,4 € est aujourd’hui confronté au kWh nucléaire à 0€03 ou éolien à 0€06.

Les programmes allemands ou japonais de toits photovoltaïques ont pour objet de subventionner le développement du photovoltaïque pour faire atteindre un stade industriel à cette filière et en baisser les prix.

 

3.4.2 Les modes d’intervention

 

Les moyens d’intervention sont de quatre ordres :

- des appels d’offres

- des subventions à l’investissement

- un prix de rachat du kWh garanti

- un système de bourse d’électricité verte

 

Le Japon, les Pays Bas et l’Allemagne ont été les précurseurs depuis 1995/2000. L’Espagne, l’Italie, les USA et la France les rejoignent en 2002. Citons deux exemples : l’Allemagne et la France :

 

3.4.3  Allemagne

 

L’Allemagne avait mené en 1995 un premier programme de 1000 toits solaires. En avril 2000 un programme a été lancé combinant un rachat à 0,5€/kWh et des prêts à taux zéro. Très incitatif, ce dernier rencontre un grand succès. Près de 100 MWc ont été installés les deux premières années, ce qui a entraîné une pénurie des modules photovoltaïques sur le marché mondial.

 

3.4.4 France

 

La France a mis en place en fin 2001 et mars 2002 des incitations également très intéressantes.

- prix de rachat du kWh à 0,15 € en métropole, 0,3 € en Corse et dans les DOM.

- subventions sur les installations photovoltaïques intégrées au bâtiment de 4,6 € ou 6,1 € par watt crête, soit près des ¾ du coût.

- déduction fiscale de 15% .

- dans les DOM, la loi Paul porte la déduction à 50%.

 

Ces politiques de subvention sont fort coûteuses lorsque de nombreuses installations sont à financer. Elles sont amenées à disparaître toutefois progressivement ensuite. Ce sera le cas au Japon dés 2003.

 

En France, une autre stratégie a été proposée par l’Office Parlementaire d’Evaluation des Choix Scientifiques et Techniques ². C’est le plan Face Sud. Il vise à réduire le surcoût d’une maison « zéro émission »  avec une toiture occupant toute la face sud et combinant les fonctions couverture, production d’électricité et chauffage de la maison. Une fois cet habitat innovant au point, il sera diffusé à large échelle sans surcoût pour l’usager ou la collectivité. Pour un surcoût à terme de moins de 3% sur le total de la construction, la maison produit plus d’énergie qu’elle ne consomme.

 

 

4. Bilan et perspectives

 

4.1 Les points forts du photovoltaïque

 

Les forces du photovoltaïque sont :

 

- de reposer sur des technologies microélectronique et couches minces, en conservant une bonne marge de progrès et d’innovations. Le photovoltaïque envahi progressivement certaines niches, en progressant en volume de plus de 30% chaque année depuis 1999.

 

- de pouvoir s’intégrer un peu partout, pour fournir sur place de petites puissances (de 1 à 5000 watts), domaines ou aucune autre filière ne peut entrer en compétition avec le photovoltaïque ;

 

- d’être un générateur simple et très fiable. Les modules sont garantis pendant 25 ans par la plupart des constructeurs. Ils ont une durée de vie bien supérieure, aucune pièce n’étant en mouvement. L’entretien concerne essentiellement la batterie. Ainsi la quasi-totalité des bouées et balises maritimes est passée au photovoltaïque. Contrairement à toutes les solutions utilisées auparavant (diesel, piles, éoliennes) aucune énergie de secours n’est prévue, la fiabilité du fonctionnement dépassant 99,9%

 

- de pouvoir s’intégrer facilement, sans gênes particulières (bruit, esthétique si certains progrès sont réalisés.) Il se substitue notamment à des toits ou façade, comme élément de bâtiment en verre produisant de l’énergie ;

 

- d’avoir un potentiel illimité. 5% de la surface des déserts suffiraient pour alimenter la planète entière.

 

- Plus que le prix du kWh, c’est le coût de la substitution à une autre solution qui est important. Le photovoltaïque se substitue à la création d’un réseau électrique et est moins cher en zone rurale que ce réseau. Il se substitue au toit classique, qui vient en diminution du coût.

 

4.2 Les points faibles

 

Le développement du photovoltaïque est rapide, mais représente encore peu de chose dans le bilan énergétique mondial. L’ensemble des modules existant actuellement produit autant d’énergie que 20 % d’une tranche nucléaire. Ce n’est notamment pas une solution significative pour répondre immédiatement aux enjeux nationaux actuels : passer de 15 à 21% la contribution des énergies renouvelables dans la production d’électricité nationale entre 200 et 2010.

 

- Le stockage est le maillon faible. La solution est d’allonger la durée de vie des batteries pour la rendre proche de celle des modules. C’est un objectif atteignable en 2010. Le temps de retour énergétique de la batterie est un autre point faible. Le module rembourse en 2 à 4 ans l’énergie dépensée pour sa fabrication, soit en 1/10 de la durée de vie. En revanche, le temps de retour des batteries est de 2 à 4 ans, soit équivalent  sinon supérieure à la durée de vie de certaines batteries.

