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Energie Solaire Photovoltaïque : Etat de l‘art

Mansour Assani Dahouenon,

Conseiller Technique GTZ

12.07.2008

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Le photovoltaïque

L’énergie solaire représente 0,009% de la production énergétique mondiale

Une production 2900 MW en 2007 La capacité 4000 MW en 2007 n’a pu être

utilisée à cause de la pénurie de silicium Le marché mondial du photovoltaïque (PV)

devrait être multiplié par 100 d’ici à 2030 Représentera ainsi alors 300 GW et un CA

annuel de 450 milliards d’euros

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La technologie

Plus de 85 % des cellules photovoltaïques utilisées, qui ont fait leurs preuves pendant des décennies, sont jusqu’à présent constituées de silicium cristallin

la part de marché des cellules dites à couche mince devrait toutefois augmenter, car il est possible de les fabriquer à coût réduit. Elles sont 200 fois plus minces et permettent ainsi de réaliser des économies en termes de matériaux et de consommation d’énergie

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La technologie

Les cellules photovoltaïques à couche mince sont constituées de silicium amorphe, de tellure de cadmium, de séléniure de cuivre-indium ou d’autres matériaux semi-conducteurs, qui sont appliqués sur un matériau de support en tant que couches minces.

Ces cellules présentent actuellement un rendement plus faible que les cellules cristallines et nécessitent une surface d’installation plus importante afin de produire la même quantité d’électricité

Elles ouvrent donc d’autres voies, sans que l’on sache laquelle dominera

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La technologie

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

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

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La technologie ( suite)

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%

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La technologie

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,

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La technologie Types cellules Rendements des cellules Domaines

d’applications théorique Laboratoire commerciales

Silicium monocristallin 27% 24,7% 14 à 16% Module de grande dimensions, espace( satellite)

Silicium polycristallin 27% 19,8% 12 à 14 % Modules de grandes dimensions générateurs de toute taille

Silicium amorphe ( A-Si) 25% 13% 6 à 8%

Arséniure de Gallium ( GaAs) 29% 25,7% 18 à 20% Système de concentrateur , espace

Séléniure de cuivre Indium-Gallium(GIGS)

27,5% 18,2% 10 à 12% Appareils de faibles puissances de grande dimension ( intégration au bâtiment)

Tellure de Cadmium( CdTe) 28,5% 16% 8% Modules de grandes dimensions

Silicium cristallin en couche mince

27% 16,9% 9 à 11% Module non spécifique

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Les cinq premiers fabricants mondiaux : Q-Cells, Sharp, Suntech, Kyocera, First Solar.

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020406080

100120140160180200

1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 20120

1

2

3

4

5

6

7

Marchéannuel

Prix devente

Exponentiel (Prix devente)

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Le stockage Type de batterie

Durée de vie ( Cycles à 80% DOD)

ηWh

[%]

AutoDécharge[%/mois]

Temp

[°C]

Coût

[€ /kWh]

Coût

[€ /kWhe

Plomb/ouvert plaques planes

600 83 3 -15 à 55°C 158 0,27

Plomb ouvert

/plaques tubulaires 1500 80 3 -15 à 55°C 174 0,12

étanches à plaques planes

>500 >90 4 - 20 à 50°C 164 0,33

Étanches à

plaques tubulaires 1000 >90 4 -20 à 50°C 192 0,19

Batteries Ni-Cd type ouvert

2000 71 10 -40 à 45°C 665 0,33

Batteries Ni-Fe

3000 55 40 0 à 40 °C 1023 0,34

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Le stockage

La batterie au plomb domine et domineraPourquoi 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

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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)

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Une amélioration importante apportée au batteries au plomb

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Des améliorations permanentes au niveau de la régulation de charge

Algorithme de charge plus adapté Régulation à partir du SOC et non seulement

de la tension

Compensation en température de la tension de fin de charge

Conditionnement automatique de l’électrolyte compensation en courant de la tension de

fin de décharge

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Une gamme variée d’onduleur

De 1000W 280 000 W……. 80.000 W …….

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Autonomes PED; 12%

Autonomes PD; 6%

PV/Diesel; 10%

Communication; 14%raccordés

réseaux; 42%

Centrales PV>100KW;

2%

systèmes embarqués;

14%

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Des systèmes de plus en plus innovants

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Des systèmes de plus en plus innovants

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Des systèmes de plus en plus innovants

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Des systèmes de plus en plus innovants

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Des systèmes de plus en plus innovants

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00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

900 1200 1500 1800 2100 2400

Equipement degrande taille ( 5000Euros/KWc)

Equipement depetite taille ( 7000Euros/KWc)

Irradiation [KWh/m²/an

Coût Euros/KWh

Des coûts de production en diminution

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kWc

année

Le photovoltaïque au Sénégal

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Répartition de la puissance crête installée par application

Pompes24%

Télécoms19%

SPD37%

centralesPV15%

Le photovoltaïque au Sénégal

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Le photovoltaïque au Sénégal

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Quel est l’avenir du solaire photovoltaïque?

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 2000 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

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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.

Quel est l’avenir du solaire photovoltaïque?

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(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

Quel est l’avenir du solaire photovoltaïque?