 

- La R&D se focalise sur le module, et a ainsi longtemps ignoré le stockage, et oublié curieusement les équipements alimentés. Energie durablement la plus chère par kWh, produisant et stockant du courant continu, le photovoltaïque est tributaire du développement d’équipements en courant continu  à très faible consommation. Ce développement sera lent et aujourd’hui est à peine amorcé.

 

- Le photovoltaïque est sans concurrence pour fournir une faible énergie à la verticale même du besoin. Il faut donc répondre aux besoins individuellement, multiplier les générateurs. Ceci est plus facile en terrain vierge, où une nouvelle approche est possible.

 

- Les problèmes non techniques, l’adaptation aux usagers, les limites de fourniture d’énergie qui sont  liées notamment à la météo, la modification des approches classiques bouleversent tellement les habitudes que seules des crises, pétrolières par exemple, accélèrent les adaptations nécessaires.

 

 

4.3 Les marchés potentiels

 

Les perspectives à long terme pourraient être vues comme sans limite.  :

 

- marché captif de 2,5 milliards d’habitants du tiers-monde, qui seront 4 milliards dans 40 ans.

 

- marché de toits photovoltaïques, qui pourraient devenir le toit standard à terme, équipant chaque nouvelle maison pour contribuer à respecter le protocole de Kyoto.

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Dans le domaine de l’énergie, l’échelle de prix du kWh part de la grande hydraulique ou la centrale nucléaire de 1400 MW à 0.03 € par kWh pour aller jusqu’aux piles chimiques sèches fournissant 1 Wh au prix de 600 € par kWh. Les débats sont concentrés surtout sur les générateurs de fortes puissances, où l’on retrouve les centrales hydrauliques, fuel, turbine gaz, et même les fermes d’éoliennes. Toutes supposent l’existence d’un réseau, souvent fort coûteux au demeurant. Le photovoltaïque couvre, sans concurrent sinon les piles à combustibles, le domaine de puissance situé entre les petits générateurs diesels de quelques kW et les piles chimiques de quelques watts.

 

 

4.4. Un problème complexe : les mécanismes financiers

 

Les difficultés sont d’abord non techniques, et concernent la mise en place des prêts et leur remboursement. Les formules sont variées : banques vertes, coopératives, pré-paiement par cartes ou compteurs, etc.. Les clients peuvent être propriétaires. Mais une autre formule se aussi développe rapidement : la société de service louant les matériels.

 

4.5  Perspectives lointaines

 

4.5.1 Rapport de l’EPIA 3 (Association Européenne des Industriels du Photovoltaïque)- Mars 2002

Ce rapport est réalisé par les industriels du domaine. Il est parmi les plus optimistes. Les chiffres annoncés sont stupéfiants. Mais la réalité a parfois dépassé les prévisions dans le domaine des énergies renouvelables.

En 2020 :

- 20 7GWc d’installations photovoltaïques fonctionneront

- le photovoltaïque alimentera un milliard d’habitants dont 30 % des habitants africains.

- 2,3 millions d’emplois seront créés par cet industrie.

- l’investissement sera de 75 milliards d’euros par an.

- 82 millions d’habitants des pays développés dont 35 millions en Europe auront des installations photovoltaïques connectés au réseau

 

4.5.2  Centrale dans les déserts

Un groupe de travail de l’AIE (Tâche 8) associe 10 pays pour l’étude de centrales couvrant la surface des déserts en photovoltaïque. Nous l’avons dit : 5% de ces surfaces suffiraient pour alimenter la planète. Mais il faut ensuite transporte ou stocker cette énergie.

 

4.5.3 Centrales spatiales

Un module produit jusqu’à 8 fois plus d’énergie dans l’espace. Des centrales solaires sont envisagées, avec renvoie de l’énergie par faisceaux micro-ondes.

 

Conclusions

 

Le marché est en expansion, le contexte énergétique, politique et environnemental est très favorable, les applications et les innovations se multiplient, la ressource est quasi illimitée.

 

Le photovoltaïque a deux handicaps surmontables à moyen terme: par des efforts de R&D 

 

- Le stockage en application autonome pour lequel il faudra améliorer la durée de vie des batteries au plomb.

 

- Le coût en raccordé au réseau pour lequel il faudra baisser le coût de modules et développer des versions hybrides thermique+photovoltaïque.

 

Il devrait être d’ici 20 ans une filière énergétique importante, et pourrait à long terme dominer dans les pays en développement. Il est en effet imbattable :

 

.- en terrain vierge, non électrifié, pour de puissances inférieures à2 kW

 

 - pour tout usager consommant moins de 10 kWh/mois, même sur un réseau

 

=> dans un réseau : le photovoltaïque sera-t-il un jour le toit standard ?

=> dans les pays en développement : le photovoltaïque sera-t-il un jour l’énergie standard ?

 

Bibliographie

 

1- PV news mars 2002

2- Etat actuel et perspectives techniques des énergies renouvelables  Claude Birraux-JY Le Déault  PECST décembre 2001 Assemblée nationale N°3415

3- Solar generation EPIA février 2002